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Dissertação de Mestrado Conjunto Europeu em Tribologia de Superficies e Interfaces apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia One of the typical causes of degradation of machinery components in a fluid flow is the cavitation-erosion [1]. Component failure is caused by material removal due to exposure to the repetitive implosion of air bubbles called cavities to the component’s surface [2]. Cavitation-erosion is a phenomenon of complex nature, which includes properties and hydrodynamic factors of liquid, as well as properties of the solid body exposed to the cavitation erosion as microstructure, surface properties as hardness, and properties of bulk material as density, Young modulus, etc.Design and definition of service parameters of many machinery components such as water turbines’ blades, control valves, curved sections of pipelines, rotors of centrifugal pumps, etc. exposed to cavitation effect require well-defined test methods to evaluate cavitation-erosion and estimate cavitation-erosion resistance properties of materials. Several test methods based on cavitation-erosion were developed for these purposes, results are used for the evaluation of cavitation-erosion resistance of specific materials. The objective of undertaken work is the cavitation-erosion resistance calculation of several sintered composites and improvement of existing cavitation-erosion testing method. Suggested method could be used for quality assessment of composed material and different manufacturing method, for example comparison of sintered components and components produced by additive manufacturing using the same material composition. The alternative method of additive manufacturing still raises many problems due to the typical defects such as undesired porosity and cracking, which potentially have a significant effect on cavitation-erosion resistance of the material.In the present research work, cavitation-erosion resistance of the following material produced with conventional powder metallurgy method has been analyzed: WC-Co, WC-Ni, WC-CoNi, WC-CoCr, WC-NiCr, WC-CoNiCr and WC-NiCrMo. The comparison of materials’ cavitation-erosion resistance values let us choose the best material in relation to resistance to cavitation erosion, comparison of different binders reveal different erosion mechanisms, what also provides the data for further comparison with additive manufactured material with the same composition. Uma das causas típicas de degradação de componentes de máquinas em um fluxo de fluido é a erosão provocada por cavitação [1]. A falha do componente é causada pela remoção de material devido à exposição à implosão repetitiva de bolhas de ar chamadas cavidades na superfície do componente [2].O objetivo do trabalho realizado é o cálculo da resistência à erosão por cavitação de vários compósitos sinterizados e melhoria do método de teste de erosão por cavitação existente. O método sugerido pode ser usado para avaliação de qualidade de material composto e método de fabricação diferente, por exemplo, comparação de componentes sinterizados e componentes produzidos por manufatura aditiva usando a mesma composição de material. O método alternativo de manufatura aditiva ainda gera muitos problemas devido aos defeitos típicos, como porosidade indesejada e trincas, que potencialmente têm um efeito significativo na resistência à erosão por cavitação do material.Na presente pesquisa, foi analisada a resistência à erosão por cavitação dos seguintes materiais produzidos pelo método convencional da metalurgia do pó: WC-Co, WC-Ni, WC-CoNi, WC-CoCr, WC-NiCr, WC-CoNiCr e WC-NiCrMo. Uma comparação de diferentes ligantes revela mecanismos de erosão semelhantes com taxas de erosão significativamente diferentes, o que também fornece dados para comparação posterior com material fabricado aditivado com a mesma composição.Verificou-se que os compósitos à base de WC com ligantes à base de cromio e níquel, proporcionaram maior resistência à erosão por cavitação em comparação com ligantes à base de cobalto e molibdênio. Constatou-se também que o ligante de cobalto mais utilizado fornece o menor valor de resistência à cavitação-erosão da ordem de 2.82e-3 mm3/hora, e o desempenho de outros compósitos foi até 4000 vezes menor com o ligante WC-NiCr, proporcionando o maior resistência à erosão por cavitação da ordem de 6,6e-7 mm3/hora. O tempo total do experimento foi de 120 horas, o que nos permitiu observar os estágios de aceleração e desaceleração da cavitação-erosão.