https://hdl.handle.net/1884/39835 Thu, 02 Jul 2026 09:04:52 GMT 2026-07-02T09:04:52Z https://hdl.handle.net/1884/105779 Arquitetura de aprendizado profundo para o diagnóstico antecipado de defeitos em máquinas rotativas com implementação em tempo real Resumo: Máquinas rotativas desempenham um papel essencial em diversos setores industriais, especialmente na indústria de petróleo e gás, onde falhas em componentes como bombas, motores e turbinas podem gerar perdas operacionais significativas. Nesse contexto, a manutenção preditiva baseada em aprendizado de máquina possibilita antecipar falhas e quantificar a severidade dos defeitos. Este trabalho propõe um sistema de monitoramento preditivo para o diagnóstico de desbalanceamento, desalinhamento e defeitos combinados em máquinas rotativas, com foco na modelagem da evolução temporal e na estimativa da intensidade dos defeitos. A metodologia inicia-se com a aquisição de sinais de vibração brutos em uma bancada experimental instrumentada com acelerômetros triaxiais, operando em diferentes regimes de rotação. Os dados experimentais são posteriormente expandidos por meio de um processo de geração de dados sintéticos baseado em interpolação linear e janelamento trapezoidal, permitindo simular a transição progressiva entre estados normais e de defeito, preservando as características físicas dos sinais e ampliando a variabilidade do conjunto de dados.A arquitetura proposta integra duas abordagens complementares. Inicialmente, redes neurais recorrentes (RNN), especificamente modelos LSTM e GRU, são utilizadas para capturar dependências temporais e prever o comportamento futuro do sinal a partir de janelas deslizantes de 250 amostras, com horizonte de previsão de 10%. Em seguida, uma rede neural convolucional (CNN) é empregada para estimar a intensidade dos defeitos diretamente a partir dos sinais de vibração, eliminando a necessidade de extração manual de características. Os valores alvo são definidos com base na intensidade máxima observada em cada janela temporal, permitindo associar padrões do sinal à magnitude física dos defeitos. Os resultados experimentais demonstram que a abordagem baseada em CNN supera modelos clássicos de aprendizado de máquina em regimes de rotação não observados durante o treinamento, alcançando erro absoluto médio (MAE) de 0,09 mm para desalinhamento e 2,39 g para desbalanceamento. Adicionalmente, a estratégia de preenchimento com zeros contribui para a consistência da estimativa de severidade. Embora as RNNs sejam eficazes na modelagem da dinâmica temporal, seu custo computacional limita a aplicação em tempo real. Para viabilizar a aplicação industrial, os modelos foram implementados em um Raspberry Pi 3 utilizando TensorFlow Lite. A CNN apresentou latência de 16,76 ms, atendendo aos requisitos de tempo real, enquanto as RNNs apresentaram latência superior a 185 ms, tornando se inviáveis nesse contexto. O sistema proposto permite antecipar o diagnóstico de falhas em até 66% do horizonte temporal, utilizando apenas 80% do sinal disponível. Os resultados evidenciam a viabilidade da integração entre geração de dados sintéticos, modelagem temporal e arquiteturas convolucionais para aplicações em manutenção preditiva, especialmente em cenários com restrições computacionais; Abstract: Rotating machinery plays a critical role across multiple industrial sectors, particularly in the oil and gas industry, where failures in components such as pumps, motors, and turbines can lead to significant operational losses. In this context, predictive maintenance based on machine learning enables the anticipation of faults and the quantification of defect severity. This work proposes a predictive monitoring system for the diagnosis of unbalance, misalignment, and combined faults in rotating machines, with a focus on modeling temporal evolution and estimating fault intensity. The methodology begins with the acquisition of raw vibration signals from a laboratory test bench instrumented with triaxial accelerometers operating under different rotational speeds. The experimental data are subsequently expanded through a synthetic data generation process based on linear interpolation and trapezoidal windowing, enabling the simulation of progressive transitions between normal and faulty states while preserving the physical characteristics of the signals and increasing dataset variability. The proposed architecture integrates two complementary approaches. First, recurrent neural networks (RNNs), specifically LSTM and GRU models, are employed to capture temporal dependencies and predict future signal behavior using sliding windows of 250 samples with a prediction horizon of 10%. Next, a convolutional neural network (CNN) is used to estimate fault intensity directly from vibration signals, eliminating the need for manual feature extraction. Target values are defined based on the maximum intensity observed within each temporal window, allowing the model to associate signal patterns with the physical magnitude of the defects.Experimental results demonstrate that the CNN-based approach outperforms classical machine learning models in rotational regimes