Existem alguns estudos que deixam antever a possibilidade de utilizar multifolhas de Al/Cu como liga de brasagem [31,32,33,34,35]. A utilização de multifolhas Al/Cu como liga de brasagem requer, obviamente, uma análise do sistema Al-Cu.
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A análise do diagrama de equilíbrio Al-Cu (figura 5) indica, para além das soluções sólidas
terminais ((Al) e (Cu)), a existência de diversos compostos intermetálicos, a saber: θ - Al2Cu, η2 -
AlCu, ζ2 - Al3Cu4, δ - Al2Cu3, γ1 – Al4Cu9 e α2 – AlCu3. É de esperar que a reação entre o Al e Cu
origine a formação de fases frágeis, o que se pode tornar problemático para a sanidade das ligações. No entanto, a existência de um eutético de baixa temperatura e rico em Al deixa antever a possibilidade vantajosa de processar ligações a temperaturas relativamente baixas (superior à do eutético Al-Cu e inferior à temperatura de fusão do Al). A formação de uma fase líquida abaixo da temperatura de fusão do Al requer que ocorra a interdifusão entre as multifolhas de Al e Cu.
Figura 5 - Diagrama de equilíbrio Al-Cu. Adaptado de [36].
Sabe-se que a velocidade de difusão depende fortemente da temperatura e esta dependência é expressa pelo coeficiente de difusão, que é uma medida da velocidade de difusão. A difusão atómica envolve movimentos atómicos, é de esperar que, aumentando a temperatura do sistema, aumente a velocidade de difusão. Experimentalmente, verifica-se que, em muitos sistemas, a dependência da velocidade de difusão em relação à temperatura pode ser expressa pela equação de Arrhenius [37]:
Eq. (1)
Em que: D = Coeficiente de difusão ou difusividade (m2.s-1); D
0 = constante de difusão (m2.s-1);
Q = energia de ativação para a difusão (J.mol-1); R = constante universal dos gases perfeitos
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Os valores do coeficiente de difusão dependem de muitas variáveis, sendo de salientar [37]:
O tipo de mecanismo de difusão intersticial ou substitucional afeta o coeficiente de
difusão. Os átomos de cobre difundem-se substitucionalmente na rede do alumínio, já que os átomos de cobre e de alumínio têm aproximadamente o mesmo tamanho.
A temperatura à qual a difusão tem lugar afeta grandemente o valor do coeficiente de
difusão, o coeficiente de difusão aumenta à medida que a temperatura aumenta.
O tipo de estrutura cristalina do solvente é importante. Quanto menor o fator de
empilhamento atómico da estrutura cristalina, maior é o coeficiente de difusão. Se os espaços interatómicos são maiores na estrutura cristalina, os átomos podem difundir-se mais facilmente.
O tipo de defeitos cristalinos presentes na região onde está a ocorrer a difusão também é
importante. A difusão ocorre mais rapidamente ao longo das fronteiras de grão do que no interior dos grãos (difusão em volume) e um excesso de lacunas provoca um aumento da velocidade de difusão.
E. Hug e N. Bellido [32] referem que o coeficiente de difusão do Cu no Al (DCu - Al) é maior do que o
do Al no Cu (DAl - Cu) e que esta diferença se torna mais significativa com o aumento da temperatura.
Na tabela 7 indicam-se os valores dos coeficientes de difusão atómica, a 500 ºC, do sistema Al-Cu. Tendo em consideração os resultados apresentados por estes autores é de esperar que o teor de Cu nas folhas de Al aumente mais do que o teor de Al nas folhas de Cu.
Tabela 7 – Constantes de difusão D0, energias de ativação para a difusão e coeficientes de difusão, a 500
ºC, do sistema de difusão Al-Cu [37,38,39].
Soluto (estrutura da matriz) Solvente D0 (m2/s) Q (kJ/mol)
Coeficiente de difusão (m2/s)
a 500 ˚C
Cobre Alumínio 4,44×10-5 133,9 4×10-14
Alumínio Cobre 1,49×10-7 137,1 8×10-17
Os estudos que a seguir se apresenta ilustram a possibilidade de utilizar folhas de Al e Cu como liga de brasagem.
O presente trabalho teve como base um estudo desenvolvido por A. Vieira [31] que consistiu na ligação de materiais com recurso a multifolhas Al/Cu. Nesse estudo processaram-se ligações γ-TiAl/Ti6Al4V à temperatura de brasagem de 625 ºC, com um tempo de estágio de 60 minutos e sem recurso a pressões de processamento elevadas. A configuração de multifolhas Cu/Al/Cu foi
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testada como liga de brasagem, sendo as espessuras das folhas de Al e Cu de 125 e 10 µm, respetivamente. A composição química global do sistema multifolhas testado apresenta uma composição próxima da do eutéctico Al-Cu ( 34,5% Cu e 65,5% Al em % ponderal). Verificou-se que é possível processar ligações γ-TiAl/Ti6Al4V, no entanto a interface obtida apresenta algumas
zonas com defeitos (fissuras, poros ou falta de ligação), como é possível visualizar na figura 6.A
ligação ocorreu pela formação de camadas de reação (zonas a e d da figura 6) com composição
química rica em Al e Ti, o que indica a incorporação de espécies atómicas dos materiais de base
na interface. Estas camadas são essencialmente constituídas pelo intermetálico Al3Ti. Entre estas
duas camadas foi detetada uma terceira camada, composta por Al2Cu e (Al) (zonas b e c da
figura 6, respetivamente), que apresenta em algumas regiões a microestrutura típica de um eutético.
