UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
CRISTIANE DIAS DA SILVA
Tratamento Superficial de Implantação Iônica por Imersão a
Plasma (IIIP) em Palheta do Nono Estágio do Compressor
do Motor J85.
CAMPINAS 2016
Tratamento Superficial de Implantação Iônica por
Imersão a Plasma (IIIP) em Palheta do Nono Estágio do
Agência (s) de formento e n0(s) de processo(s): Não se aplica
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Si38t
Silva, Cristiane Dias da, 1980-
Tratamento superficial de implantação iônica por imersão a plasma (IIIP) em palheta do nono estágio do compressor do motor J85 / Cristiane Dias da Silva.– Campinas, SP : [s.n.], 2016.
SilOrientador: Cecília Amélia Carvalho Zavaglia.
SilDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade
de Engenharia Mecânica.
1. Ligas de titâno. 2. Tratamento de superfícies. 3. Palheta. 4. Desgaste mecânico. 5. Manufatura. I. Zavaglia, Cecília Amélia Carvalho,1954-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Surface treatment plasma immersion ion implantation (PIII) in blade the ninth compressor stage the engine
Palavras-chave em inglês: Titanium alloys Surface Treatment Blade Mechanical wear Manufacture
Área de concentração: Materiais e Processos de Fabricação Titulação: Mestra em Engenharia Mecânica
Banca examinadora:
Cecília Amélia Carvalho Zavaglia Noé Cheung
Necesio Gomes Costa
Data de defesa: 15-07-2016
Tratamento Superficial de Implantação Iônica por
Imersão a Plasma (IIIP) em Palheta do Nono Estágio do
Dedicatória
Dedico este trabalho a minha mãe, Sra. Edina Dias de Carvalho, aos meus familiares e ao meu companheiro de todas as horas, Luiz Eduardo Haguiô Santos.
Agradecimentos
Quero agradecer primeiramente a Deus pela vida, à minha mãe, Sra. Edina Dias de Carvalho, pela educação que me forneceu desde a infância e por ter sempre acreditado em meus projetos. Ao meu companheiro de todos os momentos Luiz Eduardo Haguiô Santos, pela compreensão da minha ausência nos momentos de estudo incentivando sempre meu crescimento intelectual.
À Profa. Dra. Cecília Amélia Carvalho Zavaglia, pela orientação durante o desenvolvimento deste trabalho, amizade e compreensão.
À Profa. Dra. Maria Clara Filippini Ierardi, pela amizade e colaboração para a realização desse trabalho.
Ao Sr. Vanderlei de Oliveira Gonçalves e ao Sr. Eduardo Tavares Galvani do Instituto Tecnológico da Aeronáutica IAE/ASA/ASA-E, por terem disponibilizado seu tempo para me ajudar em minhas pesquisas, demostrando profissionalismo e amizade.
Ao Sr. Wilson Roberto de Oliveira Santos, técnico do laboratório de materiais da Universidade Santa Cecília, por ter disponibilizado seu tempo para me ajudar no processo de caracterização do material.
Ao Sr. Daniel William Cunha da empresa Avio Aero, por ter colaborado tecnicamente na escolha da palheta correta para estudo.
Aos Srs. André Luiz Jardini e Luis Fernando Bernardes, do Biofabris pela colaboração e incentivo técnico para a elaboração do projeto e fabricação da palheta pelo processo DMLS.
À Dra. Maria Aparecida Larosa, pela orientação, amizade e paciência para alcançar bons resultados na pesquisa e na elaboração desta dissertação.
Ao Sr. Carlos Salles Lambert, pelo apoio técnico como físico para que fosse possível realizar a Implantação Iônica por Imersão em Plasma (IIIP) nas palhetas selecionadas.
Aos técnicos do laboratório multiusuário de caracterização de materiais da Faculdade de Engenharia Mecânica, Sr. Eduardo José Bernardes, Sra. Claudenete Vieira Leal e Sr. Jose Luis Lisboa pela colaboração durante a elaboração desse estudo.
Por fim, agradeço a todos os colegas do Departamento de Engenharia de Manufatura e Materiais da Unicamp e todos aqueles que contribuíram de maneira direta ou indireta para a realização deste trabalho.
“Algo só é impossível até que alguém duvide e resolva provar o contrário.”
Resumo
Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre o tratamento de superfície através da Implantação Iônica por Imersão em Plasma (IIIP) para aumentar a vida útil da palheta do nono estágio do compressor do motor J85, considerando o alto custo de importação e elevado índice de palhetas que são descartadas, devido ao fato de serem reprovadas na inspeção mecânica por apresentar desgaste não aceitável à sua aplicação. Estas palhetas trabalham sob alta rotação e sofrem constantes desgastes por perda de espessura e deformação por torção devido ao atrito das mesmas com o ar em alta pressão. A escolha da palheta do nono estágio deu-se pelo fato da mesma ser produzida na liga Ti-6Al-4V, a qual possui grande interesse comercial. A caracterização do material foi feita utilizando microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, microdureza Vickers e difração de raios-X. Considerando a solicitação e aplicação da palheta, foi analisado o comportamento em desgaste através do ensaio de desgaste microabrasivo do tipo esfera-sobre-placa para avaliar e comparar as amostras antes e após a aplicação do IIIP. Para que fosse possível estudar um processo de fabricação para a nacionalização da palheta do nono estágio do compressor do motor J85, foi feita a engenharia reversa da mesma através da digitalização da palheta comercial utilizando o equipamento Scanner Spatium FMM 3D. Em seguida, essa digitalização foi transferida para o software SolidWorks educacional para a modelagem, e fabricado um modelo pelo processo de manufatura aditiva através da técnica de Sinterização Direta de Metais por Laser (DMLS). Após a aplicação da IIIP constatou-se que essa técnica pode modificar a microestrutura do material e aumentar em 20% a resistência ao desgaste e vida útil da palheta. Verificou-se também que é possível fabricar a palheta do nono estágio do compressor do motor J85 na liga Ti-6Al-4V através do processo de manufatura aditiva utilizando a ferramenta DMLS, entretanto existe a necessidade de estudar outros procedimentos de acabamento final para possibilitar a redução dos custos de fabricação da peça no Brasil.
Palavras Chave: Tratamento de Superfície, Palheta, Implantação Iônica por Imersão em Plasma, Desgaste, Engenharia Reversa, Sinterização Direta de Metais por Laser, Motor J85.
Abstract
This work presents an experimental study on the Surface Treatment by Plasma Immersion Ion Implantation (PIII), to increase useful life of blade the ninth engine compressor stage J85, considering the high cost of imports and high rate of blades that are discarded due to the fact of being reproved the mechanical inspection by presenting unacceptable wear to its application. These blades work on high rotation and suffer constant wear by loss of thickness and deformation by torsion due to friction of blades with air at high pressure. The selection of blade of the ninth stage given by the fact that it is produced in Ti-6Al-4V, which has great commercial interest. The characterization of the material was done using optical microscopy, scanning electron microscopy, Vickers microhardness and X-ray diffraction. Considering the request and application of the blade, the wear behavior was analyzed by ball cratering micro-scale abrasive wear test to evaluate and compare samples before and after the implementation of PIII. To make possible the study of a manufacturing process for the nationalization of blade ninth engine compressor stage J85, reverse engineer was used on it through the commercial blade scanning using the equipment Scanner Spatium FMM 3D. Then, this scan was transferred to the educational SolidWorks software for modeling, and a model by the additive manufacturing of technique Direct Metal Laser Sintering (DMLS). After application of the PIII was found that this technique is able to modify the microstructure of the material and increase in 20% the wear resistance and useful life of the blade. It was also found that it is possible to manufacture the blade with alloy Ti-6Al-4V ninth J85 engine compressor stage by additive manufacturing technique using DMLS tool, however there is a need to study other finishing procedures to enable reduction the costs for manufacturing in Brazil.
