BR112020008185B1 - Peça mecânica, método para depositar pelo menos uma camada de proteção em uma peça mecânica e método para depositar pelo menos uma camada de material em uma peça - Google Patents

Abstract

A invenção se refere a uma peça feita de um material compósito possuindo uma matriz cerâmica e compreendendo um dispositivo de proteção, a proteção compreendendo uma camada de revestimento possuindo uma composição gradual. A peça mecânica (1) incluindo, pelo menos parcialmente, um material compósito de matriz cerâmica, o material compósito sendo pelo menos revestido localmente com pelo menos uma camada de proteção (2) contra a degradação ambiental, em que a camada de proteção (2) inclui uma camada de revestimento de composição gradual (3), a camada de composição gradual (3) incluindo pelo menos um material de fase MAX de silício e um material de fase MAX de alumínio, a camada de composição gradual (3) se estendendo dentro da camada de proteção (2) entre uma primeira altura (h3) em relação à peça mecânica (1) e uma segunda altura (h4) em relação à peça mecânica (3), a composição da camada de composição gradual (3) na primeira altura (h3) não possuindo alumínio, a composição da camada de composição gradual (3) na segunda altura (h4) não possuindo silício, uma altura intermediária (h) entre a primeira altura (h3) e a segunda altura (h4) possuindo uma composição incluindo alumínio e silício, a porção de silício e a porção de alumínio evoluindo gradualmente na camada de composição gradual (3) em (...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] Esta invenção se refere, de modo geral, aos tratamentos de superfície aplicados às peças mecânicas, particularmente quando elas precisam suportar condições de uso exigentes.

[002] O campo de aplicação da invenção é particularmente o de camadas de um material de proteção depositado em peças constituídas por materiais compósitos de matriz cerâmica utilizados em motores de aeronaves, e, mais particularmente, em câmaras de combustão, turbinas de alta pressão e componentes de exaustão do motor.

[003] A invenção é, no entanto, aplicável a qualquer tipo de peça, incluindo porções constituídas por um material compósito de matriz cerâmica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[004] Os compósitos de matriz cerâmica (CMCs) estão sendo cada vez mais amplamente utilizados na indústria aeronáutica, como resultado de suas excelentes propriedades estruturais, baixa densidade e excelente resistência à oxidação até a temperatura na região de 1000 °C.

[005] Para suportar a exposição prolongada a tais condições, por exemplo, na câmara de combustão de um motor de aeronave, as peças feitas de um material de matriz cerâmica são geralmente revestidas com uma camada de silício para proteger a peça contra a oxidação, com oxidação produzindo sílica (SiO2).

[006] Uma camada de SiO2 se forma na superfície da camada de silício, com a taxa de formação de SiO2 diminuindo à medida que a camada de SiO2 se torna mais espessa, formando assim uma barreira que diminui a oxidação e limita o consumo de silício Si presente na matriz do material compósito.

[007] No caso de uso em atmosfera de corrosão úmida, na presença de espécies compreendendo hidróxidos OH (g), a camada de sílica se volatiliza muito rapidamente a partir de uma temperatura de 1100 °C na forma de ácidos silícicos de fórmula geral SiOx(OH)4-2x, tais como ácido ortossilícico Si(OH)4 (g) ou ácido metassilícico SiO(OH)2 (g).

[008] Esse fenômeno leva a uma diminuição na taxa líquida de crescimento de sílica SiO2, cuja espessura tende a um valor limite e à recessão acelerada do silício presente na matriz do material compósito.

[009] Para responder a esse fenômeno, é conhecido no estado da técnica depositar uma camada de cerâmica projetada para atuar como um obstáculo à difusão de hidróxidos OH, que aceleram a degradação da peça que possui baixa condutividade térmica e que resiste à erosão causada por partículas sólidas.

[010] No entanto, essas soluções têm limites, particularmente no caso de descamação da camada de cerâmica da superfície, fissuras devido a ciclos térmicos de choque que geram gradientes de tensão entre materiais com coeficientes de expansão muito diferentes.

[011] Dessa forma, a camada de silício é novamente exposta a uma atmosfera de corrosão úmida, levando à degradação acelerada de sua estrutura e a uma redução na vida útil da peça.

[012] Também é conhecido no estado da técnica como fazer subcamadas incluindo alumínio nos sistemas de barreira térmica de câmaras de combustão ou componentes de turbinas de alta pressão usando superligas de níquel e/ ou cobalto.

[013] A oxidação dessas subcamadas produz uma camada de alumina que protege a peça contra oxidação adicional, especialmente em um meio corrosivo úmido devido à boa estabilidade química da alumina contra o vapor de água.

[014] Além disso, a alumina tem uma taxa de formação mais baixa que o silício, e isso possibilita aumentar a vida útil de proteção devido à menor necessidade da quantidade de material necessário para alimentar a reação.

