A tecnologia de revestimento por pulverização a frio refere-se a uma técnica de revestimento em que as partículas de pó metálico são mantidas em posição dentro de um fluxo de gás supersônico e aceleradas em altas velocidades e, quando entram em contato com uma superfície, elas se unem. Ela também difere de várias outras técnicas de pulverização, como a pulverização térmica, em que os materiais são derretidos ou parcialmente derretidos durante o processo de deposição, enquanto na fabricação de metais por pulverização a frio as partículas não o são. Isso permite a fabricação de revestimentos funcionais e estruturas independentes sem a distorção térmica ou a degradação comuns aos métodos de alta temperatura.

O processo de pulverização a frio funciona acelerando a alimentação de pó por meio de um jato de gás de alta pressão, normalmente hélio ou nitrogênio, dentro de um bocal de pulverização.
As velocidades das partículas aumentam até 1000 m/s e as energias cinéticas são utilizadas para deformar plasticamente as partículas sólidas e permitir a formação de ligações. O pó, ao impactar a superfície do substrato, é deformado plasticamente e, devido à alta energia do impacto, há um alinhamento mecânico íntimo entre o revestimento e o substrato... Também pode ocorrer alguma ligação metalúrgica limitada nos pontos de contato, o que leva a excelentes propriedades de adesão.

Há muitas vantagens em usar a fabricação de metais por pulverização a frio em vez dos métodos de revestimento por pulverização térmica. O mais importante é que as baixas temperaturas do processo evitam danos ao material de revestimento e ao substrato. Materiais sensíveis ao calor que normalmente oxidariam ou se degradariam em altas temperaturas podem ser revestidos. As tensões residuais nos revestimentos por spray a frio são altamente compressivas, o que aumenta a resistência do revestimento e reduz as rachaduras ou a delaminação. As eficiências gerais de depósito da tecnologia de revestimento por pulverização a frio são muito mais altas do que as técnicas de pulverização por arco de arame ou por chama, produzindo revestimentos mais densos e de melhor qualidade.

As aplicações para a fabricação de metais por pulverização a frio variam muito devido a esses benefícios. No setor aeroespacial, os revestimentos por pulverização a frio podem restaurar componentes desgastados ou danificados, como lâminas de turbina, sem comprometer a integridade estrutural. Os revestimentos metálicos da Calumet aplicam ligas de alumínio de alta resistência em componentes de alumínio ou compostos de aviões para aumentar a vida útil. Os fabricantes automotivos usam revestimentos resistentes à corrosão e ao desgaste para aumentar a vida útil das peças dos automóveis. As aplicações industriais incluem a fabricação de metal por pulverização a frio usada para reparo e restauração de máquinas, bem como a deposição de novos materiais, como Metais impressos em 3D. Os setores biomédico e de energia também utilizam revestimentos e estruturas processados pela Cold Spray Metal Fabrication.

Em resumo, a tecnologia de revestimento por spray a frio representa uma inovação importante na tecnologia de revestimento em estado sólido. A ausência de alta entrada de calor permite o revestimento de uma ampla variedade de materiais com adesão e densificação superiores em comparação com os métodos tradicionais de spray térmico. O refinamento contínuo dos equipamentos e processos de fabricação de metais por pulverização a frio aumenta a viabilidade em vários setores, permitindo o reparo, o aprimoramento e a fabricação de revestimentos e geometrias funcionais complexos.

Histórico e princípio de funcionamento do Cold Spray

A técnica de spray frio foi descoberta em meados da década de 1980, depois que os pesquisadores da Rússia trabalharam nos estudos de deposição de partículas supersônicas. Ela funciona de acordo com o princípio de que um gás de alta pressão aquecido eletricamente, como nitrogênio ou hélio, é usado para impulsionar pós metálicos por meio de um bocal convergente-divergente a velocidades além da velocidade crítica necessária para a adesão de sinterização de partículas.

Vantagens da tecnologia de revestimento por pulverização a frio em relação à pulverização térmica

A pulverização a frio resulta em revestimentos com maior resistência do que a pulverização térmica devido ao intertravamento predominantemente mecânico em temperaturas mais baixas, o que leva à minimização da oxidação, à preservação da microestrutura do pó e à redução da porosidade.

Materiais e aplicações de pulverização a frio

O spray a frio é capaz de processar uma ampla variedade de materiais devido à sua natureza de estado sólido. Isso inclui vários metais, ligas, cerâmicas e alguns polímeros. Comum Revestimento em pó Os alimentos para Cold Spray Metal Fabrication incluem ligas de alumínio, ligas de aço, ligas de cobre e misturas compostas.

As ligas de alumínio, como 6061, 7075 e 2024, que são amplamente utilizadas no setor aeroespacial, podem ser depositadas por spray frio. Os revestimentos atingem resistências maiores do que as propriedades iniciais do material em pó, mantendo a ductilidade. Os componentes de aeronaves sujeitos a tensões de fadiga e desgaste são restaurados ou reforçados com o uso de revestimentos de liga de alumínio pulverizados a frio.