Key word: Surface Treatment, Blade, Plasma Immersion Ion Implantation, Wear, Reverse Engineering, Direct Metal Laser Sintering, J85 Engine.
Listas de Ilustrações
Figura 2.1: Exemplo de aplicação da liga Ti-6Al-4V na aeronave F-5. ... 25
Figura 2.2: Aeronave F-5... 26
Figura 2.3: Principais dimensões da Aeronave F-5. ... 26
Figura 2.4: Princípio de funcionamento do motor J85. ... 28
Figura 2.5: Esquema da torção da Palheta para a correção do ângulo de ataque. ... 29
Figura 2.6: Palheta do nono estágio do compressor do motor J85. ... 29
Figura 2.7: Esquema simplicado de um compressor. ... 30
Figura 2.8: Detalhe da localização do nono estágio. ... 30
Figura 2.9: Diagramas de fases binárias das ligas de titânio. ... 33
Figura 2.10: Diagrama de fases tridimensional do sistema Ti-Al-V. ... 35
Figura 2.11: Representação das principais etapas do processo de manufatura aditiva. ... 38
Figura 2.12: Representação das etapas do processo de manufatura aditiva. ... 39
Figura 2.13: Representação esquemática do princípio do processo do equipamento de SL ou SLA. ... 42
Figura 2.14: Representação esquemática do princípio do processo do equipamento de LOM. ... 43
Figura 2.15: Representação esquemática do princípio do processo do equipamento de SLS. ... 45
Figura 2.16: Representação esquemática do processo do equipamento de LENS. ... 46
Figura 2.17: Equipamento EOSINT 270 ... 47
Figura 2.18: Representação esquemática do processo DMLS... 48
Figura 2.19: Principais tratamentos superficiais empregados em materiais metálicos. ... 50
Figura 2.20: Esquema do sistema de um reator para uso no processo CVD. ... 53
Figura 2.21: Esquema utilizado para a Implantação Iônica por Imersão em Plasma. ... 54
Figura 2.22: Esquemático dos quatro principais mecanismos de desgaste. ... 55
Figura 2.23: a) Esquema do ensaio de desgaste microabrasivo esfera-sobre-placa, b) Detalhe da interface entre a amostra, esfera e alimentação de abrasivo. ... 56
Figura 2.24: Representação da interação entre as partículas abrasivas e a superfície de desgaste: a) microsulcamento, b) microfadiga, c) microcorte e d) microtrincamento. ... 57
Figura 3.1: Representação da geometria da palheta do nono estágio do compressor do motor J85.
... 60
Figura 3.2: Fluxograma das etapas realizadas na fase experimental. ... 61
Figura 3.3: a) Equipamento utilizado para a digitalização da peça: b) Amostra preparada para início do processo. ... 62
Figura 3.4: Equipamento de implantação iônica por imersão em plasma. ... 63
Figura 3.5: Equipamento Arotec Pre 30Mi para embutimento à quente. ... 64
Figura 3.6: Equipamento Aropol 2V para preparação de amostras metalográficas. ... 64
Figura 3.7: a) Microscópio óptico; b) Microscópio eletrônica de varredura. ... 66
Figura 3.8: Microdurômetro Vickers. ... 66
Figura 3.9: Equipamento utilizado para o ensaio de desgaste microabrasivo. ... 68
Figura 3.10: Equipamento de polimento manual Dremel 3000... 70
Figura 3.11: Altura dos elementos de um perfil de rugosidade. ... 71
Figura 3.12: Rugosímetro Mitutoyo, modelo SJ-201. ... 72
Figura 3.13: Equipamento de medição tridimensional. ... 73
Figura 4.1: Efeito da varredura do laser durante a fabricação das amostras por DMLS. ... 74
Figura 4.2: Revestimento aplicado à palheta por Implantação Iônica por Imersão em Plasma. ... 75
Figura 4.3: Microscopia óptica da seção longitudinal da palheta comercial (amostra 2). ... 76
Figura 4.4: Microscopia óptica da seção transversal da palheta comercial (amostra 2). ... 77
Figura 4.5: Microscopia óptica da seção transversal da palheta comercial com IIIP (amostra 3). 78 Figura 4.6: Microscopia óptica da seção longitudinal da palheta condenada (amostra 4). ... 79
Figura 4.7: Microscopia óptica da seção transversal da palheta condenada (amostra 4). ... 80
Figura 4.8: Microscopia óptica da seção longitudinal da palheta fabricada por DMLS. ... 81
Figura 4.9: Microscopia óptica da seção transversal da palheta fabricada por DMLS. ... 82
Figura 4.10: Microscopia eletrônica de varredura da seção longitudinal da palheta comercial (amostra 2). ... 83
Figura 4.11: Microscopia eletrônica de varredura da seção transversal da palheta comercial (amostra 2). ... 84
Figura 4.12: Microscopia eletrônica de varredura da seção transversal da palheta comercial com
IIIP (amostra 3). ... 85
Figura 4. 13: Microscopia eletrônica de varredura da seção longitudinal da palheta condenada (amostra 4). ... 86
Figura 4.14: Microscopia eletrônico de varredura da seção transversal da palheta condenada (amostra 4). ... 87
Figura 4.15:Microscopia eletrônica de varredura da seção longitudinal da palheta fabricada por DMLS (amostra 5). ... 88
Figura 4.16: Microscopia eletrônica de varredura da seção transversal da palheta fabricada por DMLS (amostra 5). ... 89
Figura 4.17: Difratogramas das amostras 2, 3, 4 e 5: (a) palheta comercial, (b) palheta com IIIP, (c) palheta condenada e (d) palheta fabricada por DMLS. ... 90
Figura 4.18: Gráfico comparativo do ensaio de microdureza. ... 92
Figura 4.19: Calota gerada pelo ensaio de desgaste microabrasivo da palheta comercial (amostra 2). ... 93
Figura 4.20: Calota gerada pelo ensaio de desgaste microabrasivo da palheta comercial com IIIP (amostra 3). ... 94
Figura 4.21: Volumes de desgaste calculados para a palheta comercial com e sem IIIP. ... 95
Figura 4.22: Taxas de desgaste calculadas para palheta comercial com e sem IIIP... 96
Figura 4.23: Coeficientes de desgaste calculados para palheta comercial com e sem IIIP. ... 96
Figura 4.24: Medidas de rugosidade... 98
Listas de Tabelas
Tabela 2.1: Composição química da liga Ti-6Al-4V... 37
Tabela 2.2: Propriedades Mecânicas da liga Ti-6Al-4V comparado com o titânio puro grau 1. .. 37
Tabela 3.1: Composição química da liga Ti-6Al-4V conforme norma ASTM F136... 59
Tabela 3.2: Parâmetros do processo DMLS. ... 63
Tabela 4.1: Resultados do ensaio de Microdureza. ... 91
Tabela 4.2: Medidas de massa das amostras. ... 98
Tabela 4.3: Resultado das medidas dimensionais. ... 99 Tabela 4.4: Levantamento dos custos da palheta comercial e da palheta fabricada por DMLS. 101
Lista de Abreviaturas e Siglas
