O tratamento de superfície, ou recobrimento superficial; tem por finalidade modificar a superfície dos materiais, ou seja, modificar sua camada superficial sem alterar as propriedades no interior do material. O recobrimento superficial pode oferecer diversas vantagens aos materiais como: elevar a resistência ao desgaste, aumentar a dureza superficial, proteger contra a corrosão, reduzir o atrito e aumentar a vida útil do material, sendo que todos esses fatores influenciam diretamente nos custos de produção (Uzumaki et al., 2006).
Existem diversos tipos de tratamentos superficiais aplicados em materiais metálicos e não metálicos, sendo que cada um possui sua característica de acordo com o material e sua aplicação final; entretanto de acordo com (Vaskevinicius, 2005), os tratamentos superficiais estão divididos em quatro grandes grupos: revestimentos especiais, revestimentos metálicos, revestimentos não- metálicos inorgânicos e revestimentos não-metálicos orgânicos, conforme demostrado na Figura 2.19.
Figura 2.19: Principais tratamentos superficiais empregados em materiais metálicos (adaptado de Vaskevinicius, 2005).
Conforme descrito por Vaskevinicius (2005), existem vários tipos de revestimentos superficiais, estando eles separados em quatro grupos principais, e cada grupo possui diferentes tecnologias e metodologias. O grupo de revestimentos especiais têm ganhado destaque nos processos industriais, tendo em vista que a maioria deles oferecem menos risco ao meio ambiente, conforme proposto pela ISO 14.000. Entre os revestimentos especiais os mais destacados são: Laser (ligth amplification by stimulated emission of radiation), PVD (physical
vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition) e IIIP (implantação iônica por Plasma).
Neste trabalho será abordado somente o grupo de revestimentos especiais, considerando que o revestimento escolhido para aplicação na palheta do nono estágio do compressor do motor J85 foi o revestimento conhecido como Implantação Iônica por Imersão à Plasma (IIIP), sendo que esta técnica está inserido dentro desse grupo de revestimentos especiais. Logo será feito uma breve introdução aos processos PVD, CVD e LASER, e somente o processo IIIP será descrito com maiores detalhes, a fim de explicar o motivo pelo qual o mesmo foi escolhido.
2.4.1 LASER (Ligth Amplification By Stimulated Emission of Radiation) ou Luz Amplificada por Emissão Estimulada de Radiação
Segundo Vaskevinicius (2005), na tecnologia de luz amplificada por emissão estimulada de radiação é utilizado um feixe concentrado de luz em potência variada, sendo capaz de fornecer uma energia calorífica em uma superfície, suficiente para otimizar as propriedades superficiais, sendo que esta estimulação de radiação é gerada pela interação entre um fóton indutor de energia e um átomo em seu estado excitado. Nesta tecnologia é possível gerar camadas de revestimentos e produzir ligas de superfície. Entre uma das principais vantagens do revestimento superficial por LASER está inserido a melhoria da resistência ao desgaste e à corrosão, entretanto é um processo considerado muito caro e exige mão de obra altamente qualificada.
2.4.2 PVD (Physical Vapor Deposition) ou Deposição física de vapor
O processo de PVD é uma metodologia que realiza a deposição física de vapor. Um fluxo de vapor é gerado por um processo físico através da metalização iônica “ion plating”, pulverização catódica “sputtering” ou deposição por “LASER”. A técnica de PVD deposita filmes finos em materias metálicos ou cerâmicos por meio de vaporização destes materiais em câmaras especiais. As temperaturas desses processos podem variar de 200 °C a 600 °C sob alto vácuo (Franco, 2003).
O processo de PVD por metalização iônica consiste na imersão de um fluxo de argônio entre o vaporizador e o substrato e a formação do plasma pela alta tensão de descarga elétrica, logo o substrato da peça a ser revestida fica sobre o cátodo e é bombardeado íons positivos oriundos do plasma sobre a sua superfície. O método de revestimento de PVD por pulverização catódica é realizada através de lançamento de partículas aceleradas diante de um diferencial de potência contra uma placa que contém o material do revestimento desejado, para que o mesmo seja removido dessa superfície e pulverizado sobre o substrato do material. Já o processo de PVD
de deposição por LASER consiste da geração de plasma dentro de uma câmara de alto vácuo através da incidência de um LASER sobre a superfície do material a ser depositado. Uma das principais vantagens desse processo é a possibilidade de revestimentos finos, uniformes e com aderência em qualquer substrato (Vaskevinicius, 2005).
De acordo com Pierson (1999), através do revestimento PVD é possível realizar recobrimentos em TiN, TiCN, TiAlN com espessuras entre 3 µm e 8 µm, sendo que em geral os recobrimentos PVD conseguem alcançar camadas mais finas que nos recobrimentos CVD.
2.4.3 CVD ( chemical vapor deposition) ou Deposição Química de Vapor
A deposição química de vapor é realizada através da deposição de material sólido a partir de compostos em forma de gás ou vapor, onde o substrato é inserido dentro de um reator que é alimentado por gases ou vapor, ocorrendo uma reação química entre estes compostos. Os revestimentos principais gerados nesse método são: nitreto de silício, nitreto de titânio, tungtênio, cobre, alumínio e dióxido de silício (Pierson, 1999).
Existem duas possibilidades de reação pelo processo CVD, sendo elas heterogêneas e homogêneas, onde na reação heterogênea é formado uma camada fina entre o substrato e as paredes do reator, e na reação homogênea é formado pequenas partículas na forma de pó que são depositadas por gravidade sobre o substrato. A técnica CVD oferece como vantagem revestimento em qualquer substrato, em diversos tipos de materiais, e variadas aplicações (Vaskevinicius, 2005). A Figura 2.20 mostra a ilustração de um sistema de CVD.
Figura 2.20: Esquema do sistema de um reator para uso no processo CVD (Adaptado de Pierson 1999).
2.4.4 Implantação Iônica por Imersão em Plasma (IIIP)
A técnica de implantação iônica por imersão em plasma (IIIP) é um processo físico onde se implanta íons de nitrogênio em materiais sólidos. Esta técnica é capaz de realizar modificações de superfícies tridimensionais, oferecendo um tratamento uniforme na camada superficial dos materiais, incluindo peças que possuem formatos geométricos complexos e irregularidades a baixo custo e tempo reduzido. Existem diversas técnicas de imersão em plasma, sendo que a técnica de IIIP possibilita o melhoramento das propriedades superficiais dos materiais, sem intervir nas características do substrato (Rodrigues, 2014).
A Figura 2.21 mostra de maneira simplificada o princípio de funcionamento da implantação iônica por imersão em plasma. Neste processo a peça a ser tratada é colocada dentro de uma câmara de vácuo e imersa em plasma, em seguida são aplicados pulsos de alta tensão negativa, logo os íons positivos extraídos do plasma são acelerados em direção perpendicular à superfície do substrato e colidem simultaneamente com todas as partes do alvo, em incidência normal (Anders, 2000).
Figura 2.21: Esquema utilizado para a Implantação Iônica por Imersão em Plasma (Anders, 2000).
Em análise ao substrato da peça, considerando sua geometria e ângulos assimétricos, e que ainda, não era desejável interferir nas características do substrato, a técnica selecionada para o recobrimento foi o revestimento através do processo de IIIP, considerando os benefícios que esse processo poderia oferecer ao produto final.