A presente Tese de Doutorado analisa as modificações induzidas por prensagem isostática a quente (HIP) após a sinterização na resistência à fadiga de compósitos de metal duro com partículas de carboneto de tamanho médio na faixa de 0,6 a 2,0 ?m. A correlação entre a redução de porosidade no processo de prensagem isostática a quente e o aumento de resistência à ruptura transversal é bem conhecida. No entanto, existem questões em relação à eficácia deste processo no aumento da resistência à fadiga, devido à existência de outras imperfeições na microestrutura do material. Um aumento maior na resistência transversal é reportado na literatura para temperaturas de HIP acima do ponto eutético da liga. Os experimentos foram realizados em dois níveis diferentes de pressão de HIP, simulando condições de processo que existem em fornos de média e alta pressão (5,4 MPa e 150 MPa). Também são analisadas duas condições de temperatura de sinterização, 1.350ºC e 1.430ºC. A análise das diferentes condições de processamento mostra que a microestrutura mais homogênea, praticamente sem presença de lagos de cobalto, foi obtida a 1.430°C de temperatura de sinterização e de HIP. Esta condição de processamento resultou em melhores valores de resistência mecânica (estática e dinâmica). As diferenças de microestrutura e propriedades mecânicas obtidas nas duas condições de pressão de HIP (5,4 MPa e 150 MPa) são pouco significativas, tendo maior impacto a correlação entre a microestrutura e propriedades mecânicas em função dos diferentes ciclos de temperatura e tempo de sinterização. A análise das superfícies de fratura do material em fadiga indica uma importante influência de defeitos microestruturais, como regiões alinhadas da fase ? entre grãos de carboneto de tungstênio na iniciação e na propagação da trinca de fratura. / The present Thesis evaluates modifications induced by hot isostatic pressing (HIP) after sintering on fatigue strength of WC-11Co (in weight %) composites with sintered tungsten carbide grains of 0.6 to 2 ?m. The correlation between decreasing porosity due to hot isostatic pressing process and subsequent increase on transversal rupture strength is well known. Nevertheless, there are questions related to the efficiency of HIP process to increase fatigue strength, mainly due to the existence of microstructure defects besides porosity. An increase on transversal rupture strength is reported in the literature for HIP temperatures above the eutectic point of the composite. Experiments were carried out at two different levels of HIP pressure (5.4 and 150 MPa) covering conditions existing on medium and high pressure furnaces. Two temperatures were also evaluated (1,350 and 1,430°C). The analysis of different processing conditions shows that a more uniform microstructure, without the presence of cobalt lakes, was obtained at a sintering and HIP temperature of 1,430°C. This processing condition also resulted in better statical and dynamical mechanical properties. Microstructure and mechanical properties obtained at two different HIP pressure conditions (5.4 and 150 MPa) were rather similar. Major changes in microstructure and mechanical properties were found as a function of different cycles of temperature and sintering time. Fatigue fracture surfaces were evaluated revealing major influence of microstructural defects such as regions of aligned ? phase where crack initiation and fracture propagation are favored.

A presente Tese de Doutorado analisa as modificações induzidas por prensagem isostática a quente (HIP) após a sinterização na resistência à fadiga de compósitos de metal duro com partículas de carboneto de tamanho médio na faixa de 0,6 a 2,0 ?m. A correlação entre a redução de porosidade no processo de prensagem isostática a quente e o aumento de resistência à ruptura transversal é bem conhecida. No entanto, existem questões em relação à eficácia deste processo no aumento da resistência à fadiga, devido à existência de outras imperfeições na microestrutura do material. Um aumento maior na resistência transversal é reportado na literatura para temperaturas de HIP acima do ponto eutético da liga. Os experimentos foram realizados em dois níveis diferentes de pressão de HIP, simulando condições de processo que existem em fornos de média e alta pressão (5,4 MPa e 150 MPa). Também são analisadas duas condições de temperatura de sinterização, 1.350ºC e 1.430ºC. A análise das diferentes condições de processamento mostra que a microestrutura mais homogênea, praticamente sem presença de lagos de cobalto, foi obtida a 1.430°C de temperatura de sinterização e de HIP. Esta condição de processamento resultou em melhores valores de resistência mecânica (estática e dinâmica). As diferenças de microestrutura e propriedades mecânicas obtidas nas duas condições de pressão de HIP (5,4 MPa e 150 MPa) são pouco significativas, tendo maior