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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS MATHEUS GUARDADO FAIM Efeito de tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento na evolução microestrutural da superliga GMR-235 Lorena - SP 2014

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

MATHEUS GUARDADO FAIM

Efeito de tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento na evolução

microestrutural da superliga GMR-235

Lorena - SP

2014

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MATHEUS GUARDADO FAIM

Efeito de tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento na evolução

microestrutural da superliga GMR-235

Trabalho de Graduação apresentado à

Escola de Engenharia de Lorena da

Universidade de São Paulo para obtenção

do título de Engenheiro de Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Carlos Angelo Nunes

Lorena - SP

2014

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AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE

TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS

DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha Catalográfica Elaborada pela Biblioteca Especializada em Engenharia de Materiais

EEL USP

Faim, Matheus Guardado

Efeito de tratamentos térmicos de solubilização e

envelhecimento na evolução microestrutural da superliga GMR-

235. / Matheus Guardado Faim; orientador Carlos Angelo Nunes.--

Lorena, 2014.

66f:il.

Trabalho apresentado como requisito parcial para obtenção do

grau de Engenheiro de Materiais– Escola de Engenharia de Lorena -

Universidade de São Paulo.

1. GMR-2352. Superligade níquel 3.Tratamento térmico 4.

Evolução microestrutural 5. Microdurezas I. Titulo.

CDU 669.1

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Dedico este trabalho ao meu pai Luiz C. G.

Faim, à minha mãe Elisabete P. G. Faim, ao

meu irmão Bruno G. Faim, que semprederam o

apoio necessário para que eu pudesse obter uma

formação sólidaque possibilitou-me atingiras

minhas metas pessoais e profissionais.

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AGRADECIMENTOS

Ao amigo Alex Matos, pela orientação e determinação para concretizarmos o presente

trabalho compartilhando seu conhecimento e suas experiências passadas.

Ao professor Carlos Angelo Nunes, pela oportunidade de finalizar o trabalho e apoio

necessário na graduação de Engenharia de Materiais.

A todos os funcionários do Departamento de Engenharia de Materiais que me

auxiliaram no desenvolvimento do meu trabalho. Em especial, ao nosso grande amigo

Geraldo Prado (in memorian) que foi um grande amigo que me aconselhou, ensinou e ajudou

a superar muitas dificuldades neste trabalho.

A Deus pela oportunidade de evolução.

Ao meu pai Luiz Carlos G. Faim, pelo incentivo e compreensão nos momentos difíceis

para que pudesse superá-los com clareza e tranquilidade.

À minha mãe Elisabete P. G. Faim, por acreditar, aconselhar e pedir a Deus muitas

vezes para proteção e iluminação dos meus pensamentos e atos.

Ao meu irmão Bruno Guardado Faim, em compartilhar nossos momentos de alegria,

dificuldade e objetivos de vida de maneira a nos unir ainda mais e ter um ao outro como

certeza de amparo.

À minha namorada Beatriz M. M. Leite, pela paciência, ajuda, companheirismo e

carinho na certeza que seria em virtude do nosso melhor.

Atodos os meus amigos que moraram comigo nesses anos de graduação (Gregory

Moreno, Vitor Lopes, Rafael Melhem, Leonardo Naito, Renato Baldan, Ramiz Neto) traçando

objetivos, dividindo as alegrias, frustrações, conquistas e churrascos.

A todos os meus familiares e demais amigos e pessoas que não foram citadas, mas que

agradeço do mesmo modo pela colaboração.

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“Os que são loucos o suficiente para pensarem

que podem mudar o mundo, são os que

fazem.”

Steve Jobs

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RESUMO

FAIM, M. G. Efeito de tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento na

evolução da microestrutura da superliga GMR-235.2014.66 p. Monografia (Trabalho de

Graduação em Engenharia de Materiais) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de

São Paulo, Lorena, 2014.

A superliga à base de níquel GMR-235 possui propriedades como resistência à fluência e à

corrosão quando aplicadas em condições severas de serviço. Este trabalho teve como objetivo

o estudo da evolução microestrutural da superliga GMR-235 sob diversas condições de

tratamentos térmicos de solubilização e de envelhecimento. O material de estudo foi doado

pela empresa de microfusão Açotécnica S.A. Medidas de DTA foram realizadas nas amostras

no estado bruto de fusão para determinação experimental das temperaturas de transformação.