Pós de ligas de aço, como o aço inoxidável 316, aços carbono e superligas, incluindo Inconel, também são passíveis de processamento por spray frio. Os revestimentos protetores de aço depositados por pulverização a frio apresentam alta resistência de ligação combinada com resistência à oxidação e à corrosão. As peças de máquinas danificadas que sofrem desgaste podem ser reconstruídas de acordo com suas especificações originais usando revestimentos de aço da Cold Spray Metal Fabrication.

A fabricação de metais por pulverização a frio permite combinações exclusivas de materiais por meio da mistura de pós antes da deposição. Os revestimentos de materiais compostos ou funcionalmente graduados que incorporam misturas de metais, cerâmicas ou polímeros expandem os recursos da técnica. Os exemplos incluem compostos de tungstênio-níquel ou compostos de matriz de alumínio-metal.

Devido aos benefícios notáveis, como distorção térmica zero e oxidação mínima, a pulverização a frio se presta bem a reparos, aumentando a vida útil operacional em todos os setores. Os setores automotivo e aeroespacial recorrem à pulverização a frio para obter revestimentos resistentes à corrosão e ao desgaste. As aplicações ópticas, biomédicas e relacionadas à energia também utilizam componentes processados por pulverização a frio devido à alta qualidade revestimento de conversão de cromato. A restauração dimensional de ferramentas e componentes desgastados é outra importante área de aplicação apoiada pelos atributos de processamento não térmico e reprodutível da Cold Spray Metal Fabrication.

Parâmetros do processo de fabricação de metal por pulverização a frio

Gás e temperatura

O hélio e o nitrogênio são gases inertes comumente usados, aquecidos eletricamente até as temperaturas desejadas para amolecer e acelerar as partículas até velocidades supersônicas. Temperaturas mais altas reduzem a velocidade crítica, mas podem afetar o substrato se não forem controladas adequadamente.

Matéria-prima em pó

A distribuição do tamanho das partículas, com média de 50 a 100 μm, influencia o comportamento do fluxo e a capacidade de atingir a velocidade crítica. Os pós temperados e esféricos maximizam a taxa de fluxo.

Velocidade

As velocidades das partículas devem exceder os valores críticos para que haja deformação plástica suficiente e ligação nas interfaces. A velocidade é afetada pelo projeto do bocal, pela pressão e pela temperatura do gás, sendo possível atingir valores supersônicos acima de 1000 m/s.

Otimização de processos

A seleção adequada dos parâmetros acima permite revestimentos de alta qualidade e baixa porosidade com densidade próxima à teórica por meio da minimização dos defeitos de deposição. A otimização é fundamental para ajustar a microestrutura e obter as propriedades desejadas.

Microestrutura e propriedades de revestimentos por pulverização a frio

Microestrutura

Os revestimentos retêm a estrutura do pó, exceto nos limites dos grãos dominados pela deformação, onde ocorre a recristalização submicrônica. A densidade de deslocamento é alta, resultando em dureza igual ou superior à da matéria-prima.

Mecanismo de ligação

Em velocidades suficientemente altas, as instabilidades de cisalhamento adiabático causam o jato de metal, melhorando a qualidade da ligação entre as partículas. Os revestimentos são formados por meio do empilhamento de splats severamente deformados plasticamente e unidos por endurecimento por trabalho.

Tensões residuais

Em contraste com os processos térmicos, as tensões residuais compressivas ajudam na vida útil da fadiga e na resistência mecânica. As tensões surgem devido à rápida deformação plástica na deposição e ao endurecimento do trabalho nas passagens subsequentes.

Porosidade

Os revestimentos de Cold Spray Metal Fabrication bem depositados contêm significativamente menos porosidade do que os equivalentes de spray térmico, aproximando-se da densidade teórica, auxiliados por mecanismos subjacentes de deformação plástica e jato de metal.

Comparações com a pulverização térmica e outros processos

A pulverização a frio oferece características exclusivas, apesar de utilizar velocidades supersônicas de gás como nas tecnologias de pulverização térmica.

Diferenças em relação à pulverização térmica

A falta de fusão evita problemas como a oxidação, preserva as microestruturas do pó, produz depósitos de maior resistência e protege os substratos devido ao processamento em estado sólido. A ligação mecânica predomina sobre os efeitos metalúrgicos observados em métodos de alto calor, como HVOF e spray de plasma.

Propriedades superiores às de outros revestimentos

Os impactos de partículas sólidas de alta velocidade resultam em revestimentos mais densos, com porosidade reduzida e características mais finas como pulverização, em comparação com os revestimentos por HVOF, arco de arame e spray de chama. As tensões residuais compressivas benéficas também melhoram o desempenho mecânico.

