BRPI1012020B1 - Processo de revestimento metálico por via líquida de fibras de material cerâmico - Google Patents

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Abstract

PROCESSO, E DISPOSITIVO DE REVESTIMENTO METÁLICO POR VIA LÍQUIDA DE FIBRAS DE MATERIAL CERÂMICO. A invenção refere-se a um processo de revestimento metálico por via líquida de fibras de material cerâmico, consistindo em manter uma carga (22) de metal em fusão e levitação de forma esférica no interior de um cadinho (12) e em fazer desfilar a uma velocidade pré-determinada uma fibra (24) esticada de material cerâmico entre uma polia superior (26) e uma polia inferior (28) dispostas de parte e outra do cadinho de modo que uma porção (35) de fibra seja imersa na carga para recobrir a mesma com um revestimento metálico. Durante o revestimento, a porção de fibra imersa na carga é deslocada em função do volume restante de carga de tal maneira que a altura instantânea (h) de fibra que é imersa na carga continue a ser sensivelmente constante ao longo de todo o revestimento. A invenção referese igualmente a um dispositivo de realização deste processo.

Description

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[0001] A presente invenção refere-se ao domínio geral dos materiais compósitos de matriz metálica. Ela refere-se mais particularmente a um processo e a um dispositivo de revestimento metálico por via líquida de fibras de material cerâmico.
[0002] Um dos domínios de aplicação da invenção é o da aeronáutica, e mais precisamente o dos turborreatores nos quais o recurso a materiais compósitos de matriz metálica permite uma grande redução de massa.
[0003] De maneira conhecida, os materiais compósitos de matriz metálica são constituídos de uma matriz à base de liga metálica reforçada por fibras, estas sendo, por exemplo, de cerâmica. Estes materiais têm um elevado nível de desempenhos em rigidez e resistência e podem ser utilizados em vez de ligas monolíticas para realizar peças de um turborreator como os discos de compressor ou de turbina, as árvores, os corpos de macacos, etc.
[0004] De maneira vantajosa, os materiais compósitos de matriz metálica podem igualmente ser utilizados para realizar reforços locais que são posicionados em peças de ligas monolíticas como pás, cárteres, espaçadores, etc. Neste caso, os reforços são fabricados geralmente a partir de um semi-produto chamado fibra revestida que é constituído de uma armadura central de cerâmica coberta de uma bainha metálica.
[0005] O revestimento da armadura de cerâmica destas fibras revestidas pode ser efetuado em fase vapor sob campo elétrico, por eletroforese ou ainda por revestimento por via líquida em um banho de metal líquido. O documento EP 0.931.846 descreve para esse efeito um processo de revestimento metálico por via líquida de fibras de material cerâmico. Este processo consiste essencialmente em manter uma carga de metal em fusão e levitação no interior de um cadinho e fazer percorrer uma fibra tensionada de material cerâmico através desta carga. Na saída do banho de metal, a fibra é revestida com um revestimento metálico do qual a espessura depende notadamente da velocidade de percurso da fibra.
[0006] Na prática, foi constatado que a qualidade do revestimento obtido por este tipo de processo de revestimento por via líquida depende muito da altura instantânea de fibra imersa em carga de metal. Com efeito, progressivamente durante o revestimento, a massa da carga diminui, o que provoca automaticamente uma baixa da altura instantânea de fibra imersa na mesma se a posição da fibra no cadinho for mantida constante. Também, a espessura do revestimento vai variar continuamente ao longo da fibra revestida até as condições nominais de revestimento não serem mais respeitadas acarretando então a interrupção do revestimento. Resulta daí que para uma carga de metal dada, a qualidade do revestimento obtido é aceitável apenas para um comprimento limitado de fibra que é em função da espessura do revestimento escolhida. Por exemplo, para cargas de um volume de 50 cm3 e no caso de um revestimento de baixa espessura, o comprimento de fibra revestida de qualidade aceitável poderá atingir cerca de centena de metros. Em contrapartida, para um revestimento mais espesso (da ordem de 50μm), o comprimento de fibra revestido de qualidade aceitável não excederá algumas dezenas de metros.
[0007] Portanto, a qualidade da fibra revestida obtida por um processo de revestimento por via líquida, ainda que continue a ser aceitável, não é ótima na medida em que a espessura do revestimento não é constante sobre todo o comprimento de fibra revestida. Correlativamente, a produtividade deste tipo de processo de revestimento é relativamente baixa dado que o comprimento de fibra revestido é limitado.
[0008] Para resolver este problema e realizar fibras revestidas de grandes comprimentos, propôs-se recarregar o banho de metal em fusão durante o revestimento com a ajuda de pós, hastes ou fibras. No entanto, esta solução apresenta o inconveniente de ser relativamente cara porque as formas de suprimento de fibras ou de pós são caras. Por outro lado, a incorporação de material novo em um banho dado pode conduzir a instabilidades que prejudicam o processo de revestimento.
