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7/23/2019 Superligas PDF

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

SOLIDIFICAO DOS MATERIAIS METLICOS E FUNDIO

ESTRUTURA BRUTA DE SOLIDIFICA O DE SUPERLIGAS

Discente: Paulo Pereira de Brito Neto

Professor: Wanderson Santana

Natal, Abril de 2013


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1. Introduo

Nas ltimas dcadas, o efeito combinado de elevadas tenses,

temperatura e tempo tem requerido melhorias nas propriedades dos materiaisestruturais para altas temperaturas tais como o limite de escoamento,

ductilidade, resistncia fadiga de baixa e alta ciclagem, resistncia fluncia

e resistncia a corroso (Baldan, 2009).

O termo superliga foi utilizado pela primeira vez logo aps a segunda

guerra mundial para descrever um grupo de ligas desenvolvidas para

aplicaes que requerem alto desempenho, combinando alta resistncia

mecnica e alta resistncia corroso em temperaturas elevadas (acima de

650 C). Esses materiais possuem temperaturas de servio da ordem de 85%

do seu ponto de fuso, alm de possurem alta condutividade trmica, baixa

expanso trmica, estabilidade metalrgica, alta resistncia ao ataque

ambiental, excelente resistncia fluncia, fadiga trmica e mecnica, boa

ductilidade e boa resistncia a corroso em temperaturas altas de operao

(Baldan, 2009).

As superligas mais utilizadas so quelas a base de ferro, nquel ou

cobalto, com adies de elementos de liga tais como tungstnio, molibdnio,

tntalo, nibio, titnio, cromo, etc. Ao longo dos anos, essa classe especial de

material tornou-se mais utilizada na fabricao de turbinas para uso

aeronutico, para gerao de energia (turbinas estacionrias), em

componentes automotivos (rotores e vlvulas de exausto), molde de fundio,

componentes de veculos espaciais, sistemas nucleares, alm de componentes

para a indstria qumica e petroqumica (Baldan, 2009).

A superligas base de nquel constituem o grupo mais importante dessa

classe de materiais, que so complexos e possuem uma variedade de

elementos que, quando combinados, produzem microestruturas e propriedades

interessantes para diversas aplicaes (Baldan, 2009).

O nquel e suas ligas so extremamente importantes na indstria em

virtude da habilidade de resistirem a uma variedade de condies extremas de

operao, as quais envolvem meios corrosivos, elevadas temperaturas e/ou

alta tenso, propriedades j citadas anteriormente. tambm um dos mais


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versteis e importantes metais industriais, sendo um elemento de liga

indispensvel para aos inoxidveis austenticos, ferros fundidos e ligas no

ferrosas. Ligas de nquel-ferro vm sendo desenvolvidas para aplicaes que

requerem controle de expanso trmica ou caractersticas de permeabilidade

magntica. Nquel e compostos de nquel so tambm usados para cunhagem,

baterias, catalisadores e supercondutores magnticos (Valle, 2010; Miao et. al.,

2012; Lambarri et. al., 2013).

Em todo o mundo, h abundantes reservas econmicas de nquel,

principalmente na Austrlia, Canad, Nova Calednia, Filipinas, Indonsia e

Rssia. Em 2008, as reservas globais econmicas e subeconmicas foram

estimadas em 220 milhes de toneladas (Valle, 2010).

Este estudo tem por objetivo abordar de forma terica aspectos das

superligas de uma maneira geral, apresentando conceitos, e focando na

superliga Inconel 718, mostrar aspectos da sua estrutura bruta de solidificao,

bem como propriedades mecnicas e aplicaes.

2. Superligas

A partir da segunda metade do sculo XX, houve um grande avano nos

processos de fabricao das superligas, melhorando cada vez mais a

performance desses materiais. Por exemplo, para aplicaes em palhetas de

turbinas, a fabricao por fundio em substituio s palhetas forjadas

resultou em um ganho significativo de resistncia fluncia. As tecnologias de

fuso por induo a vcuo, as quais foram introduzidas na dcada de 1950,

aumentaram significativamente a qualidade das ligas produzidas (Baldan,

2009; Valle, 2010, Araujo, 2012, Miao et. al., 2012).

