PT85930B

PT85930B - Processo para o tratamento superficial de pecas ceramicas por meio de um laser

Info

Publication number: PT85930B
Application number: PT85930A
Authority: PT
Inventors: Alain Petitbon
Original assignee: Comp Generale Electricite
Priority date: 1986-10-16
Filing date: 1987-10-15
Publication date: 1993-07-30
Also published as: FR2605310A1; DE3774831D1; PT85930A; ES2028025T3; CA1274071A; US4814575A; DK538987A; IE60515B1; EP0264779B1; JPH0755869B2; IE872776L; EP0264779A1; DK538987D0; FR2605310B1; JPS63123883A; ATE69788T1

Description

A presente invenção diz respeito às peças constituídas por um material cerâmico com alta temperatura de fusão, por exemplo alumina, e, sobretudo, zircônio. 0 seu objectivo é melhorar a qualidade dessas peças, em particular as suas qualidades mecânicas. As referidas peças são a seguir denominadas pe ças cerâmicas . Podem ter a forma de uma peça individual homogénea ou ser constituídas por uma camada cerâmica aplicada sobre um suporte de outro material.

A utilização de materiais cerâmicos nos motores térmicos ou blindagens está limitada pela sua fragilidade (tendência para a formação de fendas por contracção). Progressos obtidos na elaboração destes materiais permitiram uma diminuição importante dos defeitos internos. Daqui resulta que, se se aplicarem esforços até próximo da rotura a peças fabricadas com materiais assim melhorados, as fracturas possíveis desenvolvem-se a partir de defeitos superficiais como poros e fendas, que se tornam mais difíceis de eliminar.

Esses poros e fendas podem ter outros inconvenien tes, por exemplo o de constituir zonas de resistência para molé cuias orgânicas que podem ser embaraçosas, em particular em pro cessos bioquímicos.

Para suprimir estes poros e fendas, a fim de melho rar as qualidades da peça cerâmica, conhece-se um processo de (2) tratamento por meio de fusão superficial com emprego de um laser.

laser C0₂, em particular, é um instrumento notável para cicatrizar estes defeitos superficiais. Opera por meio de fusão e arrefecimento rápidos, o que dá origem a microestrutu ras muito finas e homogéneas que têm, infelizmsnte , uma rede mui to densa de microfendas aleatórias que degrada as propriedades mecânicas do material. Estas microfendas têm uma largura, por exemplo, da ordem de 2 microns e um comprimento da ordem de 500 microns .

Estas microfendas formam-se durante o arrefecimento e ocorrem associadas em particular às diferenças de dilatação e contracção entre a zona fundida e as zonas sólidas adjacentes e subjacente. Estas diferenças são tanto mais importantes quanto mais elevada for a temperatura de fusão <±s materiais cerâmicos e mais sensíveis ao choque térmico forem os materiais, o que implica um tratamento laser muito rápido para não aquecer o núcleo da peça. Estas microfendas têm os inconvenientes descritos anteriormente a propósito dos poros e fendas, mas em graus modi ficados .

Um tal processo conhecido encontra-se descrito na patente de invenção LU-A-83 120 - CENTRE DE RECHERCHES METALLUR GIQUES. Este documento proptte que se deposite previamente uma camada de um óxido. Parece ter em vista um óxido diferente daquele que constitui o material a tratar.

De uma maneira geral, as soluçOes presentemente pro postas para resolver este problema de microfendas consistem numa modificação química prévia da superfície da peça. Esta modificação seria obtida por meio do depósito de um material conveniente sobre a superfície cerâmica a tratar. Esse tratamento prévio (3)

pode tornar o processo dificilmente reprodutível e demasiadamente caro para uma aplicação industrial.

Podem ler-se a este respeito os seguintes artigos na revista Materiais Science Research, volume 17, Plenum Press Nova York 1984.

* Tratamento de Materiais Cerâmicos com Laser

J.R. Spann et al., US Naval Research Laboratory * Análise Microestrutural de Alumina Solidificada Rapidamente

J .P . pollinger e G .L. Messing

Universidade do Estado da Pensilvânia

As experiências efectuadas pela requerente mostraram, em particular, que cerâmicas comerciais de alumina ou zircó nio só suportam o tratamento laser (isto é, não apresentam depois degradações devidas ao choque térmico) se os tempos de interacção forem muito curtos (alguns centésimos de segundo, e, no máximo, 0,10 s nalguns casos).

