REVESTIMENTOS DE ALUMÍNIO DEPOSITADOS POR ASPERSÃO TÉRMICA Ramón S.Cortés P. 1, Augusto J.A. Buschinelli 2, Marcelo T. Piza P. 3 RESUMO Este trabalho avalia os processos de aspersão térmica a chama oxiacetilênica, arco elétrico e chama de elevada velocidade utilizados na deposição do alumínio como revestimento protetor contra a corrosão marítima de estruturas de aço. Para avaliar a resistência à corrosão foram depositados revestimentos em condições de aspersão térmica otimizadas. Os resultados mostram que para 15000 horas de teste apenas os revestimentos de alumínio depositados por chama oxiacetilênica e por arco elétrico fornecem ainda proteção adequada ao substrato de aço, sendo que o revestimento depositado pelo processo a chama oferece superior proteção. Palavras chave: aspersão térmica, alumínio, corrosão offshore ABSTRACT This work evaluates the processes of thermal spray by oxyacetylene flame, electric arc and high speed flame used in the deposition of aluminum as protective layers against maritime corrosion of steel structures. To evaluate the resistance to the corrosion coverings were deposited in optimized conditions of thermal spray. The results show that 15000 hours of test only the aluminum coverings deposited by oxyacetylene flame and electric arc still provide adequate protection to the steel substratum, and that the covering deposited for the process the flame oxyacetylene offers to superior protection. key words: thermal spray, aluminum, offshore corrosion 1 Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Paraná (UFPR), Curitiba PR, Brasil 81531-990 2 EMC UFSC, Fone (05541) 361-3429; FAX (05541) 361-3129; ramon@demec.ufpr.br 2 EMC/UFSC, Florianópolis SC, Brasil 88090-000, Fone (048) 331-9471; buschi@emc.ufsc.br; 3 CENPES/ Petrobras, Rio de Janeiro RJ, Brasil 21949-900, Fone (05521) 861-6511; Fax (05521) 861-6520; MTPP@CENPES.PETROBRAS.COM.BR CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 27801
INTRODUÇÃO De acordo com a literatura [1,2,3] melhores propriedades dos revestimentos de alumínio (Al), maior aderência e menor porosidade, podem ser alcançadas através de processos de maior energia, como a aspersão térmica (AT) a arco elétrico (ASP) ou a chama de elevada velocidade (HVOF). Apesar disso, o mais antigo processo a chama oxiacetilênica (FS) ainda desperta grande interesse pelo baixo custo e facilidade na operação do equipamento. Basicamente através da AT se deposita sobre uma superfície previamente preparada materiais metálicos ou não metálicos, os quais são fundidos ou aquecidos por uma fonte de calor gerada por meio de combustão de gases ou de arco elétrico. Imediatamente o material finamente atomizado é projetado contra a substrato, atingindo-a no estado fundido ou semifundido (vide figura 1). Ao se chocarem contra a superfície, as partículas achatam-se e aderem ao material base ou sobre as partículas já existentes, originando-se assim uma camada de estrutura típica contendo inclusões de óxidos, vazios e porosidade. Aderência: A aderência de um revestimento resulta da combinação de três mecanismos fundamentais, de acordo com a natureza das forças atuantes: mecânico, químico - metalúrgico e físico. Quando do impacto das partículas contra o substrato, essas se achatam numa forma lenticular, resfriam-se e ancoram-se mecanicamente na superfície limpa e rugosa. Por outro lado, em função da natureza do material e do calor transferido para o substrato, pode ocorrer micro-soldagem, podendo haver fusão localizada, difusão atômica com formação de soluções sólidas e inclusive compostos intermetálicos, caracterizando o mecanismo químico - metalúrgico. O terceiro mecanismo, considerado secundário, é de natureza física, que produz ligações fracas do tipo van der Waals [1]. ANÁLISE DOS FATORES QUE PARTICIPAM DA ADERÊNCIA Material de aporte e gás de transporte: O material de aporte participa em primeiro lugar através de suas propriedades físico-químicas. No caso do Al ocorre, em maior ou menor grau, CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 27802
