Revestimentos a base de Ta/Al O produzidos por aspersão ... · Materiais do Centro de Ciências...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E

ENGENHARIA DE MATERIAIS

MARCIO WILLIANS DUARTE MENDES

Revestimentos a base de Ta/Al2O3 produzidos por aspersão

térmica sobre substrato metálico

Natal

Setembro/2010

MARCIO WILLIANS DUARTE MENDES


térmica sobre substrato metálico

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais do Centro de Ciências Exatas e da Terra da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais.

Área de concentração: Processamento de

materiais por plasma.

Orientador: Prof. Dr. Clodomiro Alves Júnior.

Co-orientador: Prof. Dr. Uilame Umbelino.

Natal

2010

Divisão de Serviços Técnicos

Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede

Mendes, Marcio Willians Duarte.


térmica sobre substrato metálico / Marcio Willians Duarte Mendes. –

Natal, RN, 2010.

138 f. : il.

Orientador: Clodomiro Alves Júnior. Co-orientador: Uilame Umbelino. Tese (doutorado) – Universidade Federal do Rio Grande do

Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais.

DEDICATÓRIA

Aos meus pais, Francisco Mendes dos Santos e Evanda Maria Duarte Santos, por

serem “únicos” e pelo apoio, força, colo e pelas lições de vida sempre ensinando a superar

barreiras e obstáculos diários de forma correta e honesta. As minhas irmãs, Norma Helena

Duarte Mendes e Lorena Patrícia Duarte Mendes, por todos os momentos felizes e tristes

vividos conjuntamente.

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Clodomiro Alves Jr pela orientação e amizade durante todos os anos

vividos dentro do Laboratório de processamento de materiais por plasma – LabPlasma.

Ao Prof. Dr. Uílame Umbelino Gomes pela co-orientação pelas palavras de incentivo.

Ao amigo Prof. Dr. Antonio Carlos Pereira Santos por ter iniciado comigo os

primeiros trabalhos de construção e montagem da tocha de plasma. Ao cubano Msc. Abel

Fumero, pelo apoio mesmo estando à distância. Ao Prof. Msc. Eraldo Câmara de Souza, pela

de amizade desenvolvida no dia – a – dia e pela ajuda no desenvolvimento e aprimoramento

do alimentador de pó.

Ao Prof. Dr. Marcos Sasaki da UFC pela ajuda na compreensão e análise dos

difratogramas de raios – X.

A minha noiva Narayanna Marques Ferreira pelas palavras de amor, carinho, paciência

e pelo incentivo nos momentos mais difíceis na elaboração da tese.

Ao Programa de Ciências e Engenharia de materiais – PPgCEM da UFRN.

Ao secretário do PPgCEM Ismael Torquato Queiroz e Silva.

A todos os integrantes do LabPlasma: Almir Nery, Antonio N. Filho, Custódio L. de

Brito Guerra Neto, Cynthia F. Aires, Danilo C. Braz, Duciane O. de Freitas, Edalmy O. de

Almeida, Fábio M. G. da Silva, Gilmar A. Da Silva, Haroldo R. A. de Macêdo, Hector L. L.

Salinas, Igor O. Nascimento, João C. de A. Moura, José A. B. de Oliveira, José S. P. da Silva,

Juliana C. Sá, Júlio C. P. Barbosa, Jussier de O. Vitoriano, Kleber J. B. Ribeiro, Luis C. de

Oliveira, Manuella B. de M. Alves, Marcelo D. de Oliveira, Márcio C. S. de Moura, Marco A.

M. da Silva, Marina de O. C. Macêdo, Michelle C. Feitor, Michelle de M. Aires, Natália de F.

Daudt, Nierlly K. de A. M. Galvão, Raquel G. de Carvalho, Renato S. de Oliveira, Ricardo C.

da S. Rocha, Rogerio A. S. de Macedo, Rômulo R. M. de Sousa, Roseane A. de Brito,

Thércio H. de C. Costa, Talles R. S. F. Silva, Thiago A. B. Oliveira, Thiego C. B. A. da Silva,

Willlian J. C. Xavier.

Ao CNPq e CAPES pelo suporte financeiro.

E eu sempre perguntei

O que será o amanhã?

Como vai ser o meu destino?

“O amanha” – João Sergio

RESUMO

MENDES. M. W. D. Revestimentos a base de Ta/Al2O3 produzidos por aspersão térmica

sobre substrato metálico. 2010. 138 f. Tese (Doutorado) – Programa de Pós-Graduação de

Ciências e Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal –

RN, 2010.

Substratos metálicos de aço inox 416 foram revestidos por aspersão térmica em tocha de

plasma. Eles foram posicionados a uma distância de 4 e 5 cm em relação ao bocal de saída do

jato de plasma. Os materiais de partida utilizados para as deposições foram pós de óxido de

tântalo e alumínio. Esses dois pós foram misturados e moídos em moinho de alta energia, em

seguida, imersos na tocha para produção de revestimento de alumina impregnada com

partículas de tântalo com tamanho nano e micrométricos. O equipamento de aspersão

utilizado foi uma tocha de plasma de arco não transferido que opera na faixa de 250 A e 30 V.

Ao atingirem o jato de plasma, os pós da mistura aquecem até a temperatura de ignição da

reação aluminotérmica. O calor gerado fornece energia suficiente para a fusão do produto da

reação. Esse produto fundido ao chocar-se na superfície do substrato forma um revestimento

composto por uma junção metal – cerâmica (Ta + Al2O3). A identificação das fases e sua

quantificação foram obtidas respectivamente por difração de raios–X e pelo método de

Rietveld. Para determinação da morfologia e composição das partículas foram utilizados

microscopia eletrônica de varredura e análise química por espectroscopia de energia

dispersiva – EDS, respectivamente. Também foram executadas medidas de rugosidades no

substrato, medições de microdureza Vickers nas aspersões e determinação da temperatura

eletrônica do jato de plasma por espectroscopia de emissão ótica – EEO. Os resultados

obtidos confirmaram a expectativa gerada em torno do produto final da aspersão da mistura

Ta2O5 + Al, tanto na formação de partículas nanométricas de tântalo quanto no formato final

delas. A temperatura de excitação dos elétrons apresentou valores de 3000, 4500 e 8000 K

para fluxos de 10, 20 e 30 l/min respectivamente, esses valores foram tomados na saída do

bocal do jato de plasma. A temperatura termodinâmica, em torno de 1200 °C mostrou-se

eficiente para o processo de redução do Ta2O5.

Palavras-chave: Aspersão térmica, tocha de plasma, revestimento Ta/Al2O3, partículas

nanométricas, redução aluminotérmica.

ABSTRACT

MENDES. M. W. D. Ta/Al2O3 coatings produced by thermal spray on metallic substrate.

2010. 138 f. Thesis – Programa de Pós-Graduação de Ciências e Engenharia de Materiais,

Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal – RN, 2010.

Metal substrates were coated by thermal spraying plasma torch, they were positioned at a

distance of 4 and 5 cm from the nozzle exit of the plasma jet. The starting materials were used

for deposition of tantalum oxide powder and aluminium. These two materials were mixed and

ground into high-energy mill, then immersed in the torch for the production of alumina

coating infused with particles of tantalum with nano and micrometric size. The spraying

equipment used is a plasma torch arc not transferred, which operating in the range of 250 A

and 80 V, was able to produce enough heat to ignite aluminothermic between Ta2O5 and

aluminum. Upon reaching the plasma jet, the mixing powders react with the heat of the blaze,

which provides sufficient energy for melting aluminum particles. This energy is transferred

through mechanisms of self-propagating to the oxide, beginning a reduction reaction, which

then hits on the surface of the substrate and forms a coating on which a composite is formed

by a junction metal - ceramic (Ta +Al2O3). The phases and quantification of each were

obtained respectively by X-ray diffraction and the Rietveld method. Morphology by scanning

electron microscopy and chemical analysis by energy dispersive spectroscopy – EDS. It was

also performed measurements of the substrate roughness, Vickers microhardness

measurements in sprays and determination of the electron temperature of the plasma jet by

optical emission spectroscopy – EEO. The results confirmed the expectation generated around

the end product of spraying the mixture Ta2O5 + Al, both in the formation of nano-sized

particles and in their final form. The electron excitation temperature was consistent with the

purpose of work, in addition, the thermodynamic temperature was efficient for the reduction

process of Ta2O5. The electron excitation temperature showed values of 3000, 4500 and 8000

K for flows10, 20 and 30 l / min respectively, these values were taken at the nozzle exit of the

plasma jet. The thermodynamic temperature around 1200 ° C, was effective in the reduction

process of Ta2O5.

Keywords: Thermal spray, plasma torch, Ta/Al2O3 coating, nano-sized particles,

aluminothermic reduction.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Desenho esquemático de um processo de aspersão térmica. 28

Figura 2 – Desenho esquemático de um revestimento aspergido. 29

Figura 3 – Superfície geométrica sem rugosidade (a) e com rugosidade (b). 31

Figura 4 – Estrutura típica de um revestimento aspergido. 33

Figura 5 – Desenho ilustrativo dos diversos tipos de aspersões térmicas

existentes.

37

Figura 6 – Tocha de aspersão de pó por chama. 39

Figura 7 – Tocha de aspersão de arame por chama. 39

Figura 8 – Desenho esquemático de uma tocha de aspersão oxicombustível de

alta velocidade.

40

Figura 9 – Desenho esquemático de um equipamento de aspersão por detonação. 42

Figura 10 – Variação da temperatura vs a densidade eletrônica para plasmas

térmico e de não equilíbrio (BOULOS, 1991).

44

Figura 11 – Evolução da temperatura do plasma com a variação de pressão. 45

Figura 12 – Desenho esquemático de uma tocha de aspersão por arco não

transferido.

47

Figura 13 – Desenho esquemático de uma tocha de aspersão por arco transferido. 49

Figura 14 – Desenho esquemático de uma aspersão térmica por arco elétrico. 50

Figura 15 – Representação gráfica da demanda do consumo de tântalo tendo

como base o ano de 2007.

53

Figura 16 – Fluxograma da determinação do tamanho de cristalito (MAIA, 2005). 68

Figura 17 – Desenho esquemático da tocha de aspersão. 62

Figura 18 – Esquema do alimentador de pó, (a) Tampa, (b) recipiente do pó e (c)

funil de introdução de pó.

64

Figura 19 – Fotografias do sistema de alimentação de pó, (a) recipiente de pó, (b)

conjunto recipiente de pó, funil de alimentação e tampa, (c) seqüência de

montagem do conjunto do porta pó.

65

Figura 20 – Fotografias da tocha de plasma de arco não transferido, cátodo (a) e

anodo (b).

66

Figura 21 – Fotografias da tocha de plasma de arco não transferido. 67

Figura 22 – Fluxograma experimental seguido para a realização das aspersões

térmicas.

69

Figura 23 – Desenho mostrando a montagem da fibra ótica em relação ao anodo

da tocha de plasma.

70

Figura 24 – Gráfico da função FWHM versus 2θ para a amostra padrão de LaB6. 73

Figura 25 – Representação gráfica do refinamento pelo método de Rietveld do

padrão LaB6.

73

Figura 26 – Espectro de emissão ótica do jato de plasma na condição 250 A, 10

l/min.

75


l/min.

76


l/min.

76

Figura 29 – Temperatura eletrônica do jato de plasma em função da variação

axial para diferentes fluxos e potência fixa em 7,5 kW.

77

Figura 30 – DRX do pó de Alumínio. 78

Figura 31 – Representação gráfica do refinamento pelo método de Rietveld do pó

de Alumínio.

79

Figura 32 – Representação gráfica do tamanho de cristalito, posição (2θ) e

FWHM do pó de alumínio.

79

Figura 33 – Distribuição granulométrica do pó de alumínio. 80

Figura 34 – Micrografia eletrônica de varredura do pó de alumínio. 81

Figura 35 – Difratograma de raios – X do Óxido de tântalo. 83

Figura 36 – Representação gráfica do refinamento pelo método de Rietveld do

Óxido de tântalo.

83

Figura 37 – Representação gráfica do tamanho de cristalito, posição (2θ) e

FWHM do pó de Ta2O5.

84

Figura 38 – Distribuição granulométrica do Ta2O5. 85

Figura 39 – Micrografia eletrônica de varredura do óxido de tântalo, os círculos

apresentam aglomerados enquanto que as setas apontam para os bastões.

85

Figura 40 – Distribuição granulométrica da mistura estequiométrica Ta2O5 + Al. 87

Figura 41 – Distribuição granulométrica da mistura Ta2O5 + Al, com excesso de

+5% de Al além do valor estequiométrico.

87

Figura 42 – Distribuição granulométrica da mistura Ta2O5 + Al, com excesso de

+10% de Al além do valor estequiométrico.

88

Figura 43 – Difratograma das misturas de Ta2O5 + Al EST, EST +5% de Al e

EST +10% de Al.

88

Figura 44 – Representação gráfica do refinamento pelo método de Rietveld da

mistura de EST.

90


mistura de EST+5%Al.

91


mistura de EST+10% Al.

91

Figura 47 – Microscopia eletrônica por varredura das misturas de Ta2O5 + Al. 93

Figura 48 – Análise térmica DTA e TGA da mistura EST. 94

Figura 49 – Análise térmica DTA e TGA da mistura EST+5%Al. 94

Figura 50 – Análise térmica DTA e TGA da mistura EST+10%Al. 95

Figura 51 – Difratograma de raios – X do aço inox 416. 96

Figura 52 – Indicação das medidas de rugosidade no substrato. 96

Figura 53 – Difratograma de raios X das amostras depositadas por tocha de

plasma utilizando misturas estequiométricas de Ta2O5 + Al (EST).

98

Figura 54 – Difratograma de raios X das amostras depositadas por tocha de

plasma utilizando misturas EST+5%Al.

100

Figura 55– DRX das amostras depositadas por tocha de plasma utilizando

misturas EST+10%Al.

102

Figura 56 – DRX das amostras depositadas por tocha de plasma utilizando

misturas estequiométricas de Ta2O5 + Al.

104


misturas estequiométricas de EST+5%Al.

106


misturas EST+10%Al.

106

Figura 59 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo I com 250

A, 10 l/min, EST (a), EST+5%Al (b), EST+10%Al.

109

Figura 60 – Microscopia eletrônica por varredura e análise química (EDS) da

aspersão do grupo I com 250 A, 10 l/min, utilizando a mistura EST.

110


A, 10 l/min utilizando mistura EST.

112


aspersão do grupo I com 250 A, 10 l/min, 4 cm, utilizando mistura

estequiométrica de Ta2O5 + Al.

113

Figura 63 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo I fluxo de

20 l/min e mistura EST+5%Al.

114


A, 20 l/min e mistura EST+10%Al.

115


A, 10 l/min e mistura EST.

116


A, 10 l/min e mistura EST com uma seqüência mostrando a morfologia esférica

das partículas.

117


aspersão do grupo I com 250 A, 10 l/min e mistura EST+5%Al.

118


A, 30 l/min e mistura EST.

119


A, 30 l/min e mistura EST+10%Al com indicação de microtrincas.

119

Figura 70 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo II com

250 A, 20 l/min mistura EST (a), EST+5%Al (b), EST+10%Al (C).

120

Figura 71 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo II com

250 A, 20 l/min e mistura EST.

121

Figura 72 – Mapa de cores da aspersão do grupo II com 250 A, 20 l/min, EST,

azul → Ta e verde→ Al2O3.

122

Figura 73– Mapa de cores da aspersão do grupo II com 250 A, 20 l/min,

EST+5%Al, azul → Ta e verde→ Al2O3.

122

Figura 74– Mapa de cores da aspersão do grupo II com 250 A, 20 l/min,

EST+10%Al, azul → Ta e verde→ Al2O3.

123

Figura 75 – Micrografia eletrônica de varredura das deposições do grupo II

realizadas com as misturas EST (a), EST+5%Al (b) e EST+10%Al (c), fluxo de

20 l/min.

123

Figura 76 – Medidas de microdureza da amostra aspergida do grupo II utilizando

mistura EST e fluxo de 10 l/min.

124

Figura 77 – Fotografias de microdureza da amostra aspergida do grupo II

utilizando mistura EST e fluxo de 10 l/min. 125


mistura EST+5%Al e fluxo de 20 l/min.

126


utilizando mistura EST+5%Al e fluxo de 20 l/min.

127


mistura EST+5%Al e fluxo de 30 l/min.

128


utilizando mistura EST+5%Al e fluxo de 30 l/min.

129

Figura 82 – Medidas de porosidade da amostra aspergida do grupo II utilizando

mistura EST e 10 l/min.

130


mistura EST+5%Al e 20 l/min.

130


mistura EST +10%Al e fluxo de 30 l/min.

131

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Propriedades de alguns materiais e o fator de dificuldade de fusão

(DMF). 34

Tabela 2 – Temperatura das fontes de calor para combustão em chama. 38

Tabela 3 – Condutividade térmica para os gases utilizados em aspersão térmica. 46

Tabela 4 – voltagens dos arcos (volts) para a aplicação em processos de spray. 46

Tabela 5 – propriedades físicas do tântalo. 52

Tabela 6 – Principais países produtores e detentores de reservas de óxido de

tântalo. 55

Tabela 7 – Principais minas e companhias produtoras de Ta2O5. 56

Tabela 8 – Características técnicas do retificador Soldarc. 63

Tabela 9 – Valores das massas utilizadas na preparação dos pós de partida. 68

Tabela 10 – Dados atômicos do gás argônio obtidos através de consulta ao NIST. 71

Tabela 11 – Dimensões granulométricas do pó de Al. 80

Tabela 12 - Análise química do óxido de tântalo. 82

Tabela 13 – Dimensões granulométricas do Óxido de tântalo. 84

Tabela 14 – Dimensões granulométricas das misturas Ta2O5 + Al preparadas em

moinho planetário de alta energia.

86

Tabela 15 – Reduções nas intensidades dos picos das misturas EST, EST+5%Al

e EST+10%Al.

89

Tabela 16 – Redução em porcentagens para os tamanhos de cristalitos das

misturas utilizadas no processo de aspersão.

90

Tabela 17 – Porcentagem das fases nas misturas de Ta2O5 + Al obtidas pelo

método de Rietveld.

92

Tabela 18 – medidas do parâmetro de rugosidade Ra, (a) ao longo do caminho 1,

(b) caminho 2 e (c) caminho 3.

97

Tabela 19 – Grupos de amostras aspergidas, grupo I com distâncias de 4 cm e

grupo II com distâncias de 5 cm.

