Caracterização química microestrutural e mecânica de ligações Ti6Al4V-Ti6Al4V processadas por brasagem

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

Estudo da influência da temperatura de brasagem nas uniões zircônia/aço inox 304 utilizando metalização mecânica

Metal-Ceramic (M/C) Zirconia-stainless steel interfaces have been processed through brazing techniques due to the excellent combination of properties such as high temperature stability, high corrosion resistance and good mechanical properties. However, some M/C interfaces show some defects, like porosity and cracks results in the degradation of the interfaces, leading even to its total rupture. Most of time, those defects are associated with an improper brazing parameters selection to the M/C system. In this work, ZrO2 Y-TZP and ZrO2 Mg - PSZ were joint with the stainless steel grade 304 by brazing using a eutectic silver-copper (Ag28Cu) interlayer alloy with different thermal cycles. Ceramic surfaces were previous mechanically metallized with titanium to improve adhesion of the system. The effect of temperature on the M/C interface was studied. SEM-EDS and 3 point flexural bend test were performed to evaluate morphology, chemical composition and mechanical resistance of the M/C interfaces. Lower thermal cycle temperatures produced better results of mechanical resistance, and more regular/ homogeneous reaction layers between braze alloy and metal-ceramic surfaces. Also was proved the AgCu braze alloy activation in situ by titanium

Metalização mecânica de ZrO2 com Ti para brasagem ZrO2/Aço com ligas de adição sem metal ativo

Metal/ceramic interfaces using zirconia have dominated the industrial applications in the last decade, due to the high mechanical strength and fracture toughness of zirconia, especially at temperatures below 300 ºC. Also noteworthy is the good ionic conductivity in high temperatures of this component. In this work joining between ZrO2 Y-TZP and ZrO2 Mg-PSZ with austenitic stainless steel was studied. These joints were brazed at high-vacuum after mechanical metallization with Ti using filler alloys composed by Ag-Cu and Ag-Cu-Ni. The influence of the metallization, and the affinity between the different groups (ceramic / filler alloys) was evaluated, in order to achieve strong metal/ceramic joints. Evaluation of joints and interfaces, also the characterization of base materials was implemented using various techniques, such as: x-ray diffraction, leak test, three-point flexural test and scanning electron microscopy with chemical analysis. The microstructural analysis revealed physical and chemical bonds in the metal/ceramic interfaces, providing superior leak proof joints and stress cracking, in order to a good joint in all brazed samples. Precipitation zones and reaction layers with eutetic characteristics were observed between the steel and the filler metal

Influência das técnicas de cimentação, fundição em monobloco e brasagem na adaptação de componentes protéticos de próteses sobre implantes fundidos em Cr-Co

O presente estudo avaliou a adaptação da interface implante/componente protético, utilizando pilares Micro-Units com seus respectivos copings acrílicos (Conexão Sistemas de Prótese – São Paulo – SP – Brasil) e UCLAs (Conexão Sistemas de Prótese – São Paulo – SP – Brasil), por meio de três diferentes técnicas: cimentação (grupo 1), fundição em monobloco (grupo 2) e fundição e brasagem (grupo 3). Foram confeccionados 20 corpos - de- prova, cada corpo apresentava 3 componentes protéticos e duas barras que os unia. Foram utilizados 30 componentes protéticos Micro-Units, 30 copings acrílicos dos Micro-Units (Conexão Sistemas de Prótese – São Paulo – SP – Brasil) e 30 UCLAs (Conexão Sistemas de Prótese – São Paulo – SP – Brasil). Também foram usadas 40 barras cilíndricas de 2mm de diâmetro, obtidas a partir de uma matriz. Cada grupo tinha 10 corpos-de-prova. Os corpos-deprova foram divididos inicialmente em dois grupos. No grupo 1 foram utilizados componentes protéticos Micro-Units e seus respectivos copings acrílicos, os quais foram fundidos em Cr-Co, parafusados e cimentados sobre os Micro-Units. No grupo 2 os componentes protéticos calcináveis (UCLA), foram fundidos em monobloco utilizando-se Cr-Co. Posteriormente foi realizada a separação das peças em monobloco do grupo 2, o qual passou a ser chamado de grupo 3, sendo então submetido à brasagem. Todos os grupos foram mensurados em um estereomicroscópio (SZX12, Olympus, Japan) com aumento de 60X em relação à adaptação, antes e após os procedimentos para a obtenção das estruturas, através de cada técnica. Os resultados mostraram que o grupo 1 apresentou uma adaptação estatisticamente superior, inicial (0,000μm) e final (3,588μm), em relação aos grupos 2 (9,252μm e 325,259μm) e 3 (0,874μm e 121,592μm). O grupo 3 apresentou uma melhora significativa em relação ao grupo 2. A técnica com melhor adaptação foi a cimentação.

