Barreiras térmicas compósitas obtidas por projecção térmica

Abstract

Este trabalho foi elaborado com o intuito de melhorar os conhecimentos sobreos revestimentos cerâmicos utilizados como barreiras térmicas, as suaspropriedades mecânicas e a tecnologia usadapara os obter. Foram produzidas barreiras térmicas cerâmicas de zircóniaparcialmente estabilizada (PSZ) com magnésio, utilizando a técnica de projecção térmica High Velocity Oxygen Fuel (HVOF), sobre um substrato metálico de aço inoxidável AISI 304. Estas barreiras térmicas ou Thermal Barrier Coatings (TBCs), consistem numa camada de ligação (bond-coat) e um revestimento cerâmico (top-coat) para fornecer protecção térmica ao substrato. Produziram-se 3 tipos de amostras, utilizando-se como bond-coat uma liga comercial de Ni-Al-Mo e como top-coato cerâmico ZrO2-MgO, com principal componente a fase metaestávelMg2Zr5O12. As amostras diferem no número de camadas de top-coate no tratamento térmico superficial após projecção térmica. Utilizaram-se as técnicas de microscopia electrónica de varrimento (SEM), espectroscopia dedispersão de energia de raios X (EDS) e difracção de raios X (DRX), para acaracterização das amostras. Para a avaliação das propriedades mecânicasdo top-coat, determinou-se a dureza Vickers e efectuaram-se ensaios de erosão por partículas sólidas, para o bond-coat foi realizado um ensaio denanoindentação. Todas as amostras apresentam elevada porosidade, valoresde dureza relativamente baixos e elevadas taxas de erosão. As amostras comduas camadas de revestimento cerâmico apresentaram o melhorcomportamento, com uma dureza de 2,04GPa e taxa de erosão de 0,295g/kg,inferior à das restantes amostras. Novos estudos têm que ser realizados a fimde avaliar e tentar melhorar as suas propriedades, começando nomeadamentepor um maior controlo na temperatura de deposição e no fluxo de partículas do(HVOF), visto estas alterarem significativamente a microestrutura dasamostras. Além dos ensaios realizados, devem também fazer-se um estudo de nanoindentação ao top-coatpara identificar diferenças entre as diversas condições de projecção, realizar ciclos térmicos a altas temperaturas e verificara adesão entre as várias camadas constituintes, bem como efectuar ensaiosde erosão a altas temperaturas. A grande vantagem da aplicação deste tipo revestimento é, sem dúvida, o seu baixo custo, em comparação com outros de zircónia parcialmente estabilizada aplicada por Plasma Spray.

ABSTRACT: This work was performed having in mind the improvement in the knowledge ofceramic coating used as thermal barriers coatings, their mechanical propertiesand the technology used to obtain them. Thermal barriers coatings, of MgO partially stabilized zirconia were produced using the High Velocity Oxygen Fuel thecnique on a metallic substrate of AISI 304 stainless steel. These Thermal Barrier Coatings (TBCs) consist of a bond-coat and a top-coat used to give a thermal protection to the substrate. Three types of samples were produced,using as bond-coat a comercial Ni-Al-Mo alloy and as top-coat a ZrO2-MgO ceramic powder that had as main component the metastable phase Mg2Zr5O12.The differences among them are the number of layers and the final surfaceheat treatment. Scanning electron microscope (SEM), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and X-ray diffraction (XRD) were used to characterize the samples. Hardness and solid particle erosion tests were performedin order to evaluate the mechanical properties of the top-coat and nanoindentation mapping was done across the substrate/bond-coat interface. The sample with two layers of ceramic coating was the one that showed a bettermechanical behaviour, presenting a hardness value of 2,04 GPa and erosion rate of 0,295g/kg, lower than that of the others. All samples have high porosity, lowhardness values and high erosion rates. In the future, further studies should beperformed to estimate and try to improve their properties, starting with a highercontrol of the deposition temperature and the particles flow in the HVOF giventhat they alter significantly the sample microstructures. It is also suggested todo nanoindentation tests in the top-coatfor assessment of differences in the materials deposited, perform thermal cycles and also erosion tests at hightemperatures and control the adhesion between constituent layers. The biggest advantage of these coatings is their low price when comparingwith other partially stabilized zirconia based coatings applied by Plasma Spray.