Com estes tempos de reacção, as soluções preconizadas nas publicações citadas acima afiguram-se, pelo menos, difíceis de aplicar de maneira útil na prática, particularmente no que diz respeito à formação de sõluçõe? sólidas, de eutéctidos nu de compostos novos .

Conhece-se também, através da patente de invenção LU-A-84 971 - CENTRE DE RECHERCHES METALLURGIQUES,um processo de depósito de material refrâctario por projecção de um pó aque eido, designadamente durante o seu trajecto, por meio de um raio laser. Um tal processo forma uma camada suplementar que aumenta a espessura da peça à qual é aplicado e que apresenta os poros e fendas anteriormente mencionados.

A presente invenção tem como objectivo permitir ob (4) ter, por meio de tratamento supercial com laser, peças cerâmicas capazes de resistir a esforços maiores do que precedentemen te .

A invenção tem também o objectivo de diminuir as dimensões e/ou o número das microfendas na superfície de uma peça cerâmica tratada por meio de laser, de maneira a diminuir os in convenientes de natureza mecânica e/ou físico-química ligados com estas microfendas.

A presente invenção tem como objecto um processo de tratamento superficial de peças cerâmicas por meio de um laser, processo este que se aplica a uma peça a tratar que é constituí da por um material cerâmico de base e tem poros e/ou fendas superficiais, compreendendo o processo a limpeza de pelo menos uma parte da superfície da peça a tratar por uma zona de fusão na qual a temperatura é elevada localmente acima da temperatura de fusão deste material por meio de um feixe laser de aquecimento, de maneira que, em cada ponto da superfície tratada, uma fusão e um arrefecimento de uma camada superficial cria nesta camada uma microestrutura mais fina e/ou mais homogénea do que anteriormente ,

- processo este que é caracterizado pelo facto de compreender uma projecção de um ρδ cerâmico de contributo sobre a peça a tratar no feixe laser de aquecimento, de maneira que este pó de contributo chegue fundido à referida zona de fusão, sendo o débito deste pó escolhido para fornecer uma quantidade de material cerâmico de contributo que permitiria, no estado sólido, pre encher pelo menos 50% do volume dos poros e fendas superficiais iniciais do material de base, de maneira a evitar pelo menos par cialmente que a formação de microfendas de contracção no arrefe(5) cimento de uma camada superficial crie nesta camada uma microestrututa mais fina e/ou mais homogénea que precedentemente.

Afigura-se que, de acordo com a invenção, se diminuem as microfendas (a sua eliminação completa não é desejável, porque a presença de algumas microfendas pode aumentar a tenacidade do material) por meio de implantação com laser, isto é, por meio de projecção no feixe laser de um débito pequeno de um pó ceràmi co, de maneira que este pó chegue fundido à suparfície a tratar e compense, pelo menos em parte, a contracção ligada ao enchimen to dos poros que a superfície tinha antes do tratamento, sem cri ar sobrespessura notável.

material de contributo pode ser da mesma natureza ou de natureza diferente do da peça a tratar. A sua adição durante a fusão, além de limitar a contracção consecutiva, pode também diminuir os coeficientes de dilatação e contracção.

Este contributo pode também contribuir para colocar a superfície em compressão relativamente ao núcleo da peça, o que limitará a propagação das fendas formadas sob restrição.

De acordo com a presente invenção, afigurou-se também vantajoso adoptar, pelo menos em alguns casos, as disposiçães mais particulares seguintes*.

- 0 débito do referido pó de contributo parmite que a fusão des te pó absorva entre 1% e 40% da potência útil do referido feixe de aquecimento.

- 0 débito do referido pó de contributo é escolhido entre 5 e 125 mg por Kilojoule de calor proporcionado pelo referido feixe de aquecimento, preferivelmente entre 10 e 60 mg, por exemplo próximo de 25 mg.

- 0 referido pó de contributo é um pó previamente tornado esfe (6) rôide.

- 0 referido ρδ de contributo é um ρδ de alumina e/ou de zircónio quando o referido material de base é zircónio.

- Os grãos do referido ρδ de contributo e/ou zircônio têm diâme tros compreendidos entre 50 e 150 mícrons aproximadamente .

- 0 referido ρδ de contributo é projectado em suspensão num gás portador.

