Estudo da influência da pré-deposição de grafite e grafeno no processamento por PTA-DED da liga stellite 6

Abstract

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