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21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil
ASPERSÃO TÉRMICA DE ZrO2-8Y2O3 PARA BARREIRA TÉRMICA EM
COLETORES DE EXAUSTÃO DE VEÍCULOS DE ALTA PERFORMANCE
(FÓRMULA SAE).
W. Giallonardo¹, C. Zavaglia¹
Av. Melchert, 985 apto.82, Chácara Seis de Outubro , São Paulo, SP - Brasil,
03508-000, [email protected]
¹Departamento de Engenharia de Manufatura e Materiais - DEMM - Faculdade de
Engenharia Mecânica - FEM - Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP
RESUMO
O presente trabalho propõe um método para obtenção de barreira térmica em
coletores de exaustão para veículos de alta performance. O método consiste na
deposição cerâmica de Zircônia estabilizada 8% com Ítria (ZrO2-8Y2O3) pelo método
de Plasma Spray, melhorando assim o isolamento térmico do conjunto. Para verificar
a eficiência da barreira térmica foram feitos estudos em corpos de prova de aço
inoxidável AISI 304 aspergidos com Zircônia Ítria, em corpos de prova revestidos
com fita térmica composta por fibra cerâmica e em corpos de prova com ambas
aplicações. Assim obteve-se parâmetros de comparação entre os métodos
convencionais (barreiras metálicas e materiais isolantes térmicos) e o método de
deposição de Zircônia estabilizada 8% com Ítria. Concluiu-se que os experimentos
com recobrimento cerâmico e fita térmica quando usados em conjunto teve a melhor
eficiência, seguido do experimento onde foi feito apenas recobrimento cerâmico e do
que foi usado a fita térmica.
Palavras-chave: Zircônia Ítria, aspersão térmica a plasma spray, coberturas
cerâmicas, fórmula SAE.
INTRODUÇÃO
Em motores de combustão interna um dos maiores problemas encontrados é o
calor gerado e a refrigeração, principalmente em veículos de alta performance que
geralmente são levados a situações mais críticas e trabalham em faixas de rotação
bem maiores que veículos convencionais. Os gases de exaustão podem chegar a
temperaturas de 1000K em veículos de competição(1).
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A dissipação de calor e a diferença de temperatura na saída dos cilindros pode
trazer inúmeros aspectos negativos para o bom funcionamento do mesmo, como
disparidade na velocidade dos gases de saída e disparidade de carga nos cilindros,
ainda há o aumento de temperatura no cofre do motor, aquecendo o sistema de
admissão e demais componentes ao redor do sistema de exaustão.
No caso de veículos de Fórmula SAE, devido ao seu tamanho, o motor está
posicionado atrás do condutor, com os dutos do coletor de exaustão posicionados
em direção às costas do condutor, estudos em anos anteriores com termopares
mostraram que os gases no coletor de exaustão próximo ao cabeçote chegam a
temperaturas de até 720ºC, havendo um problema ergonômico e podendo gerar
desconforto e até mesmo queimaduras ao condutor. Há ainda ganhos, pois ao isolar
de maneira mais eficiente o coletor de exaustão ocorre um aumento da velocidade
dos gases de escape devido à diminuição da densidade, que é benéfica para o
motor termodinamicamente e que resulta numa melhora de desempenho do motor e
num menor aquecimento do bloco e do sistema de arrefecimento, entre outros.
Uma nova solução depois de estudo foi formulada: materiais cerâmicos podem
ter diversas finalidades, uma delas é como barreira térmica, e um dos métodos mais
eficientes para recobrir uma superfície metálica com cerâmica é o processo de
"Aspersão térmica a Plasma Spray" que será chamado nesse trabalho de ATPS.
A solução foi recobrir o substrato metálico de aço inoxidável AISI 304 pela
Zircônia estabilizada com 8% de Ítria (ZrO2-8Y2O3), que se mostrou muito eficiente
quando usada como barreira-térmica em outros usos. O objetivo principal então é
verificar e atestar que a barreira térmica tida por ATPS é mais eficiente para o uso
em questão do que os métodos convencionais (fita térmica de fibra de vidro, fita
térmica de fibra cerâmica e metal sem proteção).
Seu maior uso se dá a nível industrial e aeronáutico, usada principalmente no
recobrimento cerâmico de palhetas de turbinas, e já há usos no setor energético. (2)
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
O pó de zircônia estabilizada com ítria escolhido foi o Sulzer Metco
manufaturado por aglomeração e densificação (HOSPtm - Hollow Oven Spherical
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Powder) de código 204B-NS(2), fornecido pelo Laboratório de Aspersão do
LABIOMEC que adquiriu diretamente da Sulzer Metco.Suas características são: Um
pó com excelente fluência, homogeneidade química, estabilidade estrutural e alta
pureza. Voltado para ser utilizado como proteção térmica em temperaturas de até
1250ºC (o que atende a utilização em coletores de exaustão). A Tabela 1 mostra as
características desse material.