impacto a correlação entre a microestrutura e propriedades mecânicas em função dos diferentes ciclos de temperatura e tempo de sinterização. A análise das superfícies de fratura do material em fadiga indica uma importante influência de defeitos microestruturais, como regiões alinhadas da fase ? entre grãos de carboneto de tungstênio na iniciação e na propagação da trinca de fratura. / The present Thesis evaluates modifications induced by hot isostatic pressing (HIP) after sintering on fatigue strength of WC-11Co (in weight %) composites with sintered tungsten carbide grains of 0.6 to 2 ?m. The correlation between decreasing porosity due to hot isostatic pressing process and subsequent increase on transversal rupture strength is well known. Nevertheless, there are questions related to the efficiency of HIP process to increase fatigue strength, mainly due to the existence of microstructure defects besides porosity. An increase on transversal rupture strength is reported in the literature for HIP temperatures above the eutectic point of the composite. Experiments were carried out at two different levels of HIP pressure (5.4 and 150 MPa) covering conditions existing on medium and high pressure furnaces. Two temperatures were also evaluated (1,350 and 1,430°C). The analysis of different processing conditions shows that a more uniform microstructure, without the presence of cobalt lakes, was obtained at a sintering and HIP temperature of 1,430°C. This processing condition also resulted in better statical and dynamical mechanical properties. Microstructure and mechanical properties obtained at two different HIP pressure conditions (5.4 and 150 MPa) were rather similar. Major changes in microstructure and mechanical properties were found as a function of different cycles of temperature and sintering time. Fatigue fracture surfaces were evaluated revealing major influence of microstructural defects such as regions of aligned ? phase where crack initiation and fracture propagation are favored.

Esta tese descreve o projeto e manufatura de membranas cerâmicas para separação de emulsões óleo/água. A escolha correta do material para a fabricação de membranas é importante para processos cujo desempenho depende da afinidade entre o meio poroso e o fluido. As condições de manufatura são também importantes, pois determinam a morfologia da membrana, que influencia fortemente as propriedades de transporte e conseqüentemente, a eficiência da membrana. Tendo isso em vista, este trabalho teve como objetivo desenvolver membranas cerâmicas tubulares (porosas e densas) por prensagem isostática, aplicáveis em processos de microfiltração para a separação de emulsões óleo-água. Para tanto, foi realizado um controle rigoroso do tamanho e distribuição dos poros através do uso da sacarose como agente porogênico. Suspensões de alumina e zircônia com sacarose de diferentes dimensões foram preparadas. Após esse processo a barbotina foi seca e granulada para obtenção do pó usado na conformação das membranas porosas ou como suporte das membranas densas. Para a manufatura das membranas densas, uma fina camada da suspensão foi depositada no núcleo do molde que foi preenchido com o pó (de alumina ou zircônia) e então submetido à co-prensagem (isostática) para obter simultaneamente o suporte e o filme de zircônia. Posteriormente, as membranas (porosas e densas) sofreram um tratamento térmico (para queima parcial da sacarose) e foram sinterizadas (a 1500°C). As membranas foram caracterizadas por MEV, porosimetria por intrusão de mercúrio, medidas de peso por imersão (para obtenção da porosidade e densidade aparente), ensaios de permeabilidade ao ar e à água. A caracterização morfológica das membranas constatou a formação de membranas porosas de alumina e de zircônia e de membranas densas: uma integral (\'ZR\'\'O IND.2\'/\'ZR\'\'O IND.2\') e outra composta (\'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\'). A análise de porosimetria por intrusão de mercúrio apresentou tamanho médio de poros de 1,8 \'mü\'m para as membranas porosas e de 0,01-0,03 \'mü\'m e 1,8 \'mü\'m para as membranas densas, respectivamente para camada seletiva e suporte. Todas as membranas obtiveram porosidade total de aproximadamente 50%, que é considerada uma porosidade satisfatória. Os ensaios de permeabilidade ao ar demonstraram que as membranas de zircônia obtiveram maior permeabilidade do que as membranas de alumina. Já os ensaios de permeação de água, na condição de fluxo tangencial, mostraram que as membranas porosas apresentaram maior fluxo transmembrana do que as membranas densas, na mesma velocidade de escoamento. As membranas densas e porosas foram testadas na separação óleo-água e a maioria apresentou bom desempenho no processo de microfiltração e alta rejeição da fase óleo (entre 98 e 99%). Dentre essas membranas, a membrana densa composta (sinterizada a 1400°C) foi a que obteve melhor desempenho, pois apresentou fluxo permeado de aproximadamente 230 L/h.