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Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Departamento Acadêmico de Mecânica
Coordenação de Estágio
Relatório Final de Estágio – Engenharia Mecânica
Desenvolvimento de Ligas/Revestimentos depositados por
Aspersão Térmica automatizada, resistente ao desgaste à
elevada Temperatura.
Banca: Anderson Geraldo Marenda Pukasiewicz
Oscar Regis Junior
Felipe Barreto Campelo Cruz
Realizado por:
Jürgen Harder
936723
Ponta Grossa, 18 de Fevereiro de 201
1. TERMO DE APROVAÇÃO
do
ESTÁGIO CURRICULAR OBRIGATÓRIO
por
Jürgen Harder
A Defesa Final desse Estágio Curricular Obrigatório foi realizada em 18 de
fevereiro de 2013 como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em
Engenharia Mecânica. O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta
pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora
considerou o estágio aprovado.
________________________________________ Prof. Dr. Anderson Geraldo Marenda Pukasiewicz
Prof. Orientador
____________________________________ Prof. Dr. Eng. Felipe Barreto Campelo Cruz
Coordenador de Estágios dos Cursos de Engenharia Mecânica e de Engenharia de
Produção Mecânica
__________________________________ Prof. Dr. Oscar Regis Junior
Membro Titular
____________________________________ Prof. Dr. Thiago Antonini Alves
Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica UTFPR/Campus Ponta Grossa
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Ponta Grossa
Coordenação de Engenharia Mecânica
- O Termo de Aprovação assinado encontra-se na Coordenação do Curso -
Lista de Figuras
Figura 1 - Cronograma do Estagio ...................................................................................... 7
Figura 2 - Metodologia para preparo das ligas .................................................................... 9
Figura 3 - Preparação das ligas ......................................................................................... 11
Figura 4 - Moagem das ligas ............................................................................................ 12
Figura 5 - Forno EDG 3000 ............................................................................................. 13
Figura 6 – Sinterização das ligas ...................................................................................... 13
Figura 7 - Perfil de aquecimento do forno ........................................................................ 14
Figura 8 - Gral de Agatá................................................................................................... 14
Lista de Abreviaturas e Siglas
UTFPR – Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Lactec – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento
DVSM – Divisão de Sistemas Mecânicos
CATI - Comitê da Área de Tecnologia da Informação
OSCIP – Organização da Sociedade Civil de Interesse Público
TBC – Thermal Barrier Coating – Barreira de Revestimento Térmico
EBPVD – Electron Beam Physical Vapor Deposition - Feixe de elétrons de deposição de
vapor físico
APS – Air Plasma Spray – Asperssão Térmica
YSZ – Yttria-Stabilized Zirconia – Ítria Estabilizando Zircônia
Nb – Nióbio
Gd – Gadolínio
DRX – Difração de Raio-X
Sumário
1. Identificação .............................................................................................................. 1
2. Responsabilidade pelas Informações.......................................................................... 3
3. Introdução ................................................................................................................. 5
4. Descrição da Empresa ............................................................................................... 6
5. Descrição das Atividades Desenvolvidas no Estágio .................................................. 7
6. Dificuldades Encontradas ........................................................................................ 15
7. Áreas de Identificação com o Curso ........................................................................ 16
8. Resultados ............................................................................................................... 17
9. Conclusão ............................................................................................................... 18
Referências Bibliográficas ............................................................................................... 19
1
1. Identificação
São apresentados neste item todos os dados:
DADOS DO ALUNO
Nome: Jürgen Harder;
Registro acadêmico: 936723;
E-mail: [email protected];
Telefone: (42) 3254-1321;
Curso: Engenharia Mecânica;
Ano / Semestre de início do curso: 2007 / 2º;
Ano/ Semestre de término do curso: 2013 / 1º;
DADOS DA EMPRESA
Nome: Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento - Lactec;
Ramo de atividade: Pesquisa;
Localização: BR-116 – Km 98. Centro Politécnico, 8813. Curitiba – Paraná;
Telefone: (41) 3361-6200;
Página na internet: www.lactec.org.br;
2
DADOS DO SUPERVISOR DO ESTÁGIO
Nome: André Ricardo Capra;
Cargo: Engenheiro Mecânico / Pesquisador Pleno II;
E-mail: [email protected];
Telefone: (41)3361-6128;
DADOS DO ESTÁGIO
Setor: DVSM – Divisão de Sistemas Mecânicos;
Início das atividades: 02/04/2012;
Carga horária semanal: 40 horas;
Término das atividades: 01/10/2012
Matrícula: 3348;
3
2. Responsabilidade pelas Informações
Seguem os termos de responsabilidades do aluno e do supervisor, referente ao relatório das
atividades desenvolvidas no período de 02/04/2012 a 01/10/2012;
TERMO DE RESPONSABILIDADE DO ALUNO
Eu, Jürgen Harder, assumo a responsabilidade pela veracidade das informações contidas
neste relatório de estágio, apresentado como requisito parcial para obtenção de grau no curso de
Engenharia Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Ponta Grossa.