OBJETIVO E SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[0009] A presente invenção tem, portanto, por objetivo principal remediar tais inconvenientes propondo um processo e um dispositivo de revestimento que permite realizar fibras revestidas de grandes comprimentos a um custo moderado.
[0010] Este objetivo é atingido graças a um processo de revestimento metálico por via líquida de fibras de material cerâmico, consistindo em manter uma carga de metal em fusão e levitação de forma sensivelmente esférica no interior de um cadinho e em fazer percorrer a uma velocidade pré-determinada uma fibra tensionada de material cerâmico entre uma polia superior e uma polia inferior dispostas de uma parte a outra do cadinho de modo que uma porção da fibra seja imersa na carga para recobrir a mesma com um revestimento metálico, caracterizado pelo fato de que consiste adicionalmente em deslocar durante o revestimento a porção de fibra imersa na carga em função do volume restante da mesma de tal maneira que a altura instantânea de fibra que é imersa na carga permaneça sensivelmente constante ao longo de todo o revestimento.
[0011] Correlativamente, a invenção visa um dispositivo de revestimento metálico por via líquida de fibras de material cerâmico, comportando um cadinho apto a realizar a fusão de uma carga de metal e manter a mesma em levitação sob uma forma sensivelmente esférica, e uma polia superior e uma polia inferior aptas a receber uma fibra tensionada de material cerâmico e dispostas de uma parte a outra do cadinho de modo que uma porção de uma fibra percorrendo entre estas polias possa ser imersa na carga para recobrir a mesma com um revestimento metálico, caracterizado pelo fato de que comporta adicionalmente meios para deslocar durante o revestimento a porção de fibra imersa na carga em função do volume restante da mesma de tal maneira que a altura instantânea de fibra que é imersa na carga permaneça sensivelmente constante ao longo de todo o revestimento.
[0012] A invenção propõe assim deslocar a fibra na carga de metal em função da redução da sua massa a fim de manter constante a altura instantânea de fibra imersa. Esta solução apresenta numerosas vantagens. Em particular, o comprimento de fibra revestido obtido por este processo pode ser aumentado no mínimo de um fator 5 com apenas uma carga, ou seja sem precisar incorporar material novo. Por outro lado, na ausência de material novo, a carga em fusão apresenta uma boa homogeneidade e a qualidade do revestimento encontra-se melhorada. Resulta daí que o processo de acordo com a invenção permite obter fibras revestidas de boa qualidade e de comprimentos ditos médios (ou seja, compreendidos entre 200 e 600 m para cargas de um volume de 50 cm3 e espessuras de 50μm) a um custo moderado. Maiores comprimentos são possíveis adaptando a dimensão do cadinho ao volume da carga inicial. Assim, comprimentos que excedem o quilômetro podem ser obtidos para cargas de cerca de 150 cm3.
[0013] Por outro lado, este processo de acordo com a invenção pode ser realizado conservando todos os outros parâmetros constantes durante o revestimento. Em particular, de maneira vantajosa, a velocidade de percurso da fibra entre as polias pode ser mantida sensivelmente constante ao longo de todo o revestimento o que evita os problemas de resfriamento da fibra revestida. Por último, esta solução não impede, para a obtenção de fibras revestidas de comprimentos muito elevados, ter recurso em paralelo à técnica descrita acima que consiste em recarregar o banho de metal.
[0014] De acordo com uma disposição vantajosa, o deslocamento da porção de fibra imersa na carga efetua-se ao longo de uma direção sensivelmente perpendicular à direção de percurso da fibra. Neste caso, o deslocamento da porção de fibra imersa na carga pode ser realizado por meio de pelo menos um rolete intercalado entre uma das polias e o cadinho e podendo se deslocar perpendicularmente à direção de percurso da fibra.
[0015] De acordo com outra disposição vantajosa, o deslocamento da porção de fibra imersa na carga efetua-se a uma velocidade calculada em função da posição inicial da porção de fibra na carga, características iniciais da carga, velocidade de percurso da fibra e da capacidade de retirada da fibra.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0016] Outras características e vantagens da presente invenção aparecerão da descrição feita abaixo, em referência aos desenhos anexos que ilustram um exemplo de realização desprovido de qualquer caráter limitativo. Nas figuras: - a figura 1 é uma vista esquemática do dispositivo de revestimento de acordo com a invenção; e - figuras 2A a 2C ilustram um exemplo de realização do processo de revestimento de acordo com a invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE UM MODO DE REALIZAÇÃO
[0017] A figura 1 representa um dispositivo 10 de revestimento metálico por via líquida de fibras de material cerâmico de acordo com a invenção.