Fazendo referência à figura esquemática anexa, vai descrever-se mais particularmente a seguir, a título de exemplo não limitativo, como a presente invenção pode ser posta em prá tica no âmbito da exposição feita anteriormente . 0 modo de apli cação descrito apresenta as disposições mencionadas acima como vantajosas de acordo com a presente invenção. Deve entender-se que os elementos mencionados podem ser substituídos por outros elementos que têm as mesmas funções técnicas.

A figura única representa uma vista em corte parcial de um dispositivo de aplicação do processo de acordo com a presente invenção.

De acordo com esta figura, o referido gás portador que transporta o referido ρδ de contributo é introduzido num aspersor de saida 2 de um laser 4 que produz o referido feixe de aquecimento 6. A zona 8 desta introdução está situada a jusante, com referência a este feixe, de uma zona 10 de introdução de um gás de limpeza e protecção de janela. Esta última zo na está situada, por sua vez, a jusante de uma janela de saida 12 deste laser que ocupa uma secção deste aspersor de saída.

Este dispositivo é análogo ao que é utilizado para o depósito de uma camada cerâmica por meio de laser. Mas, entre outras diferenças, o débito de ρδ de contributo é muito menor (7) de acordo com a invenção, em comparação com o depósito da referida camada, e a espessura da peça não se altera.

No dispositivo representado, a janela de saída do la ser é constituída pela lente de focagem 12 do feixe 6 formado pe lo laser de gãs carbónico 4.

A introdução do gás portador e do gás de limpeza no aspersor 2 fazem-se por meio de um injector de pó 14 e uma tubuladura 16 .

sentido da deslocação da peça cerâmica a tratar 18 está rqresentado por uma seta 20, sendo fixo o laser 4, por exem pio. Fendas 21 estão representadas muito esquematicamente na superfície desta peça. 0 impacto do feixe laser cria nesta peça uma zona de fusão 22. A camada solidificada após fusão está represent ada em 24 .

A alimentação em pô é feita por um distribuidor de pó (não representado) que recebe para isso um pó tornado esferóide com uma repartição granulométrica apertada.

Para cerâmicas como alumina ou zircónio, a esferoidi zação efectua-se por atomização de uma massa de ceramista (barbotina) (processo denominado spray-dryirg em língua inglesa), calcinação para eliminar os ligantes e peneiração para se obter uma boa repartição granulométrica (tipicamente de 50 a 100 microns).

Para se obter a fusão simultânea do pô e da superfl cie a tratar sem que o choque térmico degrade a peça a tratar, os parâmetros de funcionamento podem situar-se nas regiões seguintes:

o

Potência laser 6-12 Kw/cm o

Densidade de energia laser 0,2-1 kj/cm (8)

Velocidade de limpeza 1-20 cm/s

Débito de pô 1-5 ç/mn, isto é, 5-25 mg/cm²isto para a projecção de alumina ou zircônio sobre peças de alu mina, zircônio, nitreto de silício ou Si A10N, Mullite, Cordierite .

Pode dar-se como primeiro exemplo o tratamento de zircônio parcialmente estabilizado (PSZ) com projecção de alumina alfa atomizada. Utiliza-se um laser C0₂ continuo com cavidade estável de 3KW, cujo efeito está parcialmente focado para proporcionar uma mancha de 4 mm de diâmetro com uma repartição energética quase uniforme. A peça de zircônio (placa com 50 χ 50 mm de zircônio da marca Desmarquest estabilizada com magnésia) está fixada numa mesa X, Y, Z de comando numérico. 0 distribuidor de pô é regulado sobre 2 ou 3 g/mn de alumina atomizada e paneirada entre 50 e 150 mícrons . A potência laser é de 1,5 KW e a velocidade de limpeza é de 5 cm/s (tempo de interacção 0,08 s) .

Obtêm-se os seguintes resultados:

- Microestrutura polifâsica com 1 a 5 mícrons (mistura intima de Zr0₂ cúbico e quadrático, AlgO^ alfa e delta) .

- Microfendas limitadas e orientadas perpendicularmente ao eixo de passagem.

- Aumento da dureza Vickers (+40%) e da tenacidade em relação às zonas não tratadas (a tenacidade é difícil de medir nas zonas não tratadas, por causa dos numerosos defeitos que nelas existem).

Para comparação, a fusão da mesma amostra sem projecção de pô faz-se com um feixe de 800 W (mantendo sempre 4 mm de diâmetro) e uma velocidade de limpeza de 10 cm/s. Obtêm-se:

(9)

- Microestrutura monofásica com 1 a 2 mícrons (ZrO₂ cúbico) .