As taxas de aquecimento e resfriamento usadas foram de 10 °C/min. Simulações de cálculo

termodinâmico usando o programa Thermo-Calc foram conduzidas em condições de

equilíbrio e no modo Scheil. A base de dados usada para realização das simulações foi a

TTNI8. A partir dos resultados obtidos nas medidas de DTA e as temperaturas obtidas nos

cálculos termodinâmicos foram selecionadas temperaturas de transformações de fases (abaixo

da γ′-solvus, acima da γ′-solvus, abaixo da temperatura de fusão incipiente) para os

tratamentos térmicos de solubilização em uma e duas etapas. Para os tratamentos térmicos de

envelhecimento foram escolhidas as temperaturas abaixo de 1000 °C nas quais seria possível

obter as frações volumétricas mais elevadas de γ′. Foram feitos envelhecimentos em uma e

duas etapas. Os resultados dos tratamentos térmicos de solubilização em uma e duas etapas

mostraram que a homogeneização química e uma microestrutura mais homogênea foram

obtidas na condição de 1180°C/8 horas. Apesar de a microestrutura inicial apresentar uma

segregação forte, as condições de solubilização em uma etapa mostraram-se mais efetivas que

os tratamentos em duas etapas, principalmente em relação aos tempos. Por outro lado, os

tratamentos térmicos de envelhecimento em duas etapas (850 °C/5 h + 780 °C/20 h), foram

mais efetivos que os tratamentos feitos em uma etapa, baseados nos resultados encontrados

nas medidas de microdureza. Há indícios que a partir do envelhecimento em duas etapas,

formou-se partículas de γ′ com tamanhos diferentes, possivelmente com distribuição bimodal,

que pode ter favorecido no aumento de dureza das amostras.

Palavras-chave: GMR-235; superliga de níquel; tratamento térmico; evolução da

microestrutura; microdurezas.

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ABSTRACT

FAIM, M. G. Effect of heat treatment of solubilization and aging on the evolution of the

microstructure of superalloy GMR-235.2014. 66 p. Monograph (UndergraduateWorkin

MaterialsEngineering) - Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena,

2014.

The nickel-based superalloy GMR-235 has properties such as creep resistance and corrosion

when applied in severe service conditions. This work aimed to study the microstructural

evolution of superalloy GMR-235 under various conditions of heat treatment as solubilization

and aging. The study material was donated by Açotécnica SA and through DTA

measurements were performed on the raw fusion for experimental determination of

transformation temperatures. The heating and cooling rates used were 10 °C/min. Simulations

using the thermodynamic calculation program Thermo-Calc were conducted at equilibrium

and Scheil mode. The database used to perform the simulations was TTNI8. From the results

obtained in measurements of DTA and the temperature obtained in the thermodynamic

calculations of phase transformation temperatures (below the γ'-solvus above the γ'-solvus

below the incipient melting temperature) for heat treatments were selected solubilization in

one and two stages. For the thermal aging temperatures below 1000 ° C were chosen in which

it would be possible to obtain the highest volume fraction of γ '. Aging methods were made in

one and two steps. The results of the solubilization heat treatments in one and two stages had

shown more chemical homogenization and a homogeneous microstructure when under the

condition of 1180 ° C / 8 hours. Although the initial microstructure show strong segregation,

the solubilization conditions in one step proved more effective than treatments in two steps,

especially in relation to the times. Moreover, thermal aging treatments in two stages (850 ° C /

5 hr + 780 ° C/20 h) were more effective than treatments done in one step, based on the

results of hardness measurements. There is evidence that from the aging in two steps formed

particles of γ 'with different sizes, possibly with a bimodal distribution, which may be favored

in higher hardness of the samples.

Keyword: GMR-235; nickel-based superalloy; heat treatment; microstructural evolution;

microhardness.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Resistência específica em função da temperatura para diversos tipos de materiais.

Adaptado de [3]. ....................................................................................................................... 17

Figura 2: Foto de um rotor automotivo [3]. ............................................................................ 18

Figura 3: Efeito de participação dos elementos de liga nas superligas à base de níquel.