em função da fonte de calor e do poder oxidante do gás de transporte (ar) a conversão Al Al 2 O 3, transferindo ao substrato partículas oxidadas que envolvem como concha sólida as partículas da fase metálica. Isso é prejudicial à aderência do Al, pois no impacto com o substrato a presença de uma película não-metálica impede reações epitaxiais [4]. Preparação do substrato: Obtida pela ativação do substrato através da limpeza, rugosidade e preaquecimento do substrato: Limpeza - Para obter adequada aderência se requer o substrato limpo, isento portanto de ferrugem, de crostas de óxido, de graxa, de óleo e de umidade. Os padrões de limpeza exigidos (Sa2.5,Sa3) no caso de revestimentos com Al são alcançados através de jateamento com a maioria dos abrasivos (areia, granalha, Al 2 O 3, etc.). Rugosidade da superfície - É usual, asperizar o substrato, o que é realizado na AT por jateamento abrasivo, obtendo-se ao mesmo tempo limpeza e rugosidade. Superior aderência é atingida com abrasivos que, sem contaminar a superfície, proporcionem rugosidade adequada. Aqueles que melhor se enquadram são os abrasivos à base de Al 2 O 3. A forma das partículas também tem influência na aderência, isto é, o impacto de partículas com formas angulares acarreta o arrancamento de material da superfície, originando mais irregularidades e pontos de ancoramento favoráveis à aderência. Preaquecimento - Essa prática, além de melhorar a limpeza, favorece a redução das tensões internas o que, por sua vez, aumenta a aderência da camada. A temperatura recomendada pela AWS [5] para a AT de Al pelo processo a chama FS é de 120 o C. Porosidade e óxidos: Na AT, obtêm-se camadas com porosidade e óxidos, o que afeta diretamente a coesão e aderência e estão relacionados com os parâmetros de processo. Com base em dados da literatura pode-se a analisar a influência destes parâmetros de aspersão. Processo FS: Os teores de óxidos são variados, 0,4 % até 10 % [2]. A porosidade (5 a 15%) esta relacionada com a formação de panquecas das camadas depositadas [6]. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 27803
Processo ASP: Os teores de óxidos são variados, 2/3 % [7,8] e 15% [6], a oxidação das partículas depende da distância pistola/substrato e pressão do ar comprimido. E a porosidade (5 a10 %) esta também relacionada à distância pistola/substrato [7]. Processo HVOF: Em geral as camadas de distintos materiais depositadas por este processo tem pouca porosidade (<3%) e óxidos (até 7%) [2]. A formação de óxidos está relacionada com a atmosfera pela qual são transferidas e depositadas as partículas fundidas ou superaquecidas no bico das pistolas de cada processo de AT. As principais fontes de oxidação são: o gás de transporte (1), geralmente ar comprimido (FS, ASP); (2) ar do meio ambiente, que envolve a zona de transferência das partículas e por último temos as partículas e/ou camadas já ancoradas ao substrato (3) e que ficam expostas ao ar do meio ambiente após deslocamento da pistola. Segundo Ballard [9] a maior parte da oxidação dos depósitos ocorre sobre a superfície revestida. Através da figura 2 observa-se as fontes de oxidação na AT. Segundo dados da literatura [8,10] a proteção contra a corrosão, em especial atmosferas marítimas, é beneficiada pela presença de óxidos em teores indo de 2,5% a 3,0% no processo ASP, embutidos na camada e os formados na superfície da camada de Al. METODOLOGIA EXPERIMENTAL. Para avaliar a resistência à corrosão marítima dos revestimentos de alumínio depositados pelos processos de aspersão térmica foram preparados corpos de prova de aço carbono (ASTM 283 C) revestidos com alumínio (arame de Al 2,5 e 3,2 mm e pó de granulometria - 90+45µm ) sem selante expostos ao ensaio de névoa salina ( salts spray ). Aspersão Térmica - Pistolas : FS METCO 12E; HVOF: DIAMOND JET - DJ 2004; ASP METCO 4RG. Preparação da Superfície: Para a realização das atividades de limpeza e obtenção da rugosidade superficial foi selecionado o jateamento com óxido de Al branco granulometria 30 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 27804
Alundum 38 A. Jateamento do substrato por pressão (100 psi, distância 100 mm); O grau de limpeza Sa3, foi obtido por comparação com os padrões de qualidade superficial - norma NACE RM 01/70. As condições ambientais e especificação da qualidade do ar comprimido utilizadas durante o jateamento e AT foram avaliadas segundo norma Petrobrás - N-2568. Procedimento de AT: As condições de aspersão térmica otimizados foram selecionados de uma matriz de oito experimentos [2] e os parâmetros encontram-se na tabela 1. Medição da espessura das camadas de Al: Foi utilizada para o ensaio de corrosão por névoa salina camadas de Al com espessuras nominais de ~250µm. Na avaliação da aderência por tração, 380µm foi a espessura adotada. Na medição de camadas não magnéticas, como é o caso do Al, depositadas sobre substratos magnéticos as medições são facilitadas por equipamentos que se baseiam no princípio da indutância