Letras Latinas
CO2 Dióxido de carbono
d Diâmetro da calota [m]
D Média dos comprimentos das diagonais de impressão [μm]
F Força [kgf]
FN Força normal aplicada a superfície da amostra [N]
HF Ácido fluorídrico HNO3 Ácido nítrico
HV Dureza
K Coeficiente de desgaste [m3/Nm]
K Coefiente de desgaste
L Distância percorrida pela esfera [m]
lm Comprimento de avaliação
Q Taxa de desgaste [m3/m]
R Raio da esfera [m]
SiC Carboneto de silício
V Volume da calota de desgaste [m3]
Zi Média aritmética dos valores absolutos das ordenadas Z(x) [m]
Zp Distâncias de pico [m]
Zv Distância de vale [m]
Letras Gregas
α Fase alfa β Fase Beta
ɵ Teta - Ângulo de Varredura
Abreviaturas
HC Hexagonal Compacta CCC Cúbica de Corpo Centrado
Siglas
AISI American Iron and Steel Institute
ASTM American Society for Testing and Materials
CAD computer Aided Design
CVD Chemical Vapor Deposition
DEMM Departamento de Engenharia de Manufatura e Materiais
DIN Deutsches Institut für Normung
DMLS Direct Metal Laser Sintering
DRX Difração de raios-X
FDM Fused Depostion Material
FEQ Faculdade de Engenharia Química
FEM Faculdade de Engenharia Mecânica
IFGW Instituto de Física Gleb Wataghin
IIIP Implantação Iônica por Imersão em Plasma
IJP Impressão a jato de tinta
INCT-BIOFABRIS Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Biofabricação ISSO International Organization for Standardization
LABIOMEC Laboratório de Biomateriais e Biomecânica
LASER Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LENS Laser Engineered Net Shaping
MEV Microscopia Eletrônica de Varredura
NBR Norma Brasileira
PAMASP Parque de Material Aeronáutico de São Paulo
PVD Physical Vapor Deposition
SLA Estereolitografia
Sumário
1 INTRODUÇÃO ... 21 1.1 Objetivo ... 22 1.2 Motivação ... 23 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 24 2.1 Materiais Aeronáuticos ... 24 2.1.1 Aeronave F-5 ... 25 2.1.2 Motor J85 ... 27 2.1.3 Palhetas do Motor J85 ... 28 2.2 Titânio ... 31 2.2.1 Ligas de Titânio... 32 2.2.2 Ligas α ... 33 2.2.3 Ligas quase α ... 33 2.2.4 Ligas β ... 34 2.2.5 Ligas β metaestável ... 34 2.2.6 Ligas α + β ... 35 2.2.7 Liga Ti-6Al-4V ... 36 2.3 Manufatura Aditiva ... 372.3.1 Tecnologias a Laser da Manufatura Aditiva ... 41
2.3.2 Estereolitografia - Stereolithography SL ou SLA... 41
2.3.3 Manufatura Laminar de Objetos – Laminated Object Manufacturing LOM 42 2.3.4 Sinterização Seletiva por Laser - SLS... 44
2.3.6 Sinterização Direta de Metais por Laser - DMLS. ... 47
2.4 Tratamento de Superfície... 49
2.4.1 LASER (Ligth Amplification By Stimulated Emission of Radiation) ou Luz Amplificada por Emissão Estimulada de Radiação ... 51
2.4.2 PVD (Physical Vapor Deposition) ou Deposição física de vapor... 51
2.4.3 CVD ( chemical vapor deposition) ou Deposição Química de Vapor ... 52
2.4.4 Implantação Iônica por Ime rsão em Plasma (IIIP) ... 53
2.5 Desgaste Microabrasivo ... 54
2.6 Mecanismo de desgaste microabrasivo ... 56
3 MATERIAIS E MÉTODOS... 59
3.1 Digitalização da palheta do nono estágio do motor J85 ... 61
3.2 Fabricação das Amostras ... 62
3.3 Implantação Iônica por Ime rsão em Plasma – IIIP ... 63
3.4 Preparação das Amostras ... 64
3.5 Análise da Microestrutura ... 65
3.6 Análise da Microdureza Vickers ... 66
3.7 Ensaio de Desgaste ... 67
3.8 Polimento químico e Manual (Amostras 5 e 6) ... 70
3.9 Rugosidade Superficial... 71
3.10 Análise Dimensional ... 72
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 74
4.1 Digitalização da palheta do nono estágio do motor J85 ... 74
4.2 Implantação Iônica por Ime rsão em Plasma – IIIP ... 75
4.3 Análise da Microestrutura ... 76
4.3.2 Microscopia Eletrônica de Varredura ... 82
4.3.3 Difração de raios-X ... 89
4.4 Ensaio de Microdureza... 90
4.5 Ensaio de Desgaste ... 92
4.6 Polimento químico e Manual das Amostras 5 e 6 ... 97
4.7 Medição da Rugosidade Supe rficial ... 97
4.8 Medição da massa das amostras... 98
4.9 Análise tridimensional das amostras 2, 5 e 6... 99
4.10 Análise de Custo ... 100
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 102
5.1 Conclusões ... 102
5.2 Sugestões ... 103
1 INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, uma das áreas que tem mostrado maior crescimento tecnológico é a área de Ciência e Engenharia de Materiais em virtude das novas exigências do mercado em busca de materiais que ofereçam maior resistência, qualidade e eficiência em sua aplicação.
A indústria aeronáutica é um dos setores que colaborou de maneira significativa para a inovação tecnológica no que se refere ao desenvolvimento de novos materiais, em busca de propriedades e características adequadas a cada aplicação do setor. Quando um determinado material apresenta uma combinação de maior resistência e menor peso, conciliado com um bom nível de resistência mecânica, este é um forte indício de que o mesmo pode ser aplicado no setor aeronáutico.
Na indústria aeronáutica são utilizados diversos tipos de materiais devido à complexidade de funcionamento do conjunto. Destaca-se entre os principais materiais o alumínio, titânio, madeira, fibra de vidro, fibra de carbono, aço, ligas metálicas em geral e materiais compostos.
As aeronaves de caça F-5 são equipadas com motores de sistema mecânico propulsivo do tipo turbo jato. Esses tipos de motores possuem um sistema de refrigeração e revestimento capazes de proporcionar aos componentes do motor uma proteção térmica adequada às diversas solicitações térmicas e mecânicas sofridas durante a operação do compressor e turbina.
A aplicação de revestimentos nas palhetas do compressor e turbina formam uma proteção térmica que possibita que as mesmas sejam submetidas a temperaturas elevadas podendo alcançar a temperatura de fusão em algumas fases das superligas, como é o caso das palhetas do primeiro estágio da turbina do motor da aeronave F-5 que são fabricadas com as superligas de níquel René 80 trabalhando em temperaturas entre 730 oC a 1760 oC. A utilização de revestimentos para criar uma barreira térmica pode reduzir a temperatura de trabalho do metal e consequentemente aumentar a vida útil dos componentes do motor conforme citado por Gleeson (2006).
