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Professor Ramón S. Cortés Paredes, Dr. Eng.

Curitiba PR 2009

1 INTRODUÇÃO

A aplicação de revestimentos protetores, com finalidades de engenharia, inicialmente era requerida para proteção de conjuntos e componentes mecânicos contra a corrosão. E devido ao avanço de pesquisas no desenvolvimento de novos materiais, atualmente, os revestimentos são utilizados também para elevar a resistência ao desgaste, a corrosão, isolamento térmico e elétrico e contra incompatibilidades químicas e biológicas e recentemente está sendo utilizado aplicando revestimentos para implantes.

O desenvolvimento da tecnologia de aspersão térmica baseia-se na necessidade de se aumentar a vida útil de sistemas e peças, em face o elevado custo de componentes de reposição aliado as vantagens de se recuperar peças as quais se elimina a substituição. E com isto deseja se elevar o desempenho dos sistemas mecânicos em uso. Os quais são cada vez mais solicitados e dentre seus parâmetros de trabalho mais importantes podemos citar a pressão e a temperatura. E para resistir a acréscimos nas solicitações térmicas e mecânicas é exigido da ciência dos materiais o desenvolvimento de ligas especificas para resistir às mais diversas condições de serviço.

Outro fator que promove este desenvolvimento no Brasil vem da exploração do petróleo que tem sua concentração de enxofre elevada fazendo que com isso se tenha um incremento na responsabilidade dos equipamentos para o seu processamento. Em face desta informação a utilização de revestimento estabelece um conjunto de fatores que tem que se completar entre si, como a necessidade tecnológica de que sistemas e peças sejam projetados para operar de forma confiável e satisfatória de forma economicamente viável tanto na sua fabricação quanto na manutenção.

A importância da técnica de revestimento através de “Thermal Spray” – Aspersão

Térmica, tem seu avanço mais pronunciado sobre outras formas como CVD (Chemical vapor deposition – deposição química e vapor) e PVD (physical vapor deposition – deposição física de vapor) conforme mostra o BCC Research que compara a evolução nos anos de 2004 e 2009 nos

Estados Unidos quanto aos custos relativos à utilização de revestimento, como pode mostra a Figura 1.

Figura 1 – Avanço financeiro da aspersão térmica nos Estados Unidos. Fonte: http://www.bccresearch.com/report/AVM015C.html

De acordo com os processos de aplicação de revestimentos protetores podemos classificar os processos de aplicação em três grandes grupos:

Aqueles que envolvem fusão do metal e do material de aporte.

Aqueles que envolvem somente a fusão do material de aporte.

Aqueles que envolvem um processo de difusão.

É fundamental que sejam analisadas as mudanças superficiais causadas por um ambiente ou por uma condição de trabalho, para determinar à seleção do material para o revestimento e seu processo de aplicação. E é importante garantir elevada aderência, baixa porosidade, facilidade de deposição e custo adequado comparado com outras técnicas de proteção de materiais.

Para a aplicação é necessário que se tenha o material de aporte, uma fonte de energia para fundir ou fundir parcialmente as partículas e transferir energia cinética e mais ainda um tipo de bico para direcionar a aplicação, conforme mostra Figura 2.

Figura 2 – Esquema de aplicação do processo de aspersão térmica

2 PROCESSOS DE ASPERSÃO TÉRMICA

De forma simplificada a aspersão térmica consiste em um grupo de processos por meio dos quais se deposita, sobre uma superfície previamente preparada, camadas de materiais metálicos ou não metálicos.

E para os processos de a aplicação de aspersão térmica, os materiais depositados são levados a um estado fundido ou semi fundido através de uma fonte de calor gerado no bico de uma pistola apropriada. E logo após a fusão, o material na fase de solidificação (na forma de partículas) é acelerado por gases sob pressão contra o substrato que será revestido. A colisão contra a superfície as partículas deformam-se e aderem ao material base e na seqüência sobre as partículas já depositadas formando camadas. E estas camadas são constituídas por pequenas partículas deformadas na forma de panquecas em direção paralela ao substrato formando lamelas. (AWS, 1985).

Então de acordo com esta definição qualquer material que não se decomponha quando fundido pode ser utilizado como revestimento.

A classificação dos processos de aspersão térmica distingue-se em dois grupos um que usa a chama e outro que utiliza a energia elétrica como fonte de energia. Conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3 – Classificação dos processos de aspersão térmica.

A classificação apresentada na Figura 3, na atualidade, pode ser complementada incluindo os processos “combustion-arc” e “Coald Spray”. O processo combustion-arc o qual segundo (MENEZES, 2007), consiste na introdução de uma pequena câmara de combustão interna à pistola e anterior ao arco elétrico, que gera gases de combustão, com temperatura e pressão elevadas o suficiente para gerar partículas de menos diâmetro e com maior velocidade. Apresentando como resultado níveis de porosidade inferiores a um por cento e também obtém parâmetros de rugosidade superficial inferior quando comparado ao arco elétrico convencional.

Este processo representa uma solução não convencional derivada dos processos a arco elétrico e chama de elevada velocidade. Este processo caracteriza-se por otimizar as melhores propriedades de ambos processos (elevada temperatura do arco e elevada velocidade de propagação da chama), obtendo revestimentos de elevada densidade, tamanho de partículas muito pequenas, elevada tensão de aderência e depósitos de muitas camadas. Na atualidade tem sido preferencialmente utilizado para a deposição de revestimentos oxidos-cerâmicos. Segundo a MetalSpray fabricante destes equipamentos as camadas depositadas por este novo processo proporcionam desempenho superior e de longa vida em meios corrosivos.