____________________________________
Jürgen Harder
4
TERMO DE RESPONSABILIDADE DO SUPERVISOR
Eu, André Ricardo Capra, declaro ser verdadeiras as informações contidas neste relatório
de estágio, apresentado por Jürgen Harder como requisito parcial para obtenção de grau no curso
de Engenharia Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Ponta Grossa.
____________________________________
André Ricardo Capra
5
3. Introdução
Este estágio obrigatório teve como objetivo o aprendizado de competências próprias da
atividade profissional de engenheiro mecânico e a contextualização curricular. Foram possíveis
ao aluno a realização de pesquisas na área de atuação do setor da empresa e atuar no
desenvolvimento dos projetos da empresa.
De acordo com o plano de estágio, o objetivo do estágio foi o desenvolvimento de ligas
cerâmicas com adição de terras raras na forma de pós a serem aplicados em revestimentos de
secções quentes, a realização das misturas das ligas, sinterização, deposição em corpos de prova
por aspersão térmica a plasmas e a caracterização dos revestimentos.
Como a pesquisa realizada neste estagio é algo inovador o patrocinador do projeto solicitou
sigilo de algumas informações do projeto de pesquisa.
6
4. Descrição da Empresa
Sediado em Curitiba (PR), o instituto tem se destacado no desenvolvimento,
aperfeiçoamento e aplicação de soluções tecnológicas, contribuindo para o progresso científico,
econômico e social do país.
O LACTEC é um centro de pesquisa tecnológica, sem fins lucrativos, autossustentável, que
através de soluções tecnológicas contribui e promove o desenvolvimento econômico, científico e
social, preservando e conservando o meio ambiente.
Como entidade autossustentável, o LACTEC obtém recursos através da venda de projetos
de Pesquisa e Desenvolvimento e de outros serviços tecnológicos. É responsável por todas as
suas despesas com recursos humanos, instalações e demais custos necessários para sua operação,
não estando vinculada, financeiramente, a nenhuma empresa privada, nem órgão ou empresa
pública.
Foi certificado, no ano 2000, pelo Ministério da Justiça, através da Lei 9.790, como
OSCIP (Organização da Sociedade Civil de Interesse Público) e em 2005, pelo Ministério da
Ciência e Tecnologia, através da Lei 8.248, no CATI (Comitê da Área de Tecnologia da
Informação).
Os associados do LACTEC são a Companhia Paranaense de Energia (COPEL), a
Universidade Federal do Paraná (UFPR), a Federação das Indústrias do Estado do Paraná (FIEP),
a Associação Comercial do Paraná (ACP) e o Instituto de Engenharia do Paraná (IEP).
Em mais de 50 anos de vida dedicados à ciência e tecnologia, o LACTEC formou valiosas
equipes de pesquisadores e especialistas, que são responsáveis pelo funcionamento de modernas
unidades laboratoriais.
Como centro de pesquisa independente e auto-sustentável, o LACTEC representa um
núcleo de divulgação científica e de transferência de tecnologia, contando com a criatividade de
mais de 500 colaboradores.
7
5. Descrição das Atividades Desenvolvidas no Estágio
As atividades realizadas no estagio foram divididas num cronograma a ser seguido durante
os meses do estagio conforme a tabela da Figura 1:
Figura 1 - Cronograma do Estagio
AVALIAÇÃO DE TÉCNICAS E METODOLOGIA PARA NOVAS LIGAS
Na primeira etapa do cronograma foi feito uma pesquisa e levantamento bibliográfico do
tema do projeto. A seguir segue o resultado desta pesquisa:
As TBCs (barreira de revestimento térmico) podem ser depositados basicamente por dois
métodos: EBPVD e APS, segundo Trucker (2010). Os revestimentos depositados por APS
apresentam como vantagens, diante do processo EBPVD, menor condutividade térmica e maior
tenacidade à fratura.