Aplicações que exigem processamento em estado sólido

Ferramentas de fabricação de metais permite o processamento de materiais sensíveis à temperatura, como ligas de alumínio, que não podem ser processadas por meio de pulverização térmica. Ele permite a deposição de nanomateriais e ligas amorfas, mantendo suas propriedades originais devido à ausência de efeitos de aquecimento.

Perspectivas futuras

A pulverização a frio continua a ganhar destaque à medida que as aplicações se diversificam por meio de desenvolvimentos tecnológicos.

As técnicas de design emergentes são promissoras para aproveitar os atributos do spray frio. A CS pode recobrir os canais internos, adicionar recursos complexos e integrar tratamentos de superfície especializados usando abordagens de fabricação híbridas.

As opções de pós-processamento, como o aquecimento indutivo localizado, oferecem oportunidades para reduzir a porosidade sem comprometer o revestimento. Os tratamentos térmicos seletivos também podem melhorar a propriedades mecânicas.

A capacidade inerente da pulverização a frio de depositar em estado sólido uma ampla variedade de materiais de engenharia sem danificar os substratos a torna especialmente adequada para reparo e restauração de componentes críticos para a segurança. Os setores de aviação, infraestrutura de petróleo/gás e geração de energia podem se beneficiar substancialmente do prolongamento da vida útil por meio de revestimentos CS.

As unidades portáteis de fabricação de metal Cold Spray ampliam seu alcance para realizar reparos no local, reduzindo o tempo de inatividade e os custos. A otimização contínua visa reduzir o tamanho do equipamento e, ao mesmo tempo, preservar a qualidade do revestimento e a eficiência do processo. Em geral, a pulverização a frio apresenta um forte potencial para aumentar a produtividade industrial e o impacto econômico em todos os setores, permitindo novas soluções de deposição de materiais.

Conclusão

Concluindo, a pulverização a frio se estabeleceu como um processo de revestimento em estado sólido versátil e benéfico. Ao acelerar as partículas de pó a velocidades supersônicas usando gás comprimido, o cold spray é capaz de depositar mecanicamente uma ampla variedade de materiais de engenharia de maneira livre de oxidação. Isso permite que os revestimentos sejam aplicados sem danificar os substratos termicamente sensíveis.

Em comparação com as técnicas tradicionais de pulverização térmica de alta temperatura, a pulverização a frio oferece vantagens significativas, como a minimização da porosidade, a retenção das propriedades do material e a redução das tensões residuais nos revestimentos. Como resultado, os componentes revestidos usando a fabricação de metais por pulverização a frio geralmente superam os padrões de projeto com propriedades mecânicas que excedem as propriedades do material de base.

Embora tenha sido desenvolvida inicialmente para aplicações de reparo e restauração, a tecnologia de pulverização a frio continua a se expandir para novos setores industriais e domínios de aplicação. O avanço das técnicas de fabricação de projetos híbridos permite a obtenção de geometrias complexas e revestimentos funcionais. Os métodos de pós-processamento também oferecem oportunidades para melhorar ainda mais o desempenho do revestimento.

De modo geral, a natureza de estado sólido e os atributos superiores de revestimento do spray a frio o posicionam bem para diversas necessidades de engenharia. O progresso tecnológico contínuo aponta para o aumento da utilização em setores críticos para o desenvolvimento de novos produtos e para o prolongamento da vida útil dos componentes. A fabricação de metal por pulverização a frio prova ser uma solução de revestimento poderosa que apoia soluções de materiais inovadores e abordagens de fabricação inteligentes do futuro.

Perguntas frequentes

P: O que é spray frio?

R: A pulverização a frio é uma técnica de revestimento que usa um fluxo de gás supersônico para direcionar uma matéria-prima de pó metálico para uma superfície e causar o impacto de partículas de alta energia.

P: Como isso funciona?

R: Um gás inerte, como o hélio ou o nitrogênio, é pressurizado, aquecido e forçado a passar por um bocal de Laval, e as partículas supersônicas viajam com velocidades superiores a 1.000 m/s, o que, ao impactar o substrato, resulta em deformação plástica e colagem.

P: O processo de pulverização a frio é um dos métodos mais recentes usados em revestimentos de superfície, e há vários benefícios que ele possui em relação à pulverização térmica.

R: As vantagens consistem na possibilidade de reduzir a taxa de oxidação, preservando a microestrutura do material de revestimento, obtendo uma estrutura mais densa, uma adesão mais forte e um efeito mais fraco do estresse térmico no substrato.

P: Em que tipo de material o revestimento pode ser aplicado?

R: A pulverização a frio pode, por exemplo, depositar materiais de engenharia que incluem metais e ligas, cerâmicas e alguns polímeros. Isso inclui alumínio, titânio, compostos relacionados ao níquel e aço, inclusive o aço inoxidável. P: Quais são as aplicações comuns? R: Manutenção e reforma de estruturas e peças automotivas, de aviação, de infraestrutura, de maquinário e de fabricação que exigem o prolongamento da vida útil de peças selecionadas.