97

Tabela 20 – Quantificação das fases obtidas pelo método de Rietveld do

conjunto aspergido através da utilização da mistura EST.

99

Tabela 21 – Fatores estatísticos obtidos para os refinamentos das amostras

obtidas por aspersão da mistura estequiométrica Ta2O5 + Al.

99

Tabela 22– Quantificação das fases obtidas pelo método de Rietveld do conjunto

aspergido através da utilização da mistura EST+5%Al.

101


obtidas por aspersão da mistura EST+5%Al.

101


conjunto aspergido através da utilização da mistura EST+10%Al.

103



103


conjunto aspergido através da utilização da mistura EST.

105


obtidas por aspersão da mistura estequiométrica Ta2O5 + Al.

105



107



107



107



108

Tabela 32 – Valores obtidos a partir da análise de espectroscopia por energia

dispersiva (EDS) da aspersão executada com 250 A, 10 l/min e mistura EST.

110

Tabela 33 – Valores obtidos a partir da análise de espectroscopia por energia

dispersiva (EDS) da aspersão executada com 250 A, 10 l/min e mistura

estequiométrica referente à figura 62.

113

Tabela 34 - Valores obtidos a partir da análise de espectroscopia por energia

dispersiva (EDS) da aspersão executada com 250 A, 10 l/min, 4cm e mistura

Ta2O5 + Al com excesso de +5% de Al.

118

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associação brasileira de normas técnicas.

APS Air plasma spray.

AT Aspersão térmica.

ATR Aluminothermic reduction.

BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social.

CAPS Controlled atmosphere plasma spraying.

CCC Cúbico de corpo centrado.

CETENE Centro de Tecnologias Estratégicas do Nordeste.

CFC Cúbico de face centrada.

CIF Companhis Industrial Fluminense.

DMF Fator de dificuldade de fusão.

DTA Análise térmica diferencial.

EEO Espectroscopia De Emissão Ótica.

EAS Eletric arc spraying.

EDS Espectroscopia de energia dispersiva.

EST Estequiométrico.

EST+5%Al Estequiométrico com excesso de 5% de alumínio.

EST+10%Al Estequiométrico com excesso de 10% de alumínio.

ETL Equilíbrio termodinâmico local.

FWHM Full-Width Half-Maximum.

HFPD High frequency pulse detonation spraying.

HVAF High velocity air fuel.

HVIF hypersonic velocity impact forging.

HVOF Hight velocity oxygen fuel.

ICP Inductively coupled plasma.

JCPDS Joint Committee on Powder Diffraction Standards.

LAMM Laboratório de Microscopia e Microanálise.

LPPS Low pressure plasma spraying.

MR Método de Rietveld.

PSP Plasma spray.

PTA Plasma transferred arc.

RFPS Radio frequency plasma spraying.

TBC Thermal barrier coating.

TGA Análises termográficas.

VPS Vacuum plasma spraying.

WAS Wire arc process.

LISTA DE SÍMBOLOS

β largura à meia altura do pico de difração.

Ω m Ohm-metro.

(1 - η)G(X) Valor percentual da função Gaussiana.

βe Largura à meia altura da amostra a ser estudada.

(h k l) Índices de Miller.

ηL(X) Valor percentual da função Lorentziana.

βp a largura à meia altura da amostra padrão.

[(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6] Minério de tântalo.

µm Micrometro.

2θ Ângulo entre a onda incidente e a onda espalhada.

A Unidade de corrente, Ampere.

Ag Prata.

Ak probabilidades de transições.

Al Alumínio.

Al2O3 Alumina.

AlTaO4 Óxido de tântalo alumínio.

CaO Óxido de cálcio.

cm Centímetro.

Cu Cobre.

CuAl Liga cobre-alumínio.

D Tamanho de cristalito.

dB Decibel.

E1 Estado de energia 1.

E2 Estado de energia 2.

Ek Energia do sub-indice k.

eV Elétron-volt.

g/cm3 Grama por centímetro cúbico.

gk Peso estatístico.

H2 Gás hidrogênio.

HV Dureza Vickers.

Hz Hertz.

Ii intensidade para cada ponto do padrão de difração.

J / g 0C Joule por grama grau celcius.

K Kelvin.

K2TaF7 Heptafluorotantalato de potássio.

KF Fluoreto de potássio.

kgf Kilograma força.

kW Quilowatt.

l/min Litro por minuto.

LaB6 Hexaboreto de lantânio.

m/s Metro por segundo.

m-1·Ω-1 Metro – ohm.

mg Miligrama.

MgO Óxido de magnésio.

mm Milímetro.

Mo Molibdênio.

N Número de pontos experimentais.

N2 Gás nitrogênio.

Na Sódio.

NA Parâmetro refinado.

NaF Fluoreto de sódio.

Nb Nióbio.

NB Parâmetro Refinado.

Ni Níquel.

ºC Graus Celsius.

P Número de parâmetros ajustados.

pV Função pseudo-Voigt modificada.

Ra Rugosidade média.

Rexp R – esperado.

Rp R – padrão.

Rwp R – peso padrão.

Ry Máxima distância pico vale.

Rz Rugosidade média parcial.

S Ajuste de qualidade.

Sn Estanho.

t Tonelada.

Ta Tântalo.

Ta2O5 Óxido de tântalo.

TaC Carbeto de tântalo.

Te Temperatura dos elétrons.

ThO2 Óxido de tório.

Ti Titânio.

Ti Temperatura dos íons.

torr Unidade de pressão torr.

V Volt.

W Tungstênio.

W cm-1 Watt por centímetro.

W/mK Watt por metro Kelvin.

Wi Peso para cada ponto medido.

Zn Zinco.

η Função linear do ângulo de espalhamento.

λ Comprimento de onda.

SUMÁRIO

1 – INTRODUÇÃO 26

2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 28

2.1 – Aspersão térmica 28

2.2 – Preparação da superfície do substrato 30

2.3 – Texturização da superfície 30

2.4 – Préaquecimento do substrato 32

2.5 – Caracterização dos revestimentos aspergidos 32

2.6 – Porosidade 34

2.7 – Microtrincas 35

2.8 – Microdureza 35

2.9 – Métodos de aspersão térmica 36

2.9.1 – Grupo de combustão 38

2.9.1.1 – Combustão por chama convencional 38

2.9.1.2 – Processo de aspersão oxicombustível de alta velocidade 39

2.9.1.2.1 – Variações do Processo de aspersão oxicombustível de alta

velocidade

41

2.9.1.3 – Aspersão por detonação 41

2.9.2 – Grupo elétrico 42

2.9.2.1 – Noções básicas de plasma 42

2.9.2.1.1 – Classificação dos plasmas 43

2.9.3 – Tochas de plasma de arco não transferido 46

2.9.4 – Tochas de arco transferido 48

2.9.5 – Arco elétrico 49

2.10 – Principais aplicações da aspersão térmica 50

2.11 – O tântalo 51

2.11.1 – Aspectos gerais 51

2.11.2 – Ocorrência 54

2.11.3 – Formas de produção 56

2.12 – Método de Rietveld 58

2.12.1 – Avaliação do refinamento 59

2.12.2 – Tamanho de cristalito 61

3 – MATERIAIS E MÉTODOS 63

3.1– Aparato experimental 63

3.2 – Preparação das amostras 67

3.3 – Medida da temperatura eletrônica 69

3.4 – Análise da distribuição granulométrica 71

3.5 – Análise por Difração de raios – X 72

3.6 – Cálculo do tamanho dos cristalitos 72

3.7 – Análise por Microscópia eletrônica de varredura 73

3.8 – Análise de rugosidade 74

3.9 – Microdureza 74

4 – RESULTADOS E DISCUSSÃO 75

4.1 – Espectroscopia de emissão ótica 75

4.2 – Pós de partida 77

4.2.1 – Pó de alumínio 77

4.2.2 – Pó de óxido de tântalo 81

4.3 – Misturas utilizadas nas deposições por tocha de plasma 86

4.3.1 – Microscopia eletrônica das amostras de partida. 92

4.3.2 – Analises de DTA e TGA nas misturas 93

4.4 – Substratos de aço inox 416 95

4.5 – Análises das amostras depositadas 97

4.6 – Medidas de microdureza nas amostras aspergidas 123

4.7 – Medidas de porosidade 129

5 – CONCLUSÕES 132

6 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 133

REFERÊNCIAS 134

26

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO

Os primeiros dados relacionados à aspersão térmica (AT) datam do ano de 1910

quando uma equipe liderada pelo engenheiro suíço Max U. Schoop fez as primeiras

experiências de deposição de metais sobre superfícies baseando-se em processos utilizados na

idade média. Durante a segunda guerra mundial houve um grande desenvolvimento nos

processos de AT em virtude da necessidade de um maior reaproveitamento de peças e

componentes. A partir da década de 1960 foi desenvolvido processos de aspersão por

aplicação de jatos de plasma. O sistema a chama com pistola hipersônica surgiu na década de

1980 e permitiu transferir as partículas aspergidas com elevada velocidade. Por volta da

década de 90, o avanço da indústria de equipamentos e materiais para aspersão térmica

permitiu a construção de equipamentos para projeção de partículas com maior velocidade e

utilização de gases de transporte sem contaminação ou oxidação das partículas após fusão.

A aspersão térmica envolve processos utilizados no recobrimento de materiais, tanto

em substratos metálicos como não metálicos. Muitas vezes é denominada de metalização,

porém esse termo só deve ser utilizado quando a aspersão é utilizada em elementos metálicos.

Diversos materiais podem ser empregados na deposição por AT, dentre eles pode-se citar

materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos. Os processos de aspersão envolvem

o aquecimento (calor) gerado em uma pistola (de aspersão) utilizando gases combustíveis ou

arco elétrico, na qual as partículas sólidas passam para o estado plástico ou fundido, e são

aceleradas contra um substrato previamente preparado.

Ao se chocarem, as partículas tomam forma de finas lentes que se conformam e

aderem às irregularidades superficiais e entre si. Com a continuação do processo, as partículas

se resfriam formando um revestimento com estrutura lamelar. As propriedades dos

revestimentos depositados dependem de fatores como: porosidade, coesão entre as partículas

e adesão ao substrato. As deposições conseguidas por AT são adequadas para aplicações

como: proteção anti-corrosivas, proporcionam ainda resistência ao desgaste, à condutividade

ou isolamento elétrico e térmico (coberturas para barreira térmica), além de serem usados na

recuperação dimensional de peças e componentes mecânicos, nesse caso possui a vantagem

de ficarem disponíveis para uso imediatamente após aplicação, não necessitando de tempos de

27

espera para secagem ou endurecimento, e o processo não apresenta risco de dano à peça de

trabalho.

Existem diversos tecnologias de se produzir aspersões térmicas, dentre elas podemos

citar os processos por detonação, chama (que pode ser convencional ou oxicombustível de

alta velocidade), arco elétrico e por plasma que por sua vez se divide em plasma de arco

transferido e plasma de arco não transferido. Neste trabalho utilizou-se uma tocha de plasma

de arco não transferido que utiliza o calor de um arco de plasma para fundir os pós da mistura

Ta2O5 + Al, preparadas em moinho planetário de alta energia, e então acelerá-las contra um

substrato metálico de aço inox 416 que apresenta rugosidade superficial necessária para o

perfeito ancoramento dos pós. As reações nesse processo de AT ocorrem pontualmente,

partícula a partícula, que é o fator principal que diferencia esse procedimento da forma de

redução convencional. Ao atingir a chama o óxido de tântalo reage exotermicamente com o

pó de alumínio, resultando num revestimento composto por partículas de Ta nano e

micrométricas imersas em uma matriz de alumina que constitui a finalidade principal dessa

tese. Os demais objetivos são: determinar as porcentagens das fases de Ta e Al2O3, traçar um

perfil de dureza nas amostras que proporcionaram maior concentração de partículas de Ta,

determinar o efeito da variação do fluxo de gás argônio (gás de formação do jato de plasma) e

do elemento redutor (pó de alumínio) nas concentrações finais de Ta e de Al2O3,

determinação da temperatura e do perfil térmico ao longo do jato de plasma para três fluxos

de gás.

O trabalho aqui apresentado foi dividido em quatro partes fundamentais, no capítulo

dois é apresentada uma revisão bibliográfica que apresenta tópicos sobre aspersão térmica,

diferentes formas e equipamentos de aspersão, além de uma breve introdução ao plasma. Há

também um tópico sobre o elemento químico tântalo, suas aplicações e formas de obtê-lo e

finalmente um breve item sobre o método de Riteveld, importante e poderosa ferramenta na

caracterização dos materiais, principalmente quando se deseja determinar quantitativamente

as porcentagens das fases obtidas. O capítulo três é apresentado os equipamentos e a

metodologia utilizada durante a execução do trabalho, já no capítulo quatro são discutidos os

resultados obtidos. Por fim, o tópico cinco apresenta as conclusões alcançadas a partir das

análises dos resultados.

28

CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 – Aspersão Térmica

A aspersão térmica consiste de um grupo de processos de recobrimento de superfícies,

onde materiais metálicos, óxidos, carbonetos, compósitos, entre outros, são depositados em

uma condição fundida ou semi fundida sobre um substrato previamente preparado, formando

um depósito aspergido. Os substratos utilizados em sua maioria são metálicos, mas é possível

também fazer deposições sobre substratos cerâmicos, madeira e plásticos. A natureza do

processo de aspersão é sinérgica, ou seja, existem diversas variáveis e componentes

envolvidos que, quando atuando juntos e propriamente aplicados, produzem um efeito maior

do que se considerados individualmente (LIMA; TREVISAN, 2007). O material de

revestimento pode estar na forma de pó, vareta, cordão (tubo plástico contínuo) ou arame. Na

figura 1 está apresentado um esquema de aspersão térmica.

Figura 1 – Desenho esquemático de um processo de aspersão térmica.

Os processos de aspersão envolvem o aquecimento (calor) gerado na tocha (de

aspersão) utilizando gases combustíveis, arco elétrico ou plasma, onde as partículas sólidas

passam para o estado plástico ou fundido, sendo então aceleradas contra um substrato

previamente preparado. Durante o mecanismo de aspersão, as partículas devem se fundir

completamente no jato, sem excessiva vaporização, permanecendo fundidas até atingir o

substrato (LIMA, 1996). Os revestimentos são compostos por depósitos de sucessivas

camadas de partículas que se achatam e solidificam, resultando em uma estrutura lenticular ou

29

laminar. Quando ocorre o impacto das partículas aquecidas e aceleradas sobre o substrato,

estas se achatam na forma de pequenas lentes. Ao incidirem sobre o substrato, se resfriam

rapidamente aderindo à rugosidade da superfície. Uma estrutura típica de revestimentos

aspergidos é constituída de óxidos, partículas não fundidas e poros, conforme figura 2.

Figura 2 – Desenho esquemático de um revestimento aspergido.

Os poros formam-se durante a sobreposição das lamelas, enquanto que os óxidos são

provenientes da interação química entre as partículas e os gases utilizados na pulverização

(SANTOS, A. , 2008).

A ligação ou adesão entre as partículas e a superfície do substrato pode ser mecânica,

química, metalúrgica e física, ou uma combinação destas e é influenciada por diversos fatores,

tais como: material do revestimento, condição do substrato, rugosidade, limpeza e

temperatura da superfície a ser revestida, antes e durante o processo e velocidade de impacto

das partículas no substrato (LIMA; TREVISAN, 2007).

O ancoramento mecânico deve-se à contração ocorrida no resfriamento das partículas

aquecidas e aceleradas contra a superfície rugosa do substrato, (NOVICKI, 2008). Já o

mecanismo metalúrgico atua em função da natureza do material e do calor transferido pela

partícula ao substrato, promovendo um maior ou menor grau de microsoldagem (fusão

localizada), difusão atômica com formação de soluções sólidas e compostos intermetálicos

(PAWLOWSKI, 1995). Enquanto que o mecanismo de aderência físico, considerado

secundário, é responsável pela interação entre os átomos sob a ação das forças de Van Der

Waals, somente se concretizando em superfícies limpas e quando houver uma aproximação

contínua a nível atômico, isto é, em torno de 0,5 nm (PAWLOWSKI, 1995).

30

2.2 – Preparação da superfície do substrato.

Um dos cuidados principais no processo de aspersão está relacionado com o preparo

do substrato, sua preparação antes da aplicação do revestimento é a etapa mais crítica a

influenciar a resistência e a adesão do revestimento ao substrato (WINCKER; PARKER,

1992). O principal mecanismo de aderência à superfície é o ancoramento mecânico, processo

no qual as partículas penetram nas irregularidades superficiais. A preparação do substrato

consiste, basicamente, em limpeza, para eliminar qualquer tipo de contaminação que possa

inibir a aderência do material ao substrato, e texturização da superfície, para prover pequenas

rugosidades ou irregularidades que permitam a adesão do pó.

A limpeza é dividida em dois tipos principais: limpeza química e mecânica. Sendo que

a limpeza química subdivide-se em três categorias: limpeza por detergência (remoção de

graxa, óleo, partículas de metal soltas na superfície), por desengraxamento (remoção com

grau de contaminação leve de óleos e/ou graxas) e por decapagem ácida (remoção de óxidos,

hidróxidos e sulfetos) (LIMA; TREVISAN, 2007).

Já a limpeza mecânica baseia-se no princípio de abrasão, onde camadas de impurezas

orgânicas e/ou inorgânicas são removidas da superfície pela ação mecânica de um material de

maior dureza. Pode ser realizada através de processos manuais como escovação e

martelamento ou processos mecanizados como usinagem, raspagem, jateamento abrasivo, etc.

No caso da aspersão térmica, a limpeza por jateamento abrasivo, baseado no

mecanismo de abrasão onde partículas de metal duro são impingidas sobre a superfície através

de ar comprimido, é a mais recomendada. Após a limpeza, a superfície já possui a

texturização necessária para a aplicação do revestimento (LIMA; TREVISAN, 2007).

2.3 – Texturização da superfície.

A etapa de texturização é de fundamental importância na AT, pois é um dos principais

requisitos para uma boa aderência do revestimento.

Dois itens devem ser levados em consideração no que se refere à rugosidade

“inserida” na superfície dos substratos, são elas: número de picos e vales e a área superficial.

31

Sabe-se da literatura que deve existir uma faixa de rugosidade crítica para garantir

maior efeito de ancoragem e por conseqüência a adesão; e que quanto maior a “área real”

(aquela que está superposta à área da superfície geométrica) melhor a adesão do revestimento,

uma vez que se tem uma área de ancoragem superior. Nota-se na imagem (3a) a superfície de

uma figura geométrica de área a x a, nela foram inseridas irregularidades superficiais, (3b), de

forma que a área real final é bem maior que a original, facilitando assim a adesão superficial.