Determinação da resistência à flexão de ligas odontológicas, utilizadas em prótese parcial fixa e prótese sobre implante, soldadas por brasagem e a laser

Pós-graduação em Odontologia Restauradora - ICT

Estudo da influência da temperatura de brasagem nas uniões zircônia/aço inox 304 utilizando metalização mecânica

Metal-Ceramic (M/C) Zirconia-stainless steel interfaces have been processed through brazing techniques due to the excellent combination of properties such as high temperature stability, high corrosion resistance and good mechanical properties. However, some M/C interfaces show some defects, like porosity and cracks results in the degradation of the interfaces, leading even to its total rupture. Most of time, those defects are associated with an improper brazing parameters selection to the M/C system. In this work, ZrO2 Y-TZP and ZrO2 Mg - PSZ were joint with the stainless steel grade 304 by brazing using a eutectic silver-copper (Ag28Cu) interlayer alloy with different thermal cycles. Ceramic surfaces were previous mechanically metallized with titanium to improve adhesion of the system. The effect of temperature on the M/C interface was studied. SEM-EDS and 3 point flexural bend test were performed to evaluate morphology, chemical composition and mechanical resistance of the M/C interfaces. Lower thermal cycle temperatures produced better results of mechanical resistance, and more regular/ homogeneous reaction layers between braze alloy and metal-ceramic surfaces. Also was proved the AgCu braze alloy activation in situ by titanium

Efeito de alterações geométricas na resistência de juntas de sobreposição

A utilização de juntas coladas em aplicações industriais tem vindo a aumentar nos últimos anos, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. As juntas de sobreposição simples são o tipo de juntas mais frequentemente utilizadas em aplicações industriais, porque são as mais simples de fabricar. No entanto, a aplicação descentrada da carga neste tipo de junta provoca efeitos de flexão que originam o aparecimento de tensões normais na direção da espessura do adesivo (arrancamento), reduzindo assim a resistência da junta colada. De uma maneira geral, existem dois tipos de métodos para reduzir as concentrações de tensões. O primeiro é utilizar alterações no próprio material, otimizando as propriedades do adesivo e do substrato, enquanto o segundo método envolve alterar a geometria da junta, como por exemplo utilizando filetes de adesivo, chanfros nas extremidades dos substratos, aplicar uma geometria ondulada ou dobrar os substratos na zona de sobreposição, ou ainda utilizar rasgos nos substratos ao longo da sobreposição. Neste trabalho é realizado um estudo experimental e numérico por Elementos Finitos de duas alterações efetuadas à geometria de juntas de sobreposição simples, de modo a aumentar a sua resistência comparativamente às juntas sem alteração geométrica. A primeira condição efetuada foi a utilização de rasgos nas extremidades do comprimento de sobreposição e a segunda foi a utilização de rasgos a meio do comprimento de sobreposição. No final do estudo experimental, verificou-se que a resistência da ligação foi significativamente melhorada com algumas das configurações testadas para cada alteração, e foi possível estabelecer em ambos os casos a configuração ótima. Numa fase posterior, procedeu-se à simulação numérica, que incluiu uma análise de tensões e previsão do comportamento das juntas através de modelos de dano coesivo. A análise permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas. Obteve-se uma concordância bastante boa com os resultados experimentais, o que mostrou a adequabilidade do método de previsão proposto para estimar o comportamento das juntas.