As palhetas do motor J85, que é o atual motor instalado na aeronave F-5, sofre com diversas solicitações mecânicas de desgaste, deformação por torção e perda de espessura. Logo, o objetivo desse trabalho é aplicar uma camada de revestimento de nitreto de titânio utilizando a implantação iônica por imersão em plasma (IIIP), na palheta do nono estágio do compressor do
motor J85 da aeronave F-5, tendo como principal finalidade aumentar sua resistência ao desgaste e, consequentemente, sua vida útil. A palheta do nono estágio do motor J85 foi selecionada por ser fabricada em uma liga de grande interesse comercial, a Ti-6Al-4V. Ao final da deposição física por IIIP na palheta, a mesma será submetida à caracterização do material através da microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, microdureza Vickers e difração de raios-X. Para analisar se houve melhoria no que se refere à resistência ao desgaste foi realizado o ensaio de desgaste microabrasivo do tipo esfera-sobre-placa. Por fim, o modelo comercial da palheta do nono estágio do motor J85 foi fabricado através do processo de fabricação de manufatura aditiva DMLS (Direct Metal Laser Sintering), a fim de comparar se este processo é similar ou melhor do que o processo de fabricação da palheta comercial.
1.1 Objetivo
O objetivo deste trabalho é realizar revestimento de nitreto de titânio por implantação iônica por imersão em plasma em palheta do nono estágio do compressor do motor J-85 da aeronave F-5, tendo como principal finalidade propor o aumento da vida útil e resistência ao desgaste da palheta, considerando o alto custo do material e logística de importação. Posteriormente será fabricado um protótipo idêntico à amostra comercial através do processo de fabricação DMLS (Direct Metal Laser Sintering), a fim de comparar se este processo é similar ou melhor do que o processo de fabricação da palheta comercial.
Para alcançar o objetivo principal deste trabalho, as amostras da palheta do nono estágio do compressor do motor J85 foram submetidas à caracterização do material, ensaio de desgaste microabrasivo do tipo esfera-sobre-placa, revestimento de nitreto de titânio por IIIP e fabricação de um modelo pelo processo de manufatura aditiva através da técnica DMLS. Com isso foi possível analisar as características da microestrutura do material, os mecanismos de desgaste, as propriedades e o acabamento de superfície das amostras fabricadas por DMLS.
1.2 Motivação
A principal motivação para a realização deste experimento e desenvolvimento desta dissertação se deve ao fato de que as palhetas do compressor do motor da aeronave F-5 sofrem com elevados esforços de desgaste durante a aplicação da força do ar, que é direcionada em sua superfície quando a mesma encontra-se em movimento cíclico constante, ocasionando após algum tempo de uso condenação do item por deformação de sua forma inicial e perda de espessura.
Vale ressaltar que estas palhetas têm um custo de aproximadamente U$ 94,00 cada, e que ainda são importadas, levando em média 6 meses para chegar ao Brasil, devido o desembaraço alfandegário. Para completar o ciclo do nono estágio do compressor do motor são necessárias 120 (cento e vinte) palhetas.
2 REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Materiais Aeronáuticos
A indústria aeronáutica investe continuamente em inovação tecnológica em busca de novos materiais para várias aplicações no setor, considerando suas vantagens como custo, eficiência e competividade no mercado (Brisken et al., 2000).
Muitos materiais são aplicados na indústria aeronáutica como: ligas metálicas, materiais compostos, fibra de carbono, fibra de vidro, madeira, entre outros. Os três principais fatores para seleção dos materiais que serão aplicados em uma aeronave são: resistência, peso e confiabilidade. As ligas de titânio se enquadram nesses três fatores devido às suas excelentes propriedades mecânicas vinculadas ao baixo peso e alto ponto de fusão (Fernandes, 2008).
As ligas de titânio são empregadas no revestimento de fuselagens, carenagens das turbinas e motores, paredes de fogo, longarinas, estruturas primárias, reforçadores, elementos de fixação e dutos de ar, sendo também utilizados para a construção de discos de compressores, anéis de espaçamento, palhetas de motores, entre outras diversos acessórios aplicados aos motores. A Figura 2.1 mostra alguns exemplos da aplicação da liga Ti-6Al-4V na aeronave F-5 (Gleeson, 2006).
Figura 2.1: Exemplo de aplicação da liga Ti-6Al-4V na aeronave F-5 (Adaptado do Manual Técnico 1F-5E-3, 2006).
2.1.1 Aeronave F-5
A aeronave F-5 (Figura 2.2) é um caça tático de defesa aérea e ataque ao solo, sendo que seu projeto foi desenvolvido e fabricado pela empresa americana Northrop Grumman Corporation.
A aeronave F-5 possui como características: elevada capacidade de detecção de alvos aéreos em virtude de seu sistema de radares e sistema integrado de navegação, alto poder de ataque, autodefesa, manobráveis, excelente aerodinâmica, baixo custo operacional em relação à outras aeronaves da mesma linha e ainda é composto por armamentos convencionais ou inteligentes de última geração, compatíveis com mísseis, bombas guiadas a laser, mísseis anti-radiação, além de um canhão assistido eletronicamente (Brisken et al., 2000).
Figura 2.2: Aeronave F-5 (Flickr, 2016).
As principais dimensões da aeronave F-5 são compostas por três medidas, sendo o comprimento de 14,6 metros, altura de 4,08 metros e envergadura de 8,22 metros, conforme ilustrado na Figura 2.3 ( Manual Técnico 1F-5E-3, 2006).
Figura 2.3: Principais dimensões da Aeronave 5 (Adaptado de Structural Repair Usaf Series F-5e / F Aircraft, 2007).
2.1.2 Motor J85
De acordo com Brisken et al. (2000), o motor utilizado na aeronave F-5 é um motor J85 do tipo turbo jato, construído e projetado pela empresa General Eletric, tendo como principais características o baixo peso, compactabilidade, alto desempenho e a melhor relação entre empuxo peso para a sua categoria no mundo, possibilitando elevada eficiência aerodinâmica e manobrabilidade. No ciclo básico de trabalho do motor ocorrem as seguintes fases: admissão, compressão, expansão e exaustão. O motor J85 possui nove estágios no compressor acoplado diretamente a uma turbina de dois estágios com fluxo axial.
Na admissão e compressão, o ar ingressa a uma temperatura ambiente e pressão atmosférica. Após a admissão da corrente de ar ocorre a compressão da massa de ar que aumenta a temperatura e a pressão causando uma redução do volume. Depois da compressão do ar, o mesmo é encaminhado para um difusor para redução de velocidade e aumento de pressão antes de entrar na câmara de combustão. Na câmara de combustão o combustível é injetado de maneira contínua, ocorrendo a queima elevando a temperatura, o volume da massa de ar e dos gases oriundos da combustão. O gases resultantes da câmara de combustão se expandem através da turbina e gera o movimento de rotação, sendo boa parte da energia cinética do fluxo de gases convertida em energia mecânica para acionamento do conjunto turbina compressor. Vale ressaltar que quanto maior for a razão de compressão, maior será a eficiência térmica do sistema e menor será o consumo de combustível do motor (Fernandes, 2008). A Figura 2.4 ilustra os princípios de funcionamento do motor J85.
As palhetas, tanto do compressor quanto da turbina, sofrem solicitações mecânicas que causam desgaste, deformação por torção e perda de espessura (Gleeson, 2006).
Figura 2.4: Princípio de funcionamento do motor J85 (Adaptado de Fernandes, 2008).
2.1.3 Palhetas do Motor J85
O motor J85 possui um compressor de nove estágios axiais, acoplado diretamente a dois estágios da turbina. Cada estágio possui um conjunto de palhetas com geometrias diferentes, tendo como principal objetivo modificar a direção do fluxo de ar que entra axialmente ao rotor para proporcionar a melhor eficiência ao sistema e manter a velocidade axial do fluxo constante ao longo do compressor (Brisken et al., 2000).