Tabela 1 - Características e recomendações para o pó 204B-NS(3 e 4)
Para o substrato foi usado aço inoxidável AISI 304 ASTM A554 em perfil
tubular com diâmetro externo de 50,8mm e parede com espessura de 2mm,
fornecido pela equipe FSAE Unicamp que adquiriu com a empresa Carbinox, de
Mogi das Cruzes - SP. Mesmo material da confecção do coletor de exaustão do
protótipo F2011 fabricado pela equipe e amplamente utilizado para a confecção de
coletores de exaustão personalizados pois apresenta características de ductilidade
adequadas para o processo de dobras, resistência à corrosão para evitar oxidação
excessiva, e temperatura de fusão adequada(1400ºC-1455ºC).
A fita térmica utilizada para comparação foi a Fita Térmica SPA de cód.
ACTERM07, com largura de 25,4mm, espessura de 1,7mm, adquirida em rolos de
10m de comprimento. Adquirida na SPA Turbo, de São Paulo - SP. Fabricada em
fios de fibra cerâmica, tem alta capacidade de isolamento térmico, com temperatura
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máxima de trabalho de 1.260°C e carga de ruptura de 20 kgf/cm. Suas propriedades
atendem os requisitos de isolamento de um coletor de exaustão.
A ATPS foi feita no Laboratório de Aspersão Térmica do LABIOMEC - DEMM,
um sistema Sulzer-Metco com aplicador MBN 3MB-II, alimentador de pó 4MP,
trocador de calor 4ME e unidade de controle MCN.
As abraçadeiras utilizadas para fixar a fita térmica foram Flexil Jet de 50,8mm,
fabricadas em aço inoxidável 304 e fabricada pela Metalúrgica Suprens LTDA,
adquiridas na loja O Seringueiro, de Campinas - SP.
Métodos
A ideia para os experimentos foi simular a situação de um duto de exaustão
utilizando-se de um maçarico oxi-acetileno com ponta de solda como fonte para os
gases e para atingir a temperatura exigida. O planejamento experimental foi
elaborado tomando como base um experimento teste para achar os parâmetros
adequados e condizentes com a situação real de um coletor de exaustão, achando
também os pontos de calibração da mistura oxigênio/acetileno do maçarico,
distâncias e posições de termopares e comprimentos de dutos. Para isso foi tomada
uma amostra teste de 1,2m sem nenhum tipo de barreira térmica, simulando um
sistema sem isolamento, e foram colocados termopares na região interna e na
região externa do tubo, para verificar a eficiência do isolamento.
Assim com o auxílio do equipamento para aquisição de dados configurado a
5Hz, dois pares de termopares e um computador, chegou-se nos seguintes
parâmetros: Amostras teste com 300mm de comprimento, tempo de duração do
teste de 20 minutos para estabilização das temperaturas internas e externas
(duração da maior prova na competição de um Fórmula SAE), chama rica da mistura
oxigênio/acetileno (devido às altas temperaturas da chama estequiométrica),
termopares internos e externos posicionados a 130mm da entrada da chama, todo o
sistema isolado com o auxílio de mantas de lã de rocha para que as variações
ambiente não influenciem nos termopares. No final dos 20 minutos o isolamento foi
retirado para se aquisitar e verificar como a temperatura se comportava quando o
sistema estivesse exposto ao ambiente.
Para a preparação do substrato, as oito amostras de 300mm foram cortadas
com a ajuda da serra horizontal do laboratório de solidificação, depois de terminados
os cortes foram retiradas as rebarbas em escova de aço no esmeril, e por último foi
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feito uma limpeza das amostras com água e detergente, para a retirada do óleo de
corte. Foi utilizada Alumina (99% Al2O3)(5) para jatear as amostras para que tivessem
total limpeza superficial e aumento da rugosidade superficial, os processos finais
antes da ATPS foram uma posterior limpeza com jato de água e secagem ao ar, o
equipamento utilizado foi o do LABIOMEC da UNICAMP.
Os parâmetros de ATPS foram: Aplicação em atmosfera não controlada,
corrente de arco 600A, tensão de arco 70V, fluxo primário (Ar) de 40L/min,
secundário (H2) de 12L/min, distância de aplicação de 100mm. O pó foi colocado
num forno elétrico antes da deposição a 350K por 2h para a secagem do mesmo.
Como o processo de ATPS foi feito em amostras tubulares, utilizou-se uma castanha
para fixar as amostras e efetuar a revolução da mesma, facilitando a ATPS e
deixando-a mais homogênea no decorrer do processo. Foram feitas 6 amostras:
duas com ATPS, duas com fita térmica, e duas com ATPS + fita térmica.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A seguir serão apresentadas as curvas Temperatura x Tempo dos 6
experimentos
com
medições
dos
termopares
internos
e
externos.
Figura 1 - Curva Temperatura(ºC) x Tempo(min) - Tubos com ATPS de ZrO2-8Y2O3.
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Figura 2 - Curva Temperatura(ºC) x Tempo(min) - Tubos com fita térmica.
