Status da Pesquisa da Tecnologia de Revestimento Resistente ao Desgaste por Spray Térmico

1. Status Atual da Pesquisa de Revestimentos Metálicos

Os revestimentos metálicos por spray térmico estão entre os primeiros estudados e aplicados como revestimentos resistentes ao desgaste. Materiais comumente utilizados incluem metais (Mo, Ni), aço carbono, aço de baixa liga, aço inoxidável e revestimentos da série de ligas Ni-Cr. Técnicas como spray de chama, spray de arco, spray de plasma, HVOF (Combustível de Oxigênio de Alta Velocidade) e spray de detonação são geralmente empregadas. Esses revestimentos exibem alta resistência de ligação com o substrato, juntamente com excelente resistência ao desgaste e à corrosão, tornando-os adequados para reparar peças desgastadas e usinar componentes superdimensionados.

Ao usar a tecnologia de spray de plasma com ligas à base de alumínio para revestir anéis de pistão, anéis de sincronização e cilindros, os revestimentos demonstram boa resistência ao desgaste, alta resistência de ligação e excelentes propriedades de desgaste anti-adesivo.

2. Estado Atual da Pesquisa sobre Revestimentos Cerâmicos

Os pós cerâmicos para spray térmico incluem óxidos, carbonetos, boretos, nitretos e siliciados, que são compostos cristalinos ou amorfos compostos de elementos metálicos e não metálicos. Os revestimentos cerâmicos são conhecidos por seus altos pontos de fusão, alta dureza e excelente resistência ao desgaste, resistência à corrosão e estabilidade em altas temperaturas. No entanto, o processo de aplicação de revestimentos cerâmicos é complexo e caro, e os revestimentos são propensos a fissuras na superfície e têm resistência à fadiga térmica inferior em comparação com revestimentos metálicos. Além disso, os revestimentos cerâmicos têm baixa tenacidade e não são adequados para aplicações que envolvem cargas de impacto significativas. Os revestimentos cerâmicos comumente utilizados incluem Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 e TiB2, tipicamente preparados usando técnicas de spray de plasma, spray de chama, HVOF e spray de detonação.

Ren Jingri et al. estudaram as características de atrito deslizante e desgaste de revestimentos de pó cerâmico Al2O3-40%TiO2 e Cr2O3 aplicados por plasma. Eles descobriram que os revestimentos de Cr2O3 exibem maior resistência ao desgaste do que os revestimentos de Al2O3-40%TiO2. O mecanismo de desgaste dos revestimentos de Cr2O3 é principalmente desgaste abrasivo, com características de fratura frágil sob cargas mais altas. Em contraste, o mecanismo de desgaste dos revestimentos de Al2O3-40%TiO2 é principalmente deformação plástica e delaminação. Chen Chuanzhong et al. estudaram revestimentos cerâmicos compósitos Al2O3-TiO2-NiCrAlY, observando que a fusão de TiO2 e Al2O3 forma um certo grau de solubilidade mútua, reduzindo a porosidade do revestimento e aumentando ainda mais sua resistência, tenacidade e resistência ao desgaste.

Outros estudos investigaram as características de atrito deslizante e desgaste de revestimentos metálicos e cerâmicos multicamadas aplicados por plasma. A sequência de aplicação envolve primeiro a aplicação de um revestimento de ligação de NiCr no substrato, seguido por camadas de transição com proporções variadas de NiCr-Cr2O3, e finalmente uma camada de superfície de 100% Cr2O3. Foi constatado que uma proporção adequada de metal para cerâmica na camada de transição pode melhorar a resistência ao desgaste do revestimento. Os principais mecanismos de desgaste incluem fratura frágil, desgaste abrasivo, adesão e desgaste oxidativo.

3. Estado Atual da Pesquisa sobre Revestimentos Metálico-Cerâmicos

Os metais e cerâmicas têm vantagens únicas e fraquezas de desempenho distintas. Combinar as propriedades vantajosas de ambos os materiais tem sido uma direção de pesquisa de longa data em ciência e engenharia de materiais. A tecnologia de revestimento compósito metal-cerâmico, que envolve a distribuição uniforme de partículas cerâmicas de forma e tamanho apropriados dentro de uma matriz plástica, combina com sucesso a resistência e tenacidade dos metais com a resistência a altas temperaturas, resistência ao desgaste e resistência à corrosão das cerâmicas. Isso amplia significativamente a faixa de aplicação de materiais metálicos e cerâmicos, com aplicações bem-sucedidas nas indústrias aeroespacial, química, mecânica e de energia. Os revestimentos metal-cerâmicos mais amplamente utilizados na indústria são Cr3C2-NiCr e WC-Co, tipicamente preparados usando técnicas de spray HVOF, plasma e detonação.