As palhetas têm um perfil aerodinâmico e são fixas com uma pequena folga para alívio de tensões e ainda ao longo do seu corpo apresenta uma torção desde sua raiz até a sua extremidade para manter o ângulo de ataque. O ângulo de ataque influencia na velocidade axial do fluxo de ar e na velocidade linear da palheta (Pomeroy, 2005).
Todas as palhetas do compressor do motor J85 são fabricadas em liga de titânio, e as palhetas da turbina do motor J85, são fabricadas em ligas especiais de níquel, conhecidas como Inconel (Gordon, 1989).
A Figura 2.5, mostra o esquema da torção da Palheta para a correção do ângulo de ataque e a Figura 2.6 mostra o desenho da palheta do nono estágio do compressor.
Figura 2.5: Esquema da torção da Palheta para a correção do ângulo de ataque (Adaptado de Fernandes, 2008).
Figura 2.6: Palheta do nono estágio do compressor do motor J85.
A Figura 2.7 mostra o comportamento convergente do compressor para que se possa garantir que a velocidade axial do ar se mantenha a medida que a mesma é comprimida. Esta convergência é responsável pela diferença de tamanho entre o primeiro estágio do compressor até o último estágio. A Figura 2.8 mostra o detalhe de localização da palheta do nono estágio.
Figura 2.7: Esquema simplicado de um compressor (Adaptado de Fernandes, 2008).
Figura 2.8: Detalhe da localização do nono estágio (Adaptado de Fernandes, 2008).
De acordo com o manual técnico 2J-J85-133-5 (1982), o nono estágio do compressor do motor J85 possui 120 palhetas. Para o estudo de tratamento de superfície com a aplicação de implantação iônica por imersão em plasma (IIIP), esta palheta foi escolhida devido a diversos fatores como tamanho, geometria, relatos de problemas referentes ao desgaste e deformação de torção; mas o principal fator determinante para a escolha desta palheta para estudo foi o fato da
mesma ser fabricada na liga de titânio Ti-6Al-4V, pois este material possui grande interesse industrial para pesquisas de novas tecnologias e aplicações na área de engenharia.
2.2 Titânio
Segundo Peters et al. (2003), o elemento titânio foi descoberto por Willian Justin Gregor, em 1791, na Inglaterra. Em 1795, o químico Klaproth iniciou sua pesquisa com titânio, logo Gregor e Klaproth fizeram várias tentativas mas não tiveram sucesso com suas pesquisas para industrializar o titânio. Em 1932, Kroll provou que o titânio poderia ser produzido através da redução do tetracloreto de titânio com o magnésio. A primeira empresa produtora de titânio metálico para uso comercial foi a E.I. du Pont de Nemours and Company, que conseguiu converter o processo de Kroll para escala comercial em 1948. A ilmenita e o rutilo são os dois principais minérios de titânio, sendo que as reservas do minério de ilmenita são abundantes na natureza e responsáveis por aproximadamente 85% da produção mundial do titânio, e o minério de rutilo é uma matéria prima que não é muito abundante e possui um teor de dióxido de titânio concentrado em aproximadamente 96%.
De acordo com Callister (2002), o titânio juntamente com suas ligas são materiais inovadores e pode ser considerado um material novo na engenharia devido às suas aplicações diversas, porém as ligas de titânio possui custo elevado em função da exigência de técnicas específicas durante o beneficiamento no processo de fabricação. O titânio e suas ligas podem ser aplicados em segmentos industriais, aeroespaciais, petroquímico, geração de energia, médico e odontológico
Conforme Sugahara et al., (2008), o titânio possui em suas propriedades, elevada resistência mecânica e à corrosão, baixa densidade, alto ponto de fusão e excelente biocompatibilidade em algumas ligas.
2.2.1 Ligas de Titânio
As ligas de titânio começaram a ser aplicadas primeiramente na indústria aeronáutica e aeroespacial, mas devido suas propriedades como; baixa densidade, biocompatibilidade, alta resistência mecânica e resistência à corrosão, estas ligas se tornaram muito atraentes para as indústrias médicas, odondológicas, petroquímicas e automobilísticas (Azevedo, 2003; Donachie et al., 2003).
Ao fazer a revisão bibliográfica referente às ligas de titânio foi possível observar que os autores concordam que as mesmas possuem duas principais fases em sua microestrutura alfa (α) e beta (β) (Ferreira Neto, 1973; Kubaschewski, 1982; Suryanarayana et al., 1991; Azevedo, 2003; Couto et al., 2006; Zheng et al., 2016).
Segundo estudo realizado por Suryanarayana et al., (1991), existem mais de uma forma cristalográfica para o titânio devido ser um material alotrópico. A fase Ti-α é formada por uma estrutura cristalina do tipo hexagonal compacta (hc) e a fase Ti-β possue uma estrutura do tipo cúbica de corpo centrado (ccc).
As ligas de titânio podem apresentar as fases α, β ou α+β, contendo subdivisões de quase α e β metaestável. Na Figura 2.9 é possível observar que os campos de estabilidade das fases e as temperaturas de transformação podem ser modificadas quando ocorre a adição de elementos de liga (Matthew et al., 1988; Leyens et al., 2003; Galvani, 2011).
De acordo com Callister (2002), as ligas de titânio são utilizadas normalmente como materiais estruturais de aeronaves, veículos espaciais e nas indústrias petroquímicas. As excelentes propriedades mecânicas das ligas de titânio engloba desde o titânio comercialmente puro, de alta ductibilidade, até as ligas que são submetidas a tratamentos térmicos com limite de resistência acima de 900 MPa.
Figura 2.9: Diagramas de fases binárias das ligas de titânio (Adaptado de Leyens et al., 2003; Galvani, 2011).
2.2.2 Ligas α
As ligas compostas por elementos alfagênicos ou estabilizadores da fase α e o titânio comercialmente puro, em temperatura ambiente possuem uma estrutura cristalina do tipo hexagonal compacta (hc). Devido à composição das ligas α, as mesmas não apresentam retenção da fase β à temperatura ambiente. A adição de alguns elementos como nitrogênio, oxigênio, alumínio e carbono estabilizam a fase α, entretanto é importante ressaltar que esta adição dos elementos precisam atender aos teores máximos de acordo com as normas técnicas (Azevedo, 2003; Leyens et al., 2003; Galvani, 2011).
Conforme descrito por Oliveira (2010), as ligas α possuem elevada resistência à fluência e são capazes de manter suas propriedades em elevadas temperaturas.
2.2.3 Ligas quase α
As ligas quase α são ideais para serem utilizadas em trabalhos de altas temperaturas, pois combinam o excelente comportamento de fluência das ligas α com a elevada resistência das ligas
α + β. Estas ligas possuem pequenas quantidades de β retida e adições de elementos como manganês, molibdênio e nióbio, que são estabilizadores da fase β. As mesmas podem ser tratadas termicamente em α + β ou em β, sendo a liga Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo exemplo da liga quase α (Leyens et al., 2003).
2.2.4 Ligas β
As ligas que apresentam elementos betagênicos ou estabilizadores da fase β, em temperatura ambiente possuem estrutura cristalina do tipo cúbica de corpo centrado (ccc). Estas ligas são utilizadas em trabalhos que exigem elevadas solicitações mecânicas, pois oferecem alta resistência mecânica, alta tenacidade à fratura e ainda resistência à corrosão sob tensão. O vanádio, nióbio, molibdênio e cromo são alguns elementos estabilizadores da fase β (Leyens et al., 2003; Galvani, 2011).