As ligas mais usadas em revestimentos cerâmicos são a base de zircônia dopada com óxido
de ítrio, para estabilizar a fase tetragonal a altas temperaturas. Estas são conhecidas como YSZ.
Porém para temperaturas de combustão muito elevada a liga acaba não atendendo completamente
as exigências de condutividade térmica necessária, pois o gradiente térmico fornecido pelo
revestimento não será suficiente para proteger o metal base em altas temperaturas. Com o intuito
de aumentar a temperatura máxima de trabalho são adicionadas terras raras na liga YSZ para
ajudar a estabilizar a fase e diminuir a condutividade térmica (Hongming e Danqing, 2008).
Existem vários estudos sobre a adição de terras raras como Nióbio, Gadolínio, Tântalo,
8
Lantânio, Cério, Háfnio, Samário, Itérbio entre outros nas ligas de YSZ como Almeida (2005),
Raghavan et all (2000) e Vidyavathy e Kamaraj (2009). Nestes estudos são avaliadas as
composições ideais de liga, modos de preparo da liga e comparação entre as características
obtidas e o tipo de liga.
Vários estudos para melhoria de ligas cerâmicas foram realizados com a adição de Nb
(Raghavan et all, 2000) ou Gd (Canova et all, 1999) na liga de YSZ. mas nenhuma em que
houvesse a associação dos dois elementos na mesma liga. Gritzner e Puchner (1993) fizeram
estudos com Nióbio dopando cerâmicas de zircônia variando de 1 a 20% em mol a quantidade de
Nb2O5. Raghavan et all (2000) variaram de 4 a 7% em mol a quantidade de Nb2O5. Almeida
(2005) chegou ao limite máximo de composição YNbO4 a 1400°C: 20mol%, 8mol% de YO1,5
e 12mol% de NbO2,5, sendo a composição ideal de óxido de ítrio 7,4wt% e de Nióbio 10,8wt%.
Apesar de uma taxa maior de nióbio diminuir a condutividade térmica, taxas muito elevada
tendem a formar fase liquida ou “ortorrômbica”. Vidyavathy e Kamaraj (2009) constataram que o
óxido de nióbio parcialmente estabilizando à zircônia acaba com as vacâncias de oxigênio
originadas pela adição de itria e aumenta a temperatura de mudança de fase assim como a
resistência a fratura. A quantidade ideal que aumenta esta resistência é de 1,5mol% de Nb e de
3mol% de itria segundo Kim (1989) .
O Gadolínio é usado com menos frequência pelos pesquisadores e em menor quantidade.
Sua adição ajuda na proteção contra superaquecimento dos componentes de uma turbina a gás e
diminui a condutividade térmica do revestimento além de ajudar na estabilização de fase da
cerâmica. Estudos revelam que a quantidade ideal de gadolínio gira em torno de 1mol% que é
equivalente a aproximadamente 2,8wt% (Canova et all, 1999).
A adição tanto de óxido de Nióbio quanto de óxido de Gadolínio diminui as vacâncias de
oxigênio formadas por causa da Ítria adicionada para estabilizar a zircônia e forma poros que
atuam como isolantes térmicos. Mas valores muito elevados desses elementos começam a
fragilizar a liga por isso é necessário um equilíbrio na adição de elementos novos. Ainda em
relação à condutividade térmica, ela é diretamente proporcional à densidade teórica do material.
Assim adição de óxidos, como o de nióbio diminuem a densidade e consequentemente a
condutividade térmica (Almeida et al.,2009 e PETITJEN et al., 2010).
9
DEFINIÇÃO DAS LIGAS A SEREM PREPARADAS
Neste desenvolvimento será utilizada a liga de YSZ com 8% em peso ou 4,5 % em mol de
Y2O3 Al -1075 - Praxair. Nesta liga já atomizada será adicionado o pentóxido de nióbio (Nb2O5)
e o trióxido de gadolínio (Gd2O3) em diversas proporções. Para avaliar a influencia do Nióbio e
do Gadolínio na Zircônia estabilizada com Ítria foi elaborado o seguinte esquema de composição
de Nb2O5 e Gd2O3 nas ligas em quantidade de mols: As 3 primeiras ligas terão somente Nióbio
adicionado a liga base, para efeito de comparação da influencia da quantidade de Nióbio nas
características finais. Na liga 4 serão adicionados Gd e Nb em mistura, para avaliar o
comportamento dos dois elementos associados. As ligas 5 e 6 possuem somente Gadolínio para
verificar o efeito deste elemento nas características do revestimento.
