Relação entre microestrutura e erosão (a frio e a quente) de revestimentos do sistema NiCr-Cr3C2 obtidos por aspersão térmica

Abstract

Este trabalho investigou o fenômeno da degradação de revestimentos obtidos por aspersão térmica pelas técnicas de HVOF e plasma spray, de um sistema metal cerâmico à base de NiCr (NiCr-Cr3C2), submetido à erosão, desde a temperatura ambiente até 800°C, relacionando a resistência à erosão à sua microestrutura. Os revestimentos erodidos tiveram o sistema NiCr-Cr3C2 com percentual das fases variável. No caso dos revestimentos obtidos por HVOF investigou-se o comportamento em revestimentos com 0, 35, 70 e 75% de fase Cr3C2 na matriz metálica, NiCr. Já no caso dos revestimentos obtidos por plasma spray avaliou-se o comportamento em revestimentos com 0, 35, 70 e 100% de fase Cr3C2 na matriz metálica, NiCr. Para os ensaios de erosão foi construído um equipamento capaz de variar as condições experimentais como velocidade, fluxo, ângulo de incidência do erodente, além da temperatura de ensaio. Os revestimentos foram obtidos a partir dos melhores parâmetros de deposição avaliados em pré-testes, visando-se controlar a porosidade das amostras, conforme a limitação de cada técnica empregada. A superfície das amostras foi levemente lixada antes de serem erodidas para a retirada de lamelas não bem aderidas, visando-se obter um padrão semelhante de rugosidade em cada grupo. As amostras foram submetidas a um fluxo controladonde partículas erodentes de alumina eletrofundida, em ângulos de incidência de 30, 45, 60 e 90º, a uma velocidade mantida em torno de 50 m/s. As temperaturas estudadas foram de 25, 200, 400, 600 e 800ºC. O material foi caracterizado quanto a sua microestrutura (microscopia ótica e eletrônica de varredura, porosidade, rugosidade, fases presentes e sua morfologia), também quanto a propriedades mecânicas como (micro- e nano-) dureza e módulo de elasticidade. O desgaste foi medido pela perda de volume do corpo erodido. Os resultados indicaram que a relação entre a porosidade, temperatura e quantidade de fase Cr3C2 foi determinante no desgaste erosivo dos revestimentos. O aumento de temperatura proporcionou um acréscimo na incrustação de partículas erodentes, na oxidação e na plasticidade dos revestimentos, esta última sendo verificada pelo decréscimo da dureza do material. Além disso, o fenômeno erosão-oxidação fez-se presente acima de 400°C O acréscimo de fase Cr3C2 a matriz metálica proporcionou uma diminuição da incrustação de partículas erodentes, tendo em vista a diminuição da plasticidade dos revestimentos, além do aumento da oxidação e porosidade dos revestimentos. A porosidade, de fato, influenciou decisivamente na resistência à erosão, dividindo claramente os revestimentos em dois grupos, no intervalo de porosidades superior (revestimentos obtidos por plasma spray) e inferior (revestimentos obtidos por HVOF) a 4%. Nos revestimentos de maior porosidade mesmo o acréscimo de uma fase mais dura não proporcionou um aumento da resistência à erosão, pois a porosidade implicou em uma menor área de contato entre as lamelas, facilitando seu arrancamento do revestimento sob ataque erosivo. Já para os revestimentos de menor porosidade o incremento de Cr3C2 proporcionou um aumento da resistência ao desgaste para todo o intervalo de temperatura investigado, devido ao aumento da dureza. Quanto aos mecanismos que proporcionaram o desgaste nos revestimentos observou-se uma preponderância de desgaste dúctil (corte – 30º e platelet – 90º) para os revestimentos metálicos NiCr0,5% e NiCr9%. Com o acréscimo de fase Cr3C2 há uma diminuição da característica dúctil de desgaste, mais acentuada nos revestimentos obtidos por plasma spray. E a partir do acréscimo de 70% de Cr3C2 observou-se alguns mecanismos de desgaste frágeis, como a formação de trincas, e pits. O acréscimo de temperatura proporcionou o aumento da plasticidade dos revestimentos, a diminuição de formação de platelets e no caso do desgaste eminentemente frágil (para o revestimento CrC28%) o arredondamento das bordas desgastadas.

In this work, the degradation behavior of thermal-sprayed NiCr-Cr3C2-based metal-ceramic coatings under erosion at temperatures ranging from room temperature to 800°C was investigated in order to establish correlations between the erosion resistance and the microstructure. In order to obtain coatings with different microstructures, the coatings were produced employing two different techniques - HVOF and plasma spray -; and different amounts of the Cr3C2 ceramic phase in the metallic NiCr matrix: 0, 35, 70, 75% (only by HVOF) and 100% (only by plasma spray). For the erosion tests, an equipment capable of using different conditions of speed, flux and angle of incidence of the erodent at different temperatures was developed. The samples were subjected to a controlled flux of fused alumina erodent particles, with angles of incidence of 30, 45, 60 e 90º, at a speed of about 50m/s. Temperatures of 25, 200, 400, 600 e 800ºC were employed in the tests. The material was characterized regarding its microstructure (optical microscopy, scanning electron microscopy, porosity, rugosity, phase composition and phase morphology) and its mechanical properties (micro- and nano-hardness and Young modulus). The wear was evaluated by measuring the volume loss of the eroded bodies. The results indicated that porosity, temperature and amount of Cr3C2 had a critical role in the erosive wear of the coatings. Higher temperatures increased the incrustation of erodent particles, the oxidation (which was observed above 400°C and was also influenced by porosity), and the plasticity of the coatings. Increasing the Cr3C2 content in the metallic matrix has lowered the incrustation by making the coatings less plastic, and has also increased the oxidation and porosity. In fact, the porosity had a crucial role in the erosion resistance, in such way that it is possible to divide the obtained coatings in two groups: those with porosity level above 4% (obtained by plasma spray) and those with porosity below that level (obtained by HVOF). In the high porosity group, even increasing the level of hard phase was not enough to make the coatings more resistant, because the porosity has lowered the contact area between the lamellas, easing its pull-out by erosive attack. For the low-porosity coatings, on the other hand, increasing the Cr3C2 content made the coatings more wear-resistant in the whole temperature range under investigation. As for the wear mechanisms involved, a preponderance of ductile wear (cutting – 30º and platelet – 90º) was observed for the NiCr0,5% and NiCr9% coatings. With increasing Cr3C2 content, a decrease in the ductile wear characteristic was observed, more prominently in the plasma sprayed coatings. From the 70% Cr3C2 content on, fragile wear mechanisms were observed, as cracks and pits formation. Increasing temperature made the coatings more plastic, reducing the platelet formation and, for the eminently fragile mechanism observed for the CrC28% coating, making the edges of the worn areas less sharp.