Adaptada de [5]. ....................................................................................................................... 19

Figura 4: Célula unitária da fase γʹ .......................................................................................... 21

Figura 5:Vida até a ruptura em fluência em função da fração volumétrica de γʹ para as

superligas à base de níquel [4]. ................................................................................................. 21

Figura 6: Estrutura típica de uma superliga demonstrando as formas possíveis de carbonetos

presentes [10]. ........................................................................................................................... 23

Figura 7:Micrografia via MEV de um carbeto primário MC degenerado em ........................ 24

Figura 8: Precipitação da fase sigma nos contornos de grãos após tratamento a 750 °C por

5000 h. Retirado de [11]. .......................................................................................................... 25

Figura 9: Micrografia da superliga B1914 indicando a ocorrência de fusão incipiente após

tratamento térmico a 1250 °C por 1 h [11]. .............................................................................. 27

Figura 10: Imagem feita por elétrons secundários de amostras solubilizadas à 1172ºC e

resfriadas ao ar em diferentes temperaturas durante um resfriamento contínuo de 5

ºC/min.[17]. .............................................................................................................................. 28

Figura 11:Nucleação e mudanças no tamanho e morfologia (a) esquemático da fase γʹ durante

asolubilização e (b) no resfriamento após a solubilização. Retirado de [5]. ............................ 29

Figura 12: Precipitação de γʹ com morfologia e tamanhos distintos [7]. ................................ 30

Figura 13: Fluxograma com as etapas envolvidas no estudo de evolução microestrutural da

superliga GMR-235. ................................................................................................................. 32

Figura 14: a) Aparelho LABSYS de DTA/DSC; b) Porta-amostra do aparelho. ................... 33

Figura 15: Foto mostrando o termopar tipo K durante os tratamentos térmicos [2]. .............. 34

Figura 16: Politriz automática LECO modelo SPECTRUM SYSTEM 1000 [18]. ................ 37

Figura 17: A) Microscópio ótico Leica DM IRM; B) Microscópio eletrônico de varredura

LEO 1450VP com XEDS acoplado; C) Microscópio eletrônico de varredura Hitachi TM3000

.................................................................................................................................................. 37

Figura 18: Microdurômetro Buehler modelo Micromet 6020. ............................................... 38

Figura 19: Simulação do número de mols de fase versus temperatura entre 600°C e 1400°C

para a superliga GMR-235 via Thermo-Calc. .......................................................................... 40

Figura 20: Resultado de fração molar de fases minoritárias em função da temperatura ........ 41

Figura 21: Fração molar de sólido em função da temperatura para o modelo de Scheil-

Gulliver. .................................................................................................................................... 42

Figura 22: Curva de análise térmica diferencial obtida no aquecimento da amostra bruta de

fusão (25 a 1500°C) e, em seguida, no resfriamento (1500 a 25 °C) para a condição de 20°C /

minuto. ...................................................................................................................................... 43

Figura 23: Micrografia da amostra “As Cast” obtida via microscopia ótica .......................... 46

Figura 24: Micrografia da amostra “As Cast” obtida via MEV no modo de elétrons

retroespalhados após ser atacada com glicerégia ..................................................................... 47

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Figura 25: Micrografias da amostra “As Cast” obtida via MEV no modo de

elétronsretroespalhados após ser atacada com glicerégia. ........................................................ 47

Figura 26: Micrografia da amostra 1000°C /5h obtida via MEV no estado de elétrons

retroespalhados após ser atacada com glicerégia. .................................................................... 48

Figura 27:a) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1125°C por 2 horas; b) Aumento

da micrografia em (a); c) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1125°C por 5 horas;

d) Aumento da micrografia em (c); e) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1125°C

por 8 horas; f) Aumento da micrografia em (e). ....................................................................... 50

Figura 28:a) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1150°C por 2 horas; b) Aumento

da micrografia em (a); c) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1150°C por 4 horas;

d) Aumento da micrografia (c); e) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1150°C por

8 horas; f) Aumento da micrografia (e). ................................................................................... 51

Figura 29:a) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1180°C por 2 horas; b) Aumento

da micrografia em (a); c) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1180°C por 4 horas;

d) Aumento da micrografia (c); e) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1180°C por

8 horas; f) Aumento da micrografia (e). ................................................................................... 53

Figura 30: Micrografia da amostra tratada termicamente a 1180 °C por 8 horas com maior

ampliação (4.0k). ...................................................................................................................... 54

Figura 31: a) Micrografia da amostra tratada termicamente próxima a fusão incipiente a 1200

°C por 5 horas; b) Micrografia da amostra tratada termicamente acima da fusão incipiente

