https://hdl.handle.net/1884/39836 Sun, 26 Apr 2026 03:05:09 GMT 2026-04-26T03:05:09Z 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 https://hdl.handle.net/1884/97737 Análise da estampabilidade de aços avançados de elevada resistência através de caracterização microestrutural por difração de elétrons retroespalhados e nanoindentação Resumo: Nas últimas décadas a indústria automotiva tem como desafios a melhoria da eficiência energética, a redução da emissão de poluentes, o aumento da segurança dos ocupantes e a redução dos custos de produção. Com o intuito de resolver estes desafios, se faz necessário reduzir o peso das carrocerias dos veículos. Desta maneira, a indústria siderúrgica tem desenvolvido ligas metálicas mais eficientes. Na busca de aliar redução de peso veicular com melhoria da performance às deformações em caso de impacto, uma nova família de aços avançados de elevada resistência se faz presente, os AHSS (Advanced High Strenght Steels). Entretanto, esta família de aços tem conformabilidade inferior e maior retorno elástico em comparação aos aços convencionais. As propriedades mecânicas dos AHSS sofrem algumas alterações como o aumento da resistência mecânica e consequentemente a redução do alongamento total, por isso tem impacto em sua estampabilidade. No entanto, o emprego de microestruturas adequadas permite minimizar a perda de ductilidade sob maiores níveis de resistência mecânica. Um dos principais fatores que determinam a forma final de um produto estampado é o efeito do retorno elástico. Se este não for controlado de forma adequada, afetará diretamente na precisão do produto e na sua qualidade. Além do retorno elástico, existe um outro fenômeno que ocorre em determinadas regiões no sistema chapa – punção – matriz, que é conhecido como efeito Bauschinger. Tal efeito se faz presente através da redução da tensão de escoamento à tração quando o material é descarregado e recarregado à compressão no regime plástico e aplicada uma tração na mesma direção. Com estes processos de dobra, desdobra e redobra do material, o aparecimento do efeito Bauschinger, além do encruamento é esperado e não pode ser desprezado. Este trabalho tem como proposta, estudar a estampabilidade em chapas de aço DP600 conformadas à frio, na região do raio da matriz, utilizando o ensaio Nakazima modificado, seguida da medição de nanodureza e caracterização do material, por difração de elétrons retroespalhados (EBSD). As avaliações de dureza foram consistentes na região do raio da matriz e evidenciaram influências do encruamento e de tal fenômeno; Abstract: In recent decades, the automotive industry has faced the challenges of improving energy efficiency, reducing pollutant emissions, increasing occupant safety and reducing production costs. In order to solve these challenges, it is necessary to reduce the weight of vehicle bodies. In this way, the steel industry has developed more efficient metal alloys. In order to combine vehicle mass reduction with improved performance to deformations in case of impact, a new family of advanced steels is present, the AHSS (Advanced High Strength Steels). However, this family of steels has lower formability and greater springback compared to conventional steels. The mechanical properties of AHSS suffers some changes, such as the increase in mechanical strength and, consequently, the reduction of total elongation, impacting its stampability. However, the use of suitable microstructures allows minimizing the loss of ductility under higher levels of mechanical strength. One of the main factors that determine the final shape of a formed product is the springback effect. If it is not properly controlled, it will directly affect the accuracy of the product and its quality. In addition to springback, there is another phenomenon that occurs in certain regions of the sheet-punch-die system, which is known as the Bauschinger effect. This effect is present through the reduction of the yield tensile stress when the material is unloaded and reloaded to compression in the plastic region and a tension is applied in the same direction. With these processes of bending, unbending and rebending on the material, the appearance of the Bauschinger effect in sheets is expected and cannot be neglected. This work aims to study the stampability cold-formed DP600 steel sheets, in the region of the matrix shoulder, through the modified Nakazima test, followed by nanohardness evaluation and characterization of the material, through the electron backscattering diffraction (EBSD). The hardness evaluations were consistent in matrix radius and demonstrated the hardening influence and such phenomenon Orientador: Prof. Dr. Paulo Victor Prestes Marcondes; Coorientador: Prof. Dr. Ravilson Antônio Chemin Filho; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 17/12/2024; Inclui referências; Área de concentração: Engenharia de Materiais e Fabricação Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/97737 2024-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/49421 A numerical-experimental study of Taylor-Couette flows of fabric-water solutions Resumo: Escoamentos periódicos de fluidos newtonianos e não-newtonianos estão presentes em um grande número de aplicações, particularmente em lavadoras domésticas de eixo vertical. O processo de lavação depende do transporte de massa e quantidade de movimento do agitador para o fluido. Nesses casos, o escoamento segue o padrão de Taylor-Couette, cuja característica é um escoamento confinado entre dois cilindros rotativos. O presente trabalho está focado na simulação numérica de escoamentos periódicos e em regime permanente de fluidos newtonianos e não-newtonianos (fluidos de Herschel-Bulkley) com base nas equações tridimensionais de conservação de massa e de quantidade de movimento. Uma geometria simplificada é utilizada como domínio físico para as análises numéricas. Além disso, o perfil de rotação (deslocamento angular e velocidade) foi imposto externamente ao modelo como condições de contorno, já que o padrão de escoamento é dependente deste parâmetro, bem como das propriedades reológicas do fluido. As simulações foram baseadas no Método dos Volume Finitos, utilizando o algoritmo PRIME para o acoplamento de pressão-velocidade e a técnica BiCGSTAB, que usa o algoritmo de Thomas como pré-condicionador, para a solução numérica das equações. Além disso, testes experimentais foram realizados para a obtenção das propriedades reológicas das misturas de água e tecidos. Esses experimentos recaem no problema inverso de Couette, onde as curvas de taxa de deformação e tensão de cisalhamento são obtidas a partir dos resultados de torque e velocidade angular. Os resultados numéricos foram verificados contra os resultados experimentais e também contra resultados obtidos na literatura aberta apresentando uma concordância satisfatória para as velocidades e torques tanto para os fluidos newtonianos como para os não-newtonianos.; Abstract: Periodic flows of Newtonian and non-Newtonian fluids are present in a wide range of applications, particularly in household vertical axis washing machines. The washing process relies on the mass and momentum transport from the agitator to the fluid stream. In such cases, the flow follows a pattern that recalls the Taylor-Couette one, whose main feature is the confinement between two rotating cylinders. The present study concerns the numerical simulation of steady-state and periodic flows of Newtonian and non-Newtonian (Herschel- Bulkley) fluids based on the three-dimensional conservation equations of mass and momentum. A simplified Taylor-Couette geometry is used as the physical domain for the numerical analyses. In addition, the agitation profile (angular swept and speed) was imposed externally as boundary condition as the flow patterns rely on it, and also on the rheological properties of the fluid. Simulations were carried out by means of a homemade finite-volume-based code (which used the PRIME method for the sake of velocity-pressure coupling, and the BiCGSTAB solver together with the Thomas algorithm as a preconditioner, for solving the linear set of equations). Furthermore, experimental tests were carried out in a purpose-built facility in order to gather the rheological properties of the fabric-water suspensions. The experiments rely on the Couette inverse problem, in which the shear curves are obtained from the torque and velocity data. The simulation model was verified against experimental and numerical data obtained in-house or elsewhere indicating a satisfactory agreement between numerical and experimental torques and velocities. Orientador: Prof. Dr. Eng. Christian Johann Losso Hermes; Coorientador: Prof. Dr. Waldyr de Lima e Silva Junior; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 09/06/2017; Inclui referências : f. 225-234 Sun, 01 Jan 2017 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/49421 2017-01-01T00:00:00Z 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; 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