A aspersão a plasma é relativamente fácil de compreender em seu conceito, mas bastante complexa no seu funcionamento. A pistola, desenhada esquematicamente na figura 3.1, opera com uma corrente contínua, que sustenta um arco elétrico não transferível estável entre um cátodo de tungstênio torinado e um anodo de cobre, em forma de anel, resfriado com água. O termo não transferível significa que o plasma é contido dentro da pistola e que o substrato não faz parte do circuito elétrico. Um gás de plasma (geralmente argônio ou outro gás inerte, complementado com uma pequena percentagem de um gás que aumente a sua entalpia, como hidrogênio ou hélio), é introduzido na região anterior da pistola, turbilhonado, formando um vortex que sai pela região frontal através do bocal-anodo. Os arcos elétricos do cátodo e do anodo completam o circuito, formando uma chama de plasma
que gira devido ao momento do vortex do gás de plasma. O argônio é preferido em relação ao nitrogênio por fornecer uma alta velocidade ao jato de plasma, e a adição de hidrogênio ou hélio é realizada para aumentar a tensão do arco e, consequentemente, a potência e a quantidade de calor fornecida. O hidrogênio pode ter um efeito prejudicial quando utilizados em metais que tendem a absorvê-lo.
Embora a descrição envolva a injeção em vortex (movimentos circulares) do gás de plasma, pode-se optar também pela injeção direta, sendo que ambas estão associadas a vantagens e desvantagens. O primeiro caso está normalmente associado a uma maior vida útil do bocal (anodo), pois impede que a raiz do arco permaneça fixa em um único ponto, reduzindo, desta forma, o processo erosivo anódico. Por outro lado, provoca, também, uma expulsão das partículas injetadas para fora do eixo da tocha (devido à força centrífuga), conduzindo a um aquecimento não uniforme e a uma assimetria nas propriedades do recobrimento.(10) Para sistemas que utilizam argônio e hidrogênio e uma alta vazão de gás de plasma, a injeção em vortex torna-se menos importante, uma vez que o arco formado adquire um movimento axial, o que reduz o risco de erosão no anodo. (11)
A aspersão a plasma atmosférico pode ser utilizada para fundir e depositar praticamente todos os materiais conhecidos, sendo necessário para isto, apenas, que eles não se dissociem ou decomponham ao passarem através da tocha de plasma. Um alimentador de pó transporta as partículas a serem depositadas para a tocha de plasma a uma taxa de alimentação controlada, na linha de plasma estas partículas são aquecidas, fundidas e aceleradas em direção do substrato. As partículas, então, atingem a peça de trabalho e são achatadas, resfriadas e quando ressolidificadas formam lamelas que se ajustam à forma da peça de trabalho. Mediu-se a velocidade das partículas como sendo superior a 198 m/seg(12), para a utilização de alguns parâmetros, e
a temperatura do plasma foi medida como excedendo 11.000°C no centro da chama.
Uma pistola ideal de plasma deve ter a capacidade de criar as seguintes condições para a aspersão a plasma:
(1) A velocidade da partícula deve ser suficiente para se conseguir um depósito altamente denso, mas sem conduzir a explosão da partícula durante o impacto;
(2) As partículas devem apresentar velocidade uniforme no momento do impacto;
(3) As partículas devem ser uniformemente aquecidas;
(4) As partículas devem ser completamente fundidas ou deformadas sem uma significante volatilização ou ocorrência de reações químicas indesejáveis.
Figura 3.1 . Um esquema de um processo de aspersão a plasma. (2)
A alta temperatura e a natureza inerte do plasma, aliada ao curto tempo de
Entrada da água de refrigeração Saída da água de refrigeração Alimentação do gás de plasma Alimentador de pó Pó e gás de arraste Chama de Plasma Bocal Eletrodo Isolante
permanência do material de recobrimento no jato de plasma (cerca de 1ms), permitem que quase todos os materiais processados sofram fusão sem dissociação ou evaporação significante. Por isso, uma ampla faixa de metais, cerâmicos e até mesmo polímero podem ser depositados, tornando a aspersão a plasma atmosférico a técnica mais versátil dentre as demais de aspersão térmica. Outra vantagem da aspersão térmica, especialmente do APS, é que há uma transferência relativamente pequena de calor para o substrato enquanto o recobrimento é depositado.
A aspersão a plasma pode ser dividida em três processos distintos, entretanto, totalmente interligados (13). O primeiro processo é a geração do plasma, na qual a vazão e a composição do gás de plasma e os níveis de potência atingidos têm efeito nas propriedades do plasma para um dado modelo de tocha (13). O segundo processo é a interação entre as partículas injetadas e o plasma. Nesse processo, tornam-se importantes a distribuição de tamanho e a morfologia das partículas, a velocidade de injeção das partículas, que determinará o seu tempo de residência no plasma, a configuração de injeção do pó na pistola, as propriedades do material da partícula (condutividade térmica, ponto de fusão, ponto de ebulição, etc) e as propriedades do plasma (entalpia, condutividade térmica, viscosidade, etc.). O terceiro passo constitui a formação e consolidação do recobrimento (13). Aqui se desejam recobrimentos com densidade (porosidade) controlada, composição uniforme e representativa do material depositado e que tenham adesão, coesão e resistência mecânica suficientes para a aplicação a qual se destinam.
Existem mais do que cinquenta variáveis associadas com a deposição de recobrimentos por aspersão a plasma atmosférico (16), no entanto, existem apenas alguns parâmetros que podem ser definidos e controlados durante a operação de deposição.
equipamento não terá, necessariamente, as mesmas propriedades de outro recobrimento feito em outro equipamento, mesmo que ambos os equipamentos tenham sido desenvolvidos pelo mesmo fabricante. Fatores tais como: comprimento dos cabos de energia, idade e modelo do equipamento e condições de manutenção, entre outros, podem alterar significativamente as propriedades do recobrimento. Desta forma o controle dos parâmetros de deposição é importante, não só pela influência que exercem nas propriedades dos revestimentos como também pelo fato de haver variabilidade nestas propriedades quando se trabalha com diferentes equipamentos de aspersão a plasma.
A afirmativa acima justifica a dificuldade encontrada na utilização de parâmetros pré-determinados pelo fornecedor do pó ou do equipamento, quando se deseja obter um recobrimento com determinadas propriedades. Outro problema encontrado, é que os valores fornecidos pelos fornecedores indicam faixas muito amplas para os parâmetros de recobrimento, dentro das quais já se constatou que a variabilidade nas propriedades do recobrimento é muito elevada.