Fadiga térmica de materiais cerâmicos aspergidos por plasma spray com função de barreira térmica

Abstract

Neste trabalho, estudou-se o comportamento de revestimentos cerâmicos aplicados por plasma spray com função de barreira térmica quando submetidos à ciclagem térmica. Foram empregados revestimentos de zircônia estabilizada com 8% em peso de ítria e, para efeito de comparação, revestimentos de alumina. Os materiais cerâmicos foram depositados sobre uma liga metálica de Ni-Cr, previamente depositada sobre um aço baixo carbono. Lotes de amostras destes sistemas foram submetidos a aquecimentos de 15 min nas temperaturas de 1000°C, 900°C, 800°C e 700°C, sendo em seguida resfriados até a temperatura de 100°C em 5 min, ou seja, sofreram gradientes térmicos de 900°C, 800°C, 700°C e 600°C. Estes ciclos foram repetidos até que pelo menos uma das amostras de cada lote apresentasse algum dano visível como trincamento ou escamação do revestimento cerâmico. Os dados de temperatura em função do número de ciclos resistentes foram plotados em um gráfico, caracterizando uma curva de fadiga térmica para estes sistemas. A microestrutura dos revestimentos de barreira térmica foi analisada antes e após os ensaios térmicos por microscopia eletrônica de varredura. Ainda foram verificadas, por difração de raios-X, possíveis transformações de fases no material cerâmico. De acordo com os resultados obtidos, observou-se que, para uma mesma variação de temperatura, os revestimentos de zircônia-ítria resistiram a um número bem mais elevado de ciclos do que os revestimentos de alumina. Analisando-se as tensões térmicas impostas pelos ciclos, verificou-se que os revestimentos de alumina, em função de suas propriedades físicas. estão sujeitos a valores maiores de tensão do que os revestimentos de zircônia-ítria. A caracterização da microestrutura revelou que os revestimentos de zircônia-ítria romperam no interior do material cerâmico, enquanto que os revestimentos de alumina romperam na interface liga metálica/material cerâmico. Nas análises de difração de raios-X, nenhuma transformação de fase foi detectada.

In this work, the resistance to thermal fatigue of plasma sprayed ceramic thermal barriers was investigated. Two ceramic coatings were studied: yttria-stabilized zirconia and alumina. These coatings were plasma sprayed over a Ni-Cr alloy, which had been sprayed on a low carbon steel. The coatings were submitted to heating at 1000°C, 900°C, 800°C and 700°C during 15 min and then cooled to 100°C in 5 min, in other to experience thermal gradients of 900°C, 800°C, 700°C and 600°C. These cycles were repeated until visible damage such as cracking or delamination was observed in the sample. The number of cycles that the sample could withstand without damage for each temperature gradient was used to define the thermal fatigue of the coatings. The thermal barrier coating microstructure was analysed before and after the thermal experiments by scanning electron microscope. The phase transformation during thermal cycling was also investigated by means of X-ray diffraction. The results indicated that the zirconia based coatings were more resistant than the alumina coatings. By analysing the thermal stresses it was verified that the alumina coatings, due to their physical properties, were subjected to greater values of stress than the zirconia based coatings. The microstructure analysis revealed that the zirconia based coatings fail within the coating, while the alumina based coatings fail at the metallic alloy/ceramic interface.