Figura 3 – Superfície geométrica sem rugosidade (a) e com rugosidade (b).

De acordo com a norma ABNT NBR 6405 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE

NORMAS TÉCNICAS, 1998) os principais parâmetros da rugosidade, medida em

instrumentos chamados rugosímetros, são: rugosidade média (Ra), rugosidade média parcial

(Rz) e a máxima distância pico vale (Ry).

A rugosidade média (Ra) é a média aritmética dos valores absolutos das ordenadas de

afastamento dos pontos do perfil de rugosidade em relação à linha média, dentro do percurso

de medição.

A rugosidade superficial ideal para a maioria dos revestimentos é aquela que apresenta

Ra entre 2,5 a 13 µm e depende do tipo de material e do substrato empregado no processo de

deposição. Já a força de adesão das partículas aumenta com o valor da rugosidade até 10 µm e

diminui com valores superiores a esse.

A rugosidade média parcial (Rz) é a média aritmética de cinco valores da rugosidade

parcial Z, definida como a soma dos valores absolutos das ordens dos pontos de maior

afastamento, acima e abaixo da linha média, existente dentro de um comprimento de

amostragem.

E por fim a máxima distância do pico (Ry) é a soma da máxima altura e profundidade

de rugosidade dentro do comprimento de avaliação.

(b) (a)

32

2.4 – Preaquecimento do substrato.

O preaquecimento do substrato, cuja temperatura está na faixa de 80 a 120 ºC e

depende da natureza do substrato, do revestimento e das suas propriedades físicas, pode ser

realizado pela própria tocha de aspersão térmica, por um equipamento independente ou por

indução. Tem como finalidade proporcionar a queima e volatilização de graxas, óleos e

umidade retidos na superfície do metal (PADILHA, 2005; SANTOS, J., 2008). O

preaquecimento pode retardar o resfriamento das partículas para melhorar o contato substrato

– partícula e promover uma ligação térmica (LIMA; TREVISAN, 2007).

O preaquecimento favorece a redução das tensões internas que influenciam a

aderência e coesão da camada, ou seja, quando as partículas se chocam com o substrato,

ocorre um resfriamento muito rápido e contração do material depositado. O substrato, por sua

vez, dilata-se ao absorver a energia cinética contida nas partículas e a energia transferida pela

chama ou plasma da tocha de aspersão. Deste processo resultam tensões contrárias na

interface substrato/camada que podem ser reduzidas e melhor distribuídas através do

preaquecimento (SANTOS, J., 2008).

2.5 – Caracterização dos revestimentos aspergidos.

A qualidade dos revestimentos produzidos por AT depende de diversas varáveis como:

material, distribuição das partículas que serão aspergidas, velocidade de solidificação, tipo e

taxa do fluxo de gás utilizado na aspersão, pressão, características do substrato, rugosidade

superficial e limpeza do substrato.

Os revestimentos são compostos por sucessivas camadas fundidas e/ou semi fundidas,

que são aquecidas e aceleradas até o substrato onde se achatam e solidificam, resultando em

uma macroestrutura conhecida como lenticular ou lamelar permeada de, microtrincas,

inclusões de óxidos, partículas sólidas e porosidade, conforme figura 4. Ao incidirem sobre a

superfície essas camadas se resfriam rapidamente se ancorando mecanicamente nas

irregularidades (rugosidades) superficiais. Contudo, as deposições também apresentam

partículas não fundidas que ocorrem devido a não fusão durante o aquecimento ou em outro

caso pode ter ocorrido a fusão, mas a partícula se solidificou antes do contato com o substrato.

33

Essas partículas não se espalham e não preenchem as irregularidades causando

porosidade e prejudicando as propriedades mecânicas e a integridade da camada. O excesso

dessas estruturas não fundidas está relacionada com a passagem do pó por uma região mais

fria da chama, pó acima do tamanho ideal ou utilização de pós com elevadas temperatura (pós

refratários) de fusão em equipamentos de baixa temperatura da chama.

Figura 4 – Estrutura típica de um revestimento aspergido.

Em suma, a fusão total ou parcial das partículas deve-se ao fato de um mesmo jato

possuir uma ampla faixa de distribuição de velocidades e temperaturas. Além disso, na

aspersão por jato de plasma o gradiente de velocidade do fluxo do jato reduz a entrada das

partículas na zona aquecida. Devido a isso, algumas são transportadas para a periferia, não

sendo fundidas antes do impacto, pois não absorvem o calor necessário para que isso ocorra.

Apenas as corretamente alinhadas fundem-se completamente.

A facilidade de fundir total ou parcialmente determinado material por aspersão está

relacionada com o calor de fusão e com a densidade dos materiais (LIMA; TREVISAN,

2007), quanto menor o calor de fusão e maior a densidade, mais fácil será fundi-lo. De acordo

com a tabela 1, verifica-se que é muito mais difícil fundir os óxidos que os metais refratários

devido exatamente a seus elevados valores de calor de fusão e baixa densidade térmica.

34

Tabela 1 – Propriedades de alguns materiais e o fator de dificuldade de fusão (DMF).

Material Ponto

de fusão (0C)

Densidade

(g/cm3)

∆Hm

(cal cm-3)

DMF

∆Hm ρ-1/2

AL2O3 2050 4 3900 1450

ZrO2 2715 5,6 3470 1446

TiO2 1870 4,3 2550 1214

Cr2O3 2265 5,2 2600 1130

Fe 1536 7,9 2177 780

MO 2619 10,2 2233 700

W 3427 19,35 2709 616

Fonte: (McPHERSON, 1981.)

2.6 – Porosidade.

Materiais aspergidos apresentam porosidade, que podem ser de dois tipos: poros

grosseiros (macroporos) ou poros finos (microporos). Os poros grosseiros ocorrem devido ao

preenchimento incompleto dos interstícios entre as partículas depositadas quando a energia

cinética não é suficiente para provocar o espalhamento e preencher as irregularidades. Outro

fator causador é o aprisionamento de partículas não fundidas. Já os finos são características

inerentes dos revestimentos aspergidos e surgem quando a partícula que atinge a cobertura

não molha completamente as partículas que já estão na cobertura, causando porosidade entre

as superfícies, seu tamanho é submicrométrico com distribuição em torno de 0,1 μm. A

porosidade diminui as propriedades mecânicas (modulo de elasticidade) e elétricas

(condutividade térmica, elétrica) dos revestimentos. Como se sabe tanto a condutividade

térmica quanto a elétrica ocorre através dos contatos das partículas aspergidas, sendo que o

mecanismo de condução é diferente dentro dos poros, uma vez que não há caminho livre para

a condução.

35

2.7 – Microtrincas.

As microtrincas são encontradas em revestimentos aspergidos, porém, são aceitáveis

somente em materiais cerâmicos, uma vez que, estes apresentam uma fina rede de trincas

perpendiculares ao plano das lamelas. Entretanto, alguns autores afirmam que microtrincas e

determinado grau de porosidade são benéficos, pois inibem o crescimento de trincas maiores

no revestimento (LIMA, 1996). Em revestimentos cerâmicos as microtrincas permitem a

deformação do mesmo sob tensões térmicas, elevando a tolerância de deformação e

resistência à fadiga (LIMA; TREVISAN, 2007).

As trincas não são encontradas em materiais metálicos, porque a deformação térmica,

característica dos metais, é acomodada pelo escoamento plástico.

2.8 – Microdureza.

Medidas de microdureza Vickers têm sido usado constantemente para avaliar as

durezas dos revestimentos (PAWLOWSKI, 1995). Este ensaio de dureza foi proposto em

1925 por Smith e Sandland e consiste em se aplicar, sob uma carga preestabelecida, um

penetrador piramidal sobre a superfície polida do material em estudo. A impressão, assim,

tem o aspecto de um losango regular com a base quadrada, e o valor de dureza é calculado a

partir da média das duas diagonais de sua base, que forma um losango regular. Essas

diagonais são medidas através de um ocular presente na máquina de dureza. Nesse método

usa-se cargas menores que carga menor que 1 kgf.

De um modo geral, considera-se as propriedades do revestimento dos materiais

aspergidos como sendo mais duros e mais resistentes ao desgaste do que as ligas moldadas ou

feitas do mesmo material. Isto é devido à presença dos óxidos finos, e a uma combinação de

endurecimento pelo resfriamento rápido das partículas aspergidas com o impacto sob o

substrato. Resfriar-se de maneira rápida ajuda no endurecimento, pela formação de formas

metaestáveis e a formação de grãos finos dentro da partícula (DORFMAN, 2002). Devido à

característica anisotrópica dos revestimentos, os valores de dureza variam consideravelmente

dentro da mesma aspersão, logo, alguns cuidados devem ser colocados em prática, como a

utilização de uma carga elevada e maior número de indentações em uma mesma região, dessa

36

forma a média das medidas encontradas será um valor mais representativo da aspersão como

um todo.

A dureza é um parâmetro adequado para se determinar indiretamente a fadiga e a

resistência ao desgaste abrasivo de um revestimento (SUNDARARAJAN; SEM;

SIVAKUMAR, 2005). Portanto, estudando os parâmetros que influenciam na porosidade e

dureza de um revestimento tem-se a expectativa do mesmo em relação à aderência e ao

desgaste abrasivo (AMERICAN WELDING SOCIETY, 1985; AMERICAN SOCIETY OF

MATERIALS, 2004). Além disso, a dureza pode servir como parâmetro de referência indireto

para fixação de variáveis do processo de aspersão como vazão dos gases, temperatura e

velocidade das partículas, é relatada em trabalhos realizados por vários autores (HEARLEY;

LITTLE; SURGEON, 2000; ZHAO, et al., 2004; HAMATANI; ICHIYAMA; KOBAYASHI,

2002 ).

2.9 – Métodos de aspersão térmica.

Os métodos de AT são divididos em dois grupos principais, de acordo com método de

geração de calor: grupo de combustão e grupo elétrico ou de energia elétrica. O grupo de

combustão se divide em: chama e detonação. O método de AT por chama por sua vez divide-

se em chama convencional e oxicombustível de alta velocidade. O processo de aspersão

térmica por detonação é diferente dos demais, uma vez que, emprega a combustão de uma

mistura de gases, porém de uma forma explosiva, apesar disso, é classificado como um

processo de AT por combustão (MARANHÃO, 1992; LIMA; TREVISAN, 2007).

Por outro lado, o grupo elétrico inclui o plasma de arco não transferido (PSP – plasma

spray), plasma de arco transferido (PTA – plasma transferred arc) e o arco elétrico. A figura 5

apresenta os diversos tipos de aspersões térmicas existentes.

37

Figura 5 – Fluxograma ilustrativo dos diversos tipos de aspersões térmicas existentes.

Além das técnicas de aspersão citadas nesse ítem, existe ainda um método

desenvolvido por pesquisadores russos nos anos oitenta (ALKHIMOV et al., 1994),

denominado de AT a frio (cold spray), chamado assim devido às baixas temperaturas do gás

expandido, que atinge no máximo 8000C. Essa forma de AT é classificada em separado, pois

emprega uma resistência elétrica como forma de aquecimento (NOVICKI, 2008). As

características principais dos revestimentos obtidos por aspersão a frio são: elevada dureza e

densidade, baixo conteúdo de óxidos e revestimentos espessos. Como a temperatura é baixa,

esse procedimento é utilizado e metais dúcteis e ligas (Zn, Sn, Ag, Al,Ti, Mo, CuAl), aplicada

também para aspersão de polímeros ou compósitos com mais de 50% de materiais dúcteis

com metais frágeis ou cerâmicos.

38

2.9.1 – Grupo de combustão.

2.9.1.1 – Combustão por chama convencional

Usa a energia química de um gás combustível junto com oxigênio. Algumas dessas

misturas estão apresentadas na tabela 2. Nota-se que as temperaturas atingidas por esse

método de aspersão variam de 2640 a 31000C.

Tabela 2 – Temperatura das fontes de calor para combustão em chama.

Gases Temperatura (0C)

Propano + oxigênio 2640

Gás natural + oxigênio 2735

Hidrogênio + oxigênio 2690

Acetileno + oxigênio 3100

O material de revestimento pode ser usado na forma de arame. Nesse caso, é

denominado de aspersão por chama de arame (wire flame spraying), ou pó, chamado de

aspersão por chama de pó (flame powder spray).

No método de aspersão por chama de pó o material de revestimento é alimentado de

forma axial na tocha de aspersão, o calor da chama é utilizado tanto para fundir quanto para

direcioná-lo ao substrato. A relação da mistura oxigênio – combustível pode variar na faixa de

1:1 a 1,1:1, resultando em uma atmosfera carburante ou oxidante, respectivamente (LIMA;

TREVISAN, 2007).

Na aspersão por chama de arame a combustão dos gases é utilizada apenas para fundir

o material. A atomização do metal fundido e sua aceleração até o substrato são realizadas por

um jato de ar comprimido. Desta forma, são obtidas maiores velocidades de transferência

além de uma melhor qualidade final do revestimento. As figuras 6 e 7 ilustram tochas de

aspersão por chama de pó e arame, respectivamente.

39

Figura 6 – Tocha de aspersão de pó por chama.

Figura 7 – Tocha de aspersão de arame por chama.

2.9.1.2 – Processo de aspersão oxicombustível de alta velocidade

O processo de aspersão oxicombustível de alta velocidade ou HVOF (hight velocity

oxygen fuel) foi desenvolvido entre o final da década de 1970 e o início de 1980. Nesse

método também é utilizado uma chama formada por um gás combustível (hidrogênio,

propileno, propano, acetileno) ou líquido combustível (querosene) e oxigênio. A diferença

está que no processo HVOF a combustão ocorre sob pressão em uma câmara resfriada a água

(KREPSKI, 1993).

O gás combustível é queimado com oxigênio a alta pressão gerando um jato de

exaustão que se expande através do bocal com velocidades supersônicas, de 1715 a 2058 m/s.

40

O pó é introduzido axialmente nesse bocal sendo aquecido e acelerado para fora do mesmo

em direção ao substrato. Devido a isso ocorre um aumento na energia cinética das partículas

que é transferido para o substrato gerando uma grande quantidade de calor (KAEFER, 2004).

A temperatura da chama neste processo é relativamente baixa, entre 2700 – 3100 0C ,

tornando a aplicação desse método de AT difícil em materiais cerâmicos e em metais

refratário com temperatura de fusão superiores a 2700 0C.

Devido à alta velocidade da chama no processo HVOF o tempo de permanência das

partículas é baixo e, desta forma, a transferência de calor para partículas grandes pode não ser

suficiente. Por este motivo, as partículas de pó devem ser bastante finas e com pouca variação

de tamanhos (KREPSKI, 1993), as dimensões mais comuns para os pós aplicados em HVOF

estão na faixa de 20 – 53 mícrons. Está apresentado na figura 8 um desenho esquemático de

uma tocha de aspersão HVOF.

Figura 8 – Desenho esquemático de uma tocha de aspersão oxicombustível de alta velocidade.

O consumo de gases no método HVOF é elevadíssimo com valores que variam de 40 a

60 l/min para os gases combustíveis, chegando até 430 l/min de oxigênio. Além disso, o

processo também apresenta o inconveniente de ser muito ruidoso, cerca de 140 dB.

Entretanto, apesar dessas desvantagens, o sistemama HVOF proporciona eficiência no

depósito, uma boa qualidade do revestimento, menores tensões residuais e menos variáveis de

processo (PARKER; KUTNER, 1991).

41

2.9.1.2.1– Variações do Processo de aspersão oxicombustível de alta velocidade

O processo de aspersão a ar combustível de alta velocidade HVAF (high velocity air

fuel) onde é utilizado ar, ao invés de oxigênio, para sustentar a combustão em conjunto com

um combustível líquido, e este mesmo fluxo de ar é usado para resfriar a tocha. É um sistema

compacto que pode ser separado em módulos para uso em campo (LIMA; TREVISAN,

2007).

Outra variante é o forjamento por impacto a velocidade hipersônica HVIF (hypersonic

velocity impact forging) na qual a temperatura dos gases de combustão é mantida baixa o

suficiente para evitar a fusão de qualquer das menores partículas de pó empregado na

aspersão. A fusão ocorre somente na hora do impacto com o substrato através da conversão de

energia cinética da partícula em calor, resultando em baixa porosidade e menos óxidos

aprisionados.

A mais recente inovação é o processo de spray por detonação de pulsos de alta

freqüência HFPD (high frequency pulse detonation spraying) baseado no conceito de

propulsão pulsada de aeronaves e no processo de aspersão por detonação. Sendo que a tocha

é projetada para produzir explosões cíclicas dos gases e dos pós. O sistema de AT não

apresenta partes mecânicas móveis, sendo provido de válvulas aerodinâmicas que

proporcionam autogeração de alimentação discreta de gases e pós para cada ciclo (LIMA;

TREVISAN, 2007).

2.9.1.3 – Aspersão por detonação.

Utilizam a energia explosiva de misturas de oxigênio-acetileno, explosões essas

provocadas por meio de uma vela elétrica, para aquecer e impelir o pó em direção ao

substrato. As partículas são aceleradas por meio de ondas de detonação, que apresentam alta

pressão e temperatura, atingindo velocidades de 760 m/s e produzindo revestimentos na faixa

de 0,05 a 0,5 mm de espessura.

A aspersão por detonação é um processo cíclico, após cada injeção individual de pó ter

sido descarregada, um pulso de gás de nitrogênio purga o cano e a câmara da tocha. O

equipamento produz ruídos da ordem de 150 dB nível capaz de causar danos ao organismo.

42

Portanto, este tipo de sistema é instalado é instalado dentro de salas ou ambiente totalmente

isolado acusticamente. Está apresentado na figura 9 um esquema de uma tocha de aspersão

por detonação.

Figura 9 – Desenho esquemático de um equipamento de aspersão por detonação.

2.9.2 – Grupo elétrico.

O grupo de AT onde a geração de calor é através de energia elétrica divide-se, como

dito anteriormente, em plasma de arco não transferido, plasma de arco transferido e arco

elétrico. Portanto, torna-se necessário uma explicação sobre plasma e processos a plasma.

2.9.2.1 – Noções básicas de plasma.

Plasma, que constitui mais de 99% do universo, é definido como um gás parcialmente

ionizado formado por elétrons, íons e nêutrons, que estão no estado fundamental ou excitado.

Do ponto de vista macroscópico, o plasma é eletricamente neutro.