Influência do tipo de adesivo em juntas híbridas soldadas-adesivas

A necessidade de utilizar métodos de ligação entre componentes de forma mais rápida, eficaz e com melhores resultados, tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. A utilização das juntas adesivas tem vindo a aumentar em diversas aplicações industriais por estas apresentarem vantagens das quais se destacam a redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico. No entanto, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas e o descentramento da carga aplicada que provoca efeitos de flexão, os quais dão origem a tensões normais na direcção da espessura do adesivo (tensões de arrancamento), afectando assim a resistência da junta. A combinação da ligação adesiva com a soldadura por pontos permite algumas vantagens em comparação com as juntas adesivas tradicionais como a maior resistência, aumento da rigidez, melhor resistência ao corte e arrancamento e também à fadiga. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas de sobreposição simples adesivas e híbridas (adesivas-soldadas). Os adesivos utilizados são o Araldite AV138®, apresentado como sendo frágil, e os adesivos Araldite 2015® e Sikaforce® 7752, intitulados como adesivos dúcteis. Foram considerados substratos de aço (C45E) em juntas com diferentes comprimentos de sobreposição ( ), que foram sujeitas a esforços de tracção. Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efectuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos por Elementos Finitos (EF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por Modelos de Dano Coesivo (MDC). A análise por MDC permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas com bastante precisão, com excepção das juntas coladas com o adesivo Sikaforce® 7752. Estes resultados permitiram validar a técnica de modelação proposta para as juntas coladas e híbridas, o que representa uma base para posterior aplicação desta técnica em projecto, com as vantagens decorrentes da redução do tempo de projecto e maior facilidade de optimização.

Determinação da tenacidade à fratura de adesivos estruturais em modo misto pelo ensaio Single-Leg Bending

A utilização de juntas adesivas em aplicações industriais tem vindo a aumentar, em detrimento dos métodos tradicionais tais como a soldadura, brasagem e ligações aparafusadas e rebitadas. Este facto deve-se às vantagens que estas oferecem, como o facto de serem mais leves, comportarem-se bem sob cargas cíclicas ou de fadiga, a ligação de materiais diferentes e menores concentrações de tensões. Para aumentar a confiança no projeto de estruturas adesivas, é importante conseguir prever com precisão a sua resistência mecânica e respetivas propriedades de fratura (taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração, GIC, e corte, GIIC). Estas propriedades estão diretamente relacionadas com a Mecânica da Fratura e são estimadas através de uma análise energética. Para este efeito, distinguem-se três tipos de modelos: modelos que necessitam da medição do comprimento de fenda durante a propagação do dano, modelos que utilizam um comprimento de fenda equivalente e métodos baseados no integral J. Como na maioria dos casos as solicitações ocorrem em modo misto (combinação de tração com corte), é de grande importância a perceção da fratura nesta condições, nomeadamente das taxas de libertação de energia relativamente a diferentes critérios ou envelopes de fratura. Esta comparação permite, por exemplo, averiguar qual o melhor critério energético de rotura a utilizar em modelos numéricos baseados em Modelos de Dano Coesivo. Neste trabalho é realizado um estudo experimental utilizando o ensaio Single-Leg Bending (SLB) em provetes colados com três tipos de adesivos, de forma a estudar e comparar as suas propriedades de fratura. Para tal, são aplicados alguns modelos de redução da taxa de libertação de energia de deformação à tração, GI, e corte, GII, enquadrados nos modelos que necessitam da medição do comprimento de fenda e nos modelos que utilizam um comprimento de fenda equivalente. Numa fase posterior, procedeu-se à análise e comparação dos resultados adquiridos durante a fase experimental de GI e GII de cada adesivo. A discussão de resultados foi também feita através da análise dos valores obtidos em diversos envelopes de fratura, no sentido de averiguar qual o critério de rotura mais adequado a considerar para cada adesivo. Foi obtida uma concordância bastante boa entre métodos de determinação de GI e GII, com exceção do adesivo mais dúctil, para o qual o método baseado no comprimento de fenda equivalente apresentou resultados ligeiramente superiores.

