MATERIAIS E MÉTODOS

3.1– Aparato experimental

O dispositivo experimental para aspersão térmica utilizado nesse trabalho é constituído de uma tocha de plasma de arco não transferido, um alimentador de pó, fluxímetros industriais White Martins, um com faixa de trabalho de 1 a 30 l/min (exatidão de 2,5 l/min) para o gás de formação do jato de plasma e o outro com faixa de trabalho de 1 a 15 l/min (exatidão de 0,5 l/min) para o gás de arraste, um retificador soldarc R250 e um ignitor de alta freqüência SAWM 301, ambos da White Martins. O ignitor opera na seguinte faixa: 1,8/0,9 A – 50/60 ciclos. Já o retificador apresenta as seguintes características técnicas:

Tabela 8 – Características técnicas do retificador Soldarc.

Entrada 220 V/380 V/440 V, freqüência 60 Hz

Saída – faixa de trabalho 5 – 250 A, tensão aberto 80V

Ciclo de trabalho 155 A/26 Vcc; 200 A/28 Vcc; 250 A/30 Vcc

A tocha de aspersão a plasma, toda confeccionada em cobre, é constituída por um anodo, refrigerado à água, que apresenta um canal de alimentação do pó na qual é fixada um sistema de alimentação de pó. A esse anodo é acoplado um sistema formado pelo suporte do cátodo, que por sua vez apresenta quatro canais cilíndricos dispostos axialmente que tem a função de levar até o catodo o gás formador do jato de plasma. O cátodo do tipo bastão possui diâmetro de 4,5 mm e é formado por uma liga de tungstênio (W + 2% ThO2). Ele possui

movimento axial, ajustável por meio de rosca, para posicionar-se de maneira que haja a abertura do arco entre o cátodo e o anodo.

Um sistema de isolamento de pedra sabão é ajustado à câmara do suporte de alimentação corrente-gás, que separa elétrica e termicamente o cátodo do anodo. As duas partes, anodo + cátodo, axialmente concêntricas compõem a tocha de plasma. Está apresentado na figura 17 o esquema de tocha de aspersão por arco não transferido.

Figura 17 – Desenho esquemático da tocha de aspersão.

O alimentador de pó, figura 18, foi construído de alumínio e divide-se em três partes. A primeira é a tampa em formato cônico, que é rosqueada à segunda parte, o recipiente propriamente dito, com capacidade para 2,27 cm3 _{de pó. Ele apresenta uma entrada radial para}

o fluxo de gás de arraste do pó. A terceira e última parte consiste de um pequeno funil utilizado para introduzir o pó ao recipiente.

Figura 18 – Esquema do alimentador de pó, (a) Tampa, (b) recipiente do pó e (c) funil de introdução de pó.

Está apresentado na figura 19 fotografias do alimentador (recipiente de pó), tampa e funil.

Figura 19 – Fotografias do sistema de alimentação de pó, (a) recipiente de pó, (b) conjunto recipiente de pó, funil de alimentação e tampa, (c) seqüência de montagem do conjunto do

porta pó.

(a)

Na figura 20 e 21 estão ilustradas fotografias da tocha de plasma de arco não transferido.

Figura 20 – Fotografias da tocha de plasma de arco não transferido, cátodo (a) e anodo (b). Catodo tungstênio Suporte catodo Refrigeração de água Anodo Alimentação gás/tensão Suporte catodo (a) (b)

Figura 21 – Fotografias da tocha de plasma de arco não transferido.

3.2 – Preparação das amostras.

Foram utilizados pós de pentóxido de tântalo, Ta2O5, adquirido junto a Companhia

Industrial Fluminense (CIF) e pó de alumínio, Al, adquirido na ALCOA. Os pós foram pesados em uma balança digital da companhia Mettler toledo modelo AL204 com capacidade máxima de 210g e precisão de 0,0001g. A pesagem dos pós de partida obedeceu à seguinte equação química:

3Ta2O5 + 10Al → 6Ta + 5Al2O3 (11)

As misturas foram preparadas estequiometricamente e com excesso de 5% e 10% de alumínio. As massas utilizadas para os reagentes estão na tabela 9 a seguir.