Figura 6 - Interface resultante do processamento efetuado a 625 ºC, durante 60 minutos, com a configuração Cu/Al/Cu e com recurso a uma pressão de contacto, onde se indicam os diversos
constituintes detetados [31].
J. E. Lee et al. [33] produziram por laminagem a quente folhas constituídas por aço inoxidável, alumínio e cobre. O processo de laminagem das folhas foi realizado a 350 ºC e, após este processo, as amostras foram tratadas termicamente com temperaturas compreendidas entre 100 e 400 ºC, durante 30 minutos. Neste estudo avaliou-se o efeito da temperatura de recozimento na microestrutura e nas propriedades mecânicas da folha multicamada. Verificou-se que a tensão de rotura à tração das ligações diminui com o aumento da temperatura de recozimento. As amostras
Ti
6A
l4
V
γ-
Ti
Al
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tratadas termicamente a 200 ºC apresentam o valor mínimo de alongamento. Foram efetuados também ensaios de tração ao aço inoxidável, ao alumínio e ao cobre e verificou-se que a folha multicamada, quando tratada termicamente a 400 ºC, apresenta um menor valor de alongamento comparativamente com todos os outros metais. Nas amostras tratadas termicamente a 400 ºC
forma-se na interface Al/Cu o composto intermetálico Al2Cu. Detetou-se a ocorrência de
numerosas microfissuras no, ou perto, do composto Al2Cu, levando a crer que este composto frágil
pode induzir a nucleação e propagação de macrofissuras. Isto explica o baixo alongamento da folha tratada termicamente a 400 ºC.
L. Y. Sheng et al. [34] avaliaram o efeito do tratamento térmico em folhas, constituídas por
multicamadas Cu/Al/Cu, produzidas por laminagem a frio. Neste estudo verificou-se que o tratamento térmico pode levar à formação de uma camada de reação na interface Al/Cu e que a temperatura têm maior efeito no crescimento desta camada do que o tempo de tratamento
térmico. A camada de reação é constituída pelo composto intermetálico Al2Cu. Para elevadas
temperaturas de tratamento térmico (300 ºC) detetaram-se algumas pequenas partículas de Al2O3
ao longo da interface Al2Cu/Al. No artigo é referido que baixas temperaturas e tempos de
tratamento térmico podem melhorar significativamente a resistência das ligações da folha Cu/Al/Cu, apesar de não serem indicados valores.
E. Hug e N. Bellido [32] desenvolveram um estudo que teve como principal objetivo a
determinação das condições de tratamento térmico, que produzem melhores propriedades mecânicas em fios de cobre revestidos com alumínio. Verificou-se que as propriedades mecânicas óptimas são obtidas quando se efetua o tratamento térmico a 300 ºC durante 120 minutos e nestas condições a espessura total dos compostos intermetálicos na interface Al/Cu é de 2 µm. Para maiores espessuras há uma deteriorização das propriedades mecânicas. Para longos tempos de tratamento térmico, na interface Al/Cu, detetam-se três zonas distintas constituídas pelas fases
Al2Cu, AlCu + Al3Cu4 e Al4Cu9. Neste estudo ficou novamente demonstrado o carácter frágil destes
compostos intermetálicos formados na interface. Detetaram-se numerosos poros, numa zona do cobre perto da camada constituída por compostos intermetálicos, cuja a ocorrência foi atribuída ao efeito de Kirkendall.
M. Honarpisheh et al. [35] produziram folhas multicamadas Al/Cu/Al pelo processo “explosive
welding” e estudaram o efeito da temperatura de recozimento nas propriedades da interface Al/Cu. As amostras foram tratadas termicamente a 300 e 400 ºC durante 30 minutos. Depois do
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processamento das ligações verificou-se que a interface é constituída pelo composto intermetálico
Al2Cu. Com o aumento da temperatura do tratamento térmico há a formação e o crescimento de
compostos intermetálicos na interface Al/Cu. Na interface tratada termicamente a 400 ºC durante
30 minutos detetou-se a formação dos compostos AlCu3, AlCu e Al2Cu. Os valores de dureza na
interface diminuem com o aumento da temperatura de recozimento, este fenómeno ocorre devido à recristalização dos grãos e à redução de tensões existentes na interface. Após os ensaios de microdureza, verificou-se que a existência de compostos intermetálicos na interface causa o aparecimento de microfissuras (como se pode visualizar na figura 7), isto indica a fragilidade destes compostos.
Figura 7 – Imagem MEV com indentações: amostra tratada termicamente a 300 ºC. Adaptado de [35]
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