METODOLOGIA PARA MISTURA E PREPARO DAS NOVAS LIGAS
Com base no método de Xu et al.(2010) e de outros autores como Gritzner e Puchner
(1993), definiu-se a metodologia apresentada na tabela da Figura 2 para o preparo das ligas.
Secagem dos pós Durante 12 horas a 80-120°C
Pesagem dos elementos da liga Nas razões pré-estabelecidas
Mistura dos pós Em suspensão a base álcool isoproílico com bolas de
zircônio por 8 horas
Secagem dos pó Durante 12 horas a 80-120°C
Calcinação dos pós Na temperatura de 1100°C por 4-5 horas
Moagem dos pó Moagem manual com uso de cadinho e “soquete”
Sinterização ao a Na temperatura de 1400°C a 1650°C com
aquecimento de 6°C.min-¹ até os 900°C e depois 3°C.min-¹.
Resfriamento Temperatura ambiente
Moagem dos pós Com bolas de zircônio por 3,12 ou 24horas
Peneiragem Segundo a ABNT 250 usando peneira D50
Avaliação dos pó DRX, e avaliação da densidade estabilidade de fase
Figura 2 - Metodologia para preparo das ligas
10
A secagem dos pós deve ser feita para retirar qualquer umidade contida no pó que pode
afetar composição da liga.
A pesagem deve ser feita em balança analítica para ter uma maior precisão da liga,
principalmente no preparo de ligas em baixa escala.
A mistura e moagem dos pós são feitas em moinho de bolas, para refinar a liga e
homogeneizar a granulometria. Com a adição de álcool isopropílico a homogeneização dos
elementos da liga é maior assim como o refino de grão. A adição de meios de moagem de
diferentes tamanhos e elementos ajudam para que o processo seja mais eficiente.
A calcinação é feita para formar o composto de YSZ + terra rara, que até este ponto só é
uma mistura de ligas não um composto em si. As temperaturas para formação do composto
variam bastante de composto para composto, mas em geral isto ocorre a 1100°C para a nossa
liga. Dependendo da necessidade é interessante fazer difração de raios-X no pó depois desta
etapa.
Depois da etapa de calcinação, a liga forma um aglomerado, que é desaglomerado com o
uso de um gral e pistilo.
Quando a fase de uma liga cerâmica não é estabilizada, ocorre a mudança da fase tetragonal
para monoclínica ao se fazer o aquecimento e posterior resfriamento da liga. Nesta transformação
de fase ocorre um aumento de volume na faixa de 3 a 5%, que ultrapassa o limite elástico da liga
e forma trincas (Silveira, 2009). Para evitar esta transformação de fase é feito a sinterização da
liga na temperatura que varia de 1450°C a 1650°C. O tempo de sinterização influencia de forma
significativa na condutividade elétrica do revestimento formado, descobriu-se que este tempo
ótimo é na faixa de 3 horas (Canova, 1999). Para fazer a sinterização é necessário um forno
especial que alcance temperaturas elevadas, e também um recipiente adequado para alojar o pó
durante este processo. Estes recipientes geralmente são navículas de zircônia ou alta alumina que
resistem a temperaturas superiores a 1700°C.
Depois da etapa de sinterização é feito novamente a moagem com moinho de bolas, desta
11
vez sem adição de álcool, para desaglomerar o pó sinterizado.
Por último é feito a avaliação dos pós, para verificar a fase formada e o elemento originado.
PREPARO DAS NOVAS LIGAS
Preparo das pré-ligas – 50g
Secagem
A YSZ, o Nb2O5 e o Gd2O3 foram colocados em estufa para secagem a 80°C durante 12
horas.
Pesagem dos elementos da liga
Preparação nas proporções estequiométricas de 50 gramas de cada uma das 6 ligas. Cada
elemento da liga foi pesado separadamente em uma balança analítica Sartorius BP 210S em
cadinhos de porcelana, Figura 3a. Em seguida os elementos de cada liga foram inseridos em potes
separados e identificados, Figura 3b.