Ele é gerado a partir da aplicação de energia a um gás para reorganizar a estrutura

eletrônica dos átomos e moléculas produzindo espécies excitadas e íons. Esta energia de

43

“reorganização” pode ser térmica ou transportada por uma corrente elétrica ou radiação

eletromagnética (TENDERO et al., 2006). Nesse trabalho será levada em consideração a

geração do plasma a partir da energia elétrica. Nesse caso, o campo elétrico transmite energia

para os elétrons do gás, que são as espécies com maior mobilidade carregadas

eletronicamente. Esta energia eletrônica é então transmitida para as espécies neutras por

colisões, elásticas ou inelásticas, que seguem leis probabilísticas (BRAITHWAITE, 2000). As

colisões elásticas não mudam a energia interna das espécies neutras, mas a energia cinética

delas aumenta levemente. Já nas colisões inelásticas nota-se a criação de novas espécies

excitadas ou íons, desde que a energia seja alta o suficiente para que as colisões modifiquem a

estrutura eletrônica dessas espécies neutras (TENDERO et al., 2006). A maioria das espécies

excitadas possui um tempo de vida bastante curto e quando chegam ao estado fundamental

emitem um fóton de energia. Contudo, as espécies metaestáveis apresentam um tempo de vida

maior, pois, não é permitida a transição para estados vizinhos de energia (E2 para E1). O

decaimento delas pode ocorrer somente por transferência de energia através de colisões.

2.9.2.1.1 – Classificação dos plasmas

O plasma é dividido em duas categorias principais, a primeira é o plasma térmico ou

plasma de equilíbrio que é caracterizado por alta densidade de energia e por igualdade de

temperatura entre as partículas pesadas e os elétrons, isto é, o plasma aproxima-se do

equilíbrio termodinâmico local (ETL), Te ≈ Tg, onte Te corresponde a temperatura dos elétrons

e Tg a temperatura do gás. A temperatura no plasma de equilíbrio varia de 1 a 2 eV, onde 1 eV

corresponde a uma temperatura de cerca de 8000 K. Nesse tipo de plasma colisões inelásticas

entre elétrons e partículas pesadas (íons) produzem espécies reativas no plasma enquanto que

colisões elásticas aquecem as partículas pesadas.

O segundo tipo é denominado de plasma de não equilíbrio ou plasma “frio”

caracterizado por baixa densidade de energia, quando comparado com o plasma térmico, e por

grande diferença de temperatura entre os elétrons e as partículas pesadas, ou seja, Te >> Tg.

Colisões inelásticas entre elétrons e partículas pesadas induzem a um plasma químico onde as

partículas pesadas são ligeiramente aquecidas por poucas colisões elásticas, devido a isso, a

energia de elétrons permanece muito alta. A figura 10 apresenta melhor a distinção entre os

tipos de plasma com o aumento da densidade eletrônica.

44

Verifica-se que os plasmas frios como, por exemplo, descargas luminescente (Te ≈

10000 – 100000 K e Ti ≈ 300 – 1000 K, onde Ti) apresentam densidade eletrônica menor que

1020 m-3. Enquanto que os plasmas de equilíbrio termodinâmico local como os arcos de

plasma (Te = Tg ≈ 10000 K) possuem densidade eletrônica na faixa de 1021 a 1028 (TENDERO

et al., 2006).

Figura 10 – Variação da temperatura vs a densidade eletrônica para plasmas térmico e

de não equilíbrio (BOULOS, 1991).

A figura 11 mostra a influência da pressão sobre a transição a partir de uma descarga

luminescente (Te > Ti), na qual Te e Ti correspondem respectivamente à temperatura

eletrônica e iônica, para uma descarga em arco (Te ≈ Ti).

Plasmas de baixa pressão (10-4 – 10-2 kPa) são plasmas de não equilíbrio. As

temperaturas das partículas iônicas são menores que as temperaturas dos elétrons e as colisões

inelásticas entre elétrons e partículas pesadas (íons) são de caráter ionizantes e/ou excitante,

mas não aumentam a temperatura das partículas pesadas. Quando a pressão se torna maior, as

colisões se intensificam. Elas induzem uma diminuição na temperatura dos elétrons por meio

de colisões inelásticas enquanto que as colisões elásticas aquecem as partículas pesadas. A

45

diferença entre Te e Ti é então reduzido e o plasma torna-se mais próximo do equilíbrio, mas

não o alcança.

O gradiente de temperatura significa que as propriedades no plasma restringe-se a uma

partícula que se movendo através da descarga atinge o equilíbrio termodinâmico.

Figura 11 – Evolução da temperatura do plasma com a variação de pressão.

O equilíbrio termodinâmico depende do tipo de fonte do plasma. Em geral, fonte de

alimentação de alta potencia induz ao plasma de equilíbrio termodinâmico local, ETL, (por

exemplo, plasmas de arco), enquanto que plasmas de não equilíbrio, plasmas frios, são

favorecidos por fontes de menor potencia ou por fontes de alimentação pulsada. Neste último

caso, a pequena duração do pulso impede que o estado de equilíbrio seja atingido.

Em processamento de materiais, plasmas de não equilíbrio são utilizados

principalmente em processos de deposição por plasma, em modificação superficial e em

plasma etching (erosão química por plasma). Sua eficácia está diretamente ligada à

reatividade das espécies ativadas quimicamente ao invés da energia disponível no plasma. Por

outro lado, os plasmas térmicos devido a sua alta densidade de energia são freqüentemente

utilizados em processos de aquecimento, fusão e vaporização de materiais (BOULOS, 1991).

46

2.9.3 – Tochas de plasma de arco não transferido.

A aspersão térmica por plasma APS (air plasma spray) utiliza o calor gerado por um

arco de plasma para fundir ou deixar num estado semi fundido os materiais de revestimento

que estão na forma de pó.

Nesse equipamento, um arco elétrico (descarga de eletricidade auto-sustentável

provocado pela queda de tensão de alguns volts junto aos eletrodos) caracterizado por alta

luminosidade, por emitir radiação e por alta densidade de corrente é gerado e mantido por

uma fonte de potência. Através desse arco faz-se passar determinado fluxo de gás, que pode

ser argônio, hélio, nitrogênio e hidrogênio.

A escolha do gás é baseada na reatividade, custo e entalpia. O mais utilizado na

formação de jatos de plasma é o argônio, por ser inerte e possuir menor condutividade

térmica, ver tabela 3, que fornece arcos mais quentes e favorece a formação dos mesmos em

diâmetros reduzidos. Além do mais, para uma dada corrente, a tensão do arco é maior para

gases diatômicos (H2 e N2) devido a maior entalpia que induz a um maior fornecimento de

energia (VENKATRAMANI, 2002) como pode ser visto na tabela 4.

Tabela 3 – Condutividade térmica para os gases utilizados em aspersão térmica.

Gás Condutividade térmica (W/mK)

Argônio 0,01772

Hélio 0,152

Hidrogênio 0,1815

Nitrogênio 0,02598

Tabela 4 – Voltagens dos arcos (volts) para a aplicação em processos de spray.

Gases Arco transferido

(corte)

Arco não transferido

(aspersão)

Argônio 110 – 300 25 – 50

Nitrogênio 150 – 400 60 – 100

Argônio/hidrogênio 130 – 350 80 – 100

Nitrogênio/hidrogênio 150 – 400 90 – 150

47

Ao passar pelo arco, o gás é aquecido e absorve a energia necessária para a

dissociação e ionização de suas moléculas, dando origem a um jato de plasma. O plasma

assume todo o volume do canal, entretanto, junto à parede refrigerada do eletrodo, surgem

correntes de convecções, devido à diferença de temperatura, que obrigam o arco a confinar-se

no eixo do canal, aumentando a condutividade elétrica nessa região e, conseqüentemente, a

temperatura do plasma. Esse efeito chamado pinch térmico (confinamento térmico) também

ajuda a estabilizar e controlar o arco, devido ao forte gradiente de temperatura na direção

radial. Este processo cria uma zona de alta temperatura onde é injetado o pó que é então

fundido e/ou semi fundido, superaquecido e pulverizado a altas velocidades. Na figura 12 está

um desenho de uma tocha de arco não transferido.

Figura 12 – Desenho esquemático de uma tocha de aspersão por arco não transferido.

A velocidade do gás nas tochas de aspersão por arco não transferido alcança valores

supersônicos, porém não deve ser confundida com a das partículas. Essa altíssima velocidade

imprimida às partículas produz elevada energia cinética que se libera no instante do choque

com o substrato, resultando em excelente grau de adesão da camada ao material base (VAZ,

2007). Parâmetros como o fluxo de gás, nível de energia, taxa de alimentação de pó, fluxo do

gás de arraste, distância de aspersão e ângulo de deposição são de fundamental importância na

temperatura do jato e na velocidade alcançada pelas partículas (LIMA; TREVISAN, 2007).

48

O processo de aspersão por plasma de arco não transferido apresenta variações, dentre

elas podemos citar:

Técnica de aspersão por plasma a vácuo conhecida como VPS (vacuum plasma

spraying) também denominada aspersão por plasma de baixa pressão LPPS (low pressure

plasma spraying) utilizada para produzir revestimentos resistentes à corrosão a quente e/ou

revestimentos de cobre e tântalo puros na indústria eletrônica.

Aspersão por plasma em atmosfera controlada CAPS (controlled atmosphere plasma

spraying), operam na faixa de pressão de 10-4 – 10-5 torr, é utilizada para confinar materiais

tóxicos ou de auto – ignição e diminuir a formação de óxidos que podem ocorrer na aspersão

atmosférica. Esse tipo de aspersão mantém os níveis de oxigênio abaixo de 30 ppm, e possui

menores níveis de ruídos por operar em ambientes fechados.

Aspersão por plasma de rádio freqüência RFPS (radio frequency plasma spraying)

onde o plasma é gerado por acoplamento eletromagnético e não há contato entre eletrodos

metálicos. Aplicado quando se deseja fundir partículas de tamanho grandes, de 100 – 150 µm,

uma vez que, nesse tipo de aspersão o jato de plasma possui baixa velocidade de 10 a 50 m/s.

2.9.4 – Tochas de arco transferido.

Conhecida com PTA (plasma transferred arc) é uma combinação de soldagem e AT.

Nesse tipo de aspersão ocorre tanto aquecimento quanto fusão parcial do substrato.

Nesse processo, uma corrente é estabelecida entre o eletrodo de tungstênio da tocha,

que fica confinado dentro de um bocal, e o substrato, que deve ser condutor.

O jato de plasma é gerado pelo arco piloto, que é um arco utilizado para iniciar e

estabilizar o arco transferido (arco principal), entre o eletrodo de tungstênio (catodo) e a peça

que está sendo revestida (anodo) através da ionização do gás inerte direcionado ao redor do

catodo. Quando o arco principal é formado, o arco-piloto é extinto e somente volta a ser

estabelecido quando o arco principal é extinto (FOLTRAN, 2000). Esse arco piloto em

contato com o substrato se torna uma espécie de condutor elétrico conectando-a ao eletrodo

de tungstênio. Portanto, para promover a passagem de eletricidade através do jato de plasma,

basta impor uma diferença de potencial entre o eletrodo e a amostra, estabelecendo assim o

arco transferido. A figura 13 representa um esquema de uma tocha de aspersão PTA.

49

Figura 13 – Desenho esquemático de uma tocha de aspersão por arco transferido.

Dentre as vantagens da AT por arco transferido podemos citar a ligação metalúrgica

(por ser essencialmente uma técnica de soldagem), alta densidade dos revestimentos, elevadas

taxas de deposição e menor consumo de energia, em torno de 5% a menos, quando comparada

com o processe de AT por arco não transferido. Por outro lado, esse tipo de aspersão provoca

aquecimento e fusão superficial do substrato, provocando dessa forma, alterações na

microestrutura.

2.9.5 – Arco elétrico

Na AT por arco elétrico, EAS (eletric arc spraying), também conhecido como arco por

arame, WAS (wire arc process), uma diferença de potencial entre 18 e 40 V é aplicada entre

dois eletrodos consumíveis de arames, isolados um do outro, iniciando um arco elétrico que

funde as pontas dos arames. O material fundido é então direcionado ao substrato por meio de

um ar comprimido ou por um gás inerte que tem a função de reduzir a oxidação, como por

exemplo, na aspersão de titânio sobre próteses ortopédicas.

Nesse tipo de processo o aquecimento e fusão ocorrem quando os arames, que são o

próprio material de aspersão, carregados eletricamente com cargas opostas, um positivo

50

(anodo) e o outro negativo (catodo), são alimentados em conjunto por um arco. Na figura 14

está ilustrado um desenho de um equipamento de AT por arco elétrico.

Figura 14 – Desenho esquemático de uma aspersão térmica por arco elétrico.

2.10 – Principais aplicações da aspersão térmica

A aspersão térmica encontra diversas aplicações científicas e industriais dentre elas

podemos citar:

i) Recuperação de peças – em peças novas que foram “mortas” em processos de

usinagem e em peças desgastadas com o uso, como pistões, eixos, roldanas, lâminas de

turbinas, mancais, etc. Proporciona vantagens como à ausência de distorção e de zonas

termicamente afetadas, oxidação e tensões residuais menores.

ii) Proteção contra desgaste/fricção – nesse caso ocorre perda de material devido ao

contato mais íntimo entre as peças. O desgaste pode ser de três tipos: abrasivo, adesivo e

erosivo. A aspersão térmica tem como finalidade, nesse caso, conferir propriedades especiais

à superfície que visem à diminuição desse problema.

iii) proteção contra corrosão/oxidação – é utilizado para proteger contra as agressões

de ambientes corrosivos como atmosferas marinhas e industriais. Utilizam-se materiais como

alumínio, zinco, aços inoxidáveis, cerâmicas, entre outros, são utilizados como cobertura

51

protetora, que pode atuar como proteção galvânica ou como barreira de “contensão”

impedindo que o meio corrosivo atinja o substrato.

iv) revestimento para barreira térmica – conhecida como TBC (thermal barrier

coating) são aplicados com a finalidade de proteger o substrato de temperaturas elevadas,

oxidação e/ou corrosão. Os revestimentos mais comuns para barreira térmica são os que

utilizam zircônia e são aplicados principalmente em motores diesel e turbina de gás.

Geralmente, uma barreira térmica é composta de uma camada de ligação metálica, em contato

com o substrato, e uma camada externa cerâmica, aplicada sobre a camada de ligação,

formando um sistema duplex.

2.11 – O tântalo

2.11.1 – Aspectos gerais

O tântalo é um metal refratário, denominação genérica dos metais que apresentam

como principal característica elevada temperatura de fusão, que para o Ta é de 29960C

(FAIRBROTHER, 1967), menor apenas que o ponto de fusão do tungstênio, 34100C, e o do

rênio, 31800C. Pertence a família VB da tabela periódica e foi descoberto na Suécia, por

Anders G. Ekeberg (1802) e isolado por Jöns Berzelius (1820). Até meado do século XIX os

químicos acreditavam que o tântalo, Ta, e nióbio, Nb, eram os mesmos elementos, quando,

experimento realizado por Marignac (1844) comprovou a natureza química diferentes desses

elementos. Algumas propriedades físicas e químicas do elemento Ta estão apresentadas na

tabela 5.

52

Tabela 5 – Propriedades físicas do tântalo.

Propriedade física Valor Unidade

Peso atômico 180,95 u.m.a.

Número atômico 73 -

Densidade 16,6 g/cm3

Ponto de fusão 2996 0C

Ponto de ebulição 5425 0C

Coeficiente de expansão térmica 6,3 x 10-6 / 0C

Resistividade elétrica 13 x 10-8 Ω m

Condutividade elétrica 7,61 x 106 m-1·Ω-1

Calor específico 0,140 J / g 0C

Condutividade térmica 0,544 W cm-1

0C-1

Estrutura cristalina Cúbica de corpo centrado (CCC) -

O tântalo é um metal de alto valor devido às suas propriedades intrínsecas que

englobam: excelente ductilidade, resistência à corrosão, alto ponto de fusão e ebulição e boa

condutividade térmica e elétrica. Em temperaturas abaixo de 150 °C o tântalo é quase

completamente imune ao ataque químico, somente é atacado pelo ácido fluorídrico. Possui a

maior capacitância (propriedade que determina quanta carga ou energia pode ser armazenada

em um capacitor) por volume entre todas as substâncias. Assemelha-se ao nióbio, podendo ser

encontrados nos minerais columbita-tantalita. Alcança o estado de oxidação máximo do

grupo: +5.

A primeira aplicação comercial, por volta de 1900, foi em filamentos de lâmpadas

incandescentes, em substituição ao carbono, inovação associada ao uso da energia elétrica.

Porém, foi substituído em 1909 pelo tungstênio por este apresentar ponto de fusão superior.

Em 1922, a empresa norte americana Fansteel Metallurgical Co. lança no mercado um

carregador de baterias que empregava um retificador fabricado com o metal tântalo. A partir

daí tem-se o re-início do desenvolvimento das pesquisas aplicadas, amplia-se o campo de

aplicação do tântalo na composição de ligas (Ta – Ni) resistentes à corrosão, na fabricação de

ferramentas de usinagem, equipamentos de laboratório químico e válvulas de rádio, bem

como na indústria joalheira. Atualmente a sua maior aplicação, correspondendo a cerca de

60% do uso total, é como pó metálico na produção de capacitores, os quais regulam o fluxo de

53

eletricidade nos circuitos integrados da indústria eletrônica. Estes são utilizados

principalmente em telefones celulares, computadores pessoais, bens de consumo digitais

(vídeos, câmeras etc), eletrônica de automóveis e equipamentos médicos. O tântalo também é

usado em superligas para fabricação de produtos laminados e fios, resistentes a corrosão e a

altas temperaturas, assim como em lâminas de turbinas para indústria aeronáutica. Como

carbeto (TaC) é usado em ferramentas de corte. Por ser um material biocompatível, não-

irritante e imune à ação dos fluidos corporais, é usado extensivamente para produzir

equipamentos e implantes cirúrgicos em medicina e odontologia. Alvos de tântalo são usados

para a realização de deposição por “sputtering” de filmes finos do próprio metal, de nitreto de

tântalo ou de óxido de tântalo. É apresentado na figura 15 a distribuição da demanda de Ta

tomando como ano base 2007.

Figura 15 – Representação gráfica da demanda do consumo de tântalo tendo como base o ano

de 2007. Disponível em: http://www.hardassetsinvestor.com/features-and-

interviews/1376.html?start=3.

