Baixe Superligas PDF e outras Trabalhos em PDF para Engenharia de Materiais, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS SOLIDIFICAÇÃO DOS MATERIAIS METÁLICOS E FUNDIÇÃO ESTRUTURA BRUTA DE SOLIDIFICAÇÃO DE SUPERLIGAS Discente: Paulo Pereira de Brito Neto Professor: Wanderson Santana Natal, Abril de 2013 1. Introdução Nas últimas décadas, o efeito combinado de elevadas tensões, temperatura e tempo tem requerido melhorias nas propriedades dos materiais estruturais para altas temperaturas tais como o limite de escoamento, ductilidade, resistência à fadiga de baixa e alta ciclagem, resistência à fluência e resistência a corrosão (Baldan, 2009). O termo superliga foi utilizado pela primeira vez logo após a segunda guerra mundial para descrever um grupo de ligas desenvolvidas para aplicações que requerem alto desempenho, combinando alta resistência mecânica e alta resistência à corrosão em temperaturas elevadas (acima de 650 ºC). Esses materiais possuem temperaturas de serviço da ordem de 85% do seu ponto de fusão, além de possuírem alta condutividade térmica, baixa expansão térmica, estabilidade metalúrgica, alta resistência ao ataque ambiental, excelente resistência à fluência, à fadiga térmica e mecânica, boa ductilidade e boa resistência a corrosão em temperaturas altas de operação (Baldan, 2009). As superligas mais utilizadas são àquelas a base de ferro, níquel ou cobalto, com adições de elementos de liga tais como tungstênio, molibdênio, tântalo, nióbio, titânio, cromo, etc. Ao longo dos anos, essa classe especial de material tornou-se mais utilizada na fabricação de turbinas para uso aeronáutico, para geração de energia (turbinas estacionárias), em componentes automotivos (rotores e válvulas de exaustão), molde de fundição, componentes de veículos espaciais, sistemas nucleares, além de componentes para a indústria química e petroquímica (Baldan, 2009). A superligas à base de níquel constituem o grupo mais importante dessa classe de materiais, que são complexos e possuem uma variedade de elementos que, quando combinados, produzem microestruturas e propriedades interessantes para diversas aplicações (Baldan, 2009). O níquel e suas ligas são extremamente importantes na indústria em virtude da habilidade de resistirem a uma variedade de condições extremas de operação, as quais envolvem meios corrosivos, elevadas temperaturas e/ou alta tensão, propriedades já citadas anteriormente. É também um dos mais Figura 2: Classificação das superligas (Valle, 2010). Essa extensa utilização das superligas de níquel deve-se ao fato de que este elemento, como metal base, proporciona grande estabilidade microestrutural, já que a matriz cfc é muito estável, e apresenta grande solubilidade para diversos elementos de liga. O aumento de resistência mecânica e à fluência destas superligas se deve a inclusão destes elementos, os quais acarretam no aparecimento de segundas fases, como intermetálicos e carbetos. Nestas ligas, o cromo está presente para promover resistência à oxidação e outros elementos de liga, tais como, alumínio, nióbio, molibdênio, tungstênio e tântalo, estão presentes em uma variedade de combinações para garantir o endurecimento por solução sólida da matriz ou por precipitação de intermetálicos. O maior ganho de resistência a elevadas temperaturas, na maioria das superligas de níquel, é resultado da precipitação do intermetálico γ’ (Ni3(Ti,Al)). Em particular, para a liga 718, o principal endurecedor é a fase metaestável γ” (Ni3Nb). Em algumas ligas, o cobalto é usado para substituir uma parte de níquel para aumentar o ponto de fusão da liga e promover endurecimento por solução sólida. O boro e o zircônio são adicionados para melhorar as propriedades de fluência a elevadas temperaturas e melhorar a usinagem a quente dos materiais. O carbono é adicionado para a formação de carbetos (Santos, 1993; Baldan, 2009; Valle, 2010; Araujo, 2012). 3. Superliga Inconel 718 A superliga 718 foi apresentada no início de 1959 pela divisão de produtos da empresa Inco como uma liga para estruturas soldadas de alta resistência e custo competitivo, em função dos menores teores de cobalto e maiores teores de ferro. Sua alta resistência até 650 ºC rapidamente levou-a a ser considerada para aplicações em turbinas aeronáuticas e a gás. Ensaios de soldabilidade mostraram que a liga apresentava uma melhoria importante em relação às outras ligas endurecidas por precipitação, as quais apresentaram problemas de trincamento por envelhecimento pós-soldagem. Um salto de qualidade dessa liga foi possível por meio de melhorias nos processos de fabricação, refletido pelo desenvolvimento de novas tecnologias e melhorias das já existentes. Além disso, a escolha da combinação e ordem correta dos processos, aliada a práticas como seleção de matéria prima e controles mais rigorosos dos parâmetros de processo permitiu a fabricação de ligas com menores teores de impurezas e estrutura mais homogênea (Araujo, 2012; Miao et. al., 2012; Lambarri et. al., 2013). A superliga Inconel 718, cuja composição química é apresentada na tabela 1, caracteriza-se pelo seu alto teor de nióbio, responsável pela fase fortemente endurecedora γ” (Ni3Nb). Além disso, observa-se os baixos teores de molibdênio, tungstênio e tântalo, responsáveis pelo endurecimento por solução sólida nas ligas de níquel, e baixos valores de alumínio e titânio, constituintes da fase γ’. Isso mostra que o mecanismo mais efetivo de endurecimento desta liga é a precipitação da fase γ”. É importante ressaltar também o alto teor de ferro e a ausência de cobalto, os quais resultam em diminuição do custo da liga (Valle, 2010; Miao et. al., 2012; Lambarri et. al., 