Alimentador de pó

Mangueiras de alimentação de água

Porta amostra

Régua graduada

Aterramento Suporte da tocha

de plasma Mangueira de alimentação do gás de arraste Válvula de esfera

Tabela 9 – Valores das massas utilizadas na preparação dos pós de partida.

EST EST+5% Al EST+10% Al

Ta2O5 (g) 10 10 10

Al (g) 2,035 2,14 2,24

O excesso de alumínio contribui para uma redução completa do Ta2O5, conduzindo

para um alto rendimento metálico da reação (NUNES, 1999). Após a pesagem, os pós foram misturados manualmente em um cadinho de aço inox, em seguida, adicionou-se bolas de metal duro a esse cadinho na proporção de 4:1, relação entre o peso das bolas e a massa dos constituintes. Logo após o cadinho foi levado à um moinho planetário do tipo Micro Mill Fritsch Pulverisette7, onde o material passou por uma moagem de alta energia por um período de 6 horas.

No processo de aspersão térmica, AT, foram utilizadas porções de 0,8 g da mistura Ta2O5 + Al. As amostras foram acondicionadas no alimentador de pó com capacidade de 2,27

cm3_{. O alimentador fica localizado na parte inferior da tocha de plasma, sendo necessário,}

portanto, o uso de um gás de arraste, nesse caso, foi utilizado para essa função o mesmo gás da formação do jato de plasma, o argônio.

A taxa de deposição, Td, do compósito foi calculada com o uso da equação a seguir

= −

/ 60 (12)

Onde m é a massa total utilizada, mr é a massa residual e t o tempo. O valor da taxa de deposição igual a 0,37 g/min.

Os substratos usados para AT foram chapas de aço inox 416 com dimensões de 20 x 20 mm que tiveram sua superfície jateada com o uso de uma “pistola” de ar comprimido que aplica um jato de pequenas esferas de aço, através de ar comprimido, com o objetivo de introduzir rugosidade mínima necessária, de 2,5 a 13 µm, para uma boa adequação do compósito à superfície. Logo após, os substratos foram colocados a uma distância de 4 e 5 cm do bocal de saído do jato de plasma.

Antes de cada aspersão o substrato teve sua superfície pré-aquecida cuja função é melhorar a aderência do revestimento ao substrato, através do efeito da molhabilidade (DYKHUIZEN, 1994). Na figura 22 está apresentado o fluxograma dos passos seguidos nos experimentos desse trabalho.

Figura 22 – Fluxograma experimental seguido para a realização das aspersões térmicas.

3.3 – Medidas da temperatura eletrônica

Utilizou-se um espectrômetro da Acton, modelo SpectroPro 2500i, com comprimento focal de 500 mm, abertura da fenda f/6.5 e resolução espectral de 0,05 mm por meio de uma fibra óptica para processar a luz capturada do plasma. Os dados adquiridos foram analisados pelo software da Spectra Sense.

A fibra foi acoplada a uma distância de 37 mm da saída do bico da tocha, conforme visto na figura 23 de modo a obter os dados axialmente, com distâncias de 0, 5 e 10 mm ao logo do comprimento da chama.

Figura 23 – Desenho mostrando a montagem da fibra ótica em relação ao anodo da tocha de plasma.

A temperatura do plasma é calculada através da temperatura dos elétrons (energia cinética dos elétrons), admitindo a hipótese de equilíbrio termodinâmico local (ETL). Isto significa que, as partículas têm distribuição energética dada pela equação de Maxwell e que os processos de colisão são dominantes sobre os radiativos. Ou seja, as temperaturas dos elétrons e das partículas pesadas são similares (GRIEM,1964). A temperatura de excitação do jato de plasma foi calculada através do método gráfico da curva de Boltzmann (OHNO et al., 2006) utilizando os valores das linhas de emissão do Ar-I da tabela 10 na equação 13.

ln = − + (13)

Onde I corresponde à intensidade do pico, λ é o comprimento de onda em nm, gk e Ak

para cada comprimento de onda, k é a constante de Boltzmann. A temperatura é então dada pela curva de em função da energia Ek, realizando o ajuste linear nos pontos obtidos

experimentalmente obtem-se uma reta (y = ax + b) e através da inversão do coeficiente angular determina-se a temperatura eletrônica.