Por volta de 1970, a introduo do processo de solidificao direcional,

com microestrutura de gros colunares isentos de contornos de gro

transversais, resultou em posterior remoo dos contornos de gro, com o

desenvolvimento de superligas monocristalinas, na dcada de 1980. Tal

desenvolvimento resultou na remoo de elementos endurecedores dos

contornos de gro, como carbono e o boro, alm de melhorar a eficincia de


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tratamentos trmicos, com a diminuio da segregao e da formao de

componentes eutticos durante a fuso. O resultado desses avanos a

criao de inmeras ligas com resistncia fluncia em temperaturas cada vez

maiores, acompanhando o progresso que vem sendo feito ao longo do sculo

XX e continuamente no sculo XXI. A figura 1 ilustra a evoluo da capacidade

de resistncia fluncia das superligas a elevadas temperaturas durante 60

anos, desde o seu surgimento, na dcada de 1940 (Valle, 2010).

Figura 1: Evoluo da capacidade de resistncia fluncia das superligas a elevadas

temperaturas nos ltimos 60 anos (Valle, 2010).

A figura 2 mostra a classificao das superligas. A temperaturas mais

baixas, dependendo da resistncia mecnica requerida e da aplicao, as

superligas de ferro so mais indicadas do que as de nquel e de cobalto, pois o

custo das superligas de ferro inferior. As superligas de cobalto so as que

possuem a capacidade de trabalhar em temperaturas mais elevadas, mas a

sua utilizao mais restrita, pois so significativamente mais caras que as

superligas de ferro e de nquel. As superligas de nquel so as mais utilizadas.


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Figura 2: Classificao das superligas (Valle, 2010).

Essa extensa utilizao das superligas de nquel deve-se ao fato de que

este elemento, como metal base, proporciona grande estabilidade

microestrutural, j que a matriz cfc muito estvel, e apresenta grande

solubilidade para diversos elementos de liga. O aumento de resistncia

mecnica e fluncia destas superligas se deve a incluso destes elementos,

os quais acarretam no aparecimento de segundas fases, como intermetlicos e

carbetos. Nestas ligas, o cromo est presente para promover resistncia

oxidao e outros elementos de liga, tais como, alumnio, nibio, molibdnio,

tungstnio e tntalo, esto presentes em uma variedade de combinaes para

garantir o endurecimento por soluo slida da matriz ou por precipitao de

intermetlicos. O maior ganho de resistncia a elevadas temperaturas, na

maioria das superligas de nquel, resultado da precipitao do intermetlico

(Ni3(Ti,Al)). Em particular, para a liga 718, o principal endurecedor a fase

metaestvel (Ni3Nb). Em algumas ligas, o cobalto usado para substituir

uma parte de nquel para aumentar o ponto de fuso da liga e promoverendurecimento por soluo slida. O boro e o zircnio so adicionados para

melhorar as propriedades de fluncia a elevadas temperaturas e melhorar a

usinagem a quente dos materiais. O carbono adicionado para a formao de

carbetos (Santos, 1993; Baldan, 2009; Valle, 2010; Araujo, 2012).

3. Superliga Inconel 718

A superliga 718 foi apresentada no incio de 1959 pela diviso de

produtos da empresa Inco como uma liga para estruturas soldadas de alta

resistncia e custo competitivo, em funo dos menores teores de cobalto e

maiores teores de ferro. Sua alta resistncia at 650 C rapidamente levou-a a

ser considerada para aplicaes em turbinas aeronuticas e a gs. Ensaios de

soldabilidade mostraram que a liga apresentava uma melhoria importante em

relao s outras ligas endurecidas por precipitao, as quais apresentaramproblemas de trincamento por envelhecimento ps-soldagem. Um salto de


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qualidade dessa liga foi possvel por meio de melhorias nos processos de

fabricao, refletido pelo desenvolvimento de novas tecnologias e melhorias

das j existentes. Alm disso, a escolha da combinao e ordem correta dos

processos, aliada a prticas como seleo de matria prima e controles mais

rigorosos dos parmetros de processo permitiu a fabricao de ligas com

menores teores de impurezas e estrutura mais homognea (Araujo, 2012; Miao

et. al., 2012; Lambarri et. al., 2013).