not observed during training, achieving a mean absolute error (MAE) of 0.09 mm for misalignment and 2.39 g for unbalance. Additionally, the zero padding strategy improves the consistency of severity estimation. While RNNs are effective in capturing temporal dynamics, their computational cost limits real-time applicability. To enable industrial deployment, the models were implemented on a Raspberry Pi 3 using TensorFlow Lite. The CNN achieved a latency of 16.76 ms, meeting real-time requirements, whereas RNN models exceeded 185 ms, making them unsuitable for embedded applications. The proposed system enables fault anticipation up to 66% of the temporal horizon using only 80% of the available signal. The results highlight the feasibility of integrating synthetic data generation, temporal modeling, and convolutional architectures for predictive maintenance applications, particularly in scenarios with limited computational resources Orientadora: Profa. Dra. Giuliana Sardi Venter; Coorientador: Prof. Dr. Eduardo Márcio De Oliveira Lopes; Banca: Giuliana Sardi Venter (Presidente da Banca), Rodrigo Nicoletti e Viviana Cocco Mariani; Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 29/01/2026; Inclui referências Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/105779 2026-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/96350 Aplicação do modelo ohmico no controle do transporte de massa e carga em sonda eletroquímica aplicada na detecção de fases deletérias em aços duplex Resumo: Os aços inoxidáveis duplex são amplamente utilizados na indústria por suas excelentes propriedades mecânicas, como resistência à fadiga, dureza e elevada resistência à corrosão (uniforme e localizada). Contudo, reações de separação de fases durante processamentos termomecânicos podem gerar fases intermetálicas de elementos estabilizadores da ferrita, compromete a resistência à corrosão e a tenacidade do material. Eletroquimicamente, a fase sigma apresenta potencial distinto da matriz metálica, favorecendo micro células galvânicas e acelerando corrosão localizada, especialmente intergranular e por pites nas interfaces sigma-matriz. A voltametria de varredura linear (VVL) destaca-se como técnica sensível para identificar pequenas concentrações de fase sigma. Embora usualmente considerada destrutiva, pode ser classificada como ensaio não destrutivo quando realizada sob parâmetros experimentais otimizados, como amplitude de potencial e tempo de análise controlados, evitando alterações significativas no material. Este estudo desenvolveu uma célula eletroquímica baseada no modelo ôhmico de formação de óxidos, explorando a alta concentração de cromo da fase sigma. A sonda eletroquímica foi projetada com conceitos de microeletrodos, um novo eletrodo de referência e uma solução seletiva com aditivos para aumento da viscosidade, assegurando o controle do transporte de massa e carga. Foram produzidas amostras do aço inoxidável duplex UNS S31803 com diferentes teores de fase sigma. Os resultados mostraram que soluções mais viscosas proporcionaram melhor controle na formação dos óxidos, permitindo velocidades de varredura mais altas e maior sensibilidade da técnica. Houve correlação direta entre os parâmetros de corrente de pico (Ip) e carga de pico (qp) com a raiz quadrada da velocidade de varredura (v¹/²) em relação à fase sigma. O modelo proposto possibilitou a detecção de até 0,4% de fase sigma, demonstrando que a abordagem fundamentada no modelo ôhmico consolida a voltametria de varredura linear como um ensaio não destrutivo eficaz e confiável para aplicações industriais.; Abstract: Duplex stainless steels are widely used in industry for their excellent mechanical properties, such as fatigue resistance, hardness, and high corrosion resistance (uniform and localized). However, phase separation reactions during thermomechanical processing can generate deleterious intermetallic phases, such as the sigma phase (??), which, due to its hardness, brittleness, and high concentration of ferrite stabilizing elements, compromises the resistance to corrosion and the toughness of the material. Electrochemically, the sigma phase has a potential distinct from the metallic matrix, favoring galvanic microcells and accelerating localized corrosion, especially intergranular and pitting at sigma-matrix interfaces. Linear scanning voltammetry (LSV) is a sensitive technique for identifying small sigma phase concentrations. Although usually considered destructive, it can be classified as nondestructive testing when performed under optimized experimental parameters, such as potential amplitude and controlled analysis time, avoiding significant changes in the material. This study developed an electrochemical cell based on the ohmic model of oxide formation, exploiting the high concentration of chromium in the sigma phase. The electrochemical probe was designed with microelectrode concepts, a new reference electrode, and a selective solution with additives to increase viscosity, ensuring control of mass and charge transport. The duplex stainless steel UNS S31803 samples with different sigma phase contents were produced. The results