40%

15%10%

10%

10%

8% 7%

Demanda de Tântalo

Pó Tantalo - capacitores Superligas

Alvos para Sputtering Carbetos de Ta

Fios Produtos laminados

Compostos de Ta

54

2.11.2 – Ocorrência

O tântalo ocupa a qüinquagésima quarta posição na escala de abundância relativa,

numa proporção de 0,0002 em peso, sendo portanto um elemento raro (CAMPOS, 1975;

GIBALO, 1970). O principal minério fonte de Ta é a tantalita cuja fórmula química é

[(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6].

As ocorrências de tantalita no nordeste brasileiro estão relacionadas à Província

Pegmatítica da Borborema. Os estados que se destacam são: Paraíba (Juazeirinho), Rio

Grande do Norte (currais Novos), Ceará (Solonópolis) e Bahia (Itambé). A maior mina de

tântalo do Brasil e do mundo ficam em Pitinga, no município de Figueiredo – AM, com

produção estimada de 89 mil tonedas de óxido de tântalo de elevada pureza. Segundo relatório

do Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social – BNDES, o consumo mundial

de óxido de tântalo já alcança mais de 2,6 mil toneladas. Considerando-se que cada tonelada

desse óxido contém 820 quilos de tântalo, o consumo mundial corresponde a mais de 2,13 t

(CRUZ, 2008). Na tabela 6 estão apresentadas as participações do diversos países que

possuem reservas de óxido de tântalo totalizando cerca de 193mil toneladas. Esses recursos

estão espacializados nas Américas (Brasil, 40,1% e Canadá 2,6%), na Austrália (35,7%),

África (8,3%), Ásia (8,3%) e Oriente Médio (7,3%).

55

Tabela 6 – Principais países produtores e detentores de reservas de óxido de tântalo – 2008.

País Reservas em toneladas

(103 Ta2O5)

Participação (%)

Brasil 79200 40,98

Austrália 69000 35,70

Egito 14014 7,25

China 8370 4,33

Tailândia 7700 3,98

Nigéria 7000 3,62

Moçambique 6032 3,12

Canadá 5000 2,59

Congo 1500 0,78

Ruanda 1500 0,78

Total 193284 100,00

O Brasil, com reservas (medida + indicada) da ordem de 396 mil t de minério primário

(teor médio: 0,02% Ta205), que excede 79,2 mil Ta205 contido (LOWENHEIN, 1973). As

principais minas e companhias produtoras de Ta no Brasil estão apresentadas na tabela 7.

56

Tabela 7 – Principais minas e companhias produtoras de Ta2O5.

Mina Produção t/ano Grupo – empresa

Mina Pitinga

Município de Presidente

Figueiredo – AM

150 – 200000

Mineração Taboca S.A.

Grupo MINSUR

Mina Mibra

Município de São João Del Rey –

MG

100

Cia. Estanho Minas Brasil -

MIBRA (Metallurg Group)

Mina Cacheirinha

Município de Itapuã d´Oeste –

RO

Nd

COOGER - Coop.

Garimpeiros do Estado de

Rondônia

Mina Massangana

Município de Ariquemes - RO Nd

METALMIG

2.11.3 – Formas de produção

Há vários processos para produção de ligas e metais refratários, dentre elas destacam-

se a redução por magnésio, redução por hidrogênio, redução por carbono, por cálcio, por

sódio, por silício e a redução aluminotérmica. Sendo que, o primeiro método utilizado para a

produção de Ta foi a redução do heptafluorotantalato de potássio com sódio metálico

desenvolvido por Van Bolton em 1903 (LOWENHEIN, 1973), cuja reação é ilustrada pela

equação:

K2TaF7 + 5 Na → Ta + 5 NaF + 2 KF (1)

57

Este método ainda é aplicado atualmente na produção de pó metálico de tântalo

(FREITAS, 1992), e considerado como o ideal para a produção de pó de Ta empregado na

fabricação de capacitores, devido as características finais do metal, como: morfologia

(tamanho e formato) com distribuição fina e uniforme, alta pureza e elevada superfície

específica; deste modo, pode-se produzir capacitores com maiores valores de capacitância,

aumentando dessa forma, seu desempenho eletrônico (CAMPOS, 1975; IZUMI, 1987).

Outra forma de se produzir Ta é através da redução por alumínio, ou redução

aluminotérmica conhecida internacionalmente por aluminothermic reduction (ATR) que

apresenta emprego crescente na produção de metais e ligas. O alumínio é um agente redutor

facilmente removível durante as etapas de refino, fato este não verificado nas reduções por

carbono, silício e cálcio (DARNELL, 1958; HABSHIF, 1986; SANDIM et al., 1995). Além

disso, o processo ATR produz um óxido (Al2O3) com menor ponto de fusão (20450C), em

comparação aos pontos de fusão dos óxidos de cálcio (CaO, 26150C) e de magnésio (MgO,

28000C). Quanto menor o ponto de fusão do óxido formado em relação ao ponto de fusão do

nióbio, mais fácil será a separação metal-escória (HABSHIF, 1986), uma vez que, o processo

ATR gera um aglomerado ‘poroso’ sólido, trazendo impregnado em si os outros

componentes. A separação física dos produtos e mesmo do excesso de agente redutor pode ser

difícil e depende de técnicas auxiliares, como por exemplo, fusão a arco elétrico ou por feixe

de elétrons.

O processo de aluminotermia foi inicialmente introduzido à comunidade científica em

1898 pelo alemão Hans Goldschmidt (1862 – 1923) em um congresso da sociedade

eletroquímica alemã (AMERICAN SOCIETY FOR METALS INTERNATIONAL, 1983).

Ele consiste na mistura, adequadamente preparada, de alumínio e um óxido metálico, que

após uma ignição inicial, reage exotermicamente. Devido a esta liberação de calor, a reação

propaga-se por si e em curto espaço de tempo, tomando conta de toda a mistura. Como

resultado desta transformação obtém-se um metal limpo e liquefeito, além de uma escória rica

em alumina, Al2O3. O processo de reação aluminotérmica tem como base o fato do alumínio

extrair oxigênio de óxidos de outros metais para formar óxido de alumínio e liberar grande

quantidade de calor. A equação química para a redução aluminotérmica do óxido de tântalo

está na equação 2.

3 Ta2O5 + 10 Al → 6 Ta + 5 Al2O3 (2)

58

Em geral, usa-se Al em excesso, uma vez que, à medida que aumentamos sua

quantidade aumenta-se a recuperação metálica, enquanto o teor de Al residual na liga aumenta

o de oxigênio diminui. Há dois efeitos a serem considerados. Primeiramente, uma maior

quantidade de alumínio na mistura garante que os óxidos entraram em contato com as

partículas do redutor e em segundo lugar, o aumento da quantidade de Al reduz o ponto de

fusão da mistura (NUNES, 1991).

2.12 – Método de Rietveld.

O Método Rietveld (MR) inicialmente foi criado para os estudos com difração de

nêutrons e posteriormente adaptado para a difração de raios-X, tem como objetivo produzir o

refinamento, ou o ajuste, dos parâmetros de uma estrutura cristalina a partir de dados obtidos

pela difratometria da amostra. Este método é usado como instrumento para obter informações

estruturais de uma dada amostra.

A estrutura cristalina é então refinada, de forma a fazer com que o difratograma

calculado com base na estrutura cristalina, se aproxime “o melhor possível” do difratograma

observado. E quando o ajuste se torna “o melhor possível”, dizemos que os valores obtidos

para o conjunto dos parâmetros refinados representam a melhor solução para o refinamento,

ou seja, os valores atingidos no final do refinamento representam a estrutura cristalina real. O

difratograma observado deve ser obtido num processo de varredura passo-a-passo com

incremento Δ2θ constante.

O MR permite obter informações sobre a quantificação das fases existentes, o tamanho

dos cristalitos, a microdeformação, determinação dos parâmetros de estrutura cristalina,

determinação da orientação preferencial, etc. Portanto, constitui uma importante ferramenta

na caracterização de materiais. Os resultados das analises de Rietveld de amostras contendo

varias fases nos possibilitam conhecer a proporção relativa das fases presentes. A análise

quantitativa de fases baseia-se no fato de que se cada material cristalino produz um

difratograma característico, as intensidades dos picos de cada fase são proporcionais à massa

da fase presente na amostra, e também no fator de escala ser proporcional à intensidade do

difratograma de cada fase, significando que as quantidades relativas de massa das fases que

constituem a amostra podem ser obtidas dos fatores de escala resultantes do refinamento

estrutural pelo método de Rietveld (OLIVEIRA, T., 2005).

59

A função utilizada no MR neste trabalho foi a Pseudo-Voigt Modificada (pV),

definida como:

( ) = η ( ) + (1 − η ) ( ) (3)

Onde, ηL(X) e (1 - η)G(X) são parâmetros que definem o valor percentual da função

Lorentziana e da função Gaussiana, respectivamente, que estão contribuindo para o perfil do

pico, η pode ser considerada como uma função linear do ângulo de espalhamento 2θ (ângulo

entre a onda incidente e a onda espalhada) como relatado na equação 4:

η = + 2 ∗ (4)

Onde NA e NB são parâmetros refinados. O MR apresenta como principais vantagens

a avaliação precisa dos parâmetros de deslocamento anisotrópicos e isotrópicos dos átomos,

realização da análise quantitativa das fases presentes na amostra indiscutivelmente sem a

necessidade de um padrão interno ou de uma curva de calibração, permite refinar os

parâmetros de deslocamento anisotrópicos e isotrópicos dos átomos; possibilita executar

análise simultânea de várias fases presentes em uma amostra; determina o tamanho do

cristalito e micro-deformação na rede; além de considerar a orientação preferencial de

diferentes planos (h k l); (OLIVEIRA, C., 1998):

2.12.1 – Avaliação do refinamento.

Os critérios quantitativos para avaliar um bom ajuste são feitos pelo acompanhamento

dos R´s, chamados de fatores de confiança. Os mais importantes Rwp (R – peso padrão), Rexp

(R – esperado) e Rp (R – padrão) estão listados respectivamente a seguir:

60

= ∑ ( ( ) − ( ))

∑ ( )

(5)

= −

∑ ( )

(6)

= ∑ ( ) − ( )

∑ ( )

(7)

onde Ii é a intensidade para cada ponto do padrão de difração, wi é o peso para cada ponto

medido, N é o número de pontos experimentais e P é o número de parâmetros ajustados.

Matematicamente, o índice Rwp é o que melhor reflete o progresso do refinamento,

pois nele é usada a técnica de minimização da diferença de quadrados. Os valores aceitáveis

dos (Rwp) para a difração de raios X devem ser inferiores a 15% (YOUNG, 1993), porém

alguns autores informam que o valor de Rwp para bons resultados é de 2 – 10%, enquanto que

os valores típicos obtidos variam de 10 – 20% (FANCIO, 1999). Outros afirmam que os

valores típicos destes índices numéricos de ajuste do refinamento (Rwp e Rexp) devem ser

inferiores a 30% para a difração de raios – X (ARAUJO, 2007), dependendo em parte do

tempo de contagem usado, do grau de orientação preferencial, do número de parâmetros

refinados e dos parâmetros experimentais, instrumentais e das características da amostra.

Além dos critérios numéricos que indicam a discordância entre os dados calculados pelo

modelo teórico e do padrão observado, é considerado de fundamental importância o critério

gráfico de ajuste, que representa a diferença entre as curvas dos dados calculados e os dados

observados.

Outro importante parâmetro na qualidade de ajuste de um refinamento é o chamado

ajuste de qualidade “S” dado por:

61

=

(8)

onde Rexp é o valor estatisticamente esperado para o Rwp. O ajuste de qualidade conhecido

deve estar próximo de 1.0 ao final do refinamento, significando que nada mais pode ser

melhorado, pois o Rwp já atingiu o limite que se pode esperar para aqueles dados de difração

medidos.

2.12.2 – Tamanho de cristalito.

Cristalito é definido como sendo o arranjo (ou repetição) de células unitárias formando

cristais muito pequenos. Para determinar o tamanho deles usa-se a equação de Scherrer dada

por:

=

β cos (9)

Onde D é o tamanho do cristalito, k é uma constante (= 1), λ comprimento de onda da

radiação do Cu (1,5406 Å) e β é a largura à meia altura do pico de difração (FWHM) em

(rad). Sendo que o valor de β é corrigido pela equação 11:

β = β − β

(10)

Onde βe corresponde a largura à meia altura da amostra a ser estudada enquanto que βp

é a largura à meia altura da amostra padrão que geralmente é o hexaboreto de lantânio (LaB6)

62

utilizado por possuir alta cristalinidade. O fluxograma da figura 16 expõe melhor a

formulação a ser seguida para a determinação do tamanho de cristalito.

Figura 16 – Fluxograma da determinação do tamanho de cristalito (MAIA, 2005).

63

CAPÍTULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS

3.1– Aparato experimental

O dispositivo experimental para aspersão térmica utilizado nesse trabalho é constituído

de uma tocha de plasma de arco não transferido, um alimentador de pó, fluxímetros

industriais White Martins, um com faixa de trabalho de 1 a 30 l/min (exatidão de 2,5 l/min)

para o gás de formação do jato de plasma e o outro com faixa de trabalho de 1 a 15 l/min

(exatidão de 0,5 l/min) para o gás de arraste, um retificador soldarc R250 e um ignitor de alta

freqüência SAWM 301, ambos da White Martins. O ignitor opera na seguinte faixa: 1,8/0,9 A

– 50/60 ciclos. Já o retificador apresenta as seguintes características técnicas:

Tabela 8 – Características técnicas do retificador Soldarc. Entrada 220 V/380 V/440 V, freqüência 60 Hz

Saída – faixa de trabalho 5 – 250 A, tensão aberto 80V

Ciclo de trabalho 155 A/26 Vcc; 200 A/28 Vcc; 250 A/30 Vcc

A tocha de aspersão a plasma, toda confeccionada em cobre, é constituída por um

anodo, refrigerado à água, que apresenta um canal de alimentação do pó na qual é fixada um

sistema de alimentação de pó. A esse anodo é acoplado um sistema formado pelo suporte do

cátodo, que por sua vez apresenta quatro canais cilíndricos dispostos axialmente que tem a

função de levar até o catodo o gás formador do jato de plasma. O cátodo do tipo bastão possui

diâmetro de 4,5 mm e é formado por uma liga de tungstênio (W + 2% ThO2). Ele possui

movimento axial, ajustável por meio de rosca, para posicionar-se de maneira que haja a

abertura do arco entre o cátodo e o anodo.

Um sistema de isolamento de pedra sabão é ajustado à câmara do suporte de

alimentação corrente-gás, que separa elétrica e termicamente o cátodo do anodo. As duas

partes, anodo + cátodo, axialmente concêntricas compõem a tocha de plasma. Está

apresentado na figura 17 o esquema de tocha de aspersão por arco não transferido.

64

Figura 17 – Desenho esquemático da tocha de aspersão.

O alimentador de pó, figura 18, foi construído de alumínio e divide-se em três partes.

A primeira é a tampa em formato cônico, que é rosqueada à segunda parte, o recipiente

propriamente dito, com capacidade para 2,27 cm3 de pó. Ele apresenta uma entrada radial para

o fluxo de gás de arraste do pó. A terceira e última parte consiste de um pequeno funil

utilizado para introduzir o pó ao recipiente.

Figura 18 – Esquema do alimentador de pó, (a) Tampa, (b) recipiente do pó e (c) funil de introdução de pó.

(a) (b) (c)

65

Está apresentado na figura 19 fotografias do alimentador (recipiente de pó), tampa e

funil.

Figura 19 – Fotografias do sistema de alimentação de pó, (a) recipiente de pó, (b) conjunto recipiente de pó, funil de alimentação e tampa, (c) seqüência de montagem do conjunto do

porta pó.

(a)

(b) (c)

66

Na figura 20 e 21 estão ilustradas fotografias da tocha de plasma de arco não

transferido.

Figura 20 – Fotografias da tocha de plasma de arco não transferido, cátodo (a) e anodo (b).

Catodo tungstênio

Suporte catodo

Refrigeração de água

Anodo

Alimentação

gás/tensão

Suporte catodo

(a)

(b)

67

Figura 21 – Fotografias da tocha de plasma de arco não transferido.

3.2 – Preparação das amostras.

Foram utilizados pós de pentóxido de tântalo, Ta2O5, adquirido junto a Companhia

Industrial Fluminense (CIF) e pó de alumínio, Al, adquirido na ALCOA. Os pós foram

pesados em uma balança digital da companhia Mettler toledo modelo AL204 com capacidade

máxima de 210g e precisão de 0,0001g. A pesagem dos pós de partida obedeceu à seguinte

equação química:

3Ta2O5 + 10Al → 6Ta + 5Al2O3 (11)

As misturas foram preparadas estequiometricamente e com excesso de 5% e 10% de

alumínio. As massas utilizadas para os reagentes estão na tabela 9 a seguir.

Alimentador de pó

Mangueiras de alimentação de água

Porta amostra

Régua graduada

Aterramento Suporte da tocha

de plasma

Mangueira de

alimentação do

gás de arraste

Válvula de

esfera

68

Tabela 9 – Valores das massas utilizadas na preparação dos pós de partida.

EST EST+5%Al EST+10%Al

Ta2O5 (g) 10 10 10

Al (g) 2,035 2,14 2,24

O excesso de alumínio contribui para uma redução completa do Ta2O5, conduzindo

para um alto rendimento metálico da reação (NUNES, 1999). Após a pesagem, os pós foram

misturados manualmente em um cadinho de aço inox, em seguida, adicionou-se bolas de

metal duro a esse cadinho na proporção de 4:1, relação entre o peso das bolas e a massa dos

constituintes. Logo após o cadinho foi levado à um moinho planetário do tipo Micro Mill

Fritsch Pulverisette7, onde o material passou por uma moagem de alta energia por um período

de 6 horas.

No processo de aspersão térmica, AT, foram utilizadas porções de 0,8 g da mistura

Ta2O5 + Al. As amostras foram acondicionadas no alimentador de pó com capacidade de 2,27

cm3. O alimentador fica localizado na parte inferior da tocha de plasma, sendo necessário,

portanto, o uso de um gás de arraste, nesse caso, foi utilizado para essa função o mesmo gás

da formação do jato de plasma, o argônio.

A taxa de deposição, Td, do compósito foi calculada com o uso da equação a seguir

= −

/60 (12)

Onde m é a massa total utilizada, mr é a massa residual e t o tempo. O valor da taxa de

deposição igual a 0,37 g/min.

