Parametrização e qualificação do processo plasma – pó (pta-p) em revestimento duro de liga stellite 6 em válvulas de turbinas a vapor

Abstract

O revestimento de componentes de válvulas para turbinas a vapor representa um desafio técnico para setores termoelétrico e de petróleo e gás, nos quais as superfícies operam em condições severas de desgaste e corrosão. O processo de soldagem por Plasma com adição de Pó (PTA-P) apresenta-se como alternativa tecnologicamente superior ao processo TIG manual atualmente empregado na indústria nacional, porém carece de parametrização e qualificação documentadas para a aplicação específica em chanfros de geometria confinada com liga de cobalto. Este trabalho parametrizou e qualificou o processo PTA-P para o revestimento de hastes de válvulas de controle fabricadas em aço martensítico X22CrMoV12-1 com liga Stellite 6 (DURMAT S-6 PTA), utilizando o sistema automatizado DURWELD PW2500-300-T-R. Quatro configurações paramétricas foram avaliadas em duas hastes (A1 e A2), variando-se a corrente principal por camada (80 a 110 A), a vazão de pó (6,4 a 10,8 g/min), a amplitude de oscilação da tocha e os tempos de rampa de descida de corrente e alimentação. As variáveis mantidas fixas foram o pré-aquecimento de 350 °C, a corrente piloto de 20 A e a velocidade de soldagem de 75 cm/min. A qualificação foi conduzida por análise macrográfica, quantificação de diluição, análise dimensional do revestimento em relação ao chanfro, microscopia óptica e ensaios de microdureza Vickers HV 0,1. Os valores de diluição nas seções de regime variaram entre 17,6% e 24,3%, com média de 20,5%, compatíveis com a literatura para soldagem de deposição. A profundidade de penetração apresentou desvios inferiores a 0,4% em relação ao nominal de 4,20 mm em todas as configurações, enquanto a largura excedeu consistentemente o valor nominal de 11,71 mm, indicando espaço para otimização paramétrica futura. A análise microestrutural avaliou zona fundida, zona termicamente afetada e metal de base, com defeitos de solidificação concentrados nas regiões de fechamento de arco, atribuídos ao ajuste dos tempos de rampa de corrente e alimentação de pó. Tal ajuste na configuração A2-H2 eliminou os defeitos volumétricos aparentes, produzindo linha de fusão contínua e geometria constante entre regime e encerramento do arco. Os perfis de microdureza confirmaram revestimentos com dureza média entre 339 ± 56 HV e 389 ± 79 HV em todas as configurações, superiores ao limite do metal de base (~325 HV) e dentro do intervalo típico do Stellite 6 depositado por PTA-P, com pico de 518 HV na zona termicamente afetada de grãos grosseiros da configuração de maior corrente, o que reforça a necessidade de tratamento térmico pós-soldagem. Os resultados demonstram que o processo PTA-P é tecnicamente viável para a aplicação industrial em revestimento de válvulas de turbinas a vapor, com controle paramétrico direto sobre diluição e integridade metalúrgica do revestimento.

The coating of valve components for steam turbines represents a technical challenge for the thermoelectric and oil and gas sectors, in which surfaces operate under severe wear and corrosion conditions. The Plasma Transferred Arc with Powder addition process (PTA-P) presents itself as a technologically superior alternative to the manual TIG process currently employed in the national industry; however, it lacks documented parameterization and qualification for the specific application of cobalt alloy deposition in confined-geometry grooves. This work parameterized and qualified the PTA-P process for the hardfacing of control valve stems manufactured in martensitic steel X22CrMoV12-1 with Stellite 6 alloy (DURMAT S-6 PTA), using the automated system DURWELD PW2500-300-T-R. Four parametric configurations were evaluated on two stems (A1 and A2), varying the main current per layer (80 to 110 A), powder flow rate (6.4 to 10.8 g/min), torch oscillation amplitude, and current and feed ramp-down times. Fixed variables included a preheating temperature of 350 °C, a pilot current of 20 A, and a welding speed of 75 cm/min. Qualification was conducted through macrographic analysis, dilution quantification, dimensional analysis of the coating relative to the groove, optical microscopy, and Vickers microhardness testing at HV 0.1. Dilution values in steady-state cross-sections ranged from 17.6% to 24.3%, with a mean of 20.5%, consistent with the literature for deposition welding. Penetration depth showed deviations of less than 0.4% relative to the nominal value of 4.20 mm across all configurations, while width consistently exceeded the nominal value of 11.71 mm, indicating possibility for future parametric optimization. Microstructural analysis evaluated the fusion zone, heat-affected zone, and base metal, with solidification defects concentrated in arc-closing regions, attributed to the adjustment of current and powder feed ramp times. Such adjustment in the A2-H2 configuration eliminated apparent volumetric defects, producing a continuous fusion line and consistent geometry between the steady-state and arc-closing regions. Microhardness profiles confirmed coatings with mean hardness values between 339 ± 56 HV and 389 ± 79 HV across all configurations, exceeding the base metal limit (~325 HV) and falling within the typical range for Stellite 6 deposited by PTA-P, with a peak of 518 HV in the coarse-grained heat-affected zone of the highest-current configuration, reinforcing the need for post-weld heat treatment. The results demonstrate that the PTA-P process is technically viable for industrial application in the hardfacing of steam turbine valve components, with direct parametric control over dilution and the metallurgical integrity of the coating.