[015] A alumina também possui a vantagem de boa compatibilidade físico-química com a barreira térmica cerâmica e possui um coeficiente de expansão térmica próximo ao da barreira térmica cerâmica.

[016] O uso dessas subcamadas de geração de alumina para a proteção de materiais ricos em Si, tais como compósitos com matrizes cerâmicas ou silicietos (nitreto de silício Si3N4, silicieto de molibdênio MoSix, silicieto de nióbio NbSi, ...) é, no entanto, contra-indicado devido à considerável diferença entre os coeficientes de expansão térmica dos vários substratos.

[017] Além disso, um fenômeno de interdifusão cruzada da peça compósita de matriz cerâmica rica em Si e da camada de geração de alumina rica em alumínio resulta na formação de fases indesejáveis com baixa ductilidade que enfraquece a interface entre a camada de proteção e a peça e que pode causar descamação da camada de proteção, tornando a peça vulnerável à corrosão.

[018] Assim, no estado da técnica atual, não há soluções eficazes para conectar materiais à base de silicieto, mecanicamente eficientes, mas não muito resistentes à oxidação em alta temperatura, e materiais formadores de alumina que são resistentes à oxidação, mas com propriedades mecânicas moderadas em alta temperatura. Esta invenção propõe remediar esta deficiência.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[019] Um objetivo da invenção é melhorar a resistência à corrosão em um ambiente úmido de peças feitas de materiais compósitos de matriz cerâmica.

[020] Outro objetivo é aumentar a vida útil das peças feitas de materiais compósitos de matriz cerâmica.

[021] Outro objetivo é garantir a coesão mecânica e química de um revestimento, incluindo principalmente um compósito de alumínio com uma peça que inclui principalmente um compósito de silício.

[022] A invenção permite alcançar as seguintes especificações: • Ter um revestimento que é estável a alta temperatura (<1100 °C); • Ter um revestimento com um coeficiente de expansão próximo ao de um substrato de carboneto de silício SiC/SiC e uma barreira térmica cerâmica; • Formar alumina no lado rico em alumínio; • Não interagir com o substrato de SiC/SiC no lado rico em silício; • Não formar fases intermetálicas fracas na zona de transição alumínio/ silício.

[023] A invenção propõe o uso de certos materiais da fase MAX cuja estrutura cristalina, propriedades termo-físicas e resistência à oxidação, são compatíveis com essas especificações. O termo “materiais de fase MAX” significa materiais de fórmula geral Mn+1AXn, em que n é um número inteiro entre 1 e 3, M é um metal de transição (escolhido dentre selênio, titânio, vanádio, cromo, zircônio, nióbio, molibdênio, háfnio e tântalo), A é um elemento do grupo A que é escolhido dentre alumínio, silício, fósforo, gálio, germânio, arsênico, cádmio, índio, estanho e chumbo, e X é um elemento escolhido dentre carbono e nitrogênio.

[024] Em uma primeira realização, a invenção propõe uma peça mecânica que inclui, pelo menos parcialmente, um material compósito de matriz cerâmica, o referido material compósito sendo pelo menos revestido localmente com pelo menos uma camada de proteção contra a degradação ambiental, a camada de proteção incluindo uma camada de revestimento de composição gradual, a referida camada de composição gradual incluindo pelo menos um material de fase MAX de silício e um material de fase MAX de alumínio, a camada de composição gradual se estendendo dentro da camada de proteção entre uma primeira altura em relação à peça mecânica e uma segunda altura em relação à peça mecânica, a composição da camada de composição gradual na primeira altura não possuindo alumínio, a composição da camada de composição gradual na segunda altura não possuindo silício, uma altura intermediária entre a primeira altura e a segunda altura possuindo uma composição incluindo alumínio e silício, a porção de silício e a porção de alumínio evoluindo gradualmente na camada de composição gradual em função da posição da altura intermediária, a porção de alumínio aumentando quando a altura intermediária se aproxima da segunda altura.

[025] Vantajosamente, esse dispositivo é completado pelas seguintes características diferentes, tomadas isoladamente ou em combinação: - A porção de alumínio e a porção de silício evoluem de maneira linear em função da altura intermediária na camada de composição gradual; - A soma das proporções molares de silício e alumínio é variável independentemente da posição da altura intermediária na camada de composição gradual; - A camada de composição gradual inclui materiais de fases MAX de Ti3AlC2 e Ti3SiC2;

[026] Pode incluir: - uma subcamada que inclui essencialmente silício cuja espessura pode estar entre 10 μm e 100 μm; - uma camada de composição gradual cuja espessura está entre 50 μm e 500 μm com substituição de Si por Al ao afastar-se da peça a uma taxa entre 0,1 e 0,4 em %/μm; - uma camada de geração cuja espessura está entre 10 e 300 μm, consistindo essencialmente em Ti2AlC, de modo que gera alumina na superfície quando é oxidada, para aumentar a resistência em um ambiente úmido; - uma camada de alumina; - uma barreira ambiental ou térmica feita de cerâmica com uma espessura entre 50 μm e 1000 μm, projetada para limitar a transferência entre o ambiente externo e a peça;