Os substratos usados para AT foram chapas de aço inox 416 com dimensões de 20 x

20 mm que tiveram sua superfície jateada com o uso de uma “pistola” de ar comprimido que

aplica um jato de pequenas esferas de aço, através de ar comprimido, com o objetivo de

introduzir rugosidade mínima necessária, de 2,5 a 13 µm, para uma boa adequação do

compósito à superfície. Logo após, os substratos foram colocados a uma distância de 4 e 5 cm

do bocal de saído do jato de plasma.

69

Antes de cada aspersão o substrato teve sua superfície pré-aquecida cuja função é

melhorar a aderência do revestimento ao substrato, através do efeito da molhabilidade

(DYKHUIZEN, 1994). Na figura 22 está apresentado o fluxograma dos passos seguidos nos

experimentos desse trabalho.

Figura 22 – Fluxograma experimental seguido para a realização das aspersões térmicas.

3.3 – Medidas da temperatura eletrônica

Utilizou-se um espectrômetro da Acton, modelo SpectroPro 2500i, com comprimento

focal de 500 mm, abertura da fenda f/6.5 e resolução espectral de 0,05 mm por meio de uma

fibra óptica para processar a luz capturada do plasma. Os dados adquiridos foram analisados

pelo software da Spectra Sense.

70

A fibra foi acoplada a uma distância de 37 mm da saída do bico da tocha, conforme

visto na figura 23 de modo a obter os dados axialmente, com distâncias de 0, 5 e 10 mm ao

logo do comprimento da chama.

Figura 23 – Desenho mostrando a montagem da fibra ótica em relação ao anodo da tocha de

plasma.

A temperatura do plasma é calculada através da temperatura dos elétrons (energia

cinética dos elétrons), admitindo a hipótese de equilíbrio termodinâmico local (ETL). Isto

significa que, as partículas têm distribuição energética dada pela equação de Maxwell e que os

processos de colisão são dominantes sobre os radiativos. Ou seja, as temperaturas dos elétrons

e das partículas pesadas são similares (GRIEM,1964). A temperatura de excitação do jato de

plasma foi calculada através do método gráfico da curva de Boltzmann (OHNO et al., 2006)

utilizando os valores das linhas de emissão do Ar-I da tabela 10 na equação 13.

ln

= −

+ (13)

Onde I corresponde à intensidade do pico, λ é o comprimento de onda em nm, gk e Ak

representam, respectivamente, o peso estatístico e a probabilidade de transição, Ek é a energia

71

para cada comprimento de onda, k é a constante de Boltzmann. A temperatura é então dada

pela curva de

em função da energia Ek, realizando o ajuste linear nos pontos obtidos

experimentalmente obtem-se uma reta (y = ax + b) e através da inversão do coeficiente

angular determina-se a temperatura eletrônica.

Na tabela 10 estão os dados atômicos do argônio como comprimento de onda (λ), as

probabilidades de transições (Ak), o peso estatístico (gk) e a energia (Ek) são todos obtidos

através do uso do banco de dados do National Institute Standarts and Technology – NIST.

Tabela 10 – Dados atômicos do gás argônio obtidos através de consulta ao NIST.

Elemento λ(nm) Ak (s-1) Ek (cm-1) gk

ArI 404 3,33 x 105 118 469,0508 5

ArI 416 2,88 x 105 117 151,3264 3

ArI 420 9,67 x 105 116 942,7542 7

ArI 427 7,97 x 105 117 151,3264 3

ArI 430 3,77 x 105 116 999, 3259 5

ArI 433 5,68 x 105 118 469,0508 5

ArI 451 1,18 x 105 117 562,9553 1

3.4 – Análise da distribuição granulométrica dos pós.

Foi usado um equipamento de difração a laser da marca CILAS modelo 920 L com

faixa de leitura variando de 0,3 a 400 μm. Para evitar processo de aglomeração dos pós, que

dificulta a análise pelo equipamento, foi aplicado o tensoativo Renex 95 na proporção de 4 μl

para 0,2 g de pó com o intuito de dispersá-los. O dispersante foi empregado tanto nos pós de

Ta2O5, de Al quanto nas misturas.

72

3.5 – Análise por Difração de raios X.

As análises de difração de raios X foram realizadas usando um difratometro Shimadzu

modelo Lab X XRD-6000. Os ensaios foram realizados com radiação CuKα, λ = 1,54056 Å,

na configuração Bragg Bretano. A voltagem utilizada foi 30 kV e a corrente de 30 mA,

varredura angular 2θ variou de 20 a 800 com passo de 0,05 e com um tempo de contagem de 2

segundos por passo para todas as amostras. As fases encontradas através do DRX foram

analisadas qualitativamente, fazendo-se uso do programa computacional de fases PMGR do

pacote de programas da SHIMADZU XRD-6000 e a quantificação das mesmas através do

método de Rietveld com o uso do programa de refinamento DBWS versão 2.3.

3.6 – Cálculo do tamanho dos cristalitos.

Para cálculos do tamanho de cristalito empregou-se uma amostra padrão de LaB6,

hexaboreto de lantânio, com tamanho de partículas menores que 10 μm. Este composto é

conhecido por possuir alta cristalinidade e permite obter linhas de difração bem resolvidas.

Além disso, esse material possui baixo nível de tensão, ou seja, podemos desprezar os efeitos

das tensões na largura dos picos e assim resta somente a contribuição na largura do pico

correspondente ao tamanho da partícula. Na figura 24 está representado gráfico da função

FWHM versus 2θ para a amostra padrão de LaB6, utilizado neste trabalho, enquanto que na

figura 25 está o gráfico do refinamento do mesmo padrão.

73

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0,095

0,100

0,105

0,110

0,115

0,120

FW

HM

2θ

Figura 24 – Gráfico da função FWHM versus 2θ para a amostra padrão de LaB6.

20 30 40 50 60 70 80 90 100

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Inte

nsi

da

de

(u

.a.)

2 θ

Iobs Ical Iobs - Ical

Rwp = 17,80 %

Figura 25 – Representação gráfica do refinamento pelo método de Rietveld do padrão LaB6.

3.7 – Análise por Microscopia eletrônica de varredura.

As análises por microscopia eletrônica de varredura foram executadas no Laboratório

de Microscopia e Microanálise (LAMM) do Centro de Tecnologias Estratégicas do Nordeste

74

(CETENE) com o uso de um microscópio eletrônico de varredura ambiental fabricado pela

FEI, Quanta 200 FEG.

3.8 – Análise de rugosidade.

A rugosidade das peças a serem aspergidas foi medida usando um rugosímetro modelo

Surtronic 25 da marca Taylor Hobson Precision com cut-off igual a 0.25, do laboratório de

caracterização de materiais da UFRN para mensurar o parâmetro Ra, Rz e Ry da superfície do

substrato

3.9 – Microdureza.

O ensaio de microdureza teve por finalidade obter os valores de dureza Vickers (HV)

nas amostras aspergidas. Foi realizado utilizando um microdurômetro digital HVS 1000

PANAMBRA com carga de 300g e tempo de aplicação da carga de 15 segundos.

75

CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 – Espectroscopia de emissão ótica

Nas figuras 26, 27 e 28 estão apresentados os espectros de emissão ótica obtidos para

os fluxos de 10, 20 e 30 l/min respectivamente. Nelas são observadas linhas de emissão do

Ar-I na faixa de 400 – 455 nm, que foram utilizadas para a determinação da temperatura de

excitação dos elétrons do jato de plasma.

400 410 420 430 440 450 460

Comprimento de onda (nm)

0 mm

Inte

nsi

da

de

(u

.a.)

5 mm

10 mm

250 A, 10 l/min

Figura 26 – Espectro de emissão ótica do jato de plasma na condição 250 A, 10 l/min

76

400 410 420 430 440 450 460


0 mm

5 mm

Inte

nsid

ad

e (

u.a

.)10 mm

250 A, 20 l/min


400 410 420 430 440 450 460


0 mm

10 mm

5 mm

Inte

nsi

da

de

(u.a

.)

250 A, 30 l/min


De posse dos espectros para as diferentes condições, foram obtidas as curvas

apresentadas na figura 29. A temperatura foi tomada com uma potência de trabalho fixa no

valor 7,5 kW e o fluxo do gás na faixa de 10, 20 e 30 l/min. Como pode-se ver a temperatura

diminui com a distância a partir da saída do bocal. A diminuição da temperatura com a

variação da distância ocorre principalmente devido ao resfriamento pelo ar atmosférico que

penetra na mistura turbulenta, além disso, não há dissipação de calor além da saída do bocal

77

(YUGESWARAN; SELVARAJAN, 2006). Verifica-se ainda no gráfico da figura 29 que a

temperatura diminui bruscamente com fluxo de 10 l/min, com 20 l/min diminui de forma

menos abrupta, já com fluxo de 30 l/min a queda é bem leve, esse fato é devido a fluxos

elevados promoverem uma barrreira que impede a entrada do ar atmosférico, diminuindo

dessa forma, a influência deste sobre a queda de temperatura.

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Tem

pera

tura

(K

)

Distância axial (mm)

10lmin 20lmin 30lmin

Figura 29 – Temperatura eletrônica do jato de plasma em função da variação axial para

diferentes fluxos e potência fixa em 7,5 kW.

4.2 – Pós de partida

4.2.1 – Pó de alumínio

Verifica-se pela figura 30 para o alumínio que se trata de um pó que está de acordo

com a ficha cristalográfica 85-1327, sua estrutura cristalina é cúbica de face centrada (CFC)

com parâmetro de célula de rede “a” igual 4.048881. Os picos estreitos (pequena meia largura

a meia altura, FWHM) e com alta intensidade indicam picos com elevado tamanho de

78

cristalito. O tamanho médio dos cristalitos obtidos através da equação 10 para o Al é de 74.25

nm.

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

0

3500

7000

Inte

nsi

da

de

(u

.a.)

2θ

Al: 85-1327

Figura 30 – DRX do pó de Alumínio.

Na figura 31 está o gráfico do refinamento para o Al, verifica-se uma boa adequação

entre as intensidades observadas e calculadas, além do parâmetro estatístico Rwp possuir

valores abaixo de 20 %.

79

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Inte

nsi

da

de

(u

.a.)

2θ

Alumínio Iobs Icalc Iobs -Ical

Rwp = 16.13 %a = 4.048881

Figura 31 – Representação gráfica do refinamento pelo método de Rietveld do pó de

Alumínio.

Na figura 32 está mostrado que a diminuição de FWHM e da posição 2θ estão

acompanhados pelo aumento do cristalito para o pó de Al.

72 73 74 75 76 77

40

60

80

2theta FWHM(graus)

D(nm)

2th

eta

0,125

0,130

0,135

0,140

0,145

0,150

0,155

0,160

0,165

FW

HM

(gra

us)

Figura 32 – Representação gráfica do tamanho de cristalito, posição (2θ) e FWHM do pó de

alumínio

80

A tabela 11 apresenta uma distribuição granulométrica onde até 90% das partículas de

alumínio possuem um tamanho de 7.09 µm e uma média de 4.81 µm.

Tabela 11 – Dimensões granulométricas do pó de Al.

Diâmetro a

10%

Diâmetro a

50%

Diâmetro a

90%

2.74 4.67 7.09

Está apresentada na figura 33 a análise granulométrica obtida por granulometria a laser

para o pó de Al.

Figura 33 – Distribuição granulométrica do pó de alumínio.

A morfologia das partículas de alumínio são ligeiramente arredondadas como notado

na figura 34, com tamanho da ordem de microns.

81

Figura 34 – Micrografia eletrônica de varredura do pó de alumínio.

4.2.2 – Pó de óxido de tântalo

Fornecida pela Companhia Industrial Fluminense, pureza 99.84%, densidade de 8,2

g/cm3, tamanho de partículas < 60 MASH. A análise química do Ta2O5 está listada na tabela

12.

82

Tabela 12 - Análise química do óxido de tântalo

Elemento ppm

Al 17

Ca 14

Co <10

Fe 36

Mg <10

Mn <10

Mo <10

Na <10

Si 22

Sb 117

Ti <10

W <30

Zn <10

Zr <10

Perda ao fogo 0.07%

Pela análise do difratograma da figura 35 o óxido de tântalo utilizado aqui está em

acordo com a ficha cristalográfica 89-2843, sua estrutura cristalina é ortorrômbica com

parâmetros de célula de rede a = 6.193304 Å, b = 3.660753 Å e c = 3.889492 Å. O índice

estatístico de refino, figura 36, também está de acordo com o item 2.12.1. Picos menos

intensos que os do pó de Al indicam tamanho de cristalito menores. Para o Ta2O5 o valor

obtido pela equação de Scherrer é de 31.42 nm.

83

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

0

1500

3000

Inte

nsi

da

de

(u

.a.)

2θ

Ta2O

5: 89-2843

Figura 35 – Difratograma de raios – X do óxido de tântalo.

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Inte

nsi

da

de

(u

.a.)

2θ

Óxido de tântalo Iobs Ical Iobs-Ical

Rwp = 19.97 %

Figura 36 – Representação gráfica do refinamento pelo método de Rietveld do Óxido de

tântalo.

A figura 37 apresenta a variação do tamanho do cristalito com a posição 2θ e com o

parâmetro FWHM, nela pode – se ver que a diminuição do ângulo e de FWHM estão

relacionados com o aumento do cristalito para o óxido.

84

25 30 35 40 45 50

20

40

60

80

2theta FWHM(graus)

D(nm)

2th

eta

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

FW

HM

(gra

us)

Figura 37 – Representação gráfica do tamanho de cristalito, posição (2θ) e FWHM do pó de

Ta2O5.

A análise por granulometria a laser apresentou que 90% de suas partículas possuem

um tamanho de 3.16 µm e uma média de 1.16 µm, tabela 13.

Tabela 13 – Dimensões granulométricas do Óxido de tântalo.

Diâmetro a 10% Diâmetro a 50% Diâmetro a 90%

0,13 1,02 29,03

O gráfico da granulometria a laser está mostrado na figura 38. Observa-se uma

tendência multimodal refletindo a presença de aglomerados, comprovado também pela

micrografia eletrônica de varredura.

85

Figura 38 – Distribuição granulométrica do Ta2O5.

Sua morfologia é constituída por aglomerados e bastões como verificado na

micrografia eletrônica de varredura da figura 39.

Figura 39 – Micrografia eletrônica de varredura do óxido de tântalo, os círculos apresentam

aglomerados enquanto que as setas apontam para os bastões.

86

4.3 – Misturas utilizadas nas deposições por tocha de plasma

As misturas utilizadas nas aspersões foram preparadas de acordo com a equação

química 11. No processo de moagem, as partículas frágeis (Ta2O5) são fragmentadas e as

partículas dúcteis (Al) tornam-se achatadas por um processo de microforjamento. As

partículas achatadas sofrem soldagem, enquanto as partículas frágeis são distribuídas na

superfície do material mais mole. Como as partículas de Al apresentam um tamanho menor

que as de óxido, 7,09 e 29,03 respectivamente, um aumento de Al promove uma diminuição

nas dimensões granulométricas das misturas. A tabela 14 a seguir apresenta as dimensões

granulométricas das misturas preparadas e utilizadas nas aspersões térmicas.

Tabela 14 – Dimensões granulométricas das misturas Ta2O5 + Al preparadas em moinho planetário de alta energia.

Diâmetro a

10%

Diâmetro a

50%

Diâmetro a

90%

Amostras

EST 0,44 20,50 69,03

EST+5%Al 0,40 13,03 58,18

EST+10% 0,40 12,73 53,81

Estão mostradas nas figuras 40, 41 e 42 granulometrias a laser das misturas EST,

EST+5%Al e EST+10%Al respectivamente. O comportamento multimodal é típico de

processos de moagem (COSENTINO, 2006), além disso, indicam a presença de aglomerados.

87

Figura 40 – Distribuição granulométrica da mistura EST.

Figura 41 – Distribuição granulométrica da mistura EST+5%Al.

88

Figura 42 – Distribuição granulométrica da mistura EST+10%Al.

A Figura 43 mostra o difratograma das misturas EST, EST+5%Al e EST+10%Al,

verifica-se a presença das fases de óxido de tântalo e alumínio.

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

0

900

1800

0

900

1800

0

900

1800

EST +10% Al

2θ

EST

EST +5% Al

Al q 85-1327Ta2O5 i 89-2843

Inte

nsid

ad

e (

u.a

.)

ii

i

i

i

i

i

ii

i

qqqq

i

Figura 43 – Difratograma das misturas de Ta2O5 + Al EST, EST +5% de Al e EST +10% de

Al moídas por 6h em moinho planetário.

89

Ao observar os difratogramas das misturas, figura 43, verifica-se que os pós moídos

mantêm sua estrutura cristalina inicial. Entretanto, os picos referentes tanto ao óxido quanto

ao alumínio apresentaram reduções nas intensidades quando comparados com os

difratogramas dos pós puros, conforme tabela 15.

As reduções devem-se ao alargamento dos picos de difração de ambas as fases.

Constata-se também que a fase dúctil (Al) da mistura de pós sofre maior alargamento,

comparado com a fase frágil (Ta2O5). O alargamento dos picos de difração está relacionado ao

aumento de tensão da rede cristalina do Al ou ao refino dos cristalitos do óxido. Ele também

pode ocorrer por contribuição de ambos os processos.

Sabe-se que a moagem produz deformação da rede cristalina das misturas de pós. No

caso da fase dúctil, o processo de deformação da rede é muito mais intenso que o observado

na rede da fase frágil. Isso se deve, provavelmente, ao mecanismo de penetração da fase dura

na fase dúctil, induzindo tensões.

Essas reduções dos picos implicam em uma diminuição dos cristalitos, uma vez que, o

aumento do alargamento produz maiores valores para a largura a meia altura do pico é

inversamente proporcional à intensidade dos picos e também ao tamanho do cristalito.

Tabela 15 – Reduções nas intensidades dos picos das misturas EST, EST+5%Al e EST+10%Al

Amostras

EST EST+5%Al EST+10%Al

Fases Reduções dos picos (%)

Ta2O5 34,50 40,56 48,33

Al 93,84 94,11 94,98

Na tabela 16 estão os valores dos cristalitos obtidos para as misturas aplicadas nos

processos de AT. As maiores reduções para o TA2O5 foram conseguidas na amostra

EST+10%Al, enquanto que para o Al as maiores reduções estão na amostra EST+5%Al. Os

pequenos tamanhos de cristalito para as amostras indicam tendência a aglomeração.

90

Tabela 16 – Redução em porcentagens para os tamanhos de cristalitos “D” das misturas utilizadas no processo de aspersão.