[0018] O dispositivo 10 comporta notadamente um cadinho 12 de tipo frio, chamado também “cadinho de levitação”, que é projetado para evitar a contaminação do metal em fusão pelo material que constitui a sua parede. Este tipo de cadinho é conhecido em si e, portanto, não será descrito em detalhes aqui. Se necessário, pode-se fazer referência ao documento EP 0.931.846 que dá um exemplo de realização.
[0019] O cadinho 12 apresenta uma forma de tigela de revolução em torno de um eixo geométrico 14 vertical. Ele comporta uma abertura superior 16 que é mais larga que uma abertura inferior 18, estas aberturas sendo circulares e centradas no eixo geométrico 14 vertical. Como representado na figura 1, ele comporta ainda uma pluralidade de fendas verticais 19 que se estendem entre as suas aberturas 16, 18. De maneira conhecida em si, estas fendas verticais 19 permitem adaptar a impedância elétrica e favorecer o resfriamento do cadinho.
[0020] O cadinho 12, por outro lado, é cercado por um indutor helicoidal 20 igualmente centrado no eixo geométrico 14 e capaz de criar um campo eletromagnético cujas características permitem manter em levitação o metal líquido colocado no cadinho. Um circuito de resfriamento (não representado), por outro lado, é posicionado em torno da parede do cadinho para resfriar o mesmo.
[0021] Uma carga 22 de metal em fusão, por exemplo, em liga de titânio, de forma sensivelmente esférica é mantida em levitação na temperatura adequada dentro do cadinho 12. O campo eletromagnético criado pelo indutor helicoidal 20 permite afastar a superfície de carga 22 da parede do cadinho. Durante a fase de colocação em fusão da carga, a fibra a revestir é mantida fora da zona fundida (fase não representada).
[0022] Para o revestimento, uma fibra 24 de material cerâmico é primeiro oscilado através do cadinho 12 depois mantida tensionada entre uma polia louca superior 26 e uma polia louca inferior 28 que são dispostas de parte e de outra do cadinho e posicionada horizontalmente uma em relação à outra de tal maneira que a porção 30 de fibra que é tensionada entre estas polias está, em curso de revestimento, sensivelmente paralela ao eixo geométrico 14 e imerso em carga 22 de metal em fusão. Estas polias loucas 26, 28 asseguram a orientação da fibra 24.
[0023] O dispositivo de revestimento comporta ainda uma bobina emissora de fibras 32 dispostas debaixo do cadinho 12, uma bobina receptora de fibras revestidas 34 dispostas acima do cadinho, e meios não representados de acionamento em rotação das bobinas.
[0024] O funcionamento do dispositivo de revestimento decorre de maneira evidente do que precede. O acionamento em rotação das bobinas 32, 34 permite fazer percorrer a uma velocidade pré-determinada a fibra entre as polias loucas 26, 28. Durante o revestimento, uma porção 30 de fibra atravessa de parte em parte a carga 22 de metal em fusão (da parte inferior para cima) e carrega-se assim de metal líquido. Na sua saída do banho de metal, a fibra é revestida com um revestimento metálico, a espessura deste revestimento dependendo notadamente da velocidade pré-determinada na qual a fibra percorre entre as polias.
[0025] O dispositivo de acordo com a invenção comporta adicionalmente meios para deslocar durante o revestimento a porção 35 de fibra que é imersa em carga 22 de metal em fusão em função do volume restante da mesma. A título de exemplo, estes meios podem apresentar-se sob forma de rolete 36 intercalado entre o cadinho 12 e a polia inferior 28, este rolete podendo deslocar-se sobre um trilho 38 perpendicular à direção de percurso da fibra por acionamento de um motor 40. Com a ajuda de tal rolete, a posição da porção imersa 35 de fibra em relação ao eixo geométrico 14 pode ser modificada deslocando a fibra em uma das fendas verticais 19 do cadinho (figuras 2A a 2C). Naturalmente, um rolete poderia (alternativamente ou cumulativamente) ser intercalado entre a polia superior e o cadinho.
[0026] Por outro lado, o rolo 36 é deslocado sobre o trilho 38 de tal maneira que a altura instantânea h da porção 35 de fibra que é imersa em carga 22 de metal em fusão continua a ser sensivelmente constante ao longo de todo o revestimento. Se a posição da fibra em relação ao eixo geométrico 14 continuasse a ser inalterada durante do revestimento, o volume de carga de metal em fusão que diminui à medida que progride o revestimento, a altura instantânea de fibra que é imersa na carga seria abaixada necessariamente.