[027] Pode incluir: - uma subcamada composta essencialmente de silício cuja espessura pode estar entre 10 μm e 100 μm; - uma camada de composição gradual cuja espessura está entre 50 μm e 500 μm, com substituição de Si por Al ao afastar-se da peça a uma taxa entre 0,1 e 0,4 em %/μm; - uma camada de geração cuja espessura está entre 50 e 300 μm, consistindo essencialmente em Ti2AlC, de modo que gera alumina na superfície quando é oxidada, para aumentar a resistência em um ambiente úmido; - uma camada de alumina;

[028] Pode incluir: - uma camada de composição gradual cuja espessura está entre 50 μm e 500 μm, com substituição de Si por Al ao afastar-se da peça a uma taxa entre 0,1 e 0,4 em %/μm; - uma camada de geração cuja espessura está entre 50 e 300 μm, consistindo essencialmente em Ti3AlC2, projetada para gerar alumina na superfície quando é oxidada, para aumentar a resistência em um ambiente úmido; - uma camada de alumina (7).

[029] Em outra realização, a invenção também propõe um método para depositar pelo menos uma camada de proteção em uma peça mecânica, a camada de proteção incluindo pelo menos uma camada de composição gradual, o método incluindo as seguintes etapas: - Otimização de condições de preparação da superfície antes do depósito; - Realização da camada de composição gradual por pulverização térmica das espécies que compõem a referida camada de composição gradual; a camada de composição gradual incluindo pelo menos um material de fase MAX de silício e um material de fase MAX de alumínio, o material de fase MAX de silício e o material de fase MAX de alumínio representando uma determinada proporção da camada de composição gradual. A camada de composição gradual é produzida por injeção em um dispositivo de pulverização térmica de partículas do material de fase MAX de alumínio, por um lado, e partículas do material de fase MAX de silício, por outro lado, o material de fase MAX de alumínio substituindo gradualmente o material de fase MAX de silício em função da altura da camada alcançada.

[030] Vantajosamente, esse método é completado pelas seguintes características, tomadas isoladamente ou em combinação:

[031] - As partículas do material de fase MAX de alumínio e do material de fase MAX de silício são pós de Ti3AlC2 e Ti3SiC2 suspensos em um solvente em dois recipientes separados, as suspensões de Ti3AlC2 e Ti3SiC2 sendo então injetadas em proporção controlada em um plasma projetado para aquecer e pulverizar as partículas em suspensão do material de fase MAX sobre a peça, criando assim um depósito;

[032] - O solvente é um solvente não aquoso projetado para limitar a formação de óxidos a partir de partículas de Ti3AlC2 e Ti3SiC2, de modo a limitar a presença de óxidos na camada de composição gradual.

[033] De acordo com outra realização, a invenção também propõe um dispositivo de pulverização térmica por via líquida (chamado SPS para “Pulverização por plasma em suspensão” ou SPPS para “Pulverização por plasma com precursor em suspensão”) para a implementação de um método para depositar pelo menos uma camada de material em uma peça, o dispositivo incluindo: - um primeiro tanque contendo uma suspensão de partículas do material de fase MAX de alumínio em um solvente; - um segundo tanque contendo uma suspensão de partículas do material de fase MAX de silício em um solvente; - um primeiro e um segundo injetor de suspensão, o primeiro injetor de suspensão sendo anexado ao primeiro tanque por meio de um primeiro tubo, o segundo injetor de suspensão sendo ligado ao segundo tanque por meio de um segundo tubo, os injetores de suspensão, os injetores de suspensão sendo projetados para permitir que a taxa de injeção de partículas de alumínio e silício seja controlada. - uma tocha de plasma projetada para gerar plasma no qual são injetadas partículas do material de fase MAX de alumínio e do material de fase MAX de silício, o plasma aquecendo e pulverizando as partículas injetadas sobre a peça.

[034] Nesse dispositivo, as partículas da fase MAX de alumínio e da fase MAX de silício podem ser pós de Ti3AlC2 e Ti3SiC2.

[035] Por tocha de plasma entende-se qualquer dispositivo de pulverização térmica que permita acelerar e derreter partículas em suspensão. Como exemplo, podemos citar HVOF (“oxi-combustível de alta velocidade”, para pulverização por chama supersônica), pulverização por plasma soprado ou indutivo (APS para “Pulverização por plasma atmosférico” ou pulverização por plasma sob pressão atmosférica, IPS para “Pulverização por plasma em gás inerte” ou pulverização por plasma em atmosfera neutra (inerte), VPS para “Pulverização por plasma no vazio” ou pulverização por plasma sob vácuo parcial etc.).