D

(nm)

D (nm)

EST

D (nm)

EST+5%Al

D (nm)

EST+10%Al

Ta2O5 31.42 21.89 (red. de

30,33%)

17.44 (red.

de 44.49%)

12.90 (red. de

58.94%)

Al 74.25 27.55 (red. de

62.89%)

26.73 (red.

de 64%)

30.38 (red. de

59.08%)

Nas figuras 44, 45 e 46 estão relatados os refinamentos das mostras utilizadas nas

aspersões. Todas possuem o fator estatístico Rwp de acordo com a literatura, além de uma boa

adequação entre as intensidades observadas e calculadas.

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Inte

nsi

da

de

(u

.a.)

2θ

Iobs Ical Iobs-Ical

Rwp = 15.65%

Figura 44 – Representação gráfica do refinamento pelo método de Rietveld da mistura de

EST.

91

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Inte

nsi

da

de

(u

.a.)

2θ

Iobs Ical Iobs-Ical

Rwp = 16.87%


EST+5%Al.

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Inte

nsid

ad

e (

u.a

.)

2θ

Iobs Ical Iobs-Ical

Rwp = 15.87%


EST+10% Al.

Na tabela 17 estão os valores obtidos a partir do refinamento pelo método de Rietveld

para as misturas aplicadas no processo de deposição por AT. Verifica-se que as misturas com

valores acima da estequiometria, +5% Al e +10% Al, apresentam aumento em massa nas

quantidades de alumínio e conseqüente redução nas porcentagens de óxido de tântalo.

92

Tabela 17 – Porcentagem das fases nas misturas de Ta2O5 + Al obtidas pelo método de Rietveld.

Fases

Ta2O5 (%)

em massa

Al (%)

em massa

Amostra

EST

81.17

18.83

EST+5%Al

79.48

20.52

EST+10%Al

73.13

26.87

4.3.1 – Microscopia eletrônica das amostras de partida.

A imagem por microscopia eletrônica de varredura da figura 47 demonstra que as

partículas das misturas utilizadas em AT estão agrupadas na forma de aglomerados. A

morfologia das partículas das misturas apresenta formato irregular, não esférico, e como se

sabe quanto mais afastada do formato esférico for a partícula menor é a densidade de

empacotamento de uma distribuição que a contenha, devido à fricção interparticular que surge

pelo contato das superfícies irregulares das mesma. E quanto menor o tamanho das partículas

irregulares maior esse efeito, em função da maior área superficial específica,

conseqüentemente, maior o grau de aglomeração.

93

Ta2O5 +Al (EST) Ta2O5 +Al (+5% Al) Ta2O5 +Al (+10% Al)

Figura 47 – Microscopia eletrônica por varredura das misturas de Ta2O5 + Al

4.3.2 – Analises de DTA e TGA nas misturas.

Observa-se nas figuras 48, 49 e 50, que apresentam os dados gráficos de análises

termográficas “TGA” e análise térmica diferencial “DTA”, um ganho de massa com a

variação de temperatura. Existem dois picos exotérmicos, o primeiro variando de 589,02 a

596,600C, e o segundo de 910,41 a 932,330C. O primeiro pico exotérmico corresponde à

oxidação do Al utilizado na mistura, o segundo pico indica a reação entre o óxido de tântalo e

o alumínio. Além deles, há um pico endotérmico em aproximadamente 6770C, que

corresponde aponta para a fusão do alumínio. Constata-se que à medida que há um acréscimo

em massa de Al ocorre uma diminuição gradativa na temperatura de reação do óxido, devido

principalmente ao excesso desse material contribuir para uma diminuição da temperatura de

reação de redução.

94

0 600 1200-80

-60

-40

-20

0

15,0

15,5

16,0

16,5

17,0

17,50 600 1200

932.3

3

676.8

3

DT

A

Temperatura

DTA

589.0

2

Exo

TG

A (

mg

)

TGA

Figura 48 – Análise térmica DTA e TGA da mistura EST.

0 600 1200-80

-60

-40

-20

0

15,5

16,0

16,5

17,0

17,5

18,00 600 1200

910

.41

677

.82

589

.08

DT

A

Temperatua

DTA

Exo

TG

A (

mg

)

TGA

Figura 49 – Análise térmica DTA e TGA da mistura EST+5%Al.

95

0 600 1200

-60

-40

-20

0

15,0

15,5

16,0

16,5

17,0

17,50 600 1200

91

4.1

9

67

8.9

959

6.6

0

DT

A

Temperatura

DTAE

xo

TG

A (

mg

)

TGA

Figura 50 – Análise térmica DTA e TGA da mistura EST+10%Al

4.4 – Substratos de aço inox 416

A figura 51 apresenta o difratograma de raios X do aço inox 416 utilizado na aspersão,

nota-se picos referentes à Fe α e Cr.

96

20 30 40 50 60 70 80

0

275

550

Cr

Cr

Cr

Fe

Inte

nsid

ad

e (

u.a

.)

2θ

Fe

Figura 51 – Difratograma de raios – X do aço inox 416.

Foram realizadas medidas de rugosidade ao longo do substrato como indica a figura

52 a seguir:

Figura 52 – Indicação das medidas de rugosidade no substrato.

Os valores do parâmetro Ra estão listados na tabela 18. As médias dos valores obtidos

estão bem próximas da faixa indicada na literatura, de 2,5 a 13 µm, como a ideal para se

realizar a maioria dos revestimentos por aspersão térmica (LIMA, 2007).

1

2

3

97

Tabela 18 – Medidas do parâmetro de rugosidade Ra, (a) ao longo do caminho 1, (b) caminho 2 e (c) caminho 3.

Medidas Ra (µm)

1 2,55

2 2,25

3 2,53

Média 2,44

4.5 – Análise das amostras depositadas.

As amostras aspergidas foram divididas em dois grupos, como indicado na tabela 19, o

primeiro grupo I (GI), indica deposições com distância de 4 cm do substrato em relação ao

bocal de saída do jato de plasma. O segundo grupo II (GII), indica distâncias de 5 cm.

Tabela 19 – Grupos de amostras aspergidas, grupo I com distâncias de 4 cm e grupo II com distâncias de 5 cm

Grupo I

EST

GIEST10 GIEST20 GIEST30

EST+5%Al

GI5%Al10 GI5%Al20 GI+5%Al30

EST+10%Al

GI10%Al10 GI10%Al20 GI10%Al30

Grupo II

EST

GIIEST10 GIIEST20 GIESTI30

EST+5%Al

GII5%Al10 GII5%Al20 GII5%Al30

EST+10%Al

GII10%Al10 GII10%Al20 GII10%Al30

98

Grupo I

Na figura 53 está apresentado o difratograma de raios – X da amostra depositadas por

tocha de plasma utilizando mistura EST.

20 30 40 50 60 70 80

250 A, 10 l/min, 4 cm

◊♦•◊◊êê

ê

ê

ê Ta♦ Al

2O

3

• AlTaO4

◊ Ta2O

5

à Al

2θ

250 A, 20 l/min, 4 cm◊ ♦•◊◊

êê

ê

Inte

sndi

dad

e (u

.a.)

à

♦

♦♦ 250 A, 30 l/min, 4 cmà à◊◊◊

◊ ♦•◊◊ êêà

Figura 53 – Difratograma de raios X das amostras depositadas por tocha de plasma utilizando misturas estequiométricas de Ta2O5 + Al (EST).

Nela percebe-se a formação de Ta e Al2O3. Entretanto, picos referentes ao óxido de

tântalo também foram detectados juntamente com o óxido de tântalo-alumínio, AlTaO4

(JCPDS 76-1469), de estrutura tetragonal e temperatura de formação de 12000C (KONG et

al., 2003). Esse fato indica que durante a aspersão houve transferência de energia necessária

para a reação da mistura estequiométrica. Todo o alumínio dessa mistura foi consumido,

contudo, a quantidade não foi o suficiente para a completa reação, fato constatado pela

mínima quantidade Ta2O5 remanescente (3,19; 3,21 e 5,53% respectivamente para as reações

com fluxos de 10, 20 e 30, tabela 20). Nesse mesmo conjunto de gráficos, na amostra

aspergida com 30 l/min são perceptíveis picos de alumínio, observando a tabela 20 nota-se

99

uma quantidade considerada ainda por reagir (29,31%), devido ao maior fluxo de gás de

formação do jato, fazendo com que as partículas permaneçam um tempo curto dentro da

chama e assim não recebam o calor suficiente para a reação.

Ainda na figura 53 na deposição com fluxo de 30 l/min, temos a existência de duas

fases, Ta e Al, localizadas no pico em 38.40. A fase de Al (JCPDS 88-1537) apresenta picos

nas posições 38.4, 44.7, 65.1 e 82.40, todos eles estão presentes na deposição com 30 l/min. Já

o Ta (JCPDS 04-00788) possui picos em 38.4, 55.4 e 69.50. Sendo assim, pode-se afirmar que

a existência de duas fases em 38.40 (posição em comum) ocorrerá somente se as outras

posições de alumínio estiverem presentes, caso contrário, o pico em 38.4º será somente de Ta

como acontece nas aspersões com 10 e 20 l/min.

Tabela 20 – Quantificação das fases obtidas pelo método de Rietveld do conjunto aspergido através da utilização da mistura EST.

250 A, 10 l/min, 250 A, 20 l/min, 250 A, 30 l/min,

Fases

Ta (%) 64,22 71,88 45,16

Al (%) _ _ 29,31

Al2O3 (%) 26,82 19,35 15,46

Ta2O5 (%) 3,19 3,21 5,53

AlTaO4 (%) 5,77 3,36 4,54

A tabela 21 apresenta os índices estatísticos dos refinos das amostras da figura 53.

Verifica-se uma boa adequação entre os parâmetros.

Tabela 21 – Fatores estatísticos obtidos para os refinamentos das amostras obtidas por aspersão da mistura EST.

250 A, 10 l/min 250 A, 20 l/min 250 A, 30 l/min

R-wp (%) 13,29 12,30 14,61

R-exp (%) 10,75 10,54 8,74

S (%) 1,23 1,16 1,66

100

Na figura 54 está ilustrado o difratograma de raios – X da amostra depositadas por

tocha de plasma utilizando mistura EST+5%Al.

20 30 40 50 60 70 80

à à♦ê

à

◊•

ê

2θ

◊ ◊

◊

◊◊♦

♦♦◊

250 A, 10 l/min, 4 cm

250 A, 20 l/min, 4 cm♦ê♦♦

◊ ê

Inte

nsid

ade

(u.a

.)

◊ ◊◊ à ◊ ◊◊

♦

à

250 A, 30 l/min, 4 cm

◊♦◊◊ ◊

àà

♦ ê♦ ê

ê Ta

♦ Al2O

3

• AlTaO4

◊ Ta2O

5

à Al

◊

•

◊

◊

ê

à◊

Figura 54 – Difratograma de raios X das amostras depositadas por tocha de plasma utilizando misturas EST+5%Al.

Fica evidente a formação de picos de alumínio, quantidades consideradas foram

determinadas pelo método de Rietveld e estão listados na tabela 22. Isso se deve a distância

do substrato em relação ao bocal de saída do jato de plasma, 4 cm, que faz com que o pó

atinja rapidamente a superfície da amostra sem ter transcorrido tempo suficiente para a

transferência de energia térmica para a mistura Ta2O5 + Al. A proximidade do substrato não é

o único fator que influencia a aspersão, a válvula de esfera, responsável pela passagem do gás

de arraste do pó, também é uma fonte de erro do sistema, uma vez que, ela não possibilita

uma abertura constante fazendo com que haja um fluxo com velocidade inicial muito alta e

conseqüentemente uma maior quantidade de pó é levada ao jato de plasma dificultando,

assim, a reação. Pode-se além desses dois fatores citados adicionar o fluxo de 30 l/min, que

implica em elevada velocidades das partículas e menor tempo de permanência sob a ação do

jato de plasma.

101

Mais uma vez, vê-se a presença dos picos característicos de Al em todas as aspersões

onde a mistura EST+5%Al foi utilizada, portanto o pico em 38.40 corresponde as duas fases,

Ta e Al.

Na tabela 22 estão os valores das fases obtidas a partir da deposição da mistura

EST+5%Al

Tabela 22– Quantificação das fases obtidas pelo método de Rietveld do conjunto aspergido através da utilização da mistura EST+5%Al.


Fases

Ta (%) 23,58 50,24 11,91

Al (%) 45,06 15,02 64,59

Al2O3 (%) 24,18 21,17 14,39

Ta2O5 (%) 3,37 9,78 8,81

AlTaO4 (%) 3,81 3,80 1,24

A tabela 23 nos mostra os valores estatísticos obtidos para as deposições por AT. Em

todas o fator Rwp possui valores abaixo de 20 %.

Tabela 23 – Fatores estatísticos obtidos para os refinamentos das amostras obtidas por aspersão da mistura EST+5%Al.


R-wp (%) 15,37 14,01 18,21

R-exp (%) 9,81 8,99 8,47

S (%) 1,56 1,55 2,14

102

A figura 55 nos mostra o grupo de aspersões onde a mistura EST+10%Al foi aplicada.

20 30 40 50 60 70 80

250 A, 10 l/min, 4 cm

2θ

◊ •◊ ◊ ê♦ê

à

♦

◊♦

250 A, 20 l/min, 4 cmêê

Inte

nsid

ade

(u.a

.)

◊ •◊ ◊•

◊

•◊ ◊

ê

◊à

♦♦

◊◊♦

à

250 A, 30 l/min, 4 cmêê

ààà

ê Ta

♦ Al2O

3

• AlTaO4

◊ Ta2O

5

à Al

◊♦

◊◊♦

Figura 55– DRX das amostras depositadas por tocha de plasma utilizando misturas EST+10%Al.

Assim como na figura 54 nota-se a presença de picos da fase de alumínio ainda por

reagir. A presença deles deve-se principalmente ao excesso utilizado, como também a

pequena distância. Observa-se na tabela 24 os valores obtidos para as fases obtidas para as

deposições utilizando a mistura estequiométrica com excesso de +10% de Al.

103

Tabela 24 – Quantificação das fases obtidas pelo método de Rietveld do conjunto aspergido através da utilização da mistura EST+10%Al.


Fases

Ta (%) 43,69 52,15 15,66

Al (%) 7,03 7,33 63,29

Al2O3 (%) 30,35 25,83 16,19

Ta2O5 (%) 10,70 4,71 4,04

AlTaO4 (%) 7,03 9,98 0,82

Estão apresentados na tabela 25 os fatores estatísticos conseguidos a partir do refino

das amostras da figura 55. Mais uma vez os parâmetros possuem boa concordância.



R-wp (%) 13,53 14,51 16,18

R-exp (%) 10,60 9,41 8,86

S (%) 1,27 1,54 1,82

Como as misturas utilizadas (EST, EST+5%Al e EST+10%Al) passaram por uma

moagem de alta energia esperava-se que todas as partículas apresentassem a mesma

composição. Porém, na prática isto não ocorre. Haverá sempre partículas com menos ou mais

Al do que o necessário para a completa redução do Ta2O5. Assim, o processo de redução

durante a aspersão que envolve reações por partículas individuais apresenta o problema

intrínseco onde algumas partículas do óxido adquirem mais Al do que o necessário e outras o

inverso. Na aluminotermia tradicional, toda a massa participa da reação. Neste caso, desvios

locais de estequiometria são compensados pelo transporte de massa de material em estado

líquido durante a reação. Na reação de aspersão por tocha de plasma, se as partículas não

interagem e se não permanecem na região central do jato elas não recebem energia térmica

necessária para a redução e dessa forma não pode haver compensação. Portanto, nem todas as

partículas serão reduzidas.

104

Grupo II

Na figura 56 está representado o difratograma de raios – X da deposição onde foi

usada a mistura EST.

20 30 40 50 60 70 80

2θ

250 A, 10 l/min, 5cm

250 A, 20 l/min, 5cm

ê Ta♦ Al

2O

3

• AlTaO4

◊ Ta2O

5

Inte

nsid

ade

(u.a

.)

◊ •◊ •◊

ê

ê♦

ê

◊ •◊ •◊

ê

ê♦

ê

250 A, 30 l/min, 5cm

◊ •◊ •◊

ê

ê♦

ê

Figura 56 – DRX das amostras depositadas por tocha de plasma utilizando misturas

estequiométricas de Ta2O5 + Al.

Constata-se a presença de picos de Ta, Al2O3, Ta2O5 e ausência de Al. Isso indica que

o alumínio foi todo consumido durante o percurso até o substrato. Contudo, não houve a

completa reação de redução aluminotérmica, uma vez que existem picos de óxido em todos os

fluxos utilizados.

A tabela 26 apresenta os valores das fases obtidas após o processo de AT, nota-se

grandes quantidades de Ta presente nas deposições. Como dito anteriormente, não houve uma

completa redução aluminotérmica comprovado também pelas pequenas quantidades do óxido

determinadas pelo refinamento (valores abaixo dos 5%).

105

Tabela 26 – Quantificação das fases obtidas pelo método de Rietveld do conjunto aspergido através da utilização da mistura EST.


Fases

Ta (%) 74,80 80,84 76,58

Al2O3 (%) 17,88 8,16 15.54

Ta2O5 (%) 3,10 3,69 4,58

AlTaO4 (%) 4,22 7,31 3,30

De acordo com a tabela 27 os fatores estatísticos para essa deposição estão de acordo

com a literatura. Em especial, o fator Rwp está abaixo dos 15% para todos os fluxos utilizados.

Tabela 27 – Fatores estatísticos obtidos para os refinamentos das amostras obtidas por aspersão da mistura estequiométrica Ta2O5 + Al.


R-wp (%) 12,88 12,30 13,21

R-exp (%) 9,78 10,43 10,43

S (%) 1,31 1,17 1,26

As figuras 57 e 58 apresentam deposições nas quais foram usadas as misturas

EST+5%Al e EST+10%Al, respectivamente.

Nelas também se verifica a ausência da fase de Al, comprovando mais uma vez que a

distância de 5 cm do substrato a saída do bocal do jato de plasma permite que todo o alumínio

seja consumido. Porém, ainda é perceptível a presença de pequenos picos de Ta2O5.

Pode-se deduzir que para as deposições do grupo II a distância de 5 cm permite que o

Al seja todo consumido, mas, devido a presença de óxido pode-se inferir que existem

partículas das misturas que não possuem Al suficiente para a completa redução.

106

20 30 40 50 60 70 80

2θ

◊ •◊ •◊

ê

ê♦

ê250 A, 10 l/min, 5 cm

250 A, 20 l/min, 5 cm

ê Ta♦ Al

2O

3

• AlTaO4

◊ Ta2O

5In

tens

idad

e (u

.a.)