showed that more viscous solutions provided better control in the formation of oxides, allowing higher scanning speeds and greater sensitivity of the technique. There was a direct correlation between the parameters of peak current (Ip) and peak load (qp) with the square root of the scan speed (v¹/²) concerning the sigma phase. The proposed model enabled the detection of up to 0.4% of the sigma phase, demonstrating that the approach based on the ohmic model consolidates linear scanning voltammetry as an effective and reliable nondestructive test for industrial applications. Orientador: Prof. Dr. Haroldo de Araújo Ponte; Banca: Haroldo de Araújo Ponte (Presidente da Banca), Jeferson Aparecido Moreto, César Augusto Dartora, Ana Carolina Tedeschi Gomes Abrantes; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 13/02/2025; Inclui referências; Área de concentração: Engenharia de Superfícies e Materiais Estratégicos Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/96350 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98330 Estudo da influência da pré-deposição de grafite e grafeno no processamento por PTA-DED da liga stellite 6 Resumo: Revestimentos protetores contribuem para uma vida útil mais longa e aprimorada do equipamento, motivando a busca por novos materiais e técnicas de processamento eficientes. Uma função a qual pode ser atribuída aos revestimentos é a utilização de materiais não apenas resistentes ao desgaste, mas também com propriedades autolubrificantes, de modo a aumentar a vida ao desgaste e reduzir as perdas energéticas com o atrito. Compostos à base de carbono são materiais amplamente estudados por suas propriedades únicas devido a uma variedade de arranjos atômicos, dentre as quais está a característica de autolubrificação. De modo a viabilizar a utilização de materiais com propriedades distintas, aproveitando suas melhores características, é necessário efetuar a construção de compósitos e, este trabalho, tem por objetivo processar compósitos de matriz metálica utilizando uma liga resistente ao desgaste como matriz e um material com propriedades autolubrificantes como reforço. A fabricação destes compósitos apresenta diversos desafios, desde as questões metalúrgicas como a ligação entre a matriz e o reforço, até questões de processamento, como a viabilidade da utilização da técnica de processamento e a distribuição homogênea dos reforços na matriz. Neste trabalho, buscou-se avaliar o impacto da adição de compostos de carbono (grafeno e grafite) pré-depositados sobre o substrato no processamento de revestimentos de uma liga a base de cobalto, comercialmente conhecida como Stellite 6, pelo processo de Plasma Por Arco Transferido (PTA-DED). Pós de grafite e grafeno foram aplicados manualmente com uma trincha de pintura da superfície sobre o substrato e entre camadas, durante o processamento de revestimentos monocamadas e multicamadas, respectivamente. Para avaliar o impacto nas características mecânicas dos revestimentos, foram executados ensaios de microdureza Vickers, nanodureza e ensaio tribológico de pino sobre o disco. Para a caracterização dos revestimentos processados e ensaiados no teste tribológico, foram utilizadas as técnicas de microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS), difração de elétrons retroespalhados (EBSD), difração de raios-X (DRX), espectroscopia Raman, microscopia digital e microanálise de sonda eletrônica (EPMA). Os principais resultados mostraram que: 1 - pós pré-depositados aumentam a diluição dos revestimentos monocamadas; 2 – os filmes de grafite aumentaram a dureza dos revestimentos, tanto monocamadas quanto multicamadas; 3 – os filmes de grafeno alteraram a dureza dos revestimentos monocamadas e multicamadas; 4 – a taxa de desgaste e coeficiente de atrito dos revestimentos processados com e sem os filmes de carbono foi similar; 5 – Não foi identificado a presença de grafite ou grafeno livre na pista de desgaste. A discussão dos permitiu concluir que : A – Existem diferenças na transferência de calor na interface do revestimento com o substrato durante o processamento, as quais foram correlacionadas com: I - a pré-deposição dos compostos de carbono aumenta a condutividade térmica da interface do substrato com o arco plasma; II – a ocorrência de uma reação exotérmica de oxidação dos componentes de carbono, consumindo os materiais depositados; III - A alteração da condutividade térmica do arco plasma pela presença de CO2; B – pode ocorrer endurecimento por solução sólida da liga pela adição de compostos de carbono; C – pode ocorrer endurecimento devido a formação de maior quantidade de carbetos; Abstract: Protective coatings are crucial for extending and improving equipment lifespan, which drives the continuous search for novel materials and efficient processing techniques. One vital function attributed to these coatings is the incorporation of materials that are not only wear-resistant but also possess self-lubricating properties. This dual functionality aims to enhance wear life and minimize energy losses due to friction. Carbon-based compounds are extensively investigated for their unique properties, arising