1300 °C por 5 horas. ................................................................................................................. 55

Figura 32:a) Micrografia da amostra tratadas termicamente em duas etapas 1150°C (5 horas)

e 1180°C(5 horas); b) Micrografia da amostra tratada termicamente em duas etapas sendo

1150°C (8 horas) e 1180°C(8 horas). ....................................................................................... 56

Figura 33: Micrografia da amostra envelhecida em uma etapa na temperatura de 750°C (80

horas). ....................................................................................................................................... 59

Figura 34: a) Micrografia da amostra envelhecida em uma etapa de 850°C (20 horas); b)

Micrografia da amostra envelhecida em uma etapa de 850°C (80 horas). ............................... 59

Figura 35: a) Micrografia da amostra envelhecida em duas etapas -W1; b) Micrografia da

amostra envelhecida em duas etapas –T1. ................................................................................ 60

Figura 36: Relação esquemática entre os valores médios das microdurezas e as condições de

tratamentos térmicos estabelecidas. .......................................................................................... 62

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1:Composição química média(% peso)presente na superliga à base de níquel GMR-

235 [13]. ................................................................................................................................... 31

Tabela 2: Condições de tratamentos térmicos em uma condição. ........................................... 35

Tabela 3: Condições de tratamentos térmicos em duas condições. ......................................... 35

Tabela 4: Condições de tratamentos térmicos de envelhecimento em uma etapa. .................. 35

Tabela 5: Condições de envelhecimentoem duas etapas (T1 e W1) e as frações molares ...... 36

Tabela 6: Número e cor correspondente a cada fase na simulação em Thermo-Calc para a

superliga GMR-235. ................................................................................................................. 39

Tabela 7: Principais temperaturas (°C) na simulação do Thermo-Calc para a superliga GMR-

235. ........................................................................................................................................... 40

Tabela 8: Resultados de fração molar de fases (γ e γ´) nas temperaturas de 750 e 850 °C.... 41

Tabela 9: Relação entre a fração de sólido versus temperatura na simulação do Thermo-Calc

para a superliga GMR -235. ..................................................................................................... 42

Tabela 10: Principais temperaturas na simulação do Thermo-Calc para a superliga GMR-

235. ........................................................................................................................................... 43

Tabela 11: Relação dos picos presente na curva de análise térmica e os eventos associados

nas transformações de fases no aquecimento da superliga GMR-235. .................................... 44

Tabela 12: Relação dos picos presente na curva de análise térmica e os eventos associados

nas transformações de fases no resfriamento da superliga GMR-235...................................... 44

Tabela 14: Relação das medidas médias de dureza (HV) pelas condições de tratamentos

térmicos estabelecidos em uma etapa. ...................................................................................... 57

Tabela 15: Relação das medidas médias de dureza pelas condições de tratamentos térmicos

estabelecidos para duas etapas. ................................................................................................. 57

Tabela 17: Relação das medidas médias de microdurezas pelas condições de tratamentos

térmicos estabelecidos para duas etapas de envelhecimento. ................................................... 61

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LISTA DE SIGLAS

DEMAR – Departamento de Engenharia de Materiais.

XEDS – Espectroscopia de raios X dispersiva em energia.

EEL/USP – Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo.

MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura.

MO – Microscopia Óptica.

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO E OBJETIVO ........................................................................................ 17

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................... 19

2.1 Superligas ...................................................................................................................... 19

2.1.1 A fase γ ................................................................................................................... 20

2.1.2 A fase γʹ .................................................................................................................. 20

2.1.3 As fases minoritárias .............................................................................................. 22

2.2 Tratamentos térmicos de superligas à base de Ni ................................................. 26

2.2.1 Solubilização e homogenização ............................................................................... 26

2.2.1 Envelhecimento ...................................................................................................... 29

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .......................................................................... 31

3.1 Produção do material .............................................................................................. 31

3.2 Análise térmica Diferencial (DTA) ......................................................................... 32

3.3 Simulações de cálculo termodinâmico ........................................................................ 33

3.4 Tratamentos Térmicos ................................................................................................. 33

3.4.1 Solubilização ............................................................................................................ 34

3.4.2 Envelhecimento ........................................................................................................ 35

3.5 Preparação Metalográfica ............................................................................................ 36

3.6 Medidas de Microdureza .............................................................................................. 38

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................................... 39

