Development of multilayer coatings for mechanical applications

Tese de Doutoramento em Ciências (Especialidade em Física)Este trabalho consiste essencialmente no desenvolvimento, produção e caracterização de revestimentos para aplicações mecânicas de alta temperatura. Desta forma desenvolveram-se novos revestimentos nanoestructurados, nanolaminados, multicamada e graduados à base de zirconia (ZrO2) parcial e totalmente estabilizada para protecção de componentes metálicos que operam a alta temperatura, tais como em turbinas a gás de aviões e ou de produção de energia eléctrica e motores a diesel. Podem ainda ter outras aplicações como em moldes de injecção de ligas metálicas com pontos de fusão elevados, componentes com desgaste a alta temperatura e ainda em lasers de alta temperatura. Na produção destes revestimentos são utilizadas duas tecnologias diferentes: i) Projecção Plasma “Atmosférica (APS) e em Vácuo (VPS)” com a qual foram produzidos revestimentos de barreira térmica (TBC’s) multicamada de ZrO2–8wt% Y2O3/NiCoCrAlY sobre ligas de níquel de alta temperatura (Inconel 738LC) e graduados em porosidade para melhor acomodarem as tensões residuais geradas devido à ciclagem térmica destes e reduzir a condutividade térmica; ii) PVD – Deposição Física de Vapores em modo reactivo, na produção de revestimentos finos para aplicações a alta temperatura, tais como revestimentos de zirconia estabilizada com yttria (ZrO2Y2O3), estabilizada com gadolinia (ZrO2Gd2O3) e compósitos de ambos formando soluções sólidas destes materiais, nanocompósitos e nanoestruturados de zirconia com alumina (ZrO2Al2O3) em que as nanocristalites de zirconia são embebidas numa matriz amorfa de alumina e por fim revestimentos nanolaminados de zirconia e alumina (ZrO2/Al2O3). Neste estudo foi dedicada maior atenção ao desenvolvimento inovador dos revestimentos de ZrO2Gd2O3 por este material ser detentor de uma menor condutividade térmica e ser mais estável a alta temperatura podendo inclusive operar a mais altas temperaturas, e dos revestimentos nanolaminados de ZrO2/Al2O3 devido às propriedades mecânicas de revestimentos com este tipo de arquitectura e por poder conferir boas propriedades como barreira de difusão conferindo desta forma uma melhor protecção contra a oxidação das ligas de alta temperatura e maior resistência ao desgaste.Quanto aos revestimentos de projecção plasma foi dada maior ênfase aos revestimentos graduados em porosidade. Ainda com o objectivo de uma maior protecção contra a corrosão, oxidação das ligas metálicas de alta temperatura e aumento da resistência destes revestimentos à destabilização devido à presença dos contaminantes dos combustíveis procedeu-se à densificação da superfície utilizando lasers de CO2 de forma a reduzir a penetração destes e assim reduzir a destabilização da zirconia e corrosão das partes metálicas. Todos os tipos de revestimentos estudados foram submetidos tratamento térmico de recozimentos e/ou ciclagens térmicas a alta temperatura para estudar o seu comportamento termo-mecânico e termo-físico, bem como oxidação das interfaces metálicas. Nos revestimentos de projecção plasma, como depositados e após tratamento com laser foi efectuado um estudo do seu comportamento a alta temperatura quando expostos a óxido de vanádio (V2O5) e sulfato de sódio (Na2SO4) que são dos elementos mais nocivos existentes nos combustíveis. Em termos de caracterização dos revestimentos desenvolvidos efectuaram-se estudos da microestructura, análise de fases e sua estabilidade a alta temperatura, caracterização mecânica, propriedades elásticas e tensões residuais, aderência, propriedades térmicas e estudos de oxidação e corrosão a alta temperatura. Nestes estudos recorreu-se a diversas técnicas de caracterização: microscopia óptica (MO), microscopia electrónica de varimento (SEM) e microanálise de energias por dispersão de raios X (EDX), microscopia de força atómica (AFM), microtopografia laser, espectrofotometria, difracção de raios X (XRD) (modo q-2q e sen2y), espectroscopia Raman, micro e nanoindentação, microindentação deslizante “scratch teste”, “brillouin scatering”, medidas de flexão por 4 pontos e avaliação da difusividade térmica recorrendo à técnica fototérmica baseada no efeito de miragem (deflexão de feixe óptico). Apresenta-se também uma análise numérica do efeito dos revestimentos de barreira térmica no desempenho energético e ambiental (emissões gasosas) de