(a)
(b)
Figura 3 - Preparação das ligas
12
Mistura dos pós
As ligas foram misturadas em moinho de bolas. Para fazer a mistura foram adicionados os
meios de moagem: bolas de alumina, zircônia e cério com diferentes tamanhos, na proporção de
60% do volume do frasco. Em seguida foi adicionada a liga desejada no frasco e álcool
isopropílico em quantidade suficiente para inundar as bolas e o pó. A mistura foi realizada
durante 8 horas. A separação do álcool da liga foi feito com um funil analítico contendo papel
filtro, foi deixado pra secar e depois de seco a liga desprendeu sozinha do papel filtro. A Figura 3
(a) mostra o moinho de bolas utilizado e a Figura 3 (b) os meios de moagem.
(a)
(b)
Figura 4 - Moagem das ligas
Secagem
As ligas foram deixadas em estufa novamente até a calcinação, na temperatura de 50°C.
Calcinação
As ligas foram colocadas para calcinar a 1100°C por 5 horas em um forno EDG 3000,
Figura 5, com rampa regulável de aquecimento até 1000°C de 10/C/min e de 5°C/min até
1100°C. A temperatura de aquecimento é controlada para evitar um choque térmico na liga, o que
poderia afetar a microestrutura formada.
13
Figura 5 - Forno EDG 3000
Sinterização
Para esta etapa foi necessário a aquisição de navículas de combustão que resistissem a altas
temperaturas, figura 5a.
(a)
(b)
Figura 6 – Sinterização das ligas
Foram pesados 20 gramas em balança analítica de cada liga e dividido em duas navículas
grandes, Figura 6a. Em seguida foi levado ao forno Lindenberg/Blue para sinterizar a 1350°C,
figura 6b. Com aquecimento de 6°C/min até 900°C e 3°C/min até 1350°C, com rampa de descida
até 100°C de 5°C/min, conforme a Figura 7:
14
Figura 7 - Perfil de aquecimento do forno
Depois de retirado do forno a liga foi moída em gral de ágata, Figura 8, e guardado em
estufa a 50°C até o dia do ensaio de DRX. O processo foi repetido para todas as ligas.
Figura 8 - Gral de Agatá
15
6. Dificuldades Encontradas
Houve dificuldades na hora da execução do projeto com relação a grande dependência de
pessoas fora do setor de trabalho para execução do projeto, o que causou atrasos no cronograma.
Outra dificuldade enfrentada no estagio foi em relação ao tema do projeto, que trabalhava
praticamente com ligas cerâmicas, um assunto pouco abordado durante o curso, o que necessitou
de uma pesquisa aprofundada para conhecer este tipo de material.
16
7. Áreas de Identificação com o Curso
Durante o estágio, nas atividades desenvolvidas, foi requerido conhecimento de diversas
áreas aprendidas durante o curso. Na parte inicial do projeto foi realizada uma pesquisa
aprofundada do tema do projeto, para isso foram importantes as disciplinas de Metodologia de
Pesquisa e Trabalho de Conclusão. Para entender o projeto e desenvolver as ligas cerâmicas
foram importantes as disciplinas de Ciência dos Materiais e Materiais de Construção Mecânica I
e II, a primeira foi importante para entender as reações intermoleculares da liga, fator de
empacotamento e microestrutura das ligas. A disciplina de Materiais de Construção Mecânica I e
II foi aplicada nas noções básicas sobre cerâmicas. E por fim ainda foi aplicada a disciplina de
Analise de Produtos Soldados, para identificar e analisar a liga e revestimento formado.
17
8. Resultados
As relações interpessoais, dificuldade de muitos engenheiros mecânicos, puderam ser
trabalhadas e aperfeiçoadas durante o período do estágio.
O contato com o ambiente empresarial e envolvimento no projeto contribuíram para o
amadurecimento profissional na área da engenharia mecânica.
Durante o estagio também foi possível a aprendizagem de operação de inúmeros
equipamentos relacionados à pesquisa, tal como forno de altas temperaturas e microdurometro
para ensaio.
18
9. Conclusão
O estágio foi importante para aplicar a teoria adquirida nas aulas na pratica do dia a dia na
empresa. Com o envolvimento no projeto, foi possível aprender a se comunicar com pessoas
diferentes todos os dias, além de aprender a conviver num ambiente empresarial.
A área das cerâmicas foi bastante empregada durante as atividades de estagio, porém
durante o período de estudo na universidade esta área não foi muito abordada, seria interessante
esta área ser lecionada numa matéria optativa futuramente.
19
Referências Bibliográficas
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2005.
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PETITJEN, Jules E.; KEARSEY, Rick M.; HUANG, Xiao. On the thermodynamics and microstructure of
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