Segundo Azevedo (2003), essas ligas não podem ser aplicadas em trabalhos em baixas temperaturas, por apresentarem maiores tendências.de fratura e transição entre dúctil e frágil. As ligas Ti-12Mo-6Zr-2Fe e Ti-15Mo são exemplos de ligas β.
2.2.5 Ligas β metaestável
As ligas β metaestável possuem estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (ccc) e elevada resistência mecânica e tenacidade, entretanto apresentam algumas desvantagens como baixa resistência à corrosão e soldabilidade. Essas ligas estão localizadas na fase α + β, sendo que o elemento β estabilizador não permite a ocorrência de transformação martensítica quando submetido a resfriamento rápido. A liga Ti-6V-6Mo-5, 7Fe-2, 7Al é um exemplo de liga β metaestável (Leyens et al., 2003).
2.2.6 Ligas α + β
As ligas caracterizadas com as fases alfa e beta, ou (α + β), possuem elementos estabilizadores α e β combinando as propriedades distintas desses dois elementos. Essas ligas apresentam elevada resistência mecânica e ainda uma boa soldabilidade, que pode ser elevada conforme os teores estabilizantes de β decrescem (Azevedo, 2003).
Em temperatura ambiente, as ligas α + β podem reter de 10 a 50 % (em volume) de β, sendo que a estabilidade dessas fases para a mesma composição química, permite obter variadas microestruturas em virtude da aplicação de tratamentos térmicos (Donachie et al., 2003).
A Figura 2.10 ilustra o diagrama de fases tridimensional de classificação da liga de titânio com alumínio e vanádio.
Figura 2.10: Diagrama de fases tridimensional do sistema Ti-Al-V (Adaptado de Leyens et al., 2003).
De acordo com Azevedo (2003), os tratamentos térmicos podem controlar as propriedades das ligas α + β, pois o controle da precipitação da fase β durante o resfriamento pode definir a microestrutura. A fase β pode ficar retida durante a precipitação e se transformar
em estrutura martensita α ou fase α. Em resfriamento rápido a fase β pode se transformar em martensita ou ficar retida na forma metaestável.
A liga mais utilizada atualmente que possui o tipo de fase α + β é a liga Ti-6Al-4V, sendo essa utilizada quando existe a necessidade de agregar as propriedades mecânicas de ambas as fases (Galvani, 2011).
Segundo Pohl et al. (2004), a liga Ti-6Al-4V vem substituindo gradualmente o titânio comercialmente puro devido à maior resistência mecânica, e ainda ser de grande importância industrial e tecnológica em virtude de suas variadas aplicações, englobando desde a área médica até a área aeroespacial.
2.2.7 Liga Ti-6Al-4V
A liga de titânio mais utilizada atualmente é a Ti-6Al-4V devido às suas variadas aplicações, grande importância tecnológica e industrial, conforme citado anteriormente, principalmente nas áreas aeroespacial e biomédica.
Segundo Matthew et al. (1988), estão presentes na liga Ti-6Al-4V as fases alfa (α) e beta (β). A combinação das duas fases α e β na liga Ti-6Al-4V atribui ao material excelente propriedade mecânica se comparado ao metal puro., resistência à corrosão e baixa densidade.
Na composição química da liga Ti-6Al-4V, de acordo com a norma ASTM F136 (2012), são permitidas algumas variações em seus componentes químicos, dependendo da aplicação que o material será destinado. Segundo a norma, o teor do oxigênio pode variar entre 0,02 a 0,13 % da massa total, o nitrogênio de 0,02 a 0,05%, o alumínio de 0,40 a 6,5 % e o vanádio pode variar de 0,15 a 4,5 % da massa total. A Tabela 2.1 adaptada da norma ASTM F136 (2012) mostra os limites máximos permitidos.
Tabela 2.1: Composição química da liga Ti-6Al-4V [ Adaptado de ASTM F136, 2014]. Elementos Composição Máxima (% em peso) Elementos Composição Máxima (% em peso)
Titânio Balanço Oxigênio 0,13
Carbono 0,08 Alumínio 6,50
Hidrogênio 0,012 Vanádio 4,50
Ferro 0,25 Nitrogênio 0,05
A liga Ti-6Al-4V atende ao requisito de composição química da norma ASTM F 136, apresentando 6 % de alumínio e 4% de vanádio.
As propriedades mecânicas da liga Ti-6Al-4V estão descritas na Tabela 2.2, sendo que os resultados estão diretamente relacionados com as temperaturas, conforme citado por Brunette (2001).
Tabela 2.2: Propriedades Mecânicas da liga Ti-6Al-4V comparado com o titânio puro grau 1 [Adaptado Brunette, 2001]. Liga Tipo de Fase Temperatura ( o C) Limite de Escoamento (MPa) Limite de Resistência à tração(MPa) Alongamento (%) Dureza (HRB) Ti-CP-1 α 704 172 241 24 70 Ti-6Al-4V α + β 704 862 931 15 109 Ti-6Al-4V α + β 940 793 862 10 107 2.3 Manufatura Aditiva
A manufatura aditiva é um processo de fabricação que envolve um conjunto de tecnologias desenvolvidas para fabricar modelos e protótipos a partir de um modelo geométrico gerado no sistema computadorizado CAD 3D.
De acordo com Chua et al. (2010), no final da década de 80, surgiu um modo inovador de fabricação por adição de material em camadas planas, dispensando moldes e ferramentas e
reduzindo de maneira significativa a intervenção do operador no processo. A manufatura aditiva utiliza as informações geométricas do modelo a ser construído, diretamente do sistema computadorizado CAD “Computer Aided Design”, a fim de planejar o processo que é quase totalmente automatizado. A construção do protótipo antes da fabricação final do produto ou componente é de extrema importância para o sucesso do processo de desenvolvimento, pois permite diagnosticar se o produto ou componente terá a geometria e funcionalidade adequada para o fim que se destina.
Segundo Volpato et al. (2007), “a manufatura aditiva pode ser definida como um processo de fabricação através de adição de material em forma de camadas planas sucessivas, isto é, baseado no princípio da manufatura por camada”.
Já Souza et al. (2009), define manufatura aditiva como uma “técnica que versa a construção de modelos físicos através da geração do modelo no sistema CAD 3D. A manufatura aditiva é um processo de adição de material, camada a camada, até a finalização do modelo sólido”.
O processo de manufatura aditiva se inicia a partir do modelo 3D gerado no CAD. O modelo gerado é fatiado eletronicamente e através deste fatiamento é possível obter curvas de níveis 2D caracterizando em cada camada fatiada se existe ou não a necessidade de adição de material. A Figura 2.11 mostra a representação das principais etapas do processo de manufatura aditiva (Volpato et al., 2007).
Figura 2.11: Representação das principais etapas do processo de manufatura aditiva (Adaptado de Volpato et al., 2007).
De acordo com Souza et al. (2009), a manufatura aditiva é um processo que pode ser dividido nas etapas de criação do modelo CAD, conversão do modelo para o formato de malha triangular (STL), fatiamento do modelo em camadas, construção do modelo físico pela adição das camadas fatiadas e acabamento final para melhorar a aparência e a durabilidade do protótipo. As etapas descritas acima estão esquematizadas na Figura 2.12, sendo melhor detalhadas na sequência.
Figura 2.12: Representação das etapas do processo de manufatura aditiva (Adaptado de Souza et al., 2009).
