Avaliação tribológica de revestimentos compósitos de matriz metálica à base de níquel reforçados com WC produzidos por deposição por energia direcionada a laser

Abstract

A busca por novas tecnologias, principalmente nos setores de engenharia de alta performance, se mantém em ritmo acelerado por meio do desenvolvimento de novos produtos e materiais. O uso do Laser como ferramenta de processamento contribui com este propósito e vem alcançando diferentes mercados e aplicações por meio de processos como a deposição de camadas/revestimentos de materiais mais resistentes em regiões críticas, onde componentes estão sujeitos à ação localizada de efeitos como o desgaste por abrasão, o que caracteriza a finalidade e o processo do Laser Cladding. O processo de Deposição por Energia Direcionada (DED ? Directed Energy Deposition), possibilita a deposição de revestimentos em superfícies, o que caracteriza o Laser Cladding, apresentando como características rápida solidificação, baixa taxa de diluição, pequenas deformações térmicas e alta aderência metalúrgica entre o revestimento e o substrato. Porém, o domínio da técnica e a estabilidade do processo, quando utilizadas novas matérias primas, como pós compósitos de matriz metálica (MMCs), ainda é um desafio para a literatura, devido ao processo apresentar uma série de parâmetros que podem ser alterados, além do fator de interação físico, químico e óptico entre o Laser e os materiais envolvidos. Neste contexto, um dos objetivos deste presente trabalho é encontrar uma faixa de parâmetros na qual seja possível realizar uma deposição com um menor número de defeitos possível por Laser Cladding de novos MMCs e, então, investigar o desempenho tribológico destes MMCs com matriz à base de duas diferentes ligas de níquel, com adição de 20 e 30% em volume de carboneto de tungstênio (WC) como elemento de reforço. As ligas à base de níquel utilizadas como matriz metálica dos MMCs são a liga 1559-40 (0,06C-3Si-2,9B-0,2Fe-Ni) e a liga 1560-00 (0,75C-4,3Si-3,1B-3,7Fe-14,8Cr-Ni), ambas comumente utilizadas em revestimentos. Além disso, foi testado a liga comercial Rockit® 401 à base de ferro (0,15C-18Cr-0,5Mo-2,5Ni-Fe), de elevada dureza e resistência ao desgaste, para comparação nos resultados tribológicos. O ensaio tribológico realizado foi o ASTM G65, que consiste no ensaio abrasivo de roda de borracha e areia. A superfície desgastada foi analisada por microscopia eletrônica de varredura e EDS, com o intuito de identificar os mecanismos de desgaste gerados nos diferentes MMCs e também, foi investigada a influência da microdureza sobre a resistência ao desgaste abrasivo. Os resultados indicam que o aumento da fração de WC na matriz metálica proporciona menor perda volumétrica e maior resistência à abrasão, chegando a uma perda volumétrica até 95% menor quando comparado ao material compósito com a matriz em seu estado puro. Esta resistência também está relacionada com a microdureza e o desempenho de ancoragem das partículas duras de WC em cada matriz metálica. Porém, existe um limite de processabilidade quando se utiliza alto percentual de fase de reforço, gerando reações químicas e térmicas na matriz metálica, causando defeitos estruturais no revestimento compósito depositado. Além disso, os diferentes mecanismos de desgaste abrasivo são influenciados pela alteração da composição química da matriz metálica, que influencia no intertravamento mecânico entre o reforço e a matriz, o que pode levar ao desgaste adesivo e frágil, gerando maiores perdas volumétricas durante o ensaio abrasivo.

Abstract: The search for new technologies, especially in high-performance engineering sectors, continues at a fast pace through the development of new products and materials. The use of Laser as a processing tool contributes to this purpose and has been reaching different markets and applications through processes such as the deposition of layers/coatings of more resistant materials in critical regions, where components are subject to localized effects such as abrasion wear, which characterizes the purpose and process of Laser Cladding. The Directed Energy Deposition (DED) process enables the deposition of coatings on surfaces, which characterizes Laser Cladding, presenting as characteristics fast solidification, low dilution rate, small thermal deformations and high metallurgical adhesion between the coating and the substrate. However, mastering the technique and process stability when using new raw materials, such as metal matrix composites (MMCs), is still a challenge in the literature, since the process presents a series of parameters that can be changed, in addition to the physical, chemical and optical interaction factor between the Laser and the materials involved. In this context, one of the objectives of this work is to find a range of parameters in which it is possible to perform a deposition with the lowest possible number of defects by Laser Cladding of new MMCs and, then, to investigate the tribological performance of these MMCs with a matrix based on two different nickel alloys, with the addition of 20 and 30% by volume of tungsten carbide (WC) as a reinforcing element. The nickel-based alloys used as the metal matrix of the MMCs are the 1559-40 alloy (0.06C-3Si-2.9B-0.2Fe-Ni) and the 1560-00 alloy (0.75C-4.3Si-3.1B-3.7Fe-14.8Cr-Ni), both commonly used in coatings. In addition, the commercial iron-based alloy Rockit® 401 (0.15C-18Cr-0.5Mo-2.5Ni-Fe), with high hardness and wear resistance, was tested for comparison in the tribological results. The tribological test performed was the ASTM G65, which consists of the abrasive rubber wheel and sand test. The worn surface was analyzed by scanning electron microscopy and EDS, in order to identify the wear mechanisms generated in the different MMCs and also, the influence of microhardness on the resistance to abrasive wear was investigated. The results indicate that increasing the WC fraction in the metal matrix provides lower volumetric loss and greater abrasion resistance, reaching a volumetric loss up to 95% lower when compared to the composite material with the matrix in its pure state. This resistance is also related to the microhardness and anchoring performance of the hard WC particles in each metal matrix. However, there is a processability limit when using a high percentage of reinforcement phase, generating chemical and thermal reactions in the metal matrix, causing structural defects in the deposited composite coating. In addition, the different abrasive wear mechanisms are influenced by the change in the chemical composition of the metal matrix, which influences the mechanical interlocking between the reinforcement and the matrix, which can lead to adhesive and brittle wear, generating greater volumetric losses during the abrasive test.