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Com o principal objetivo de avaliar o conhecimento do comportamento tribológico de revestimentos, comummente usados em diversos setores industriais, em aplicações onde é necessária elevada resistência ao desgaste, estudaram-se doze pares tribológicos constituídos por seis revestimentos diferentes correspondentes a três famílias de revestimentos distintas: nitreto de titânio silício (TiSiN), crómio (Cr) e diamond like carbon (DLC). Os revestimentos foram produzidos no Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Universidade de Coimbra (UC) recorrendo a uma técnica denominada de pulverização catódica por magnetrão com impulsos de alta potência (HiPIMS - High Power Impulse Magnetron Sputtering). Na realização dos ensaios tribológicos foram utilizados dois métodos distintos para aferir o atrito, energia dissipada em sistemas vibratórios e indentação deslizante. A técnica citada em primeiro, baseia-se na avaliação do movimento livre de vibração com amortecimento de um sistema massa-mola, induzido por um impulso mecânico onde o contacto entre o dispositivo vibratório e a amostra a analisar atua como uma dissipação suplementar de energia. O atrito é determinado através da análise inversa pela comparação entre o movimento vibratório experimental e a equação analítica do movimento. Já em relação à determinação da capacidade de suporte de carga dos diversos revestimentos, esta foi avaliada recorrendo a testes de indentação deslizante contra corpos esféricos utilizando para isso uma velocidade de deslizamento constante e cargas normais crescentes (0-100 N). Os resultados obtidos em ambos os ensaios permitem verificar uma relação nos coeficientes de atrito dos pares tribológicos estudados: μDLC < μTiSiN < μCr. Esta relação só não se verifica no caso do ensaio vibratório com contra-corpo de 100Cr6. This thesis aims to evaluate the tribological behavior of coatings in applications where high wear resistance is required, commonly used in various industrial sectors. Twelve tribological pairs made of six different coatings, which correspond to three different coating families, has been studied: TiSiN, Cr and DLC. The Coatings were produced in the Department of Mechanical Engineering of the University of Coimbra (UC) using a technique called high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS). In order to perform the tribological tests, two methods were used to measure friction, namely energy dissipation in vibratory systems, and sliding indentation. The first technique, energy dissipation in vibratory systems, is based on the evaluation of free vibration movement with damping of a mass-spring system, induced by a mechanical impulse where the contact between the vibrating device and the sample to be analyzed acts as an additional dissipation of energy. While, friction is determined through the inverse analysis, by comparing the experimental vibratory movement with the analytical equation of the movement. The determination of the load-bearing capacity of the various coatings has been evaluated using sliding indentation tests, against spherical bodies using a constant sliding speed and increasing normal loads (0-100 N). The results obtained in both tests allow to verify a relationship between the friction coefficients of the studied tribological pairs: μDLC < μTiSiN < μCr. This relationship does not occur in the case of the vibration test with the 100Cr6 counter-body.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O presente trabalho tem como principal objetivo a otimização de um teste de degaste ao prato de transmissão de uma bicicleta, de modo a aproximar os resultados do teste laboratorial realizados com a situação real que acontece no terreno. Este é realizado em parceria com a empresa SRAM®, na qual é executado este teste específico.Primeiramente, começou-se por verificar os testes existentes e as suas características, onde é ainda analisado procedimento atual tanto do teste laboratorial como do teste no terreno. Em segunda análise são identificadas as fontes de incerteza relacionadas com os processos de medição e de teste e também os fatores do sistema de transmissão que influenciam o mesmo.Em função do resultado das análises dos testes e das suas características foram selecionados os componentes a testar. De modo a estabelecer uma relação entre os testes laboratoriais e os testes no terreno fez-se três testes com parâmetros diferentes a componentes semelhantes. Em que no primeiro teste executa-se com os parâmetros atuais, o segundo altera-se a velocidade de rotação de 80 rpm para 70 rpm e o intervalo de inspeção de 7 horas para 24 horas, e por fim manteve-se a velocidade de rotação em 70 rpm e diminui-se o intervalo de inspeção para 7 horas.Após estas três iterações é feita uma análise dos resultados de todos os testes e são comparados as seguintes características: as taxas de degaste tanto do prato de transmissão como do alongamento da corrente. Os perfis laterais de desgaste, onde é analisada a evolução do desgaste da lateral do dente, e identificas as semelhanças entre os diferentes testes. O aspeto visual de alguns dentes de diferentes testes, onde é avaliada a influencia da posição de engrenamento das placas interiores da corrente no desgaste dos dentes. O desgaste loadflank, onde