Figura 2- Curva Temperatura(ºC) x Tempo(min)- Tubos com ambas aplicações.
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Tabela 2 - Resumo dos resultados e principais pontos.
ΔTm ΔTm Tmax
Tmax
Experimento
Isolado
Exposto*
interno
externo
1
95ºC
180ºC
730ºC
655ºC
Tubos com ATPS
2
105ºC
550ºC **
700ºC
595ºC
3
52,5ºC
250ºC
730ºC
600ºC
Tubos com "fita térmica"
4
55ºC
200ºC
740ºC
648ºC
5
260ºC
300ºC
820ºC
645ºC
Tubos com ATPS + "Fita
térmica"
6
270ºC
450ºC
870ºC
625ºC
* Resultados desta coluna são mais suscetíveis a variações ambientes
** Termopar foi mantido a 10mm da parede externa para análise de componentes nessa distância
CONCLUSÕES
Analisando a tabela 2 verificou-se que os tubos com os dois tipos de barreira
térmica apresentaram diferenças de temperatura no intervalo isolado de 265ºC
(média dos dois experimentos). Isso significa uma diferença 5 vezes maior que as
médias dos tubos com fita térmica e 2,6 vezes maior que os tubos com ATPS. Por
sua vez os tubos com ATPS apresentaram ΔTm nessa região 2 vezes maior que os
tubos com fita térmica. No intervalo exposto verifica-se um ΔTm dos ensaios com os
dois tipos de barreira 1,6 vezes maior que os ensaios com fita térmica e 2 vezes
maior que o ensaio 1 com ATPS. A eficiência do ensaio com fita térmica nesse
intervalo ter sido maior que nos ensaios com ATPS se deve provavelmente ao fato
de quando há a retirada do isolamento o experimento fica propício a variações do
ambiente. No ensaio 2 do tubo com ATPS foi feito um experimento a parte nesse
intervalo, e concluiu-se que os componentes deixados a 10mm da superfície do tubo
com algum tipo de barreira térmica tem um ΔTm até 3,05 vezes maior que os
encostados na parede externa do tubo, verificando assim a importância de não
deixar componentes em contato com o coletor de exaustão do veículo.
Verifica-se com as temperaturas máximas que todos os experimentos atingiram
temperaturas semelhantes para os termopares externos, e os tubos que
apresentaram maiores ΔTm atingiram maiores temperaturas também nos termopares
internos. Com isso concluiu-se também que o método com duas barreiras térmicas
consegue isolar o calor no interior do tubo de maneira mais eficiente que os outros
dois métodos, aumentando as velocidades de gases de escape sem aquecer
demasiadamente o ambiente externo.
Sendo assim conclui-se que o método mais apropriado entre os três para o uso
em veículos de competição é a utilização de dois métodos em conjunto, a ATPS de
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Zircônia Ítria 8% recoberta com fita térmica, seguido pelo método com aplicação de
ATPS somente e pelo método com aplicação de fita térmica.
REFERÊNCIAS
1. PROVASE, I.S. Análise térmica e dos efeitos de ressonância dos gases de
exaustão de um Fórmula 1 . 2011. 1p. Trabalho de Conclusão de Curso Universidade Politécnica da USP.
2. STOVER, D., FUNKE, C., Directions of the development of thermal barrier
coatings in energy applications. Journal of Materials Processing Technology, v.
92-93, p. 195-202, 1999.
3. SULZER METCO - Thermal Spray Material Guide . Technical Bulletin Issue: May
2012.
4. SULZER METCO . Thermal Spray Material Guide . Technical Bulletin Issue: Feb
2012.
5. LIMA, C .R. P. Caracterização de Coberturas Depositadas Por Aspersão
Térmica a Plasma. 2001. 56p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) Universidade Estadual de Campinas.
PLASMA SPRAY COATING OF ZrO2-8Y2O3 FOR THERMAL BARRIER PURPOSE
IN EXHAUST MANIFOLD OF HIGH PERFORMANCE VEHICLES (FORMULA
SAE).
ABSTRACT
This paper proposes a method for obtaining a thermal barrier in exhaust
manifold of high performance vehicles. The method consists in the deposition of 8%
Yttria Stabilized Zirconia (ZrO2-8Y2O3) by the Plasma Spray method, thereby
improving the thermal insulation of the system. To verify the efficiency of the thermal
barrier, studies were made on samples of AISI 304 Stainless Steel sprayed with
Yttria Stabilized Zirconia, in samples coated with thermal tape composed of ceramic
fiber and samples with both applications. Thus we obtained parameters for
comparison between conventional methods (metal barriers and thermal insulation
materials) and the Yttria Stabilized Zirconia coating method. It was concluded that
the experiments with ceramic coating and thermal tape when used in combination
has the best efficiency, followed by the experiment where only ceramic coating has
been made by that where the thermal tape has been used.
Key-words: Yttria Zirconia, Plasma Spray, Ceramic Coatings, Formula SAE.
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