- Numerosas microfendas aleatórias.

- Diminuição da dureza Vickers (-50%) e da tenacidade (não mensurável) em relação às zonas não tratadas.

Um segundo exemplo diz respeito ao tratamento de uma camada de zircónio com espessura compreendida entre 0,5 e 3 mm, estabilizada com ítrio (YSZ) . Esta camada foi depositada por projecção com facho de Plasma sobre o material fundido com uma subcamada de NiCrAlY.

Antes do tratamento laser, a camada tinha 10% de porosidade e 6 GPa de dureza.

Após tratamento laser com projecção de alumina de acordo com a invenção, a porosidade era nula e a dureza valia entre 14 e 15 GPa.

Obtém-se assim uma camada impermeável na superfície, resistente à corrosão, à abrasão e ao choque térmico. Cama das deste género podem constituir barreiras térmicas ou camadas antidesgaste em motores Diesel ou turbinas.

(10)

Claims

1.- Processo para o tratamento superficial de peças cerâmicas por meio de um laser, que se aplica a uma peça a tratar que é constituída por um material cerâmico de base e tem poros e/ou fendas superficiais, compreendendo a limpeza de pelo menos uma parte da superfície da peça a tratar por uma zona de fusão na qual a temperatura é levada localmente acima da temperatura de fusão deste material por um feixe laser de aquecimento, de maneira que, em cada ponto da superfície tratada, uma fusão e um arrefecimento de uma camada superficial cria nesta camada uma microestrutura mais fina e/ou mais homogénea que precedentemente, caracterizado pelo facto de compreender uma projecção de um põ cerâmico de contributo sobre a peça a tratar no feixe laser de aquecimento, de maneira que este pó de contributo chegue fundido ã referida zona de fusão, sendo o débito deste pó escolhido suficientemente grande para proporcionar uma quantidade de material cerâmico de contributo que, no estado sólido, permitiria preencher pelo menos 50 % do volume dos poros e fendas superficiais iniciais do material de base, de maneira a evitar pelo menos parcialmente a formação de microfendas de contracção durante arrefecimento, sendo este débito escolhido, simultaneamente, suficien temente pequeno para que a potência calorífica absorvida pela fusão deste pó seja menor que a absorvida pela fusão da camada superficial fundida do referido material de base, de modo que este pó fundido se integre de maneira homogénea neste material de base.

2,- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri (11) zado pelo facto de o débito do referido pó de contributo permitir que a fusão deste pó absorva entre 1 % e 40 % da potência útil do referido feixe de aquecimento.

3. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o débito do referido pó de contributo ser escolhido entre 5 e 125 mg por kilojoule de calor proporcionado pelo referido feixe de aquecimento.

4. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracteri- » · í zado pelo facto de o débito do referido pó de contributo ser escolhido entre 10 e 60 mg por kilojoule de calor proporcionado pelo referido feixe de aquecimento.

5. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido pó de contributo ser um pó previamente esferoidizado.

6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido pó de contributo ser um pó de alumina e/ou zircónio quando o referido material de base é zircõnio.

7. - Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo facto de os grãos do referido pó de contributo de alumina e/ou zircõnio terem diâmetros compreendidos entre cerca de

50 e 150 microns.

8. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido pó de contributo ser projectado em suspensão num gãs portador.

9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de o referido gás portador que desloca o referido pó de contributo, ser introduzido sob pressão num bocal de saída de um laser que produz o referido feixe de aquecimento, estando a zona desta introdução situada a jusante, em referência a este feixe, de uma zona de introdução de um gás de limpeza e protecção de janela, estando esta zona situada, por sua vez, a jusante de uma janela de saída deste laser que ocupa uma secção deste bocal de saída.

Lisboa, 16 de Outubro de 1987

O Agerr.s Oficial da Propr-coade Industrial (13)

RESUMO

Processo para o tratamento superficial de peças cerâmicas por meio de um laser

A presente invenção refere-se a um laser de gás carbónico (4) que dirige um feixe (6) para uma peça cerâmica a tratar (18) que se desloca no sentido de uma seta (20). Um injector de gás portador (14) introduz neste feixe um débito moderado de um pó esferoidizado de material cerâmico de contributo. A camada (24) solidificada após fusão apresenta então microfendas menores que na ausência de contributo.

Aplicação à construção dos motores térmicos.

Lisboa, 16 de Outubro de 1987