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[036] Outras características, objetos e vantagens da invenção emergirão da seguinte descrição abaixo, que é fornecida apenas para fins ilustrativos e não é limitativa, e deve ser lida com referência às figuras anexas, nas quais: - A Figura 1a é uma representação esquemática de uma seção do dispositivo de proteção de acordo com a invenção, mostrando as diferentes camadas de acordo com uma primeira forma de realização; - A Figura 1b é um gráfico que representa a variação no teor de silício e alumínio das várias camadas de um dispositivo de proteção de acordo com uma primeira forma de realização da invenção em função da altura nessa camada; - A Figura 2a é uma representação esquemática de uma seção de um dispositivo de proteção de acordo com a invenção, mostrando as diferentes camadas de acordo com uma segunda forma de realização; - A Figura 2b é um gráfico que representa a variação no teor de silício e alumínio das várias camadas de um dispositivo de proteção de acordo com uma segunda forma de realização da invenção em função da altura nesta camada; - A Figura 3a é uma representação esquemática de uma seção de um dispositivo de proteção de acordo com a invenção, mostrando as diferentes camadas de acordo com uma terceira forma de realização; - A Figura 3b é um gráfico que representa a variação no teor de silício e alumínio das várias camadas de um dispositivo de proteção de acordo com uma terceira forma de realização da invenção em função da altura nessa camada; - A Figura 4 é uma representação esquemática de um dispositivo de produção por pulverização por plasma em suspensão (SPS) envolvendo dois tanques das suspensões de material de fase MAX conectados a dois injetores separados para permitir a adição de partículas em suspensão do material de fase MAX em um jato de plasma, a fim de aquecer e pulverizar o substrato para realizar o revestimento por adição do material de acordo com a invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[037] As formas de realização descritas abaixo referem-se a uma peça mecânica (1) compreendendo um substrato (5) feito de um material de matriz cerâmica composta, em que pelo menos uma seção é revestida com proteção (2) contra o desgaste causado por seu ambiente, sendo essa proteção (2) composta por camadas sucessivas em uma direção (Y), incluindo uma camada com uma composição gradual (3), as camadas sendo depositadas por um método para adição local do material. No entanto, isso é fornecido para fins ilustrativos e não limitativos. Deve-se notar que a altura é zero no lado do substrato (5), que é oposto à proteção.

[038] Nesta descrição, o termo “altura” significa a dimensão na direção (Y). A espessura das diferentes camadas é expressa de acordo com a direção (Y).

[039] A seguir, será observado que: - o substrato (5) se estende entre as alturas (h1) e (h2) (sabendo que (h1) é zero e (h2) é maior que (h1)); - a subcamada (4) se estende entre as alturas (h2) e (h3) (sabendo que (h3) é maior que (h2)); - a camada de composição gradual (3) se estende entre a altura (h3) e (h4) (sabendo que (h4) é maior que (h3)); - a camada de geração de alumina (5) se estende entre a altura (h4) e (h5) (sabendo que (h5) é maior que (h4)); e - a camada de alumina se estende entre a altura (h5) e (h6) (sabendo que (h6) é maior que (h5)).

[040] Essas alturas (h1)-(h6) são definidas mais precisamente na descrição a seguir.

[041] Com referência à Figura 1a, uma forma de realização da proteção (2) contra desgaste normal na superfície da peça (1) inclui várias camadas sobrepostas de acordo com um eixo normal (Y) na superfície da peça (1).

[042] A camada de proteção compreende sucessivamente, a partir do substrato (5), uma subcamada (4), uma camada de composição gradual (3), uma camada de geração de alumina (6) e uma camada de alumina (7).

[043] A subcamada (4) está localizada diretamente em contato com o substrato (5) compondo, pelo menos parcialmente, a peça (1) em um compósito de matriz cerâmica. A subcamada (4) tem uma espessura que pode estar entre 10 μm e 100 μm.

[044] O substrato (5), incluindo carboneto de silício, SiC, a subcamada (4) inclui essencialmente silício, de modo a garantir a continuidade entre a peça (1) e a proteção (2) e uma barreira de proteção contra a oxidação que garante a aderência e compatibilidade química e mecânica da proteção (2) e da peça (1).

[045] Por essencialmente, entende-se que o nível de silício na subcamada (4) é superior a 90%.

[046] A camada de composição gradual (3) inclui uma pluralidade de espécies químicas, em que a proporção de algumas das espécies presentes é uma função da altura observada na camada a partir do substrato (5).

[047] Aqui, a camada de composição gradual (3) inclui Ti3AlC2 e Ti3SiC2, em uma proporção diferente em função da altura em questão.

[048] A parte inferior da camada de composição gradual (3), em contato com a subcamada de silício (4), inclui apenas Ti3SiC2, de modo a garantir a continuidade mecânica e química do meio entre a subcamada (4) e a camada de composição gradual (3).

[049] A proporção de Ti3AlC2 na camada de composição gradual (3) aumenta em função da altura, substituindo o Ti3SiC2 cuja proporção diminui em função do aumento na proporção de Ti3AlC2.