◊ •◊ •◊

ê

ê ♦

ê

250 A, 30 l/min, 5 cm

◊ •◊ •◊

ê

ê♦

ê

Figura 57 – DRX das amostras depositadas por tocha de plasma utilizando misturas estequiométricas de EST+5%Al.

20 30 40 50 60 70 80

êê

ê

♦•• ◊◊◊

2θ

250 A, 10 l/min, 5cm

250 A, 20 l/min, 5cmê

ê♦• ◊◊◊

Inte

nsi

dade

(u.

a.)

250 A, 30 l/min, 5cm

ê

♦•• ◊◊◊

ê Ta♦ Al

2O

3

• AlTaO4

◊ Ta2O

5

êê

ê

Figura 58 – DRX das amostras depositadas por tocha de plasma utilizando misturas EST+10%Al

107

As tabelas 28 e 29 relatam os valores das fases obtidas por refinamento a partir das

deposições das misturas EST+5%Al e EST+10%Al respectivamente. Constata-se pequenas

quantidades de Ta2O5 com valores abaixo dos 5% e grandes quantidades da fase de tântalo

com porções acima de 65% em massa.



Ta (%) 67,07 65,23 72,27

Al2O3 (%) 25,13 24,69 19,37

Ta2O5 (%) 4,81 4,47 5,15

AlTaO4 (%) 2,99 5,60 3,21



Fases

Ta (%) 70,24 79,13 77,31

Al2O3 (%) 20,42 15,21 16,11

Ta2O5 (%) 4,80 2,44 2,62

AlTaO4 (%) 4,54 3,22 3,96

Nas tabelas 30 e 31 estão respectivamente os parâmetros estatísticos dos refinos das

amostras EST+5%Al e EST+10%Al. Todos os valores estão coerentes com a literatura.



R-wp (%) 12,79 13,31 13,20

R-exp (%) 10,41 10,58 10,27

S (%) 1,22 1,25 1,28

108



R-wp (%) 15,23 14,13 11,85

R-exp (%) 11,72 10,45 10,00

S (%) 1,29 1,35 1,18

Pelas micrografias eletrônicas mostradas na figura 59, na qual contém imagens de

aspersões realizadas do grupo I utilizando misturas EST, EST+5%Al e EST+10%Al, observa-

se que as deposições são formadas por partículas total ou parcialmente fundidas e que estão

alocadas umas sobre as outras. Em imagens obtidas por elétrons retroespalhados (BSE)

elementos mais pesados produzem maior corrente eletrônica, e por conseqüência apresentam

uma tonalidade mais clara enquanto que elementos leves possuem uma coloração mais

próxima do cinza. Então, conclui-se que essas partículas claras são de Ta, que possui maior

peso atômico quando comparado com alumina, e que elas estão ligadas a essa matriz de

Al2O3.

109

Figura 59 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo I com 250 A, 10 l/min, EST (a), EST+5%Al (b), EST+10%Al.

Na figura 60 está apresentado uma análise química por EDS (espectroscopia por

dispersão de energia) da imagem (a) da figura 59 na qual constata-se a presença de Al, Ta e

O.

(a) (b)

(c)

110

Figura 60 – Microscopia eletrônica por varredura e análise química (EDS) da aspersão do grupo I com 250 A, 10 l/min, utilizando a mistura EST, seta em vermelho indica um blodo de

Ta.

A tabela 32 apresenta os valores obtidos, nela vê-se que a imagem analisada alcança

64,14 % de tântalo, enquanto que oxigênio e alumínio possuem 18,14 e 17,73 %

respectivamente, juntam-se formando a fase alumina Al2O3.

Tabela 32 – Valores obtidos a partir da análise de espectroscopia por energia dispersiva (EDS) da aspersão executada com 250 A, 10 l/min e mistura EST.

Elemento Wt%

O K 18.14

Al K 17.73

Ta L 64.14

Na figura 61 (a), verifica-se a presença de grandes partículas fundidas de alumina e

tântalo. Em (b) observa-se um aglomerado constituído por um conjunto de partículas de Ta

com formato irregular que estão aderidas a uma massa de alumina. É possível ver também a

formação de poros na micrografia ampliada, em (c).

A porosidade nos processos de AT ocorre devido à incompleta cobertura da superfície

pelas partículas subseqüentes que são aspergidas. Isto acontece pela incapacidade do material

em comprimir os gases existentes nos interstícios entre lamela/lamela e/ou lamela substrato. A

formação desses poros está relacionada com a temperatura, densidade, tensão superficial,

viscosidade das partículas fundidas, velocidade de impacto e a distribuição granulométrica.

111

Baixas temperaturas e/ou velocidade de impacto, assim como partículas grandes, tendem a

aumentar a porosidade (SEDLÁCEK, 1992). Sua presença em até 25% em processos de AT é

normal e inerente ao processo, e é importante no que diz respeito à lubrificação (atua como

reservatório para lubrificantes). A presença de porosidades é benéfica nos revestimentos por

barreira térmica (TBC) (BERGE, 1998; DORFMAN, 2002), pois reduzem condutividade

térmica diminuindo dessa forma a transferência de calor. Reduz também os níveis de stress e

limita o crescimento de espessura do filme aspergido, além de possibilitar aplicações em

dispositivos protéticos.

112

Figura 61 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo I com 250 A, 10 l/min utilizando mistura EST, a seta em vermelho indica a formação de microporos.

Já na figura 62 se tem uma análise por EDS da imagem (c) da figura 61 na qual

percebe-se a presença de picos relativos ao Ta, Al e O.

(a) (b)

(c)

113

Figura 62 – Microscopia eletrônica por varredura e análise química (EDS) da aspersão do grupo I com 250 A, 10 l/min, 4 cm, utilizando mistura estequiométrica de Ta2O5 + Al.

A partir da tabela 33constata-se que 67.98% da imagem da figura 62 é composta por

Ta enqunto que 32.02% é formada por alumina.

Tabela 33 – Valores obtidos a partir da análise de espectroscopia por energia dispersiva (EDS) da aspersão executada com 250 A, 10 l/min e mistura estequiométrica referente à

figura 62. Elemento Wt%

O K 16.44

Al K 15.58

Ta L 67.98

Pode-se constatar também grande quantidade de microporos na aspersão do grupo I a

partir do uso da mistura EST+5%Al com fluxo de 20 l/min, figura 63, no fundo de cada poro

é possível ver a formação de agulhas em diversas direções. O tamanho dessas agulhas

depende da taxa de resfriamento a que o material foi submetido. Quanto menor a taxa de

resfriamento, maior será o comprimentos das “agulhas” mas se o resfriamento é rápido, o

comprimento delas será menor. A escala de comprimento é determinada pela competição

entre difusão e energia superficial.

114

Figura 63 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo I fluxo de 20 l/min e mistura EST+5%Al, setas vermelhas indicam as agulhas.

Já na figura 64 vê-se a formação de grandes estruturas circulares que são formadas por

partículas de alumina, por esfriar-se mais rápido nota-se que cada uma é bombardeada

superficialmente por partículas de Ta que apresentam tamanhos nano e micrométricos e

formato esférico.

115

Figura 64 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo I com 250 A, 20 l/min e mistura EST+10%Al.

116

Na figura 65 verifica-se partículas de tântalo de tamanho nanométrico e micrométrico

(tonalidade clara) que estão impregnadas em uma matriz de alumina (tonalidade cinza). Além

delas também é perceptível a formação de estruturas de Ta que estão reunidas em blocos

formando estruturas maiores e densas (setas vermelhas). O jateamento de inúmeras partículas

de Ta umas sobre as outras acabam formando essas estruturas aglomeradas e densas indicadas

por setas.

Figura 65 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo I com 250 A, 10 l/min e mistura EST.

A micrografia eletrônica da figura 66 mostra partículas de Ta com diâmetros de 50 a

100 nm distribuídas numa grande região de alumina. Essa foto comprova que em toda

aspersão existe áreas com maior ou menor quantidade de Ta impregnada. Quando elas estão

agrupadas podem formar grandes aglomerados enquanto que quando estão dispersas,

apresentam-se geralmente como esferas nanométricas.

117

Figura 66 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo I com 250 A, 10 l/min e mistura EST com uma seqüência mostrando a morfologia esférica das partículas.

A figura 67 permite identificar um grande bloco de tântalo fundido aspergido em um

bloco de Al2O3. Ao analisar a imagem por EDS observa-se que o bloco identificado pelo

número 1 é majoritariamente formado por tântalo, enquanto que a região escura é composta

por Al. As porcentagens de cada elemento estão listadas na tabela 34, e estão de acordo com o

refinamento pelo método de Rietveld.

118

Figura 67 – Microscopia eletrônica por varredura e análise química (EDS) da aspersão do grupo I com 250 A, 10 l/min e mistura EST+5%Al.

Tabela 34 - Valores obtidos a partir da análise de espectroscopia por energia dispersiva (EDS) da aspersão executada com 250 A, 10 l/min, 4cm e mistura Ta2O5 + Al com excesso de +5%

de Al. P1 P2

Elemento Wt% Wt%

O K 18,65 4,98

Al K 9,91 84,14

Ta L 71,44 10,88

Nas figuras 68 e 69 é possível visualizar grande quantidade de nanopartículas de

tântalo, além da presença de microtrincas, indicadas pelas setas vermelhas, que são

encontradas em revestimentos aspergidos, porém, aceitáveis somente em aspersões de

materiais cerâmicos. Elas são originadas a partir da contração térmica de lamelas, pelo

material adjacente, no resfriamento durante a solidificação (LIMA, 2007).

As microtrincas são de certa forma aceitáveis, pois inibem a criação de trincas maiores

e permite uma maior deformação do material sob tensões térmicas, elevando a tolerância de

deformação e a resistência à fadiga. Uma maneira de diminui-las é através do pré-

aquecimento do substrato, pois o mesmo retarda a resfriamento das partículas aspergidas e

melhora as condições de aderência do revestimento ao substrato (KHALIL, 2009; PAREDES;

VAZ; SILVA, 2006). Contudo, mesmo com o pré-aquecimento aplicado nas amostras

119

aspergidas, o resfriamento não foi tão lento. Dessa forma não foi capaz de eliminar por

completo a presença das microtrincas.

Figura 68 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo I com 250 A, 30 l/min e mistura EST.

Figura 69 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo I com 250 A, 30 l/min e mistura EST+10%Al com indicação de microtrincas.

A figura 70 apresenta um conjunto de aspersões do grupo II com 20 l/min. Uma rápida

análise possibilita ver que as imagens (b) e (c) possuem maior quantidade de partículas com

formato esférico além de blocos fundidos aderidos uns aos outros.

120

Figura 70 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo II com 250 A, 20 l/min mistura EST (a), EST+5%Al (b), EST+10%Al (C).

A imagem por microscopia eletrônica por varredura da figura 71 mostra uma região

ampliada da figura 70 (a). Nela, podemos ver em (a) uma grande esfera de alumina (círculo

vermelho), com diversas partículas de Ta (micro e nanométricas). Também é notória a

presença de microtrincas (seta em vermelho) além de uma grande área de tântalo com aspecto

fundido (seta em azul). Em (b) temos um bloco aderido que se diferencia dos demais por ser

composto de uma matriz de alumina com Ta além de possuir seus próprios poros e partículas

esféricas. Provavelmente ele atingiu as outras camadas que já estavam mais frias e então não

conseguiu se adequar a elas, permanecendo na parte mais externa e recebendo o choque das

demais partículas que saiam da tocha de plasma.

(a) (b) (c)

121

Figura 71 – Microscopia eletrônica por varredura da aspersão do grupo II com 250 A, 20 l/min e mistura EST.

Nas figuras 72, 73 e 74 tem-se a representação em mapa de cores de aspersões do

grupo II com a utilização de misturas de TA2O5 + Al estequiométrico e com excessos de 5 e

10% de alumínio. Verifica-se a existência de partículas de Ta (cor azul) numa matriz de

alumina (cor verde). Na imagem da figura 74 nota-se a formação de grandes partículas

esféricas. Por sua vez, na figura 75 está representada além das partículas esféricas de Ta uma

grande região fundida também de tântalo. Já a imagem 76 possui uma maior concentração de

partículas nanométricas que as demais.

(a) (b)

122

Figura 72 – Mapa de cores da aspersão do grupo II com 250 A, 20 l/min, EST, azul → Ta e verde→ Al2O3 .

Figura 73– Mapa de cores da aspersão do grupo II com 250 A, 20 l/min, EST+5%Al, azul → Ta e verde→ Al2O3 .

123

Figura 74– Mapa de cores da aspersão do grupo II com 250 A, 20 l/min, EST+10%Al, azul → Ta e verde→ Al2O3 .

Na figura 75 referente às aspersões do grupo II está ilustrado o compósito Ta + Al2O3

com a presença de partículas nano e micrométricas de Ta na matriz de alumina.

Figura 75 – Micrografia eletrônica de varredura das deposições do grupo II realizadas com as misturas EST (a), EST+5%Al (b) e EST+10%Al (c), fluxo de 20 l/min.

4.6 – Medidas de microdureza nas amostras aspergidas.

De acordo com os resultados de medição da microdureza (figuras 76 – 81) obtidas

para as amostras com maior porcentagem de Ta, segundo análise pelo método de Rietveld,

pode-se inferir que as microdurezas obtidas para a superfície do revestimento (Ta + Al2O3) é

bastante elevada. Verifica-se grande dispersão dos valores de microdureza quantificado pelas

(a) (b) (c)

124

altíssimas médias e desvios padrões. Isso se deve às diferentes fases presentes conforme visto

na microscopia eletrônica de varredura e também a influência de poros presentes.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000D

ure

za H

V

Medidas

Média = 734,6Desvio padrão = 135,05

Figura 76 – Medidas de microdureza da amostra aspergida do grupo II utilizando mistura EST

e fluxo de 10 l/min.

125

784 HV

566 HV

548 HV

Figura 77 – Fotografias de microdureza da amostra aspergida do grupo II utilizando mistura EST e fluxo de 10 l/min.

126

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Dure

za

HV

Medidas

Média = 660.9Desvio padrão = 151,06

Figura 78 – Medidas de microdureza da amostra aspergida do grupo II utilizando mistura EST+5%Al e fluxo de 20 l/min.

127

575 HV

727 HV

446 HV

Figura 79 – Fotografias de microdureza da amostra aspergida do grupo II utilizando mistura EST+5%Al e fluxo de 20 l/min.

128

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Dure

za

HV

Medidas

Média = 599,2Desvio padrão = 148,2

Figura 80 – Medidas de microdureza da amostra aspergida do grupo II utilizando mistura EST+5%Al e fluxo de 30 l/min.

129

716 HV

566 HV

441 HV

Figura 81 – Fotografias de microdureza da amostra aspergida do grupo II utilizando mistura EST+5%Al e fluxo de 30 l/min.

4.7 – Medidas de porosidade.

As amostras aspergidas possuem pequena porosidade, sendo que as amostras

depositadas com a mistura EST+5%Al apresentam menores valores. Conforme as figuras 82,

83 e 84. Elas são criadas a partir de mecanismos de molhabilidade, quando as partículas

incidentes não conseguem molhar completamente as que já estavam aderidas na superfície do

substrato.

130

12,01%

22,72%

Figura 82 – Medidas de porosidade da amostra aspergida do grupo II utilizando mistura EST e 10 l/min.

10,29% 12,05%

Figura 83 – Medidas de porosidade da amostra aspergida do grupo II utilizando mistura EST+5%Al e 20 l/min.

131

22,95%

12,53%

Figura 84 – Medidas de porosidade da amostra aspergida do grupo II utilizando mistura EST +10%Al e fluxo de 30 l/min.

132

CAPÍTULO 5 – CONCLUSÕES

Os resultados decorrentes deste trabalho resultaram nas seguintes conclusões:

A temperatura de excitação dos elétrons da tocha de plasma conseguida por

espectroscopia de emissão ótica mostrou-se eficiente tanto para redução do óxido de tântalo

quanto para o aquecimento e deposição do mesmo em substrato metálico. A temperatura

termodinâmica do jato de plasma é no mínimo igual a 1200 0C que é o valor necessário para a

formação da estrutura AlTaO4 que teve sua existência confirmada por difração de raios – X.

As aspersões do grupo I apresentaram, em geral, quantidades alumínio ainda por reagir

devido à proximidade do substrato e ao pouco tempo do pó na região aquecida do jato de

plasma. Maiores quantidades de Al estão nas aspersões com fluxo de gás de argônio de 30

l/min levando a induzir que esse fluxo é muito elevado para a AT fazendo com que o tempo

de permanência do pó na chama seja reduzido e ineficiente para a formação da fase requerida.

Já o grupo II não apresentou fases de alumínio, ele foi todo consumido durante a deposição

uma vez que a distância de cinco centímetros do substrato se mostrou eficiente na obtenção do

pó de Ta na superfície do substrato. A fase de Ta foi obtida para o grupo II em todos os fluxos

usados (10, 20 e 30 l/min) mostrando que essa distância é ótima para alcançar a estrutura

desejada, Ta.

A melhor condição de deposição é aquela com distância de 5 cm do substrato em

relação à saída do bocal do jato de plasma e com fluxo de 20 l/min.

A estrutura obtida por análise de microscopia eletrônica apontou para a formação de

Ta nano e micrométrico imersas em matriz de alumina. As partículas de Ta apresentam-se ora

dispersas com formato esférico ora unidas formando aglomerados, típico de mecanismos de

aspersão térmica. Sua presença é confirmada tanto por DRX quanto pela análise por

MEV/EDS.

A fase de Ta nas deposições foram comprovadas e quantificadas por MEV/EDS e pela

analise do método de Rietveld, que apontaram altas concentrações desse elemento nas

deposições do grupo II.

A elevada microdureza atingida nas aspersões de Ta + Al2O3 com a maior quantidade

de Ta se deve às diferentes fases presentes conforme visto na microscopia eletrônica de

varredura e também a influência de poros presentes.

133

CAPÍTULO 6 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS

FUTUROS

Após a execução deste trabalho de tese é possível sugerir alguns trabalhos futuros,

dentre eles estão:

• Simulação computacional do processo de aspersão térmica;

• Realizar deposições em câmaras de vácuo;

• Utilizar outros tipos de materiais refratários;

• Automatizar o sistema de alimentação de pó;

• Executar deposições de filmes finos;

134

REFERÊNCIAS

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Revestimentos a base de Ta/Al O produzidos por aspersão ... · Materiais do Centro de Ciências...

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