Etapa 1: Na primeira etapa do processo de manufatura aditiva existe a criação do modelo CAD, onde são transformados modelos virtuais em modelos físicos, sendo que este modelo virtual pode ser construído a partir do sistema de desenho tridimensional CAD e imagens ou modelos médicos digitalizados.
Etapa 2: Na segunda etapa do processo o modelo é convertido para o formato de malha tridimensional (STL), pois este formato é uma linguagem padronizada que simula o modelo tridimensional por meio de uma malha de triângulos.
Etapa 3: Na terceira etapa ocorre o fatiamento do modelo em camadas para verificar se a malha está completamente fechada.
Acabamento posterior a manufatura para melhorar a aparência e durabilidade do protótipo Construção do modelo físico pela adição das
camadas fatiadas
Fatiamento do modelo em camadas Conversão do modelo para o formato de malha
triangular (STL) Criação do modelo CAD
Etapa 4: Na quarta etapa o modelo físico tridimensional é construído através da adição das camadas fatiadas, camada a camada, geradas no modelo virtual.
Etapa 5: Na quinta etapa é necessário realizar o acabamento após o processo de manufatura aditiva, pois o acabamento do modelo gerado tende a melhorar a aparência e a durabilidade do protótipo (Souza et al., 2009).
De acordo com Chua et al. (2010), atualmente existem mais de 30 tecnologias de manufatura aditiva disponíveis no mercado, entretanto apesar destas tecnologias serem diferentes em relação à adição de material, o fundamento do processo de fabricação por camadas planas atendem o mesmo princípio. Os processos de manufatura aditiva podem ser classificados genericamente pela forma inicial do material, ou seja, a partir do tipo de material que o protótipo é construído. Desta forma, a manufatura aditiva pode ser classificada de maneira geral em processos baseados em líquido, sólido e pó.
Nos processos baseados em líquidos, a matéria prima está no estado líquido e através do processo de “cura”, o líquido é transformado ao estado sólido para ser processado na fabricação da peça. Alguns processos que se encaixam nesta categoria são: Estereolitografia (SLA), Impressão a jato de tinta (IJP), entre outros (Volpato et al., 2007).
Nos processos baseados em sólidos, a matéria prima está no estado sólido em forma de fios, rolos, lâminas ou qualquer outra forma. Alguns processos que se encaixam nesta categoria são: Modelagem por fusão e deposição (FDM), Manufatura laminar de objetos (LOM), entre outros (Chua et al., 2010).
Nos processos baseados em pó, a matéria prima está em forma de pó, sendo que o seu processamento pode ser realizado com a utilização de laser. Alguns processos que se encaixam nesta categoria são: Sinterização seletiva a laser (SLS), Sinterização Direta de Metais por Laser
(DMLS), entre outros (Chua et al., 2010).
Levando em consideração que este trabalho utilizou a técnica de manufatura aditiva por
Sinterização Direta de Metais por Laser, com as técnicas convencionais de conformação mecânica, será abordado nesta revisão bibliográfica somente as técnicas de manufatura aditiva que utilizam laser no processo.
2.3.1 Tecnologias a Laser da Manufatura Aditiva
Conforme citado anteriormente, existem mais de 30 tipos de tecnologias de manufatura aditiva, entretanto será abordado neste trabalho somente as tecnologias que utilizam laser, tendo em vista que o objetivo do experimento foi fabricar um modelo da palheta do nono estágio do motor J85 utilizando esse método de fabricação. Os processos de manufatura aditiva que utilizam laser e que serão melhores detalhados são:
- Estereolitografia (SL ou SLA);
- Manufatura de objetos em lâminas (LOM); - Sinterização Seletiva a Laser (SLS);
- Sinterização Direta de Metais por Laser (DMLS). - Fabricação da Forma Final a Laser (LENS);
2.3.2 Estereolitografia - Stereolithography SL ou SLA
De acordo com Chua et al. (2010), a Estereolitografia foi o primeiro processo de manufatura aditiva, sendo disponibilizado comercialmente ao mercado no ano de 1988 pela empresa 3D Systems Inc. dos EUA. Pode ser usado o termo SL tirado da palavra inglesa
StereoLithography e SLA da palavra StereoLithography Apparatus que significa aparato de
estereolitografia.
Segundo Souza et al. (2009), através do processo de estereolitografia é possível construir modelos tridimensionais utilizando polímeros líquidos sensíveis à luz, que tornam-se sólidos quando expostos à radiação ultravioleta. Neste processo, o modelo é construído sobre uma plataforma mergulhada em um banho líquido de resina epóxi ou acrílica conforme esquematizado na Figura 2.13. O sistema possui uma fonte de raio ultravioleta, com elevada precisão de foco, que esboça a primeira camada, solidificando a seção transversal e deixando as demais áreas líquidas. Em seguida, um elevador mergulha a plataforma no banho líquido polimérico e o raio
laser desenvolve a segunda camada, assim o processo é repetido sucessivas vezes até a finalização do protótipo. Ao final de todas as etapas, o modelo é retirado do banho para ser lavado e feita a remoção dos suportes; em seguida o modelo é submetido ao forno de radiação ultravioleta para que ocorra a cura completa do protótipo.
Figura 2.13: Representação esquemática do princípio do processo do equipamento de SL ou SLA ( Adaptado de Chua 2010).
Conforme Volpato et al. (2007), o processo SL tem como vantagem facilidade em assistência técnica para diversos países, possui precisão dimensional e elevada qualidade superficial, entretanto o processo tem deficiência de limitar somente as resinas poliméricas como materiais, necessidade de pós-processamento e pós-cura.
2.3.3 Manufatura Laminar de Objetos – Laminated Object Manufacturing LOM
De acordo com Volpato et al. (2007), o processo de manufatura laminar de objetos está entre os primeiros processos de manufatura aditiva, sendo comercializado pela empresa Cubic Technology, Inc. O princípio de funcionamento do processo é através da deposição sucessiva de
folhas adesivas coladas uma sobre a outra até a formação do protótipo. O material é apresentado em forma de bobina conforme mostra Figura 2.14. O processo admite aplicação de vários tipos de materiais, entretanto o mais utilizado é o papel tipo kraft com adesivo termicamente ativado à base de polietileno por apresentar baixo custo, ter fácil obtenção, não oferecendo risco ao meio ambiente e às pessoas.
Figura 2.14: Representação esquemática do princípio do processo do equipamento de LOM (Ulbrich, 2007).
Segundo Gonçalves (2010), o protótipo é criado de acordo com análise realizada nas características do modelo físico, em seguida a tira de papel avança sobre a plataforma de construção, logo a peça é movida pela plataforma de sustentação a fim que seja facilitado a passagem do rolo pré-aquecido a aproximadamente 300 ºC, sendo que nesta fase ocorre a compressão e a colagem da lâmina de papel sobre a camada anterior. Após este processo é realizado o corte a partir do laser de CO2.
Conforme Volpato et al. (2007), o processo LOM possui algumas vantagens, pois permite utilizar vários tipos de materiais como plásticos, cerâmicas, tecidos ou metais, mas os modelos de papel são produzidos em maiores escalas referentes a outros processos com um menor custo. A técnica LOM também possui algumas deficiências no processo como a dificuldade de remoção dos suportes e do material na etapa de pós-processamento.
2.3.4 Sinterização Seletiva por Laser - SLS.
Segundo Volpato et al. (2007), a técnica SLS que significa selective laser sintering ou sinterização seletiva por laser foi desenvolvido pela universidade do Texas nos EUA, porém comercializada pela empresa DTM Corporation em 1992, sendo que no ano de 2001 a 3D Systems comprou a empresa DTM e consequentemente deteve os direitos de comercializar esta tecnologia.