[050] No nível da extremidade superior da camada de composição gradual (3), o Ti3AlC2 é totalmente substituído por Ti3SiC2.

[051] A variação na proporção de Ti3AlC2 na camada de composição gradual (3) pode ser linear ou pode ter outro perfil, por exemplo, uma curva polinomial ou exponencial, projetada para aprimorar o comportamento escolhido, tal como a continuidade do coeficiente de expansão térmica ou mesmo para aprimorar certos comportamentos em determinadas zonas da camada, como, por exemplo, a capacidade de preencher microfissuras que aparecem na proteção (2) durante o uso ou mesmo de fazer um acordo entre vários fatores especificados.

[052] A capacidade dessa camada de preencher microfissuras é particularmente útil para aumentar a vida útil da peça.

[053] A camada de composição gradual (3) tem uma espessura que pode variar de 50 μm a 500 μm.

[054] A camada de geração de alumina (6) cobre a camada de composição gradual (3).

[055] A camada de geração de alumina (6) inclui Ti2AlC e, portanto, possui um coeficiente de expansão térmica semelhante ao da extremidade superior da camada de composição gradual (3) e, portanto, garante a compatibilidade mecânica dessas duas camadas.

[056] A camada de geração de alumina (6) torna possível gerar oxidando a camada de proteção de alumina (7) em sua superfície externa, limitando assim a oxidação mais profunda e, também, tendo considerável estabilidade química ao vapor de água.

[057] A presença de Ti2AlC torna possível formar alumina até uma temperatura de 1300 °C.

[058] Esta camada de alumina (7) protege a camada que contém silício contra as reações com espécies de hidróxido OH, tendo a camada de geração (6) uma espessura entre 10 e 300 μm, constituindo um tanque de alumínio para alimentar a reação de produção de alumina.

[059] Uma barreira térmica (8) cobre a camada de alumina (7), de modo a minimizar a transferência térmica entre o ambiente circundante e a peça (1), criando um gradiente térmico entre o ambiente e a peça (1) e, assim, limitando o aquecimento das múltiplas camadas de proteção.

[060] A barreira térmica (8) consiste em uma camada de cerâmica com baixa condutividade térmica e tem uma espessura entre 50 μm e 1000 μm.

[061] A cerâmica é escolhida de modo que seu coeficiente de expansão seja próximo ao da camada de geração de alumina (6).

[062] No exemplo de uma forma de realização ilustrada na Figura 1b, o teor em alumínio e silício das diferentes camadas de proteção é representado como uma função da altura da camada em questão.

[063] Entre a altura (h1) e a altura (h2), correspondendo à camada de substrato (5) da peça (1), o nível de silício tem um primeiro valor constante (A), mas, no entanto, apresenta um grande aumento próximo à altura (h2). O nível de alumínio é zero nesta camada.

[064] Entre a altura (h2) e a altura (h3), correspondendo à subcamada (4), o nível de silício possui um segundo valor constante (B) maior que o primeiro valor (A). O nível de alumínio é zero nesta camada.

[065] Entre a altura (h3) e a altura (h4), correspondendo à camada de composição gradual (3), o nível de silício diminui a partir de um segundo valor (B) para um valor zero no nível da altura (h4).

[066] O nível de alumínio aumenta a partir de um valor de zero para um terceiro valor (C). No exemplo ilustrado, o terceiro valor (C) é equivalente ao segundo valor (B), mas também é possível que uma espécie adicional na camada de composição gradual (3) substitua esse terceiro valor (C) e coloque-o em um nível abaixo ou acima do segundo valor (B).

[067] Para uma altura intermediária (h) entre as alturas (h3) e (h4), alumínio e silício estão presentes na composição da camada.

[068] Em uma forma de realização, a soma das frações molares de alumínio e silício é constante, independentemente da altura intermediária (h) considerada na camada de composição gradual (3).

[069] Em outras formas de realização, a soma das frações molares de alumínio e silício também pode ser variável, dependendo da altura intermediária (h) considerada na camada de composição gradual (3).

[070] É possível ter uma espécie de excesso de material de fase MAX na camada de composição gradual (3).

[071] Entre a altura (h4) e a altura (h5), correspondendo à camada de geração de alumina (6), o nível de alumínio tem um quarto valor constante (D). Esse quarto valor (D) pode ser equivalente, menor ou maior que o terceiro valor (C).

[072] O nível de silício é zero nesta camada.

[073] Entre a altura (h5) e a altura (h6), correspondendo à camada de alumina (7), o nível de alumínio tem um quinto valor constante (E).

[074] O quinto valor (E) é maior que o quarto valor (D).

[075] O nível de silício é zero nesta camada.

[076] No exemplo da forma de realização ilustrada na Figura 2a, quando a peça (1) não é submetida a temperaturas superiores a 1200 °C durante a operação, não há necessidade de uma barreira térmica (8). A camada de alumina (7) é suficiente para proteger a peça (1) do efeito da reação com espécies de hidróxido OH.