Técnicas avançadas de controlo não destrutivo para ligações de ligas com memória de forma a aços de construção civil

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Microestrutura e resistência à corrosão do Ti c.p. soldado a laser utilizando em prótese sobre implantes

Foram realizados estudos para avaliar a microestrutura, a dureza e a resistência à corrosão do titânio comercialmente puro-Ti c.p. soldado por laser e utilizado na confecção de prótese sobre implantes. Verificou-se que na soldagem a laser a microestrutura apresentou três regiões distintas: o cordão de solda, a zona afetada pelo calor - ZAC e o metal base. O Ti c.p. possui microestrutura granular, a microestrutura do cordão de solda é mais refinada e de maior dureza do que o metal base. A ZAC obtida por este processo de soldagem foi relativamente pequena quando comparada com o processo de soldagem por brasagem. Os ensaios eletroquímicos mostraram que a região da solda apresentou menor resistência à corrosão em meio de NaCl 0,15 molL-1 à temperatura ambiente.

Adesão de filme auto-sustentado de diamante CVD em metal duro

O objetivo deste trabalho foi desenvolver conhecimento científico e tecnológico sobre o mecanismo de adesão de filmes de diamante CVD em metal duro. Foi estudado de forma sistemática o processo de brasagem reativa convencional em vácuo, com liga de AgCuTi, onde foram avaliados os efeitos do tempo, da temperatura e da atmosfera durante o processo de brasagem. O grau de aderência foi avaliado por um ensaio de tração mecânica adaptado. Os melhores resultados foram obtidos para brasagem em vácuo, em temperaturas na faixa de 900 a 920 oC e tempos de 3 a 20 minutos. Tendo em vista as limitações da brasagem em vácuo, relacionadas à reatividade do elemento reativo, o Ti, a baixa resistência da liga (à base de cobre e prata, que são metais macios) e a necessidade de uma atmosfera controlada para evitar a oxidação do próprio diamante na faixa de temperatura utilizada, foi desenvolvido neste trabalho um novo método de Adesão e brasagem de filmes auto-sustentados de diamante CVD em metal duro. Este método utiliza altas pressões e altas temperaturas para promover a adesão, utilizando câmaras simples e de baixo custo. Os resultados obtidos mostraram ser possível unir diamante ao metal duro com ou sem o material de adição, em condições de pressão e temperatura adequadas. As vantagens de utilizar alta pressão relacionam-se à possibilidade de manter o diamante estável em altas temperaturas, minimizar as falhas de preenchimento na interface entre o diamante e o metal duro, facilitar a difusão na interface, através das fronteiras de grão, promover o ancoramento e minimizar a espessura da película de brasagem quando utilizado o material de adição O grau de aderência das amostras foi avaliado através de um ensaio de cisalhamento e os resultados foram excelentes. No caso da adesão direta em altas pressões, sem o material de adição, o mecanismo responsável pela aderência provavelmente está relacionado ao ancoramento induzido pela pressão e à difusão do cobalto, presente no metal duro, para a interface com o diamante, servindo como uma espécie de “cola”. Entretanto, esta “cola” atua como catalisador para o carbono e pode interferir na estabilidade do filme de diamante. De fato, para adesão direta a 2,5 GPa e 1200 oC, observou-se a completa grafitização do filme de diamante. Este grafite apresentou alto grau de cristalinidade e de orientação preferencial, com planos basais não paralelos à superfície de interface. Para adesão direta a pressões dentro da região de estabilidade termodinâmica do diamante, este permaneceu íntegro e, inclusive, observou-se uma melhora na cristalinidade para adesão direta a 7,7 GPa e 1500 oC. Na adesão direta em alta pressão, é preciso levar em consideração a cinética do processo de adesão, relacionada à difusão do cobalto, e a estabilidade de fase do diamante. Na brasagem em alta pressão, foram obtidos resultados positivos para processamentos a 2,5 GPa e 4 GPa, na mesma faixa de temperatura utilizada na brasagem convencional. Como estas temperaturas são menores, não houve grafitização do filme a 2,5 GPa. A 7,7 GPa, a liga ficou completamente aderida ao diamante e não houve a união com o metal duro. Isso ocorreu pela diferença de compressibilidade da liga em relação ao diamante e ao metal duro Foram produzidas algumas ferramentas utilizando a brasagem convencional, as quais foram afiadas e testadas em condições de usinagem, com resultados satisfatórios.