se observada a influência que o movimento sinusoidal tem sobre este. São ainda apresentados outros dois testes adicionais, realizados pela empresa, sendo estes o teste de autoshift e o teste de eficiência. Este são importantes para avaliar o desempenho do sistema de transmissão. The present work has as main objective the optimization of a degassing test to the transmission plate of a bicycle, in order to approximate the results of the laboratory test carried out with the real situation that happens in the field. This is carried out in partnership with the SRAM® company, in which this specific test is performed.First, we started by verifying the existing tests and their characteristics, where the current procedure of both the laboratory test and the field test is also analyzed.In a second analysis, the sources of uncertainty related to the measurement and test processes are identified, as well as the factors of the transmission system that influence it.Depending on the result of the analysis of the tests and their characteristics, the components to be tested were selected.In order to establish a relationship between laboratory tests and field tests, three tests were performed with different parameters to similar components. In the first test the current parameters are executed, the second one changes the rotation speed from 80 rpm to 70 rpm and the inspection interval from 7 hours to 24 hours, and finally the rotation speed was maintained at 70 rpm and the inspection interval is reduced to 7 hours.After these three iterations, an analysis of the results of all tests is carried out and the following characteristics are compared: the degassing rates of both the transmission plate and the elongation of the current. The lateral wear profiles, where the wear evolution of the lateral tooth is analyzed, and the similarities between the different tests are identified. The visual aspect of some teeth from different tests, where the influence of the gear position of the inner plates of the chain on the wear of the teeth is evaluated. The loadflank wear, where the influence that the sinusoidal movement has on it is observed.Two other additional tests are also presented, performed by the company, these being the autoshift test and the efficiency test. These are important for evaluating the performance of the transmission system.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Apesar de existirem alguns trabalhos já publicados, o estudo dos efeitos erosivos da cavitação de ligas de metal duro à base de carboneto de tungsténio, ainda não está devidamente efetuado. Em especial, a influência do material da fase ligante, no comportamento em situações de cavitação de materiais sinterizados à base de carboneto de tungsténio, não é suficientemente conhecida. O objetivo principal desta dissertação, é caracterizar a resistência à cavitação de carboneto de tungsténio obtido por sinterização. Contudo, como no laboratório onde se desenvolveu o trabalho, não havia experiência prévia em estudos de cavitação, tornou-se imprescindível ultrapassar as fases finais do desenvolvimento de um equipamento de cavitação por ultrassons, bem como estabelecer as metodologias para quantificar e qualificar o dano resultante dos testes. Nesta dissertação são descritas as fases de montagem e de estudos prévios que se destinaram a validar procedimentos e a identificar e ultrapassar as dificuldades inerentes à adaptação da norma ASTM G32. Inclui-se um protocolo de ensaio que se mostrou ajustado à aplicação do equipamento desenvolvido à caracterização de carboneto de tungsténio. É também apresentado um conjunto de resultados que inclui a quantificação da evolução da cavitação ao longo do tempo de ensaio, bem como a caracterização da morfologia observada por microscopia eletrónica de varrimento nas superfícies sujeitas a cavitação. O equipamento desenvolvido mostrou-se adequado à caracterização do comportamento de materiais submetidos a cavitação, e permitiu identificar que a erosão por cavitação em materiais sinterizados de carboneto de tungsténio ocorre por remoção da fase ligante deixando sem suporte os grãos de carboneto de tungsténio, que posteriormente serão removidos. Although there are some published studies, the erosive effects caused by cavitation on tungsten carbide-based alloys, is not yet properly done. In particular, the influence of the binder phase material on the behaviour of sintered materials based on tungsten carbide subjected to cavitation situations is not sufficiently known.The main objective of this dissertation is to characterize the cavitation resistance of tungsten carbide obtained by sintering. However, as there was no previous experience in cavitation studies in the laboratory where the work was developed, it became essential to overcome the final stages of the development of an ultrasonic cavitation equipment, as well as to establish the methodologies to quantify and qualify