[077] Um exemplo de proteção (2) inclui, de acordo com a primeira forma de realização, uma subcamada (4) revestida com uma camada de composição gradual (3), ela própria revestida com uma camada de geração de alumina (6), em que a alumina gerada forma uma camada de alumina (7) na camada de geração (6) e, desta forma, fornece proteção química contra espécies de hidróxido OH.

[078] A diferença reside no fato de que a camada de alumina (7) não é revestida com uma barreira térmica (8), pois as temperaturas às quais a peça é submetida não a exigem.

[079] A subcamada (4), com uma espessura de 10 a 100 μm, inclui essencialmente silício.

[080] Por essencialmente, entende-se que o nível de silício na subcamada é superior a 90%.

[081] A camada de composição gradual (3) com uma espessura de 50 a 500 μm, inclui Ti3AlC2 e Ti3SiC2, cujas proporções dependem da altura observada na camada.

[082] A camada de geração (6) inclui essencialmente Ti2AlC. Por essencialmente, entende-se que a fração em massa de Ti2AlC na camada de geração (6) é superior a 90%.

[083] A camada de geração (6), no entanto, tem uma espessura entre 50 μm e 300 μm, superior à do primeiro exemplo, de modo a fornecer um tanque químico substancial para manter a camada de proteção de alumina (7).

[084] No exemplo da forma de realização ilustrada na Figura 2b, a proteção (2) inclui um perfil do nível de alumínio e do nível de silício que é semelhante ao dado anteriormente. Pode-se notar aqui que os valores (h1)- (h6) podem diferir daqueles da Figura 1b.

[085] Entre a altura (h1) e a altura (h2), correspondendo à camada de substrato (5) da peça (1), o nível de silício tem um primeiro valor constante (A’), mas, no entanto, tem um grande aumento próximo à altura (h2). O nível de alumínio é zero nesta camada.

[086] Entre a altura (h2) e a altura (h3), correspondendo à subcamada (4), o nível de silício tem um segundo valor constante (B’) maior que o primeiro valor (A’). O nível de alumínio é zero nesta camada.

[087] Entre a altura (h3) e a altura (h4), correspondendo à camada de composição gradual (3), o nível de silício diminui a partir de um segundo valor (B’) para um valor de zero no nível da altura (h4).

[088] O nível de alumínio aumenta a partir de um valor de zero para um terceiro valor (C’). No exemplo ilustrado, o terceiro valor (C’) é equivalente ao segundo valor (B’), mas também é possível que uma espécie adicional na camada de composição gradual (3) substitua esse terceiro valor (C’) e coloque-o em um nível abaixo ou acima do segundo valor (B’).

[089] Para uma altura intermediária (h) entre as alturas (h3) e (h4), alumínio e silício estão presentes na composição da camada.

[090] Entre a altura (h4) e a altura (h5), correspondendo à camada de geração de alumina (6), o nível de alumínio tem um quarto valor constante (D’). Este quarto valor (D’) pode ser equivalente, menor ou maior que o terceiro valor (C’).

[091] O nível de silício é zero nesta camada.

[092] Entre a altura (h5) e a altura (h6), correspondendo à camada de alumina (7), o nível de alumínio tem um quinto valor constante (E’).

[093] O quinto valor (E’) é maior que o quarto valor (D’).

[094] O nível de silício é zero nesta camada.

[095] No exemplo da forma de realização ilustrada na Figura 3a, quando a peça (1) não é submetida a temperaturas superiores a 1100 °C, a tensão resultante da expansão térmica diferencial é menos substancial e não requer mais a presença da subcamada de silício (4).

[096] A camada de geração de Ti2AlC (6) também pode ser eliminada em favor de uma camada de Ti3AlC2 presente na camada de composição gradual (3), reduzindo assim o método para produzir a proteção (2).

[097] O substrato (5) na superfície da peça (1) é, portanto, diretamente coberto com a camada de composição gradual (3) com uma espessura de 50 μm a 500 μm, incluindo TÍ3AIC2 e TÍ3SÍC2 cujas proporções dependem da altura observada na camada.

[098] A camada de geração (6) incluindo Ti3AlC2 tem uma espessura entre 50 e 300 μm, constituindo um tanque químico substancial para manter a camada de proteção de alumina (7).

[099] No exemplo da forma de realização ilustrada na Figura 3b, a proteção (2) inclui um perfil do nível de alumínio e do nível de silício que é diferente daqueles dados anteriormente. Será observado aqui que os valores (h1)-(h6) podem diferir dos valores nas Figuras 1b e 2b. Além disso, a proteção (2) não inclui a subcamada (4): a altura (h2) e (h3) são, portanto, iguais.

[0100] Entre a altura (h1) e a altura (h3), correspondendo à camada de substrato (5) da peça (1), o nível de silício tem um primeiro valor constante (A”). O nível de alumínio é zero nesta camada.