Construção, caracterização e aplicação de eletrodos para descarga por arco de cátodo oco

The system built to characterize electrodes and, consequently, deposited fine films are constituted by a hollow cathode that works to discharges and low pressures (approximately 10-3 to 5 mbar), a source DC (0 to 1200 V), a cylindrical camera of closed borossilicato for flanges of stainless steel with an association of vacuum bombs mechanical and spread. In the upper flange it is connected the system of hollow cathode, which possesses an entrance of gas and two entrances for its refrigeration, the same is electrically isolated of the rest of the equipment and it is polarized negatively. In front of the system of hollow cathode there is a movable sample in stainless steel with possibility of moving in the horizontal and vertical. In the vertical, the sample can vary its distance between 0 and 70 mm and, in the horizontal, can leave completely from the front of the hollow cathode. The sample and also the cathode hollow are equipped with cromel-alumel termopares with simultaneous reading of the temperatures during the time of treatment. In this work copper electrodes, bronze, titanium, iron, stainless steel, powder of titanium, powder of titanium and silício, glass and ceramic were used. The electrodes were investigated relating their geometry change and behavior of the plasma of the cavity of hollow cathode and channel of the gas. As the cavity of hollow cathode, the analyzed aspects were the diameter and depth. With the channel of the gas, we verified the diameter. In the two situations, we investigated parameters as flow of the gas, pressure, current and applied tension in the electrode, temperature, loss of mass of the electrode with relationship at the time of use. The flow of gas investigated in the electrodes it was fastened in a work strip from 15 to 6 sccm, the constant pressure of work was among 2.7 to 8 x 10-2 mbar. The applied current was among a strip of work from 0,8 to 0,4 A, and their respective tensions were in a strip from 400 to 220 V. Fixing the value of the current, it was possible to lift the curve of the behavior of the tension with the time of use. That curves esteem in that time of use of the electrode to its efficiency is maximum. The temperatures of the electrodes were in the dependence of that curves showing a maximum temperature when the tension was maximum, yet the measured temperatures in the samples showed to be sensitive the variation of the temperature in the electrodes. An accompaniment of the loss of mass of the electrode relating to its time of use showed that the electrodes that appeared the spherical cavities lost more mass in comparison with the electrodes in that didn't appear. That phenomenon is only seen for pressures of 10-2 mbar, in these conditions a plasma column is formed inside of the channel of the gas and in certain points it is concentrated in form of spheres. Those spherical cavities develop inside of the channel of the gas spreading during the whole extension of the channel of the gas. The used electrodes were cut after they could not be more used, however among those electrodes, films that were deposited in alternate times and the electrodes that were used to deposit films in same times, those films were deposited in the glass substrata, alumina, stainless steel 420, stainless steel 316, silício and steel M2. As the eletros used to deposit films in alternate time as the ones that they were used to deposit in same times, the behavior of the thickness of the film obeyed the curve of the tension with relationship the time of use of the electrode, that is, when the tension was maximum, the thickness of the film was also maximum and when the tension was minimum, the thickness was minimum and in the case where the value of the tension was constant, the thickness of the film tends to be constant. The fine films that were produced they had applications with nano stick, bio-compatibility, cellular growth, inhibition of bacterias, cut tool, metallic leagues, brasagem, pineapple fiber and ornamental. In those films it was investigated the thickness, the adherence and the uniformity characterized by sweeping electronic microscopy. Another technique developed to assist the production and characterization of the films produced in that work was the caloteste. It uses a sphere and abrasive to mark the sample with a cap impression, with that cap form it is possible to calculate the thickness of the film. Through the time of life of the cathode, it was possible to evaluate the rate of waste of its material for the different work conditions. Values of waste rate up to 3,2 x 10-6 g/s were verified. For a distance of the substratum of 11 mm, the deposited film was limited to a circular area of 22 mm diameter mm for high pressures and a circular area of 75 mm for pressure strip. The obtained films presented thickness around 2,1 µm, showing that the discharge of arch of hollow cathode in argon obeys a curve characteristic of the tension with the time of life of the eletrodo. The deposition rate obtained in this system it is of approximately 0,18 µm/min