[0027] Para manter a altura imersa h constante, é conveniente submeter a velocidade de deslocamento do rolete 36 sobre o trilho 38 ao volume de carga 22 de metal em fusão tal como ele evolui durante o revestimento. Uma estimativa do volume da carga pode ser calculada durante o revestimento baseando-se nas hipóteses seguintes; a forma da carga 22 permanece esférica ao longo de todo o revestimento, e a porção 35 de fibra que atravessa de parte em parte a carga aparenta-se a um cordão desta esfera de metal. Assim, conhecendo o volume V(t) da esfera de metal durante o revestimento, é possível deduzir o raio r(t) da mesma e, portanto, a velocidade de deslocamento a aplicar à fibra de modo que a altura instantânea h permaneça constante (a altura h é em função de r(t) notadamente).
[0028] Descreve-se agora em conexão com as figuras 2A 2C dois exemplos de realização de tal cálculo da velocidade de deslocamento a aplicar à fibra de modo que a altura instantânea h de fibra imersa permaneça constante.
[0029] Estes exemplos de cálculo foram realizados para cargas iniciais de metal respectivamente de 44 cm3 e 120 cm3, uma altura instantânea h constante de 37,40 mm, uma velocidade de percurso da fibra entre as bobinas de 3 m/s e uma retirada de carga de 3,3 cm3/min.
[0030] Os parâmetros obtidos para carga de 200g são os seguintes: - distância horizontal inicial d0 (a t=0s) entre a porção 35 de fibra imersa e o eixo geométrico 14 (etapa correspondendo à figura 2A): 11,53 mm - velocidade inicial V0 de deslocamento aplicada à fibra: 3,12 mm/min - distância horizontal final d50 (a t=50s) entre a porção 35 de fibra imersa e o eixo geométrico 14 (etapa que corresponde à figura 2C): 8,41 mm - velocidade final V50 de deslocamento aplicada à fibra: 4,44 mm/min.
[0031] Para tal carga de 44 cm3, o rolete 36 representado sobre a figura 1 deve, portanto, poder ser deslocado sobre o trilho 38 a uma velocidade compreendida entre 3,12 mm/min e 4,44 mm/min.
[0032] Quanto aos parâmetros obtidos para carga de 120 cm3, são os seguintes: - distância horizontal inicial d0 (a t=0s) entre a porção 35 de fibra imersa e o eixo geométrico 14: 24,10 mm - velocidade inicial V0 de deslocamento aplicada à fibra: 1,08 mm/min - distância horizontal final d200 (a t=200s) entre a porção 35 de fibra imersa e o eixo geométrico 14: 19,94 mm - velocidade final V200 de deslocamento aplicada à fibra: 1,44 mm/min.
[0033] Para esta carga de 120 cm3, o rolete 36 deve poder ser deslocado sobre o trilho 38 a uma velocidade compreendida entre 1,08 mm/min e 1,44 mm/min. As cargas de 120 cm3 oferecem, portanto, a vantagem em relação à carga de 44 cm3 de necessitar uma faixa de regulação da velocidade de deslocamento do rolo 36 mais baixa.
[0034] Nota-se que a figura 2B representa uma etapa intermediária entre as etapas iniciais e finais das figuras 2A e 2C, etapa intermediária na qual a distância entre a porção 35 de fibra imersa e o eixo geométrico 14 é denotada dt e a velocidade de deslocamento aplicada à fibra é denotada Vt.

Claims (6)

1. Processo de revestimento metálico por via líquida de fibras de material cerâmico consistindo em manter uma carga (22) de metal em fusão e levitação de forma esférica no interior de um cadinho (12) e em fazer percorrer a uma velocidade predeterminada uma fibra (24) tensionada de material cerâmico entre uma polia superior (26) e uma polia inferior (28) dispostas de uma parte a outra do cadinho de modo que uma porção (35) de fibra seja imersa na carga para recobrir a mesma com um revestimento metálico, caracterizado pelo fato de que consiste ainda em deslocar durante o revestimento a porção de fibra imersa na carga em função do volume restante da mesma de tal maneira que a altura instantânea (h) de fibra que é imersa na carga permaneça constante ao longo de todo o revestimento.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o deslocamento da porção (35) de fibra imersa na carga (22) se efetua ao longo de uma direção perpendicular à direção de percurso da fibra.
3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o deslocamento da porção (35) de fibra imersa na carga (22) é realizado através de pelo menos um rolete (36) intercalado entre uma das polias (26, 28) e o cadinho (12) e podendo se deslocar perpendicularmente à direção de percurso da fibra.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o deslocamento da porção (35) de fibra imersa na carga (22) se efetua a uma velocidade calculada em função da posição inicial da porção de fibra na carga, das características iniciais da carga, da velocidade de percurso da fibra e a capacidade de retirada da fibra.
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o metal é uma liga de titânio.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a velocidade de percurso da fibra entre as polias (26, 28) é mantida constante ao longo de todo o revestimento.
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