[0101] Entre a altura (h3) e a altura (h4), correspondendo à camada de composição gradual (3), o nível de silício diminui a partir de um primeiro valor (A”) para um valor de zero no nível da quarta altura (h4).

[0102] O nível de alumínio aumenta a partir de um valor de zero para um segundo valor (C”). No exemplo ilustrado, o segundo valor (C”) é maior que o primeiro valor (A”), mas também é possível que uma espécie adicional na camada de composição gradual (3) substitua esse segundo valor (C”) e coloque-o em um nível abaixo ou igual ao primeiro valor (A”).

[0103] Para uma altura intermediária (h) entre as alturas (h3) e (h4), alumínio e silício estão presentes na composição da camada gradual (3).

[0104] Entre a altura (h4) e a altura (h5), correspondendo à camada de geração de alumina (6), o nível de alumínio tem um terceiro valor constante (D”). Este terceiro valor (D”) pode ser igual a, menor ou maior que o segundo valor (C”).

[0105] O nível de silício é zero na camada de geração (6).

[0106] Entre a altura (h5) e a altura (h6), correspondendo à camada de alumina (7), o nível de alumínio tem um quarto valor constante (E”).

[0107] O quarto valor (E”) é maior que o terceiro valor (D”).

[0108] O nível de silício é zero na camada de alumina (7).

[0109] Com referência à Figura 4, a proteção (2) é realizada, pelo menos parcialmente, na peça (1) por meio de um método (9) para adicionar um material pulverizando partículas sobre a superfície da peça (1), de modo a criar uma camada de proteção.

[0110] A seguir, o método será descrito em relação à produção de uma camada de composição gradual (3). No entanto, o método pode ser aplicado mutatis mutandis a outras camadas, tais como a camada de geração de alumina (6), por exemplo.

[0111] O método (9) para alcançar uma camada de composição gradual (3) é baseado no princípio de pulverização térmica por plasma (10), com as partículas sendo injetadas no plasma para serem aquecidas e pulverizadas sobre a peça (1), de modo a formar a camada de composição gradual (3).

[0112] Nesse caso, as partículas de Ti3AlC2 e Ti3SiC2 são armazenadas separadamente e colocadas em suspensão em um solvente.

[0113] As suspensões de Ti3AlC2 e Ti3SiC2 são então injetadas no plasma (10) nas respectivas taxas de fluxo controladas para respeitar a proporção desejada de Al e Si obtida em função da altura da camada alcançada.

[0114] O solvente aqui é não aquoso, de modo a impedir a formação de óxidos na camada de composição gradual (3) e, assim, garantir sua homogeneidade e propriedades mecânicas.

[0115] A pulverização também pode ser realizada em uma atmosfera neutra para limitar a formação de fases ou óxidos intermetálicos originários da oxidação a alta temperatura do material pulverizado pela atmosfera oxidante circundante.

[0116] A deposição por plasma e, portanto, a alta temperatura, também pode possibilitar a obtenção, durante o resfriamento à temperatura ambiente, de tensão residual de compressão no revestimento depositado, o que limita os danos gerais ao sistema, aumentando seu auto-reparo e, portanto, sua tendência natural para fechar qualquer fissura.

[0117] Também é concebível realizar os depósitos utilizando diferentes métodos de pulverização térmica, tais como pulverização de um pó de plasma sob pressão atmosférica (APS), sob um gás neutro (IPS) ou por pulverização por chama em suspensão de alta velocidade (HVSFS).

[0118] O método (9) é realizado utilizando um dispositivo de pulverização térmica (11) incluindo uma tocha (12) gerando um plasma (10), um primeiro (13) e um segundo (14) injetor em contato com um primeiro (15) e um segundo (16) tanque por meio de um primeiro (17) e um segundo (18) tubo.

[0119] O primeiro tanque (15) contém uma suspensão de pó de Ti3AlC2 em um solvente, enquanto o segundo tanque (16) contém uma suspensão de pó de Ti3SiC2 em um solvente.

[0120] O primeiro injetor (13) injeta a suspensão de Ti3AlC2 no plasma que aquece e pulveriza a suspensão sobre a peça (1), depositando assim as partículas que formam a proteção (2), o segundo injetor (14) injetando a suspensão de Ti3SiC2 no plasma.

[0121] As taxas de injeção das duas suspensões são controladas em conjunto para controlar o teor de alumínio e silício da camada de proteção formada e variar essas proporções para produzir a camada de composição gradual (3).