\'M POT.2\' e coeficiente de rejeição médio de 99,77%, os quais são valores desejáveis para a aplicação de membranas em processos industriais. / This thesis describes the project and manufacture of ceramic membranes for separation of oil/water emulsions. The selection of raw material for the manufacture of membranes is fundamental in processes whose performance depends on the affinity between the porous medium and the fluid. The manufacturing conditions are also important as they determine the membrane\'s morphology. Such morphology strongly influences the transport properties hence the membrane\'s performance. In this context, this work aims to develop tubular ceramic membranes (porous and asymmetric) by isostatic pressing which will be applicable to microfiltration processes for the oil-water emulsions separation. For such a purpose, a rigorous control was realized on the distribution and size of pores by use of the sucrose as porogenic agent. Suspensions of zirconia and alumina with sucrose of different dimensions were prepared. After that process, the slurry was dried and granulated to obtain the dust used in the manufacture of the membranes. For the manufacture of the supported zirconia membranes, a thin layer of suspension was deposited onto the nucleus of the mould, which was filled with the dust (of alumina or zirconia) and then, it was subjected to co-pressing (isostatic) to obtain the support and the zirconia top-layer, simultaneously. Next, the porous and supported membranes underwent a thermal treatment (for a partial burning of sucrose) and were sintered (until 1500°C). They were characterized by SEM, porosimetry by mercury intrusion, measurements of weight by immersion (for the determination of the apparent porosity and density) and water and air permeability tests. The morphologic characterization of membranes identified the formation of zirconia and alumina porous membranes, an asymmetric \'ZR\'\'O IND.2\' membrane (zirconia top-layer on the porous zirconia support) and a supported \'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\' composite membrane. The results of porosimetry analysis by mercury intrusion presented a mean pore size of 1,8 \'mü\'m for the porous membranes and for the other membranes, 0,01-0,03 \'mü\'m and 1,8 \'mü\'m, respectively, for the top-layer and support. All membranes achieved a total porosity of about 50%, which is considered a satisfactory porosity. The air permeability tests showed that the zirconia membranes achieved higher permeability than the alumina membranes. Otherwise, the water permeation tests in cross-flow condition showed that the porous membranes (of alumina and zirconia) presented higher transmembrane flow than the asymmetric \'ZR\'\'O IND.2\' and supported \'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\' composite membranes in the same flow average velocity. Such membranes were applied to oil-water emulsions separation and the most they presented good performance in the microfiltration process and high rejection of oil phase (between 98 and 99%). Among those membranes, the zirconia supported membrane (sintered until 1400°C) obtained the most performance because it showed transmembrana flow of about 230 L/h.\'M POT.2\' e rejection coefficient of 99,77%, which are appreciable values for the application of membranes in industrial processes.

Esta tese descreve o projeto e manufatura de membranas cerâmicas para separação de emulsões óleo/água. A escolha correta do material para a fabricação de membranas é importante para processos cujo desempenho depende da afinidade entre o meio poroso e o fluido. As condições de manufatura são também importantes, pois determinam a morfologia da membrana, que influencia fortemente as propriedades de transporte e conseqüentemente, a eficiência da membrana. Tendo isso em vista, este trabalho teve como objetivo desenvolver membranas cerâmicas tubulares (porosas e densas) por prensagem isostática, aplicáveis em processos de microfiltração para a separação de emulsões óleo-água. Para tanto, foi realizado um controle rigoroso do tamanho e distribuição dos poros através do uso da sacarose como agente porogênico. Suspensões de alumina e zircônia com sacarose de diferentes dimensões foram preparadas. Após esse processo a barbotina foi seca e granulada para obtenção do pó usado na conformação das membranas porosas ou como suporte das membranas densas. Para a manufatura das membranas densas, uma fina camada da suspensão foi depositada no núcleo do molde que foi preenchido com o pó (de alumina ou zircônia) e então submetido à co-prensagem (isostática) para obter simultaneamente o suporte e o filme de zircônia. Posteriormente, as membranas (porosas e densas) sofreram um tratamento térmico (para queima parcial da sacarose) e