Metalurgia do pó

Gradientes contínuos ou discretos podem ser obtidos utilizando técnicas de metalurgia do pó, dependendo do método de deposição de partículas. Os processos de metalurgia do pó permitem construir os seguintes tipos de gradientes (KIEBACK et al, 2003):

 Gradientes de porosidade ou de tamanho de poro – obtidos com a variação do tamanho de partículas ou de bloqueadores.

 Gradientes composicionais em materiais compostos por uma única fase – obtido pela deposição de pós com um gradiente de composição química compreendido no intervalo de solubilidade mostrado pelo diagrama de fases de seus componentes.

 Gradientes na fração volumétrica de fases ou no tamanho de grão de dois ou mais materiais – as combinações de fases podem ser metal-metal, metal-cerâmica ou cerâmica-cerâmica.

A presença de um gradiente composicional ou estrutural gera um gradiente de empacotamento e de contração durante a sinterização, resultando em tensões ao longo da zona onde o gradiente se encontra e, possivelmente, na presença de distorções ou trincas. Para superar esses problemas, é necessário associar às etapas de densificação e/ou consolidação a aplicação de tensões externas ao material que superem as tensões internas, como, por exemplo, ocorre em processos de compressão a quente ou de sinterização com fase líquida, assistida por laser ou por plasma. Outro processo de densificação comum é a sinterização seguida de compactação a frio, uniaxial ou isostática (MORTENSEN & SURESH, 1995; KIEBACK et al, 2003).

Na sinterização com fase líquida, fatores termodinâmicos podem alterar o gradiente composicional do compósito (ZHAO et al, 2014). A sinterização com fase líquida permite amenizar as tensões durante o processo de sinterização e reduzir a porosidade. Porém, fases líquidas podem migrar através do material mais rapidamente que fases sólidas, diminuindo gradientes composicionais – o que é especialmente crítico em estruturas compostas por camadas finas de composições diferenciadas. Em geral, se o tamanho de partícula é uniforme,

a fase líquida migra para as zonas pobres em líquido; se a presença de líquido é uniforme, a fase líquida migra para zonas de granulometria mais fina. Além disso, também pode ocorrer reações químicas entre os componentes, propiciadas pelo emprego de altas temperaturas de sinterização do compósito (MORTENSEN & SURESH, 1995; KIEBACK et al, 2003).

Deposição de camadas de pó

A deposição de camadas de pó no interior de um molde produz peças com gradientes discretos. Misturas de pó correspondentes a cada camada, contendo cada componente na proporção desejada, são fabricadas. As misturas são então depositadas umas sobre as outras de forma controlada e sinterizadas (MAHAMOOD et al, 2012). As limitações desse método são: o número possível de camadas (cerca de três em escala industrial), a espessura de cada camada (deve ser pelo menos 1 mm) e o tamanho das peças que podem ser fabricadas (acima de 100 cm2 as forças de compactação necessárias são altas). Uma vantagem desse processo é que ele pode ser automatizado, quando não adaptado para a técnica de sinterização seletiva a laser (KIEBACK et al, 2003).

Übeyli et al (2014) utilizaram esse método para fabricar placas de liga de alumínio AA 7075 reforçadas com micropartículas de SiC. Eles prepararam dois compósitos utilizando três misturas de pós precursores para cada um. Para o primeiro, foram preparadas misturas com 20, 10 e 0 % de reforço, para o segundo, foram preparadas misturas com 40, 20 e 0 % de reforço. Essas misturas foram depositadas em camadas no interior de um molde, compactadas a frio e depois compactadas à quente, na presença de fase líquida. Esse método foi escolhido para minimizar a porosidade, mas não foi suficiente para esse fim, pois a espessura dos produtos era demasiada (entre 15 e 25 mm) e a pressão utilizada foi insuficiente. Essas observações exemplificam as limitações do método observadas acima. Um aspecto positivo, obtido graças à sinterização com fase líquida, foi transição gradual entre as camadas do compósito, havendo continuidade e ligação metalúrgica entre elas.

Spark Plasma Sintering (SPS)

A técnica de Spark Plasma Sintering (SPS) é semelhante à técnica descrita anteriormente, onde pós precursores são postos em uma matriz e uma pressão uniaxial é

aplicada durante a sinterização. A diferença reside no fato de que uma intensa corrente pulsada é passada através da matriz e, em alguns casos, da amostra; a Figura 2.12 mostra um esquema do processo (PETTERSSON et al, 2005).

Figura 2. 12: Esquema de procedimento empregado no processo de spark plasma sintering, onde CCP significa ‘corrente contínua pulsante’. Adaptado de Pettersson et al (2005).

Apenas a matriz e a amostra sofrem aquecimento, sendo que a amostra se auto aquece, o que reduz substancialmente o tempo de sinterização. As taxas de aquecimento empregadas são altas, da ordem de 100 °C/min, e as temperaturas atingidas são da ordem de 1000 °C; já os tempos de permanência a temperatura de trabalho são curtos, da ordem de 10 minutos. As taxas de resfriamento empregadas também são altas. Consequentemente, fenômenos de difusão ficam limitados. Em materiais com gradiente de composição, pode haver tensões residuais após a sinterização e o resfriamento, que, caso o material seja frágil ou as taxas de resfriamento elevadas, podem levar ao surgimento de trincas (PETTERSSON et al, 2005).

Processamento reativo de pós

Entre os métodos de fabricação de compósitos por metalurgia do pó, encontra-se o processamento reativo de pós – como a síntese por reação de combustão.

(a)

(b)

(c)

Figura 2. 13: Macroestrutura de compósito W / Cu com teor de reforço gradativo fabricado por combustão reativa de pós. (b) gradiente de dureza a partir da superfície rica em W. (c) Variação do coeficiente de dilatação térmica entre as camadas do compósito. Adaptado de

Zhao et al (2014).

Compósitos W / Cu, com diferentes gradientes de cobre, foram obtidos por Zhao et al (2014) por esse método, combinado com centrifugação. Eles fabricaram por moagem misturas de pós de Cu e W com diferentes composições e depositaram, em um cadinho de grafite, camadas dessas misturas, de forma a obter um gradiente crescente de Cu. Sobre as camadas de pó foi depositada uma quantidade de térmita - um composto de CuO e Al que, quando aquecido, reage liberando uma grande quantidade de calor e Cu em estado líquido. O cadinho de grafite foi posto em uma câmara a vácuo, montada em um rotor, e a térmita entrou em combustão com o sistema já em movimento. A ação da força centrífuga auxiliou o Cu produzido pela reação a penetrar nas camadas de pós de W / Cu, fundindo as partículas de Cu

e sinterizando parcialmente as partículas de W – que serviram como sítios de nucleação para o Cu e extratores de calor. Esse processo durou cerca de 5 minutos. O resfriamento rápido gerou fraturas nas partículas de W o aparecimento de um grande número de discordâncias no Cu. Foi observada a formação de um gradiente suave de Cu, como mostrado na Figura 2.13 (a), com uma boa adesão entre as partículas de W e o Cu. Proporcional ao gradiente de Cu, também foi medido um gradiente de dureza e de coeficiente de dilatação térmica no compósito, conforme gráficos apresentados nas Figuras 2.13 (b) e (c), respectivamente.