2013). Tabela 1: Composição química da superliga Inconel 718 (Valle, 2010). A forma como cada elemento adicionado influencia positiva e/ou negativamente a superliga é apresentada a seguir, além da influência de outros elementos que podem estar presentes na liga (Valle, 2010; Araujo, 2012): • ferro: endurecedor por solução sólida. Reduz o custo da liga ao substituir parcialmente o níquel, porém piora características anticorrosivas e favorece a formação de fases frágeis. Aumenta a solubilidade do carbono na liga; • cromo: aumenta a resistência à corrosão e age como formador de carbetos. Pode substituir o níquel e alumínio na fase γ’. Porém, favorece a formação de fases frágeis; • titânio: substitui o alumínio na fase γ’ e nióbio na fase γ”, aumentando a proporção destas fases na matriz. Aumenta o parâmetro de rede de γ’, o grau de desarranjo (mismatch), acelerando o seu coalescimento. Também age como formador de carbetos e carbonitretos. Favorece a formação de fases frágeis; • alumínio: é formador de γ’ e de camada protetora de Al2O3, aumentando a resistência à corrosão e a oxidação. Também é forte endurecedor por solução sólida e é adicionado para aumento da fração volumétrica do precipitado γ’; • molibdênio: endurecedor por solução sólida e indutor de aumento do módulo de elasticidade. Reduz a fluência pois diminui o coeficiente de difusão dos outros elementos na matriz e é formador de carbetos. Entretanto, favorece a formação de fases frágeis e reduz a resistência à oxidação; • nióbio: sua principal função é formar o precipitado metaestável γ”. Além disso, também endurece por solução sólida e substitui parcialmente o alumínio na fase γ’, aumenta a estabilidade dessa fase e retarda o coalescimento dos precipitados. Também é formador de carbetos e carbonitretos. Como aspecto negativo, reduz a resistência à oxidação; • cobalto: tem limitado papel como endurecedor por solução sólida, aumenta a fração volumétrica de γ’ e γ” e aumenta a resistência a fluência da liga; • boro: melhora as propriedades de fluência, ao reagir com elementos como cromo, molibdênio ou tântalo, formando boretos tipo M3B2 nos contornos de grão; • carbono: reage com elementos reativos, como titânio, cromo e nióbio, formando carbetos ou carbonitretos metálicos os quais, dependendo do tipo, podem ter efeitos benéficos ou deletérios ao comportamento da liga. Os tipos de carbetos mais comuns na superliga 718 são do tipo MC e M23C6. Também age como desoxidante e dessulfurante, baixa a temperatura de fusão da liga e aumenta a fluidez do metal líquido; • impurezas: elementos residuais como chumbo, bismuto, antimônio, arsênio, fósforo e enxofre são danosos para a liga, pois podem formar filmes de baixo ponto de fusão nos contornos de grão. principalmente pela segregação de nióbio e a formação de constituintes tipo eutéticos, ricos deste elemento. A qualidade dos lingotes solidificados é governada pela morfologia de grãos formados, podendo ser: equiaxiais; colunares solidificados com gradiente térmico e velocidade de solidificação variáveis ou; grãos colunares com gradiente térmico e velocidade de solidificação relativamente constantes, sendo a última a estrutura mais encontrada nos processos de fusão e solidificação. Durante a solidificação, seus elementos de liga são redistribuídos entre as dendritas e o líquido interdendrítico, sendo os elementos de grande raio atômico, como nióbio e molibdênio, rejeitados no líquido interdendrítico enquanto níquel, ferro e cromo tenderão a permanecer nas dendritas. A Figura 3 mostra a variação da composição do líquido interdendrítico com a evolução do resfriamento. Nela, pode ser observado que o teor de nióbio aumenta significativamente com o resfriamento até cerca de 16%. Molibdênio e titânio também aumentam suas frações, porém de forma muito menos acentuada. Já cromo e ferro reduzem suas frações no líquido. A extensão da segregação durante a solidificação é relacionada com a taxa de resfriamento e taxa de difusão dos átomos. Quanto menor a taxa de resfriamento, maior a tendência à segregação. Com isso, há uma limitação em relação ao tamanho da seção transversal de lingotes solidificados, pois sua região central apresenta uma tendência a maior segregação, onde a taxa de resfriamento pode ser consideravelmente mais lenta que na sua superfície (Araujo, 2012). Figura 3: Perfil da composição química do líquido com a evolução do resfriamento (Araujo, 2012) Araujo (Araujo, 2012) em experimento em sua tese de doutorado, obteve macroestruturas e microestruturas brutas de solidificação da superliga Inconel 718, como pode ser visualizado nas figuras 4a e 4b. É percebida claramente a microestrutura dendrítica, respectivamente, nas direções transversal e longitudinal ao eixo central do lingote, nas posições próximas ao centro e à borda do lingote. Figura 4: Microestrutura transversal de lingote da liga Inconel 718, nas posições (a) central e; (b) próximo à borda (Araujo, 2012) (a) (b) Em seu estudo, Miao e seus colaboradores (Miao et. al., 2012) pesquisou o efeito da adição de Fósforo e Boro na liga Inconel 718 como fundida, onde a microestrutura dessa liga pode ser visualizada nas figuras 5a, 5b, 5c e 5d, onde observa-se tipicamente uma estrutura dendrítica, com identificação de carbonetos e fases de Laves, esta é particularmente deletéria às propridades mecânicas da superliga 718, pois pode promover trincamento por fusão intergranular localizada (microfissuras e trincamento à quente) durante o tratamento térmico. Figura 5: Microscopias óticas da estrutura bruta de solidificação da liga Inconel 718, sendo (a) e (b) da liga virgem e; (c) e (d) da liga com adição de P e B (Miao et. al., 2012)