AVALIAÇÃO DE PARAMETROS DA DEPOSIÇÃO A LASER DE REVESTIMENTOS DE LIGAÇÃO PARA PALHETAS DE TURBINAS AERONÁUTICAS

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1 AVALIAÇÃO DE PARAMETROS DA DEPOSIÇÃO A LASER DE REVESTIMENTOS DE LIGAÇÃO PARA PALHETAS DE TURBINAS AERONÁUTICAS V. Teleginski a,b, D. C. Chagas a,b,j. C. G. Santos b, J. F. Azevedo b, A. C. C. Oliveira c, G. de Vasconcelos Trevo Coronel Aviador José Alberto Albano do Amarante, n 1 Putim, São José dos Campos SP, Brazil, , getuliovas@gmail.com a Instituto Tencológico de Aeronáutica ITA-DCTA b Instituto de Estudos Avançados IEAv-DCTA c Centro Universitário da FEI a, b* RESUMO Técnicas a laser são promissoras para deposição de revestimentos por melhorarem seu tempo de vida útil devido ao aumento da força de aderência ao substrato. No presente trabalho, a deposição de NiCrAlY foi realizada em substratos de aço inoxidável utilizando-se um feixe de laser de CO 2. Diferentes parâmetros de velocidade de varredura e número de ciclos foram implementados. As amostras foram caracterizadas por microscopia óptica e dureza. Os resultados mostram que foi possível obter revestimentos com elevada dureza, livre de poros e imperfeições pronunciadas, ligados metalurgicamente ao substrato. Palavras-chave: Revestimentos MCrAlY, palhetas de turbinas, ligação metalúrgica, deposição a laser. INTRODUÇÃO Palhetas de turbinas de aeronaves e de termoelétricas por operarem em ambientes agressivos e em elevadas temperaturas e pressões são revestidas com diversos materiais cerâmicos (1). No entanto, para haver compatibilidade entre o substrato metálico da turbina com a cerâmica, um revestimento de ligação é necessário (2). O revestimento ligante consiste de uma liga MCrAlY, onde M representa o metal podendo ser cobalto, níquel ou ambos (3). Estes revestimentos de 5978

2 MCrAlY podem contudo, destacar-se da superfície do substrato (4). O tratamento de superfícies de materiais por lasers baseia-se no aquecimento local da superfície, promovido pela absorção da radiação do feixe, e em seguida, pelo seu rápido resfriamento (5-7). Neste processo, a temperatura na superfície do material pode ser controlada pela densidade de potência e pela velocidade de deslocamento do feixe laser (8). Estes parâmetros também influenciam nas características morfológicas, mecânicas e químicas do material depositado. MATERIAIS E MÉTODOS Como substrato, utilizou-se chapas laminadas de aço inoxidável AISI 316L com dimensões 25 x 25 x 3 mm 3. Os revestimentos foram obtidos utilizando material particulado de NiCrAlY, com distribuição granulométrica indicada na Fig.1a, onde o tamanho médio a 50% é de 21 μm. As partículas de NiCrAlY possuem formato arredondado, conforme indica a micrografia da Fig. 1b, e sua composição química é de 31% de Cr, 11,3% de Al, 0,7% de Y e o restante de Ni. Fig. 1. (a) Distribuição granulométrica do pó de NiCrAlY; (b) morfologias das partículas observadas por MEV; (c) esquema do processo de pré-deposição. Uma suspensão foi preparada utilizando álcool etílico (75 ml), pó de NiCrAlY (15 g) e como ligante orgânico carboxi-metil-celulose (0,15 g), que confere resistência a verde ao material particulado pré-depositado. Um agitador homogeneizou e manteve os materiais em suspensão, conforme mostra o esquema da Fig. 1c. A solução foi vertida em um segundo recipiente que continha a amostra e por sedimentação, uma camada do pó se deposita na superfície da amostra. Após a evaporação do álcool etílico a amostra foi irradiada com um feixe de laser de CO 2, que possui distribuição de energia Gaussiana, com diâmetro na região de focalização de 200 μm e potência de 125 W, como indicado no esquemático da Fig. 5979

3 2b. Os parâmetros de laser utilizados no tratamento das amostras estão indicados na Tab. 1. Tab. 1. Parâmetros do processo: velocidade de varredura e número de ciclos. Amostra A1 A2 A3 B1 B2 B3 Ciclo 1 - velocidade (mm/s) Ciclo 2 - velocidade (mm/s) Os efeitos da irradiação a laser na formação dos revestimentos foram avaliados por microscopia óptica MO (ZEISS Imager.A2m) e dureza Vickers (FM-700). Para avaliação da secção transversal, a preparação de amostras consistiu em lixamento (400, 600, 1200 #), polimento (óxido de alumínio de 1 e 0,3 μm) e ataque químico com o reagente Kalling (5 gr CuCl ml de HCl ml de álcool etílico). RESULTADOS E DISCUSSÕES A Fig. 3 mostra micrografias obtidas utilizando MO. As amostras do Grupo A foram irradiadas apenas uma vez, enquanto que as do Grupo B, foram irradiadas por 2 vezes. Na amostra A1, irradiada com V = 80 mm/s, observa-se que o revestimento possui muitas trincas e alguns poros. Além disso, a espessura do revestimento depositado apresenta-se variável. Entretanto, para a amostra B1, que foi tratada com um segundo ciclo com velocidade de 240 mm/s, observa-se que houve um alisamento de sua superfície, reduzindo a espessura em torno de 50% e ao mesmo tempo, eliminando as trincas apresentadas pela amostra A1. Com velocidades de 90 e 100 mm/s, A2 e A3, respectivamente, não houve formação de trincas ou poros, mas a espessura continuou sofrendo variações. Embora as amostras tratadas com um segundo ciclo possuam espessura do revestimento mais regular, este foi reduzido em média 40%, devido a evaporação de uma camada mais próxima à superfície do revestimento e sua possível densificação. Analisando as micrografias, foi possível observar qual o melhor parâmetro de velocidade do laser para que a irradiação do substrato seja a mais regular e homogênea. O resultado da amostra B2 obteve menor desvio padrão, o que indica maior regularidade de sua espessura. Análises por MEV realizadas em trabalhos anteriores por Teleginski et al. (9), em revestimentos obtidos por técnicas a laser indicam que durante o tratamento a laser da camada pré-depositada, uma parcela do material do substrato também é fundido, misturando-se no revestimento. O efeito que esta mistura promove é uma maior 5980