A superliga Inconel 718, cuja composio qumica apresentada na

tabela 1, caracteriza-se pelo seu alto teor de nibio, responsvel pela fase

fortemente endurecedora (Ni3Nb). Alm disso, observa-se os baixos teores

de molibdnio, tungstnio e tntalo, responsveis pelo endurecimento por

soluo slida nas ligas de nquel, e baixos valores de alumnio e titnio,

constituintes da fase . Isso mostra que o mecanismo mais efetivo de

endurecimento desta liga a precipitao da fase . importante ressaltar

tambm o alto teor de ferro e a ausncia de cobalto, os quais resultam em

diminuio do custo da liga (Valle, 2010; Miao et. al., 2012; Lambarri et. al.,

2013).

Tabela 1: Composio qumica da superliga Inconel 718 (Valle, 2010).

A forma como cada elemento adicionado influencia positiva e/ounegativamente a superliga apresentada a seguir, alm da influncia de outros

elementos que podem estar presentes na liga (Valle, 2010; Araujo, 2012):

ferro: endurecedor por soluo slida. Reduz o custo da liga ao substituir

parcialmente o nquel, porm piora caractersticas anticorrosivas e favorece a

formao de fases frgeis. Aumenta a solubilidade do carbono na liga;

cromo: aumenta a resistncia corroso e age como formador de carbetos.

Pode substituir o nquel e alumnio na fase . Porm, favorece a formao de

fases frgeis;


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titnio: substitui o alumnio na fase e nibio na fase , aumentando a

proporo destas fases na matriz. Aumenta o parmetro de rede de , o grau

de desarranjo (mismatch), acelerando o seu coalescimento. Tambm age como

formador de carbetos e carbonitretos. Favorece a formao de fases frgeis;

alumnio: formador de e de camada protetora de Al2O3, aumentando a

resistncia corroso e a oxidao. Tambm forte endurecedor por soluo

slida e adicionado para aumento da frao volumtrica do precipitado ;

molibdnio: endurecedor por soluo slida e indutor de aumento do mdulo

de elasticidade. Reduz a fluncia pois diminui o coeficiente de difuso dos

outros elementos na matriz e formador de carbetos. Entretanto, favorece a

formao de fases frgeis e reduz a resistncia oxidao;

nibio: sua principal funo formar o precipitado metaestvel . Alm disso,

tambm endurece por soluo slida e substitui parcialmente o alumnio na

fase , aumenta a estabilidade dessa fase e retarda o coalescimento dos

precipitados. Tambm formador de carbetos e carbonitretos. Como aspecto

negativo, reduz a resistncia oxidao;

cobalto: tem limitado papel como endurecedor por soluo slida, aumenta

a frao volumtrica de e e aumenta a resistncia a fluncia da liga;

boro: melhora as propriedades de fluncia, ao reagir com elementos como

cromo, molibdnio ou tntalo, formando boretos tipo M3B2 nos contornos de

gro;

carbono: reage com elementos reativos, como titnio, cromo e nibio,

formando carbetos ou carbonitretos metlicos os quais, dependendo do tipo,

podem ter efeitos benficos ou deletrios ao comportamento da liga. Os tipos

de carbetos mais comuns na superliga 718 so do tipo MC e M23C6. Tambm

age como desoxidante e dessulfurante, baixa a temperatura de fuso da liga eaumenta a fluidez do metal lquido;

impurezas: elementos residuais como chumbo, bismuto, antimnio, arsnio,

fsforo e enxofre so danosos para a liga, pois podem formar filmes de baixo

ponto de fuso nos contornos de gro.


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As fases presentes na liga Inconel 718, so (Valle, 2010; Araujo, 2012):

(matriz austentica): exibe estrutura CFC e forma uma fase contnua onde

as outras fases residem. Apresenta significativas quantidades de ferro, cromo e

molibdnio;

(Ni3(Al, Ti)): tambm endurece a liga, porm em menor intensidade que '.

Possui estrutura cbica de face centrada (L12 ordenada), com parmetro de

rede a0=0,3568 nm, sendo apenas cerca de 1,5% maior que o parmetro da

matriz, com relaes de orientao {100} // {100} e // . Sua

forma varia de esfrica para cbica com o aumento do desajuste (mismatch) /

e seu tamanho varia com o tempo de exposio e temperatura. Forma-se

durante o resfriamento ou tratamento trmico na faixa entre 600 e 925 C,

sendo os precipitados menores a temperaturas mais baixas. Sua frao

volumtrica na liga da ordem de 4%, contra cerca de 15% da fase ;

(Ni3(Nb,Ta)): principal responsvel pelo endurecimento da liga,

metaestvel, coerente com a matriz, com estrutura cristalina tetragonal de

corpo centrado (DO22 ordenada) e parmetros de rede a0=0,3624 nm e

c0=0,7406 nm. Apresenta uma relao de orientao com a matriz //

e // , exibindo morfologia na forma de discos elipsoidais.