Sobre o processo “Coald Spray” no ponto X será detalhado.

O material do revestimento, o método de aquecimento e o método de aceleração das partículas são variações básicas dos processos de aspersão térmica e segundo a Tabela 1 temos poder calorífero dos gases combustíveis utilizados e na Figura 4 a velocidade de impacto das partículas conforme seus métodos de aplicação.

Tabela 1 – Temperaturas das fontes de calor adaptado, (ASM, 1994).

Fonte Temperatura (°C)

Propano + Oxigênio 2526

Gás Natural + Oxigênio 2538

Hidrogênio + Oxigênio 2660 Propileno + Oxigênio 2843 Acetileno + Oxigênio 3087 Arco Plasma 20 - 28000

Figura 4 – Velocidade média de impacto das partículas conforme os processos (MARQUES, 2003).

E evolutivamente conforme a Figura 5 mostra o desenvolvimento crescente da indústria de aspersão térmica, e a partir do ano de 1970 o aumento nas vendas relativo aos processos de AT oxi-combustível de alta velocidade e plasma de alta energia.

Figura 5 – Historia e crescimento da indústria de AT (THORPE, 1998).

2.1 ASPERSÃO TÉRMICA A CHAMA CONVENCIONAL – FS

Este processo, FS (Flame Spray – Aspersão por chama), também conhecido como processo a chama oxiacetilênica, que utiliza a energia gerada pela combustão de um gás combustível misturado com oxigênio para fundir o material de deposição que pode ser na forma de pó ou arame (sólido ou tubular). E os materiais podem ser metais, ligas metálicas, materiais cerâmicos e até alguns plásticos.

2.1.1 Aspersão Térmica a Chama Utilizando Pó

E para o processo de FS utilizando o material de aporte na forma de pó tem-se a alimentação de gás de forma axial e a alimentação do pó para a pistola é geralmente por gravidade, na qual as partículas têm a mínima velocidade no momento do encontro com a chama. E neste instante ocorre a fusão e um jato de ar comprimido as projeta contra o substrato. Um esquema deste bocal é mostrado na Figura 6.

E utilizado FS com pó o revestimento tem menor resistência adesiva e resistência coesiva e maior porosidade em geral e isto devido a menores velocidades alcançadas pelas partículas.

Logo as aplicações recomendadas são quando utilizadas com materiais chamados autofluxantes, principalmente as ligas a base de níquel. Então após serem depositados materiais com estas ligas com auxilio de maçaricos ou fornos o revestimento é aquecido até sua fusão e atingir sua densificação e aderência desejada. Mas a camada deste revestimento é limitada até as faixas de temperatura de fusão sem que haja a descamação.

b1b2

Figura 6 – a) Esquema da seção transversal de uma tocha de aspersão por FS utilizando pó (MARQUES, 2003); b1) Pistola a chama por gravidade e b2) Pistola chama tipo 6P (LABATS).

O pó de alimentação pode ser um metal puro, uma liga, um compósito, uma cerâmica, um carboneto ou qualquer combinação destes, com uma taxa de alimentação que pode variar de 50 a 100 g/min e com taxa de fluxo de gás de transporte entre 3 a 5 l/min.

2.1.2 Aspersão Térmica a Chama Utilizando Arame

Para aplicação com o material na forma de vareta ou arame o equipamento deve possuir um sistema de alimentação que pode ser através de roletes que são tracionados por motor elétrico, motor pneumático ou por uma turbina de ar. E o material é alimentado até a tocha que para utilização de arame tem a seguinte configuração conforma a Figura 7.

O arame alimentado, de forma continua e concêntrica, é fundido no bocal por uma chama de gás combustível que só tem esta finalidade. E para aspergir o material é utilizado ar comprimido e devido à configuração do bocal, o fluxo de ar lançado sobre as partículas fundidas faz com que haja a pulverização com maior velocidade (energia cinética) até o substrato. Esta energia é aumentada pelo ar comprimido de duas maneiras:

Distribuição de gases combustíveis ao redor do arame para uma fusão uniforme e,

Assegurar o tempo suficiente de permanência do arame na chama para uma fusão eficiente, mesmo utilizando-se velocidades do ar comprimido elevadas.

Figura 7 – a) Esquema da seção transversal de uma tocha de aspersão por FS utilizando arame (MARQUES, 2003). b) Modelo de pistola a cama arame tipo E14 (LABATS)

E segundo (PAWLOWSKI, 2008) o diâmetro dos arames varia de 3 a 6mm, mas os mais comuns são 3, 3,17 e 4,75mm, e a taxa de alimentação do arame podem variar de 40 a 650g/min. Para os materiais mais comumente usados na forma de vareta são cerâmicos e para esta aplicação as tochas são projetadas com algumas variações no bocal de gás, tampa de ar e sistema de alimentação. E devido a temperaturas e fusão das cerâmicas ser mais elevados é necessário mais cuidado com o manejo e no ajuste de suas variáveis. E também tem diâmetros variando entre 3 e 6mm.

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