magnética. Aderência pelo ensaio de tração: O método de laboratório para o arrancamento de revestimento consistiu em colar com adesivo na camada de Al um de tarugo de 25,4mm (corpo de extração) que após a cura é tracionado em uma máquina de tração. Foi usado o adesivo adesivo Araldit AW106 com endurecedor HV 953U. Medição do teor de óxidos e características destes - procedimento para a medição: deposição de Al em condições sobre aço inoxidável e posteriormente destacamento da camada de Al depositada por dobramento do aço inox. Pesagem da camada de Al seguida de ataque com ácido (HCl); filtração para retenção dos óxidos insolúveis, dissolução do resíduo através de fusão (carbonato/tetraborato) e quantificação dos óxidos solubilizados por absorção atómica. Avaliação da resistência a corrosão dos revestimentos de Al: Esse ensaio de corrosão em câmara de névoa salina, segue as condições estabelecidas na norma ASTM B 117/90. Procedimento do ensaio de corrosão por névoa salina: Preparo da solução: cloreto de sódio - NaCl em água destilada à concentração de 50 g/l, ph entre 6,7 e 7,2 e temperatura de 35 ± 2 o C. Esta solução é aquecida no próprio reservatório da câmara. Posicionamento dos CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 27805
cps: as faces a serem avaliadas são posicionadas em um ângulo de aproximadamente 30 o com a vertical. Inspeções diárias: é feita avaliação visual do ataque corrosivo diariamente, com registro do aspecto da superfície (fichas de inspeção), possibilitando o conhecimento da evolução do processo corrosivo no decorrer do ensaio. Avaliação final: é feita com a norma especifica para os revestimentos em teste e registro fotográfico de todos os cps ensaiados. Foram utilizadas cps de dimensões 100x80x9,6 mm e ensaiados três cps por cada condição de AT. RESULTADOS. Resultados da aderência por tração. Camadas depositadas por AT FS: Pelo resultado da tabela 2 pode-se verificar que neste processo foram atingidos os valores mínimos de aceitação das normas Petrobrás N-2568 e da AWS C2.18/93 (média de 13.8 MPa sem nenhum valor inferior a 10.3 MPa). Aderência das camadas depositadas por AT ASP: Neste processo também foi superado o valor mínimo de aderência (tabela 2) da norma Petrobrás e AWS, sendo atribuído a elevada aderência ao fato que na deposição do Al a fonte de calor (4000/6000 o C) transfere às partículas mais energia, permitindo com isso que algumas partículas fundidas atinjam o substrato ainda liquidas. Portanto, além do ancoramento mecânico, admite-se possível também pontos de micro-soldagem e mesmo difusão do Al no aço, atuando o mecanismo de aderência metalúrgico. Aderência de camadas depositadas por AT HVOF: Foi verificado (tabela 2) que a ruptura foi no adesivo com valores em torno de 23 MPa. Por outro lado, pode-se afirmar que os resultados de aderência foram superiores aos obtidos nos processos FS e ASP. Resultados da corrosão das camadas de Al. Corrosão em câmara de névoa salina: Avaliação até as 15000 horas de ensaio: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 27806
Através das microestruturas apresentadas na figura 3 pode-se observar que a superfície e microestrutura da camada depositada pelo processo AT FS praticamente se mantém inalterada, confirmando-se que existe um mecanismo de proteção adicional que protege a camada como foi observado já às primeiras 1000 h, atribuído principalmente aos produtos de corrosão superficiais aderentes e à excelente aderência e coesão obtida na deposição do Al com superfície preaquecida a 120 o C. A figura 4 mostra a superfície e microestrutura do cp preparado pelo processo a arco ASP, onde foi medido que a tem camada menor espessura. Na superfície são observados pequenos pontos de corrosão vermelha, na microestrutura é observado que os produtos de corrosão vermelho não continuaram propagando-se para o interior de substrato de aço. Portanto pode-se deduzir, que a camada residual ainda resiste a corrosão mesmo que seja desgastada. Na figura 5 observa-se a superfície e microestrutura do cp HVOF, evidenciando que a camada encontra-se bastante corroída, concentrando-se os produtos de corrosão naquelas regiões que na inspeção das 10000 h tinham evidenciado. Na inspeção das 15000 h a camada apresenta-se bastante degradada (com abundante presença de produtos de corrosão vermelha) e na microestrutura da camada é observado que a corrosão já atingiu o substrato. CONCLUSÕES SOBRE A RESISTÊNCIA CORROSÃO DAS CAMADAS DE AL. Os revestimentos depositados pelos processos de AT mostraram-se adequados na proteção do substrato no ensaio de corrosão até a inspeção dos 15000 h, uma vez que não foram encontrados sinais de corrosão do aço. Verificou-se que a proteção por barreira, fornecida pelas camadas de Al depende principalmente do tipo de óxido na superfície da camada formada durante a AT e da coesão entre as panquecas ou partículas de Al depositadas. No ensaio de corrosão por névoa salina os produtos de corrosão superficiais - (óxido de Al hidratado e/ou hidróxido de Al) podem ser aderentes e atuar como barreira adicional de CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 27807