As excelentes propriedades em alta temperatura da superliga 718 apoiam-se

em grande parte nas deformaes de coerncia geradas e no nmero limitado

dos sistemas de deslizamento operantes em . Essas altas deformaes de

coerncia tambm induzem uma lenta cintica de formao dessa fase. Tal

cintica mais lenta a principal responsvel pela sua excelente soldabilidade,

permitindo que o alvio de tenses ocorra antes do endurecimento pela

precipitao, evitando o surgimento de trincas. Formada durante o resfriamento

ou tratamento trmico na faixa entre 600 e 980 C; (Ni3Nb): fase variante de , termodinamicamente estvel, incoerente com a

matrize normalmente observada em condies de super-envelhecimento. Tem

estrutura cristalina ortorrmbica e ordenada e sua precipitao pode ocorrer s

expensas de ou diretamente da matriz. Sua precipitao resulta em

diminuio da resistncia mecnica do material. Duas variantes da fase so

possveis: precipitado durante a solubilizao entre 900 e 1000 C, sendo

caracterizado por precipitados coalescidos e esferoidizados ( alta


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temperatura); e precipitado durante o envelhecimento em temperaturas ao

redor de 750 C, sendo caracterizado por agrupamentos contnuos nos

contornos de gro (baixa temperatura). estvel at cerca de 1010 C em

peas forjadas e 1120 C em peas fundidas;

Carbetos MC (TiC, NbC): apresentam estrutura cbica, aparecendo como

partculas globulares, preferencialmente nos contornos de gro. Formam-se

durante a solidificao e so estveis at cerca de 1205 C;

Carbetos M6C (Fe3Mo3C): de estrutura cbica de face centrada, podem ser

observadas em amostras com teores relativamente altos de silcio;

Carbetos M23C6 (Cr23C6, (Cr, Fe,Mo)23C6): com estrutura cbida de face

centrada, podem precipitar-se como filmes, glbulos, plaquetas, lamelas ou

clulas, ocorrendo normalmente nos contornos de gro. estvel em

temperaturas mais baixas.

(Ni3(Ti)): fase estvel, podendo ser proveniente de 0. Possui estrutura

hexagonal compacta (D024), encontrada em superligas com altas relaes Ti/Al

aps exposio prolongada. Pode ser formada intergranularmente em forma

celular ou como estruturas de Widmansttten;

Fase Cr: fase rica em cromo, de estrutura cbica de corpo centrado (CCC)

e forma globular (0,3m). Precipita-se em temperaturas entre 539 e 649 C,

ao redor da fase .

Laves ((Ni,Cr,Fe)2(Nb,Mo,Ti)): possui estrutura hexagonal. Pode ser formada

em funo da segregao de nibio durante solidificao ou soldagem ou aps

exposio prolongada a alta temperatura. So estveis at 1163 C.

A superliga 718 apresenta considerveis dificuldades nos seus

processos de fuso e consequente solidificao. H uma ampla faixa de

solidificao, com altas diferenas de densidade entre slido e lquido,

favorecendo problemas de segregao. Alm disso, h extensa precipitao de

fases primrias acima da temperatura solidus e a natureza dos elementos de

liga tal que suas taxas de difuso no material slido so lentas, mesmo a

temperaturas prximas linha lquidus, fazendo com que tratamentos

posteriores de homogeneizao sejam extremamente lentos e, em alguns

casos, inviveis economicamente. Sua metalurgia de solidificao governada


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principalmente pela segregao de nibio e a formao de constituintes tipo

eutticos, ricos deste elemento. A qualidade dos lingotes solidificados

governada pela morfologia de gros formados, podendo ser: equiaxiais;