Estudo da molhabilidade de ligas de adição à base de prata sobre insertos cerâmicos para aplicação em brocas perfuração de poços de petróleo

Metal-ceramic interfaces are present in tricone drill bits with hard ceramic inserts for oil well drilling operations. The combination of actions of cutting, crushing and breaking up of rocks results in the degradation of tricone drill bits by wear, total or partial rupture of the drill bit body or the ceramic inserts, thermal shock and corrosion. Also the improper pressfitting of the ceramic inserts on the bit body may cause its total detachment, and promote serious damages to the drill bit. The improvement on the production process of metal-ceramic interfaces can eliminate or minimize some of above-mentioned failures presented in tricone drill bits, optimizing their lifetime and so reducing drilling metric cost. Brazing is a widely established technique to join metal-ceramic materials, and may be an excellent alternative to the common mechanical press fitting process of hard ceramic inserts on the steel bit body for tricone drill bit. Wetting phenomena plays an essential role in the production of metal/ceramic interfaces when a liquid phase is present in the process. In this work, 72Silver-28Copper eutectic based brazing alloys were melted onto zirconia, silicon nitride and tungsten carbide/Co substrates under high vacuum. Contact angle evolution was measured and graphically plotted, and the interfaces produced were analysed by SEM-EDX. The AgCu eutectic alloy did not wet any ceramic substrates, showing high contact angles, and so without chemical interaction between the materials. Better results were found for the systemns containing 3%wt of titanium in the AgCu alloy. The presence os titanium as a solute in the alloy produces wettable cand termodinamically stable compounds, increasing the ceramics wetting beahviour

Microestrutura e resistência à corrosão do Ti c.p. soldado a laser utilizando em prótese sobre implantes

Foram realizados estudos para avaliar a microestrutura, a dureza e a resistência à corrosão do titânio comercialmente puro-Ti c.p. soldado por laser e utilizado na confecção de prótese sobre implantes. Verificou-se que na soldagem a laser a microestrutura apresentou três regiões distintas: o cordão de solda, a zona afetada pelo calor - ZAC e o metal base. O Ti c.p. possui microestrutura granular, a microestrutura do cordão de solda é mais refinada e de maior dureza do que o metal base. A ZAC obtida por este processo de soldagem foi relativamente pequena quando comparada com o processo de soldagem por brasagem. Os ensaios eletroquímicos mostraram que a região da solda apresentou menor resistência à corrosão em meio de NaCl 0,15 molL-1 à temperatura ambiente.