4 afinidade entre o NiCrAlY e o substrato, levando a uma forte ligação ao substrato. Figura 3 Micrografias da secção transversal das amostras tratadas com laser, e descritivo das espessuras medidas (linhas vermelhas verticais), desvio padrão e média calculadas. Análises de dureza Vickers foram realizadas na secção transversal das amostras e seu perfil de dureza é mostrado na Fig. 4. Os erros experimentais (±10 mm) são menores que os símbolos utilizados no gráfico da Fig. 4. Figura 4 Perfil de dureza Vickers das amostras A1, A2, A3, B1, B2 e B3. Observa-se que para todas as amostras a dureza do revestimento é em média 5981

5 40% maior do que a dureza do substrato (220 HV). Além disso, as amostras B2 e B3 apresentaram dureza 70% maior do que B1. O possível aumento de dureza observado entre as amostras do grupo B pode ser atribuído a dois fatores. O segundo ciclo de irradiação a laser das amostras B2 e B3 foram realizados com velocidades maiores, possibilitando resfriamentos com taxas mais elevadas e por consequência, a solidificação ocorre fora das condições de equilíbrio. Desta forma, fases diferentes daquelas encontradas para as amostras do grupo A formaram-se nas amostras do grupo B, que possuem características de dureza mais elevada. O segundo fator pode ser atribuído a um aumento na densificação do revestimento. CONCLUSÕES Controlando-se os parâmetros de processo de irradiação da superfície de um revestimento pode-se obter revestimentos NiCrAlY sem poros ou trincas, quando avaliadas suas secções transversais por microscopia óptica. Além disso, estes parâmetros selecionados conduzem a formação de revestimentos mais densos, com espessura regular e dureza aumentada em até 40%. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico), FAPESP (Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo) e ao Grupo DEDALO do IEAv / DCTA. REFERÊNCIAS 1. ALMEIDA, D. S. de. Estudo de revestimentos cerâmicos sobre substrato metálico, obtidos por deposição física de vapores por feixe de elétrons para aplicação como barreira térmica. 2005, 175p. Tese (Doutorado em Engenharia e Tecnologia Espaciais/Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores) Instituto de Pesquisas Espaciais, INPE São José dos Campos, São Paulo. 2. LEE, K. N. Protective coatings for gas turbines. In: SMITH, L.; KARIM, H.; ETEMAD, S.; PFEFFERLE, W. C. (Ed.) Gas Turbine Handbook, U.S. Department of Energy, AHMADI-PIDANI, R; Shoja-Razavi, R.; Mozafarinia, R.; Jamali, H. Laser surface modification of plasma sprayed CYSZ thermal barrier coatings. Ceramics International, v. 39, p ,

6 4. CARTER, T. J. Common failures in gas turbine blades. Engineering Failure Analysis, v. 12, p , GANEEV, R. A. Low-power laser hardening of steels. Journal of Materials Processing Technology, v. 121, p , MACHADO, I. F. Technological advances in steels heat treatment. Journal of Materials Processing Technology, v. 172, p , SELVAN, J. S.; SUBRAMANIAN, K.; NATH, A. K. Effect of laser surface hardening on En (AISI 5135) steel. Journal of Materials Processing Technology, v.91, p , READY, J.F.; FARSON, D.F. LIA Handbook of Laser Materials Processing. Magnolia Publishing, USA: Orlando, Teleginski, V. ; Chagas, D.C.; Oliveira, L.G.; Vasconcelos, G. Interface evaluation of MCrAlY powder bond coat on 316 SS processed with laser irradiation, Materials Science Forum, Ninth International Latin American Conference on Powder Technology, 2013, Article in press. PARAMETERS EVALUATION OF BOND-COAT DEPOSITED BY CO 2 LASER BEAM FOR AERONAUTICAL TURBINE BLADES ABSTRACT Laser techniques are promising for coatings deposition improving its lifetime due to increased adherence strength. In this paper, the NiCrAlY deposition was performed on a stainless steel substrate using a CO 2 laser beam. Different laser parameters of scanning speed and cycle number were implemented. The samples were characterized by optical microscopy and hardness measurements. The results shown that it was possible to obtain coatings with high hardness, free of pores or pronounced imperfections, metallurgically bonded to the substrate. Key-words: Gas turbines, NiCrAlY, laser treatment. 5983