colunares solidificados com gradiente trmico e velocidade de solidificao

variveis ou; gros colunares com gradiente trmico e velocidade de

solidificao relativamente constantes, sendo a ltima a estrutura mais

encontrada nos processos de fuso e solidificao. Durante a solidificao,

seus elementos de liga so redistribudos entre as dendritas e o lquido

interdendrtico, sendo os elementos de grande raio atmico, como nibio e

molibdnio, rejeitados no lquido interdendrtico enquanto nquel, ferro e cromo

tendero a permanecer nas dendritas. A Figura 3 mostra a variao da

composio do lquido interdendrtico com a evoluo do resfriamento. Nela,

pode ser observado que o teor de nibio aumenta significativamente com o

resfriamento at cerca de 16%. Molibdnio e titnio tambm aumentam suas

fraes, porm de forma muito menos acentuada. J cromo e ferro reduzem

suas fraes no lquido. A extenso da segregao durante a solidificao

relacionada com a taxa de resfriamento e taxa de difuso dos tomos. Quanto

menor a taxa de resfriamento, maior a tendncia segregao. Com isso, h

uma limitao em relao ao tamanho da seo transversal de lingotes

solidificados, pois sua regio central apresenta uma tendncia a maior

segregao, onde a taxa de resfriamento pode ser consideravelmente mais

lenta que na sua superfcie (Araujo, 2012).

Figura 3: Perfil da composio qumica do lquido com a evoluo do resfriamento(Araujo, 2012)


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Araujo (Araujo, 2012) em experimento em sua tese de doutorado, obteve

macroestruturas e microestruturas brutas de solidificao da superliga Inconel

718, como pode ser visualizado nas figuras 4a e 4b. percebida claramente a

microestrutura dendrtica, respectivamente, nas direes transversal e

longitudinal ao eixo central do lingote, nas posies prximas ao centro e

borda do lingote.

Figura 4: Microestrutura transversal de lingote da liga Inconel 718, nas posies (a)

central e; (b) prximo borda (Araujo, 2012)

(a)

(b)


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Em seu estudo, Miao e seus colaboradores (Miao et. al., 2012)

pesquisou o efeito da adio de Fsforo 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 dendrtica, com

identificao de carbonetos e fases de Laves, esta particularmente deletria

s propridades mecnicas da superliga 718, pois pode promover trincamento

por fuso intergranular localizada (microfissuras e trincamento quente)

durante o tratamento trmico.

Figura 5: Microscopias ticas da estrutura bruta de solidificao da liga Inconel 718,

sendo (a) e (b) da liga virgem e; (c) e (d) da liga com adio de P e B (Miao et. al., 2012)


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4. Consideraes finais

As superligas representam uma classe de materiais estratgicos, com

uso em alta tecnologia e componentes vitais, portanto o seu estudo paraavanos em propriedades importante para a engenharia.

Em termos fabris, o processo de fabricao pode influenciar muito na

propriedade final da liga inconel 718, como na eliminao ou no de fases

deletrias, composio qumica mais acertada, entre outras. A estrutura bruta

de solidificao dessa liga tipicamente dendrtica, onde parmetros como

espaamento interdendrtico e taxa de resfriamento possuem forte influncia

nas propriedades finais do produto.


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Referncias

BALDAN, R. Processamento e caracterizao de rotores automotivos da

superliga MAR-M247. Dissertao de mestrado. EEL-USP, Lorena, 2009.

VALLE, L.C.M. Efeitos da solubilizao e do envelhecimento na

microestrutura e nas propriedades mecnicas da superliga inconel 718.

Dissertao de mestrado. COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 2010.

MIAO, Z. J., SHAN, A. D., WU, Y. B., LU, J., HU, Y., LIU, J. L., SONG, H.

W. Effects of P and B addiction on as-cast microstructure and homogenization

parameter of Inconel 718 alloy. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, vol 22, pp

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LAMBARRI, J., LEUNDA, J., NAVAS, V. G., SORIANO, C., SANZ, C.

Microstructural and tensile characterization of Inconel 718 laser coatings for

aeronautic components. Optics and Lasers in Engineering, vol 51, pp 813-821,

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SANTOS, I. V. Caracterizao de uma superliga de nquel sob

temperaturas elevadas. Dissertao de mestrado. IPEN, So Paulo, 1993.

ARAUJO, L. S. Processamento e caracterizao de superliga de nquel

718 para aplicaes nucleares. Tese de doutorado. COPPE/UFRJ, Rio de

Janeiro, 2012.

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