foram sinterizadas (a 1500°C). As membranas foram caracterizadas por MEV, porosimetria por intrusão de mercúrio, medidas de peso por imersão (para obtenção da porosidade e densidade aparente), ensaios de permeabilidade ao ar e à água. A caracterização morfológica das membranas constatou a formação de membranas porosas de alumina e de zircônia e de membranas densas: uma integral (\'ZR\'\'O IND.2\'/\'ZR\'\'O IND.2\') e outra composta (\'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\'). A análise de porosimetria por intrusão de mercúrio apresentou tamanho médio de poros de 1,8 \'mü\'m para as membranas porosas e de 0,01-0,03 \'mü\'m e 1,8 \'mü\'m para as membranas densas, respectivamente para camada seletiva e suporte. Todas as membranas obtiveram porosidade total de aproximadamente 50%, que é considerada uma porosidade satisfatória. Os ensaios de permeabilidade ao ar demonstraram que as membranas de zircônia obtiveram maior permeabilidade do que as membranas de alumina. Já os ensaios de permeação de água, na condição de fluxo tangencial, mostraram que as membranas porosas apresentaram maior fluxo transmembrana do que as membranas densas, na mesma velocidade de escoamento. As membranas densas e porosas foram testadas na separação óleo-água e a maioria apresentou bom desempenho no processo de microfiltração e alta rejeição da fase óleo (entre 98 e 99%). Dentre essas membranas, a membrana densa composta (sinterizada a 1400°C) foi a que obteve melhor desempenho, pois apresentou fluxo permeado de aproximadamente 230 L/h.\'M POT.2\' e coeficiente de rejeição médio de 99,77%, os quais são valores desejáveis para a aplicação de membranas em processos industriais. / This thesis describes the project and manufacture of ceramic membranes for separation of oil/water emulsions. The selection of raw material for the manufacture of membranes is fundamental in processes whose performance depends on the affinity between the porous medium and the fluid. The manufacturing conditions are also important as they determine the membrane\'s morphology. Such morphology strongly influences the transport properties hence the membrane\'s performance. In this context, this work aims to develop tubular ceramic membranes (porous and asymmetric) by isostatic pressing which will be applicable to microfiltration processes for the oil-water emulsions separation. For such a purpose, a rigorous control was realized on the distribution and size of pores by use of the sucrose as porogenic agent. Suspensions of zirconia and alumina with sucrose of different dimensions were prepared. After that process, the slurry was dried and granulated to obtain the dust used in the manufacture of the membranes. For the manufacture of the supported zirconia membranes, a thin layer of suspension was deposited onto the nucleus of the mould, which was filled with the dust (of alumina or zirconia) and then, it was subjected to co-pressing (isostatic) to obtain the support and the zirconia top-layer, simultaneously. Next, the porous and supported membranes underwent a thermal treatment (for a partial burning of sucrose) and were sintered (until 1500°C). They were characterized by SEM, porosimetry by mercury intrusion, measurements of weight by immersion (for the determination of the apparent porosity and density) and water and air permeability tests. The morphologic characterization of membranes identified the formation of zirconia and alumina porous membranes, an asymmetric \'ZR\'\'O IND.2\' membrane (zirconia top-layer on the porous zirconia support) and a supported \'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\' composite membrane. The results of porosimetry analysis by mercury intrusion presented a mean pore size of 1,8 \'mü\'m for the porous membranes and for the other membranes, 0,01-0,03 \'mü\'m and 1,8 \'mü\'m, respectively, for the top-layer and support. All membranes achieved a total porosity of about 50%, which is considered a satisfactory porosity. The air permeability tests showed that the zirconia membranes achieved higher permeability than the alumina membranes. Otherwise, the water permeation tests in cross-flow condition showed that the porous membranes (of alumina and zirconia) presented higher transmembrane flow than the asymmetric \'ZR\'\'O IND.2\' and supported \'ZR\'\'O IND.2\'/\'AL IND.2\'\'O IND.3\' composite membranes in the same flow average velocity. Such membranes were applied to oil-water emulsions separation and the most they presented good performance in the microfiltration process and high rejection of oil phase (between 98 and 99%). Among those membranes, the zirconia supported membrane (sintered until 1400°C) obtained the most performance because it showed transmembrana flow of about 230 L/h.\'M POT.2\' e rejection coefficient of 99,77%, which are appreciable values for the application of membranes in industrial processes.