Na tabela 10 estão os dados atômicos do argônio como comprimento de onda (λ), as probabilidades de transições (Ak), o peso estatístico (gk) e a energia (Ek) são todos obtidos

através do uso do banco de dados do National Institute Standarts and Technology – NIST.

Tabela 10 – Dados atômicos do gás argônio obtidos através de consulta ao NIST.

Elemento λ(nm) Ak (s-1) Ek (cm-1) gk ArI 404 3,33 x 105 118 469,0508 5 ArI 416 2,88 x 105 _{117 151,3264 3} ArI 420 9,67 x 105 _{116 942,7542 7} ArI 427 7,97 x 105 117 151,3264 3 ArI 430 3,77 x 105 116 999, 3259 5 ArI 433 5,68 x 105 _{118 469,0508 5} ArI 451 1,18 x 105 _{117 562,9553 1}

3.4 – Análise da distribuição granulométrica dos pós.

Foi usado um equipamento de difração a laser da marca CILAS modelo 920 L com faixa de leitura variando de 0,3 a 400 μ m. Para evitar processo de aglomeração dos pós, que dificulta a análise pelo equipamento, foi aplicado o tensoativo Renex 95 na proporção de 4 μ l para 0,2 g de pó com o intuito de dispersá-los. O dispersante foi empregado tanto nos pós de Ta2O5, de Al quanto nas misturas.

3.5 – Análise por Difração de raios X.

As análises de difração de raios X foram realizadas usando um difratometro Shimadzu modelo Lab X XRD-6000. Os ensaios foram realizados com radiação CuKα, λ = 1,54056 Å, na configuração Bragg Bretano. A voltagem utilizada foi 30 kV e a corrente de 30 mA, varredura angular 2θ variou de 20 a 800

com passo de 0,05 e com um tempo de contagem de 2 segundos por passo para todas as amostras. As fases encontradas através do DRX foram analisadas qualitativamente, fazendo-se uso do programa computacional de fases PMGR do pacote de programas da SHIMADZU XRD-6000 e a quantificação das mesmas através do método de Rietveld com o uso do programa de refinamento DBWS versão 2.3.

3.6 – Cálculo do tamanho dos cristalitos.

Para cálculos do tamanho de cristalito empregou-se uma amostra padrão de LaB6,

hexaboreto de lantânio, com tamanho de partículas menores que 10 μ m. Este composto é conhecido por possuir alta cristalinidade e permite obter linhas de difração bem resolvidas. Além disso, esse material possui baixo nível de tensão, ou seja, podemos desprezar os efeitos das tensões na largura dos picos e assim resta somente a contribuição na largura do pico correspondente ao tamanho da partícula. Na figura 24 está representado gráfico da função FWHM versus 2θ para a amostra padrão de LaB6, utilizado neste trabalho, enquanto que na

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,095 0,100 0,105 0,110 0,115 0,120 FW HM 2θ

Figura 24 – Gráfico da função FWHM versus 2θ para a amostra padrão de LaB6.

20 30 40 50 60 70 80 90 100 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Intensidade (u.a.) 2 θ Iobs Ical Iobs - Ical Rwp = 17,80 %

Figura 25 – Representação gráfica do refinamento pelo método de Rietveld do padrão LaB6.

3.7 – Análise por Microscopia eletrônica de varredura.

As análises por microscopia eletrônica de varredura foram executadas no Laboratório de Microscopia e Microanálise (LAMM) do Centro de Tecnologias Estratégicas do Nordeste

(CETENE) com o uso de um microscópio eletrônico de varredura ambiental fabricado pela FEI, Quanta 200 FEG.

3.8 – Análise de rugosidade.

A rugosidade das peças a serem aspergidas foi medida usando um rugosímetro modelo Surtronic 25 da marca Taylor Hobson Precision com cut-off igual a 0.25, do laboratório de caracterização de materiais da UFRN para mensurar o parâmetro Ra, Rz e Ry da superfície do substrato

3.9 – Microdureza.

O ensaio de microdureza teve por finalidade obter os valores de dureza Vickers (HV) nas amostras aspergidas. Foi realizado utilizando um microdurômetro digital HVS 1000 PANAMBRA com carga de 300g e tempo de aplicação da carga de 15 segundos.