the resulting damage caused by the tests. This dissertation describes the stages of assembly and previous studies that were intended to validate procedures and to identify and overcome the difficulties inherent to the adaptation of the ASTM G32 standard.A test protocol is included, which proved to be adjusted to the application of the developed equipment for tungsten carbide characterization. A set of results is also presented that includes the quantification of the evolution of cavitation over the test time, as well as the characterization of the morphology observed by scanning electron microscopy on surfaces subject to cavitation. The developed equipment proved to be suitable for characterizing the behaviour of materials subjected to this phenomenon, and allowed to identify that cavitation erosion in sintered tungsten carbide materials occurs by removing the binding phase leaving tungsten carbide grains unsupported, which subsequently will be removed.

Dissertação de Mestrado Conjunto Europeu em Tribologia de Superficies e Interfaces apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia As ligas de titânio têm sido utilizadas em várias aplicações desde a indústria aeroespacial e automóvel e também como materiais para aplicações biomédicas (por exemplo, usados como implantes) devido à sua alta resistência ao desgaste e corrosão. A liga de Titânio Ti6Al4V, também conhecido como Grau 5, tem sido usada com sucesso em aplicações de engenharia biomédica (por exemplo, implantes dentários ou articulações de joelho) devido a ter excelentes características mecânicas e biocompatibilidade com características adequadas de corrosão.Como o Ti6Al4V é utilizado em aplicações especializadas, por ter a opção de construção e controle geométricos de certos parâmetros como a porosidade, muitas vezes é possível produzir uma liga como um produto impresso em 3D, que reduz a matéria-prima utilizada, mas também reduz o tempo de produção desde a fabricação até o acabamento.Comparando duas amostras de Ti6Al4V, uma produzida usando manufatura subtrativa convencional (usinagem) e outra produzida usando processo de manufatura aditiva - FSL (Fusão Seletiva por Laser). Eles foram testados em termos eletroquímicos pelo método de polarização potenciodinâmica, seguido por monitorização do potencial em circuito aberto antes, após e durante um teste tribológico contra uma esfera de Zircónio enquanto submerso em saliva artificial (para reproduzir o ambiente da cavidade bocal) sujeito a cargas de 3, 5 e 7 N.O potencial do elétrodo de trabalho foi monitorizado utilizando a técnica de Potencial de Circuito Aberto em condições simples de repouso e com início do teste tribológico (deslizamento alternativo de configuração bola-plano) para diferentes cargas e número de ciclos e frequência constante. Curvas de polarização, representando a densidade de corrente (A / cm2) vs. Potencial (V vs. SCE) foram obtidas e a resistência à corrosão foi comparada e discutida, seguida de uma avaliação de COF e desgaste. Titanium alloys have been utilized in various applications from Aerospace and Automobiles to their use as biomedical materials (eg. used as an implant) which is due to their high resistance of the combined wear and corrosion which could otherwise be detrimental to the lifetime of the product. Ti6Al4V, also known as Grade 5 Titanium alloy commercially, has been successfully used in biotechnology applications (e.g. cavity implants or knee joints) due to having best of both worlds (excellent mechanical characteristics and biocompatibility with suitable tribo-corrosion characteristics). Since Ti6Al4V is used in specialized applications, by having the choice to play with the geometrical construction and control, of certain parameters like porosity, it is often tempting to produce such alloy as a 3D printed product, which not only reduces raw material used but also reduces the lead time from manufacturing to finishing. Comparing two samples of Ti6Al4V, one produced using conventional subtractive manufacturing (machining) and another produced using additive manufacturing process - Selective Laser Melting (SLM). They were tested for electrochemically by Potentiodynamic Polarization Method, followed by Open Circuit Potential (OCP) monitoring before, after and during a tribological test against a Zirconia counter body while being submerged in artificial saliva (to mimic a dental implant) per load (3, 5 and 7 N) per sample.The potential of the working electrode was monitored using the Open Circuit Potential (OCP) technique under simple resting conditions and with tribometer input (reciprocating sliding of ball-on-flat configuration) for different loads for the same number of cycles and frequency. Polarization curves, representing the current density (A/cm2) vs. potential (V vs. SCE) were obtained and the corrosion resistance was compared and discussed followed by an evaluation of COF and wear. Outro - Erasmus Mundus