from diverse atomic arrangements, prominently featuring self-lubrication. To leverage the distinct properties of various materials and harness their optimal characteristics, the development of composites is essential. This study focuses on processing metal matrix composites, utilizing a wear-resistant alloy as the matrix and a self-lubricating material as reinforcement. The fabrication of such composites presents numerous challenges, ranging from metallurgical aspects, such as matrix-reinforcement bonding, to processing considerations, including the viability of the processing technique and the homogeneous distribution of reinforcements within the matrix. This research evaluates the impact of pre-deposited carbon compounds (graphene and graphite) on the substrate during the processing of cobalt-based alloy coatings, specifically Stellite 6, using the Plasma Transferred Arc-Directed Energy Deposition (PTA-DED) process. Graphite and graphene powders were manually applied with a paint brush onto the substrate surface and between layers for single-layer and multi-layer coatings, respectively. To assess the impact on the mechanical characteristics of the coatings, Vickers microhardness, nanohardness, and pin-on-disk tribological tests were conducted. The characterization of the processed coatings and those subjected to tribological testing involved a comprehensive suite of techniques: optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), electron backscatter diffraction (EBSD), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, digital microscopy, and electron probe microanalysis (EPMA). The main results indicated the following: 1 - Pre-deposited powders increased the dilution of single-layer coatings. 2 - Graphite films enhanced the hardness of both single-layer and multi-layer coatings. 3 - Graphene films altered the hardness of both single-layer and multi-layer coatings. 4 - The wear rate and friction coefficient of coatings processed with and without carbon films were similar. 5 - No free graphite or graphene was identified in the wear track. The discussion of these findings led to the following conclusions: A. Differences exist in heat transfer at the coating-substrate interface during processing, which were correlated with: I. The pre-deposition of carbon compounds increasing the thermal conductivity of the substrate-plasma arc interface. II. The occurrence of an exothermic oxidation reaction of carbon components, consuming the deposited materials. III. The alteration of the plasma arc's thermal conductivity due to the presence of CO2. B. Solid solution strengthening of the alloy may occur due to the addition of carbon compounds. C. Hardening may occur due to the formation of a greater quantity of carbides Orientadora: Profª. Drª. Ana Sofia Clímaco Monteiro D’Oliveira; Banca: Ana Sofia Clímaco Monteiro D’Oliveira (Presidente da Banca), Osvaldo Mitsuyuki Cintho e Leandro Joao da Silva; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 10/07/2025; Inclui referências Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/98330 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98457 Revestimentos compósitos reforçados com NbC : estratégias de deposição a laser e seu impacto na incidência de defeitos e propriedades finais Resumo: As ligas de níquel, como a Hastelloy® C276, são amplamente usadas em componentes que operam em condições extremas, como altas temperaturas e pressões e ambientes corrosivos, especialmente em unidades off-shore para exploração no pré-sal. A Hastelloy® C276 é conhecida por sua a ta resist ncia corros o, decorrente do e evado teor de cromo e mo ibd nio. o entanto, esfor os t m sido feitos para me horar sua resist ncia ao desgaste, inc uindo o uso de part cu as de refor o como o carboneto de i bio bC , com potencia interesse em ap ica es como v vulas-gaveta de oleodutos. O processo de Laser Cladding, ou deposição a laser, apresenta vantagens sobre as técnicas convencionais de soldagem, como a baixa diluição do substrato que permite a preservação da composição química original da liga. Contudo, a adição de NbC a revestimentos formando compósitos pode elevar a diluição, reduzindo a dureza e a resistência ao desgaste. A presente investigação tem como objetivo avaliar o efeito da potência do laser e da refusão de revestimentos, sobre o percentual de porosidade, diluição, microestrutura, resistência ao risco e ao desgaste de revestimentos compósitos reforçados com 25 e 50% de NbC. Os resultados das macrografias revelaram que a altura dos cordões diminui e a largura aumenta com o aumento da potência do laser, mantendo-se fatores que se mantiveram estáveis após a refusão dos revestimentos. O aumento da potência de laser promove a elevação da diluição, enquanto a refusão apresenta o mesmo efeito para a potência de 3,0 kW e não parece influenciar a diluição para 1,5 kW. A microestrutura dos revestimentos é composta por partículas não fundidas de NbC, carbonetos primários com morfologia tipo petaloide (NbC), carbonetos interdendríticos (Cr7C3, Mo2C, contendo ferro na composição), em uma matriz dendrítica de solução sólida em níquel. As fases presentes foram