Meio abrasivo de alumina fundida branca nº 24 para jateamento de ímanes TF

Os substratos primários dos magnetos supercondutores TF consistem em aço inoxidável austenítico 316LN/304L, condutores de liga de cobre e matrizes isolantes. Os objetivos do jato de areia são remover a camada superficial de incrustações e óleo/gordura, obter um rugosamento superficial controlado e aumentar a resistência de adesão das camadas isolantes de epóxi ou poliimida. As restrições críticas incluem a proibição estrita de impurezas ferromagnéticas, a exigência de contaminação residual mínima, perfis de superfície controlados e a prevenção da introdução de iões metálicos migráveis. A alumina fundida branca contém ≥99,2% de Al₂O₃ e é praticamente isenta de ferro livre e magnetismo. Em contraste, a alumina fundida castanha contém impurezas de ferro (Fe) e titânio (Ti); sob as temperaturas criogénicas e os fortes campos magnéticos característicos das bobinas supercondutoras, estas impurezas podem induzir correntes parasitas, ruído magnético e aquecimento localizado, reduzindo assim a corrente crítica. Consequentemente, a alumina fundida branca de alta pureza com granulometria #24 é a escolha obrigatória para o jato de areia magnético TF, enquanto a alumina fundida castanha, a granalha de aço e a granalha de ferro são inadequadas. Os motivos específicos são descritos abaixo:

1. Mecanismo do Material: A alumina fundida branca é isenta de impurezas ferromagnéticas, cumprindo os rigorosos requisitos de limpeza para magnetos supercondutores que operam em ambientes criogénicos de elevado campo magnético com necessidade de ligação de isolamento. A alumina fundida castanha e a granalha de aço contêm impurezas de ferro, representando um risco de extinção do campo magnético.

2. Mecanismo de tamanho de partícula: O grão F24 atinge o equilíbrio ideal entre a profundidade do padrão de ancoragem, a eficiência na remoção da carepa e os danos no substrato; grãos mais finos (F46/F60) são apenas adequados para desbaste ligeiro após maquinação de precisão e não conseguem remover eficazmente a carepa laminada espessa.

3. Estudos de Caso de Engenharia: Para protótipos de bobinas TF em projetos como ITER, JT-60SA e CFETR, a alumina fundida branca de malha F24 é consistentemente adequada para o pré-tratamento de condutores laminados a quente. Já a alumina fundida branca de malha 46 (WFA 46mesh) é utilizada para condutores maquinados com precisão. Ambos os processos são empregues em paralelo em projetos de engenharia de fusão nacionais e internacionais.

4. Parâmetros de risco: Devido ao grande tamanho das partículas do F24, a pressão de jateamento e a limpeza pós-jateamento devem ser rigorosamente controladas para evitar a incrustação de partículas e microdanos no substrato.

Em relação aos aspetos mais aprofundados da granulometria e da seleção dos abrasivos:

Primeiro, porquê escolher alumina fundida branca de 24 mesh?

A alumina fundida branca de granulometria 24 mesh apresenta um tamanho nominal de partícula de aproximadamente 600–850 μm. As suas partículas grandes e com arestas vivas proporcionam uma elevada energia de impacto por golpe, sendo adequada para rugosificar camadas espessas de óxido, carepa de laminação pesada e materiais de base condutora de grande área; pode atingir um perfil de ancoragem profundo (Rz 60–100 μm) numa única passada. Os sistemas de colagem de isolamento requerem uma profundidade de perfil de ancoragem significativa, e os perfis profundos aumentam consideravelmente a resistência de intertravamento mecânico na interface da resina epóxi.

• Granulometrias mais finas (F46/F60) produzem perfis pouco profundos (Rz 20–45 μm), resultando numa resistência de adesão insuficiente; sob condições de corrente elevada e ciclos térmicos de baixa temperatura, a camada isolante é propensa à delaminação ou descolamento. O processo padrão para condutores TF no Instituto de Física de Plasmas utiliza F46 — uma opção de rugosidade média destinada a condutores com camadas de óxido mais finas — representando uma rota de processo distinta do método F24.

• Granulometrias mais espessas que F24 (por exemplo, F12/F16) geram energia de impacto excessiva, provocando deformação plástica, microfissuras superficiais e concentrações de tensão no material base. Durante ciclos de baixa temperatura a 4,2 K, a propagação de microfissuras pode levar à falha por fadiga do condutor. Além disso, as granulometrias grossas são altamente propensas à incorporação de partículas, que são difíceis de limpar; partículas incorporadas podem atuar como fontes de defeitos quando expostas a campos magnéticos.

• A alumina fundida branca F24 (WFA F24) representa o ponto de equilíbrio ideal para o processo de rugosidade: proporciona profundidade de ancoragem suficiente, deformação plástica controlável e facilidade de limpeza. Consequentemente, a alumina fundida branca F24 é adequada para o pré-tratamento de condutores com camadas espessas de óxido, de acordo com as especificações de fabrico de bobinas TF em dispositivos de fusão internacionais.

Em segundo lugar, porque é que outros abrasivos para jato de areia não são selecionados?

• Alumina fundida castanha (BFA): Baixo custo, mas contém Fe e Ti; as impurezas ferromagnéticas residuais provocam um aquecimento localizado em campos magnéticos fortes, podendo desencadear uma extinção, o que a torna inadequada para magnetos supercondutores TF.

• Carboneto de silício (SiC): Apresenta maior dureza e forte capacidade de corte, no entanto as suas partículas são extremamente quebradiças; ao fraturarem, o pó ultrafino incrusta-se facilmente no substrato e é muito difícil de remover; além disso, apresenta risco de condutividade elétrica, o que impede a sua utilização em sistemas de isolamento.

• Granalha de aço / Esferas de ferro: Ferromagnéticas; descartadas imediatamente.

• Microesferas de vidro: Formato esférico; apenas adequadas para acabamento superficial, mas incapazes de criar um perfil de ancoragem suficiente; resultam numa baixa resistência de adesão do isolamento; utilizadas apenas para polimento, não para rugosificação da superfície antes da colagem.