proteção. Esse tipo de proteção ocorreu principalmente nos cps FS, sendo dependente da aderência/coesão. No caso que a coesão seja fraca o processo corrosivo propaga-se na camada. Finalmente, pode-se concluir que até as 15000 h de teste só as camadas de Al depositadas sem selante pelos processos de AT FS e ASP fornecem ainda adequada proteção ao substrato de aço, sendo que as camadas depositadas pelo processo AT FS com preaquecimento oferecem superior proteção. 5. REFERÊNCIAS. [1] THORPE, M. Thermal Spray. Advanced. Materials & Processes / 93 [2] CORTÉS R. Tese de doutorado. Estudo de revestimentos de Al depositados por três processos de AT para a proteção do aço contra a corrosão marinha. UFSC 1998. [3] CORTÉS P. R., BUSCHINELLI J. A e PIZA M. Aderência e microestrutura de revestimentos de alumínio depositados por três processos de aspersão térmica. 2 o Congresso Internacional de Tecnologia Metalúrgica e de Materiais, São Paulo Brasil 1997. [4] HOEHNE, K. Haftvermittelnde Schichten beim thermischen Spritzen von Metallen. SchweiBtechnik, vol.35, N o. 11, p.497-499. Berlin35, 1985. [5] USA. American National Standards Institute, American Welding Society. Guide for the Protection of Steel with Thermal Sprayed Coatings of Aluminum and Zinc and Their Alloys and Composites. ANSI/AWS C2.18-93. 30p. Miami, Florida. April/1993. [6] BRITTON, C.R., Flame Spraying With Aluminium and Aluminium Alloys. Aluminium Industry. v. 7, n. 10, 3p. December 1988. [7] AMIN, M. Arc spray coatings using inert gases. TWI, Bulletin 6, 4p. November 1992. [8] BALLARD, W.E., Metal Spraying and the Flame deposotion of Ceramics and palstics, 4 o. edição, Charles griffin 1963, cap. 5. Londres 1963. [9] KRIENBUEHL, P.K., WIDMER, K. Corrosion protection by arc sprayed aluminum: new developments. Swiss Aluminum Ltda, p.436-442. Switzerland 1974. [10] GRASME, D. Arc spraying of aluminium. Welding and Cutting. p.124-125, v.8. 1990. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 27808
Tabela 1 - Condições experimentais para AT Processo FS M TP [ o C] D [mm] FO [* 1] FA [*2] PA [psi] FA [*] F3 A 120 300 40 35 100 55 Processo ASP D [mm] PAP [psi] PAS [psi] V [V] C [A] L [Grau] PA [ o C] A2 100 70 50 32 160 Sa3 120 Processo HVOF PO [psi] FO [FMR] FN [*] PP [psi] FP [FMR] D [mm] PA [ o C] H1 150 42 70 100 40 150 TA [*1] 40 = 77.7 pés 3 /h / 50 = 93,4 pés 3 /h; [*2] 35 = 36,4 pés 3 /h / 45 = 47,3 pés 3 /h [1 FMR Oxigênio]=6,3 SLPM; [1 FMR Propano] = 1,7 SLPM (SLPM = Standard liter per minute); [*] = unidade do fluxo de nitrogênio a 125 psi de pressão. M = Material; A = arame; TP = temperatura de preaquecimento; D = distância; FO = Fluxo oxigênio; FA = Fluxo acetileno; PA = Pressão acetileno; FA= Fluxo acetileno; PAP = Pressão ar primário; PAS = Pressão ar; secundário; V = Voltagem; A = Amper; L = Limpeza; PO = Pressão oxigênio; FO = Fluxo oxigênio; FN = Fluxo nitrogênio; PP = Pressão propano; FP = Fluxo propano. Tabela 2 Resultados da medição da aderência de camadas depositadas AT Espessura [µm] Aderência [MPa] Ruptura Média Média Predominante F3 386 20.2 Aderência A2 379 20,6 Adesivo H1 378 23,4 Adesivo Figura 1. Características da camada depositada por AT [3]. Figura 2. Observa-se em forma esquemática as fontes de oxidação na AT. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 27809
Superfície da camada de alumínio FS Superfície da camada de alumínio ASP Camada após 15000 h de ensaio Figura 3. Superfície e microestrutura da camada de Al após 15000 horas de ensaio salts spray processo a chama FS Camada após 15000 h de ensaio Figura 4. Superfície e microestrutura da camada de Al após 15000 horas de ensaio salts spray processo a arco elétrico ASP. Superfície da camada de alumínio HVOF Camada após 15000 h de ensaio Figura 5. Superfície e microestrutura da camada de Al após 15000 horas de ensaio salts spray CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 27810