identificadas e confirmadas a partir da associação de diversas técnicas de caracterização, que envolveram análises de EDS, EBSD e difração de raios X. Tanto a adição de reforço (NbC) quanto o aumento da diluição promovem a elevação da fração de carbonetos e, como consequência, uma maior dureza dos revestimentos. Os microconstituintes, em especial o carboneto de nióbio (NbC), apresentam influência direta na resistência ao risco localizada. Os ensaios de desgaste por deslizamento linear recíproco nas condições com deposição direta evidenciaram que a adição de NbC contribui para a redução do coeficiente de atrito e da taxa de desgaste, em comparação à condição sem reforço. O comportamento resulta da adição de NbC à matriz metálica, com destaque às amostras depositadas na potência de laser de 3,0 kW. A refusão dos revestimentos mostrou que não são formadas novas fases nos compósitos, havendo alteração apenas na proporção de alguns constituintes, principalmente uma redução de partículas de NbC não fundidas e uma elevação na fração de carbonetos NbC tipo petaloide. A dureza e a resistência ao risco dos revestimentos refundidos se mantiveram bastante similares às condições depositadas de forma direta. Apesar disso, a refusão de cordões se mostrou efetiva na redução da porosidade dos revestimentos. As condições submetidas à refusão a laser apresentaram comportamento tribo gico vari ve . Para 1,5 kW, houve redu o no coeficiente de atrito e na taxa de desgaste, enquanto para 3,0 kW a refus o n o trouxe benefício sobre o desempenho em desgaste; Abstract: Nickel alloys, such as Hastelloy® C276, are widely used in components that operate in harsh conditions, including high temperatures and pressures and corrosive environments, especially in offshore units for pre-salt exploration. Hastelloy® C276 is known for its high corrosion resistance, resulting from the chromium and molybdenum content. However, efforts have been made to improve their wear resistance, including the use of reinforcing particles such as Niobium carbide (NbC), with potential interest in applications such as pipeline gate valves. The Laser Cladding process, or laser deposition, has advantages over conventional welding techniques, such as the low dilution of the substrate, which allows the original chemical composition of the alloy to be preserved. However, the addition of NbC to coatings forming composites can increase dilution, reducing hardness and wear resistance. The present investigation aims to evaluate the effect of laser power and coating remelting on the percentage of porosity, dilution, microstructure, scratch, and wear resistance of Hastelloy® C276 composite coatings reinforced with 25 and 50% NbC. The results of the macrographs revealed that the bead height decreased and the width increased with the increase in laser power, factors that remained stable after coatings remelting. Increasing the laser power promotes an increase in dilution, while the remelting has the same effect at a power of 3.0 kW and does not seem to influence the dilution at 1.5 kW. The microstructure of the coatings is comprised of unmelted NbC particles, primary carbides with petaloid-like morphology (NbC), interdendritic carbides (Cr7C3, Mo2C, containing iron in the composition), in a dendritic matrix of nickel solid solution. The phases present were identified and confirmed through the association of several characterization techniques, which involved EDS, EBSD, and X-ray diffraction analyses. The addition of NbC reinforcement and the increase in dilution promote an increase in the fraction of carbides and, as a consequence, higher hardness of the coatings. Microconstituents, especially niobium carbide (NbC), have a direct influence on localized scratch resistance. Reciprocal linear sliding wear tests under direct deposition conditions showed that the addition of NbC contributes to a reduction in the friction coefficient and wear rate compared to the non-reinforced condition. The behavior is the direct effect of the addition of NbC to the metallic matrix, with the most pronounced effect on samples deposited at 3.0kW laser power. The remelting of the coatings showed that no new phase is formed in the composites, with changes only in the proportion of some constituents, mainly a reduction in unmelted NbC particles and an increase in the fraction of petaloid-type NbC carbides. The hardness and scratch resistance of the remelted coatings remained similar to the directly deposited ones, although the coatings' remelting proved to be effective in reducing the porosity. The laser remelting showed a variable effect on the wear behavior. On the one hand, remelting promotes a reduction in the friction coefficient and wear rate at 1.5kW laser power, while at 3.0kW, it didn't show a benefit on the wear performance Orientador: Prof. Dr. Adriano Scheid; Banca: Adriano Scheid (Presidente da Banca), Alex Pizzatto, Carlos Eduardo Fortis Kwietniewski, Fabiano Oscar Drozda; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 10/03/2025; Inclui referências; Área de concentração: Manufatura Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/98457 2025-01-01T00:00:00Z