Diversos materiais em pó podem ser utilizados na tecnologia SLS através do método de fabricação por adição, segundo descrito por Chua et al. (2010). Este processo desenvolve corpos tridimensionais gerados no sistema computadorizado CAD 3D, camada a camada gerados em softwares de CAD. As camadas são formadas a partir da sobreposição de pós com a ajuda de um laser que fundi o material. A Figura 2.14 mostra o processo da tecnologia SLS.
De acordo com Volpato et al. (2007), o laser CO2 é utilizado para sinterizar um material
em forma de pó no processo SLS. A construção física da peça é iniciada a partir do material espalhado e nivelado por um rolo separador de pó na câmara de construção do equipamento sobre uma plataforma. O aquecimento da câmara se faz a uma temperatura abaixo do ponto de fusão do material, logo é depositado uma fina camada de pó na câmara de construção com ajuda do rolo de nivelamento de pó demostrado na Figura 2.15. O rolo de nivelamento de pó tem como função exercer deslocamentos ao longo da superfície de modo a promover o arraste do material das áreas de alimentação lateral para a câmara de construção central, em seguida é laminada uma camada de pós referentes a espessura de cada camada de construção. A interação do feixe de laser de CO2
gerador de calor promove o aumento da temperatura até que ocorra o ponto de fusão do material processado. As características para fundir os pós definidos na região da geometria da peça ocorre devido a intensidade do feixe de laser. A peça possui camadas de material de pó compactado não integrando com a peça, sendo apenas suporte estrutural, logo estas etapas são consecutivas até que a construção da peça esteja finalizada.
Figura 2.15: Representação esquemática do princípio do processo do equipamento de SLS (Gonçalves, 2010).
Segundo Gonçalves (2010), existe dois tipos de processos SLS, sendo que os mesmos se diferem pelo modo de incidência do feixe de laser na fundição do material. Os dois processos são classificados como sinterização direta e indireta. A sinterização indireta utiliza materiais metálicos e cerâmicos revestidos por uma película de espessura de 5µm, permitindo que apenas os polímeros sejam derretidos. A sinterização direta utiliza um feixe de laser com potência elevada a fim de que as peças tenham densidade elevada. O processo SLS possui algumas vantagens como utilização de materiais diversificados, elevada resistência mecânica e térmica e rapidez do processo em comparação aos outros, entretanto o processo possui algumas deficiências como baixa qualidade superficial e possibilidade de liberação de gases tóxicos durante a fusão do material.
2.3.5 Fabricação da Forma Final a Laser – LENS.
Conforme Volpato et al. (2007), o processo LENS laser engineered net shaping ou fabricação da forma final a laser foi desenvolvido pelo laboratório da Sandia e começou a ser
comercializado no ano de 1997. O processo utiliza laser de alta potência com foco na superfície da peça que está sendo construída gerando a formação de uma poça fundida. Esta tecnologia é baseada na adição de pó metálico. A Figura 2.16 mostra o princípio de funcionamento do processo, onde o pó metálico é direcionado através de um bico para o ponto focal do laser, onde ocorre a fundição e aumento do volume da peça. A deposição do material ocorre a partir de linhas finas com largura e espessura específicas. A movimentação do bico de deposição incide nas direções X-Y-Z relação à mesa com possibilidade de inclinação de ± 90º e rotação de ± 180º. As características denominadas 5 eixos, movimento X-Y-Z, rotação e inclinação do processo permite detalhamento da peça e dispensa uso de suporte. A câmara onde é realizado o processo possui atmosfera controlada através do uso gás argônio à baixa pressão, evitando ação do oxigênio. As peças maciças obtidas neste processo possuem boas propriedades mecânicas devido à formação de grãos finos.
Figura 2.16: Representação esquemática do processo do equipamento de LENS: (a) (Volpato et al., 2007) e (b) (Gonçalves, 2010).
Segundo Gonçalves (2010), no processo de LENS a matéria prima é aplicada diretamente na peça metálica, dispensando operações secundárias. Existe a possibilidade de utilização de vários metais e ligas metálicas neste processo como os aços inoxidáveis, titânio, cobre, alumínio,
inconel, etc. A tecnologia LENS possui algumas vantagens como boas propriedades mecânicas, possibilidade de utilização de diversas ligas metálicas, construção de peças por metal denso e dispensa necessidade de pós processamento, entretanto o processo possui algumas deficiências como necessidade de acabamento superficial e consumo alto de energia pelo laser.
2.3.6 Sinterização Direta de Metais por Laser - DMLS.
A técnica Direct Metal Laser Sintering (DMLS) começou a ter aplicação comercial a partir do ano de 1994, sendo que a empresa que domina esta técnica deste o ano de 2002 é a EOS Manufacturing Solutions. A Figura 2.17 mostra o equipamento.
Figura 2.17: Equipamento EOSINT 270 (EOS, 2008).
Conforme estudo realizado por Esperto et al. (2008), a tecnologia DMLS Direct Metal
Laser Sintering ou Sinterização Direta de Metais por Laser é obtida através da sinterização de
misturas de pós-metálicos por ação de um laser a partir de dados geométricos obtidos através de sistema computadorizado tridimensional CAD 3D ou similar. O princípio de funcionamento deste
processo está descrito na Figura 2.18, onde primeiramente o distribuidor espalha o pó em uma placa de construção formando camadas com espessura uniforme, em seguida o laser executa o varrimento da área a ser sinterizada referente a cada camada da secção X-Y da peça, causando fusão do material e a sua ligação metalúrgica. Logo após o varrimento da área a ser densificada, a plataforma de construção se movimenta para baixo na direção Z, que correspondente a uma camada, gerando condições necessárias para que nova camada de pó seja espalhada e sinterizada. A construção das peças é feita camada a camada de maneira contínua e repetida até que seja alcançada a construção final da peça.
Figura 2.18: Representação esquemática do processo DMLS (Esperto et al., 2008)
Quando é finalizada a construção da peça, a mesma é retirada através de corte do suporte, neste momento o pó não sinterizado é devolvido ao depósito da máquina para reutilização (Esperto et al., 2008).
De acordo com Gonçalves (2010), o processo DMLS se diferencia dos outros processos pelo motivo das camadas dispensarem o uso de estrutura de suporte na construção, sendo necessário somente o suporte de fixação da peça à placa de construção com a finalidade de evitar distorções associadas ao processo de sinterização. O processo de sinterização direta de metais por laser foi desenvolvido especialmente para fabricação de componentes metálicos contendo
geometrias complexas, podendo ser utilizados como protótipos funcionais ou ferramentas de produção.
Segundo Volpato et al. (2007), os principais parâmetros do DMLS são: potência, velocidade de varredura, espessura da camada de pó, distância entre linhas e estratégia de construção.
A tecnologia DMLS possui algumas vantagens como a redução de custos e tempo de fabricação de peças geométricas complexas se comparado com outras tecnologias convencionais, elevada durabilidade, excelentes propriedades mecânicas e ainda versões para fabricação de ferramentas em areia para fundição, metal e termoplásticos; entretanto o processo possui algumas limitações como rugosidade elevada, necessidade de polimento posterior e possibilita somente de fabricação de itens pequenos (Ulbrich, 2007; Esperto et al., 2008; EOS, 2008 e EOSINT, 2007).
2.4 Tratamento de Superfície
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-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.