turbinas a gás: efeito das propriedades termo-físicas dos revestimentos, espessura dos revestimentos e caudal mássico de ar de arrefecimento.This work consists essentially in the development, production and characterization of coatings for mechanical applications at high temperature. Of this form new coatings nanoestructured, nanolayered, multilayered and graded based on zirconia (ZrO2) partially and fully stabilized for protection of metal components that operate at high temperatures such as in gas turbines of aircraft, for electric power generation and in big diesel engines. They may also have other applications such as in injection moulding of metal alloys with high melting points, in wear components at high temperature and even in high-temperature lasers. For the production of these coatings two different technologies are used: i) Air Plasma Spraying (APS) and Vacuum Plasma Spraying (VPS) with which it was produced thermal barrier coatings (TBC's) that are a multi-layer coatings of ZrO2-8wt%Y2O3 graduated in porosity over high temperature nickel based alloys such Inconel 738LC precoated with NiCoCrAlY metallic bond coat in order to better accommodation of the residual stresses, due to thermal cycling of these coatings in service and to reduce the thermal conductivity; ii) PVD - Physical Vapour Deposition in reactive mode, in the production of thin coatings for high temperature applications, such as coatings of yttria stabilized zirconia (ZrO2Y2O3), zirconia stabilized with gadolinium (ZrO2Gd2O3) and composites of both forming solid solutions of these materials, nanocomposites of zirconia and alumina (ZrO2Al2O3) where the nanocristalytes of zirconia are embedded in amorphous matrix of alumina and finally nanolayered coatings of zirconia and alumina (ZrO2/Al2O3) respectively. In this study it was dedicated greater attention to the development of innovative coatings of ZrO2Gd2O3 because this material is a to be detainer of a lower thermal conductivity and is stability at high temperature and even operate at higher temperatures, and nanolayered coatings of ZrO2/Al2O3 due to the mechanical properties of the coatings with this type of architecture and be able to confer good protection as diffusion barrier thus giving better protection against oxidation at high temperature, and better wear resistance. In terms of plasma spraying a greater emphasis were done to coatings graded in porosity along its cross section. Still with the aim of better protection against corrosion/oxidation of high temperature metal alloys and increased resistance of these coatings in terms of the destabilization due to the presence of fuel contaminants proceeded to the densification of the coatings surface using a CO2 lasers to reduce the coatings permeability and reduce the destabilization of zirconia and corrosion of metal parts. All types of coatings studied were subjected to heat treatments thermal cycling and/or annealing at high temperature to study its thermo-mechanical and thermo-physical behaviour as well as the oxidation of metallic interfaces. In the plasma spraying coatings, as deposited and after laser treatments, it was carried out a study of their behaviour at high temperature when exposed to vanadium oxide (V2O5) and sodium sulphate (Na2SO4) that are the harmful elements present in fuels. In terms of characterization of the developed coatings were carried out studies of the microstructure, phase analysis and its stability at high temperature, mechanical characterization, elastic properties and residual stresses, adhesion, thermal properties and studies of oxidation and corrosion at high temperature. These studies were carried out with various characterization techniques, such: Optical Microscopy (OM), Scanning Electron microscopy (SEM) and X-ray Dispersive Energy Microanalysis (EDX), Atomic Force Microscopy (AFM), Laser-microtopography, Spectrophotometry, X-ray Diffraction (XRD) (mode q-2q and sen2y), Raman spectroscopy, micro and nanoindentação, scratch test, Brillouin scatering, 4-point bending tests and evaluation of thermal diffusivity using the photothermal technique based on the mirage effect (optical beam deflection). We also present a numerical analysis of the effect of thermal barrier coatings in energy and environmental performance (gas emissions) from gas turbines, and effect of thermo-physical properties of coatings, thickness of the coating and the mass flow of cooling air