Apresenta uma metodologia para o projeto e fabricação de moldes para prensagem isostática de pó cerâmico (alumina) utilizando ferramentas computacionais CAD/CAE associadas à tecnologia de Prototipagem Rápida. O processo de prensagem isostática é simulado utilizando o método dos elementos finitos. Para a representação da compactação do pó cerâmico é utilizado o modelo de Drucker-Prager/cap e para a representação do comportamento do material elastomérico é utilizado o modelo hiperelástico de Mooney-Rivlin, ambos disponíveis no programa ABAQUS. Tal simulação visa obter o projeto do molde de forma mais rápida e precisa, ajustando-o até que se alcance um molde adequado para produzir um compacto com uma quantidade de sobrematerial ideal para o processo de usinagem a verde. Para isso utilizou-se como estudo de caso uma esfera cerâmica para implante de quadril. Um protótipo virtual do molde adequado obtido das simulações é então modelado e reproduzido em plástico ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) pela tecnologia de Prototipagem Rápida FDM (Fused Deposition Modeling). Esse protótipo físico é a base para o desenvolvimento de matrizes rígidas e em silicone, que são utilizadas para a confecção da parte flexível do molde (matriz elastomérica) e de partes rígidas como a gaiola suporte obtidas por vazamento dos polímeros. Constatou-se a viabilidade da utilização da metodologia de projeto e fabricação do molde para prensagem isostática, considerando que as simulações mostraram-se bastante coerentes com os resultados experimentais obtidos de componentes prensados. / This work presents a methodology for the design and fabrication of ceramic powder isostatic pressing moulds using CAD and CAE tools and Rapid Prototyping. The isostatic pressing process was simulated using the finite element method. The compaction behavior of ceramic powder is described by the Drucker-Prager/cap constitutive model and the behavior of elastomeric material is described by the Mooney-Rivlin constitutive model within the commercial finite element software ABAQUS®. These simulations are required to adjust the mould design in order to suit the geometry of the compact and green machining allowance. For this study, it is used a case study consisting of pressing a ceramic sphere for hip implant stem. A virtual prototype was designed from the geometry obtained from the simulations and reproduced in Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) polymer, using the Rapid Prototyping technology - Fused Deposition Modeling (FDM). Silicone moulds were obtained from the polymer prototype and used to aid in the making of the elastomeric bag and mould support cage. The methodology used in this investigation was validate considering that the simulations yield to a good agreement with measured manufactured components.

Apresenta uma metodologia para o projeto e fabricação de moldes para prensagem isostática de pó cerâmico (alumina) utilizando ferramentas computacionais CAD/CAE associadas à tecnologia de Prototipagem Rápida. O processo de prensagem isostática é simulado utilizando o método dos elementos finitos. Para a representação da compactação do pó cerâmico é utilizado o modelo de Drucker-Prager/cap e para a representação do comportamento do material elastomérico é utilizado o modelo hiperelástico de Mooney-Rivlin, ambos disponíveis no programa ABAQUS. Tal simulação visa obter o projeto do molde de forma mais rápida e precisa, ajustando-o até que se alcance um molde adequado para produzir um compacto com uma quantidade de sobrematerial ideal para o processo de usinagem a verde. Para isso utilizou-se como estudo de caso uma esfera cerâmica para implante de quadril. Um protótipo virtual do molde adequado obtido das simulações é então modelado e reproduzido em plástico ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) pela tecnologia de Prototipagem Rápida FDM (Fused Deposition Modeling). Esse protótipo físico é a base para o desenvolvimento de matrizes rígidas e em silicone, que são utilizadas para a confecção da parte flexível do molde (matriz elastomérica) e de partes rígidas como a gaiola suporte obtidas por vazamento dos polímeros. Constatou-se a viabilidade da utilização da metodologia de projeto e fabricação do molde para prensagem isostática, considerando que as simulações mostraram-se bastante coerentes com os resultados experimentais obtidos de componentes prensados. / This work presents a methodology for the design and fabrication of ceramic powder isostatic pressing moulds using CAD and CAE tools and Rapid Prototyping. The isostatic pressing process was simulated using the finite element method. The compaction behavior of ceramic powder is described by the Drucker-Prager/cap constitutive model and the behavior of elastomeric material is described by the Mooney-Rivlin constitutive model within the commercial finite element software ABAQUS®. These simulations are required to adjust the mould design in order to suit the geometry of the compact and green machining allowance. For this study, it is used a case study consisting of pressing a ceramic sphere for hip implant stem. A virtual prototype was designed from the geometry obtained from the simulations and reproduced in Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) polymer, using the Rapid Prototyping technology - Fused Deposition Modeling (FDM). Silicone moulds were obtained from the polymer prototype and used to aid in the making of the elastomeric bag and mould support cage. The methodology used in this investigation was validate considering that the simulations yield to a good agreement with measured manufactured components.