Claims (10)

1. PEÇA MECÂNICA (1) incluindo, pelo menos parcialmente, um material compósito de matriz cerâmica, o material compósito sendo pelo menos revestido localmente com pelo menos uma camada de proteção (2) contra a degradação ambiental, caracterizada pela camada de proteção (2) incluir uma camada de revestimento de composição gradual (3), a camada de composição gradual (3) incluindo pelo menos um material de fase MAX de silício e um material de fase MAX de alumínio, a camada de composição gradual (3) se estendendo dentro da camada de proteção (2) entre uma primeira altura (h3) em relação à peça mecânica (1) e uma segunda altura (h4) em relação à peça mecânica (3), a composição da camada de composição gradual (3) na primeira altura (h3) não possuindo alumínio, a composição da camada de composição gradual (3) na segunda altura (h4) não possuindo silício, uma altura intermediária (h) entre a primeira altura (h3) e a segunda altura (h4) possuindo uma composição incluindo alumínio e silício, a porção de silício e a porção de alumínio evoluindo gradualmente na camada de composição gradual (3) em função da posição da altura intermediária (h), a porção de alumínio aumentando quando a altura intermediária (h) se aproxima da segunda altura (h4).

2. PEÇA MECÂNICA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela porção de alumínio e a porção de silício evoluírem de maneira linear em função da altura intermediária (h) na camada de composição gradual (3).

3. PEÇA MECÂNICA (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pela soma das proporções molares de silício e alumínio ser variável independentemente da posição da altura intermediária (h) na camada de composição gradual (3).

4. PEÇA MECÂNICA (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pela camada de composição gradual (3) incluir materiais de fase MAX de Ti3AlC2 e Ti3SiC2.

5. PEÇA MECÂNICA (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada por incluir: - uma subcamada (4), incluindo silício cuja espessura está entre 10 μm e 100 μm; - uma camada de composição gradual (3) cuja espessura está entre 50 μm e 500 μm com substituição de Si por Al ao afastar-se da peça a uma taxa entre 0,1 e 0,4 em %/μm; - uma camada de geração (6) cuja espessura está entre 10 e 300 μm, consistindo em Ti2AlC, de modo que gera alumina na superfície quando é oxidada, para aumentar a resistência em um ambiente úmido; - uma camada de alumina (7); - uma barreira ambiental (8) feita de cerâmica com uma espessura entre 50 μm e 1000 μm, projetada para limitar a transferência entre o ambiente externo e a peça (1).

6. PEÇA MECÂNICA (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada por incluir: - uma subcamada (4) de silício cuja espessura está entre 10 μm e 100 μm; - uma camada de composição gradual (3) cuja espessura está entre 50 μm e 500 μm, com substituição de Si por Al ao afastar-se da peça a uma taxa entre 0,1 e 0,4 em %/μm; - uma camada de geração (6) cuja espessura está entre 50 e 300 μm, consistindo em Ti2AlC, de modo que gera alumina na superfície quando é oxidada; - uma camada de alumina (7).

7. PEÇA MECÂNICA (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada por incluir ainda: - uma camada de composição gradual (3) cuja espessura está entre 50 μm e 500 μm, com substituição de Si por Al ao afastar-se da peça a uma taxa entre 0,1 e 0,4 em %/μm; -uma camada de geração (6) cuja espessura está entre 50 e 300 μm, consistindo em Ti3AlC2, projetada para gerar alumina na superfície quando é oxidada; - uma camada de alumina (7).

8. MÉTODO PARA DEPOSITAR (9) PELO MENOS UMA CAMADA DE PROTEÇÃO (2) EM UMA PEÇA MECÂNICA (1), a camada de proteção (2) incluindo pelo menos uma camada de composição gradual (3), caracterizado pelo método (9) incluir as etapas a seguir: - realização da camada de composição gradual (3) por pulverização térmica das espécies que compõem a camada (3); em que a camada de composição gradual (3) inclui pelo menos um material de fase MAX de silício e um material de fase MAX de alumínio, em que a camada de composição gradual (3) é produzida por injeção em um dispositivo de pulverização térmica (11) de partículas do material de fase MAX de alumínio, por um lado, e partículas do material de fase MAX de silício, por outro lado, o material de fase MAX de alumínio substituindo gradualmente o material de fase MAX de silício em função da altura da camada alcançada.

9. MÉTODO PARA DEPOSITAR (9) PELO MENOS UMA CAMADA DE MATERIAL EM UMA PEÇA (1), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelas partículas do material de fase MAX de alumínio e do material de fase MAX de silício serem pós de Ti3AlC2 e Ti3SiC2 suspensos em um solvente em dois recipientes separados, as suspensões de Ti3AlC2 e Ti3SiC2 sendo então injetadas em proporção controlada em um plasma (10) projetado para aquecer e pulverizar as partículas em suspensão do material de fase MAX sobre a peça (1), criando assim um depósito.

10. MÉTODO PARA DEPOSITAR (9) PELO MENOS UMA CAMADA DE MATERIAL EM UMA PEÇA (1), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo solvente ser um solvente aquoso ou não aquoso projetado para limitar a formação de óxidos a partir de partículas de Ti3AlC2 e Ti3SiC2, de modo a limitar a presença de óxidos na camada de composição gradual (3).

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