Revestimentos metalocerâmicos Cr3C2-NiCr consistem em uma fase dura de carbeto de cromo refratário e uma fase de liga de níquel-cromo dúctil. Eles exibem alta dureza em altas temperaturas, excelente resistência ao desgaste em altas temperaturas, resistência à corrosão, resistência à oxidação e alta resistência de ligação. Esses revestimentos são amplamente utilizados em componentes que operam sob condições de desgaste abrasivo em altas temperaturas (530–900°C), desgaste corrosivo e desgaste erosivo, como rolos de forno em linhas de recozimento contínuo, rolos de núcleo em linhas de produção contínua de usinas de aço e anéis e camisas de pistão de cilindro. Revestimentos metalocerâmicos à base de TiB2, com seu alto ponto de fusão, alta dureza, boas propriedades elétricas e magnéticas e alta resistência à corrosão, são uma alternativa potencial ao Cr3C2 para aplicações de alta temperatura e resistência ao desgaste. Eles oferecem maior resistência ao desgaste do que Al2O3, Cr3C2-NiCr e WC-Co.

Os revestimentos de metal-cerâmica à base de WC são comumente utilizados em condições de desgaste abrasivo e erosivo abaixo de 450°C. Xu Xiangyang et al. estudaram o mecanismo de desgaste por fretting de revestimentos de WC/18Co sprayados por plasma. Os resultados mostraram que a fase inicial do desgaste por fretting é dominada pelo desgaste adesivo, com a alta dureza do revestimento e fortes propriedades anti-adesão resultando em desgaste mínimo. Na fase estável, a delaminação por fadiga e o descascamento por fratura quebradiça tornam-se os principais mecanismos de desgaste, com a fragilidade do revestimento e a baixa resistência de ligação entre partículas levando a um aumento do desgaste. Inclusões de óxido dentro do revestimento são a principal causa da resistência insuficiente ao desgaste por fretting.

4. Estado Atual da Pesquisa sobre Revestimentos Amorfos

Materiais amorfos são caracterizados por desordem de longo alcance e ordem de curto alcance. Eles frequentemente exibem propriedades físicas e químicas superiores em comparação com seus equivalentes cristalinos, incluindo alta resistência, tenacidade, dureza, resistência à corrosão e propriedades magnéticas suaves, tornando-os uma nova classe promissora de materiais metálicos. Revestimentos de ligas amorfas por spray térmico surgiram recentemente como uma nova área de pesquisa em ciência dos materiais. Técnicas de spray térmico, como um dos métodos para preparar revestimentos amorfos de grande área, começaram a atrair atenção generalizada. Métodos comuns incluem spray de plasma, HVOF e spray de detonação.

Xiang Xinghua et al. usaram spray de plasma para preparar revestimentos de liga amorfa à base de Fe (contendo Si, B, Cr, Ni, etc.). Os revestimentos exibiram microestrutura uniforme, alta densidade, baixa porosidade, conteúdo mínimo de óxido e alta dureza, com microdureza variando de 530 a 790 HV0.1. Os revestimentos também mostraram boa adesão ao substrato.

Outros estudos investigaram a microestrutura e a resistência ao desgaste de revestimentos de liga Fe-Cr-B sprayados por detonação. Os resultados indicaram que os revestimentos têm excelente resistência ao desgaste e à corrosão. Durante o desgaste por deslizamento, um filme superficial amorfo gerado dinamicamente melhorou significativamente a resistência ao desgaste e reduziu o coeficiente de atrito.

Em resumo, o uso de HVOF, spray de plasma, spray de arco e spray de detonação para aplicar revestimentos metálicos, cerâmicos, metal-cerâmicos e amorfos resistentes ao desgaste pode efetivamente aumentar a resistência ao desgaste dos materiais de substrato.