4.1 Simulação de cálculo termodinâmico ..................................................................... 39

4.1.1 Fração molar de fases em função da temperatura .................................................. 39

4.1.2 Simulação Sheil-Gulliver ....................................................................................... 41

4.1.3 Análise Térmica Diferencial .................................................................................. 43

4.2 Análise microestrutural do material no estado bruto de fusão ........................... 45

4.3 Caracterização microestrutural após tratamentos térmicos de

homogenização/solubilização. ............................................................................................ 47

4.3.1 Abaixo da temperatura solvus γʹ ............................................................................. 47

4.3.2 Acima da temperatura solvus γʹ ............................................................................. 48

4.3.3 Próximo e acima da temperatura de fusão incipiente ............................................. 54

4.3.4 Solubilização em duas etapas ................................................................................. 55

4.3.5 Microdureza das amostras solubilizadas ................................................................ 56

4.4 Tratamentos térmicos de envelhecimento ............................................................. 58

4.4.1 Envelhecimento em uma etapa ............................................................................... 58

4.4.2 Envelhecimento em duas etapas ............................................................................. 59

4.4.3 Microdureza das amostras envelhecidas ................................................................ 60

5 CONCLUSÃO ................................................................................................................... 62

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6 REFERÊNCIAS ............................................................................................................... 64

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17

1 INTRODUÇÃO E OBJETIVO

Nas últimas décadas, tem-se buscado continuamente a otimização das propriedades

dos materiais de altodesempenhoaplicados sob condições combinadas de carregamento

mecânico dinâmico ou estático, temperaturas elevadas e por tempos excessivamente longos.

Dentre as propriedades que devem ser otimizadas podem-se mencionar o limite de

escoamento, ductilidade, resistência à fadiga de baixa e alta ciclagem, resistência à fluência,

resistência à corrosão a quente, oxidação e etc.

Assim, logo após a Segunda Guerra Mundial, desenvolviam-se um grupo de ligas

denominado “superligas” especialmente para aplicações severas nas quais deveriam

apresentar a resistência mecânicaeà corrosão/oxidação sob temperaturas acima de 650°C.

Hoje, esses materiais possuem temperaturas de serviço da ordem de 85% do seu ponto de

fusão e, em tais condições de serviço, é fundamental que a superliga apresente estabilidade

microestrutural para que as propriedades requeridas (químicas, físicas e mecânicas) sejam

mantidas [1].

Na Figura 1 são comparadasas ligas mais aplicada tecnologicamente e, dentre essas, as

superligas à base de níquel destacam-se quanto à sua resistência específica [2].

Figura 1: Resistência específica em função da temperatura para diversos tipos de materiais. Adaptado

de [3].

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18

Com essas propriedades, as superligas são amplamente aplicadas em turbos

compressores automotivos almejando-se obter maior desempenho de seus motores e com alta

autonomia, ou seja, diminuição no consumo de combustível através do aumento de eficiência

e ainda com a redução das emissões de gases poluentes [2].Outra vantagem da aplicação

dessas superligas, além das suas propriedades, é o fato de ser uma alternativa mais viável

devido à redução de etapas de usinagens através da evolução dos processos de fundições dos

quais possibilitam a confecção de geometrias mais específicas e complexas [2].

Figura 2: Foto de um rotor automotivo [3].

Alguns dos inconvenientes de produzir os rotores pelo processo de fundição por cêra

perdida está intimamente relacionada à dificuldade em controlar alguns parâmetros de

processo, como velocidade de resfriamento, temperatura de vazamento, temperatura do molde

cerâmico etc, principalmente nos canais de alimentação e nas regiões com geometrias

complexas. Assim, a formação de defeitos de como microporos, inclusões, trincas e macro e

microssegregação serão observadas na peça final. Quanto à formação de microporos, em

muitos casos, pode-se fazer o HIP (Hot IsostaticPressing) das peças e reduzir ou até mesmo

eliminar completamente os poros. Entretanto, quando a liga apresenta forte segregação, faz-se

necessário a realização de tratamentos térmicos para homogenizar a microestrutura, eliminar

as fases indesejáveis, principalmente aquelas de baixo ponto de fusão, eliminação da estrutura

bruta de fusão, obtenção de grãos com tamanhos mais uniformes, precipitação de fases

endurecedoras, alívios de tensões geradas durante o processo de solidificação e resfriamento

da peça. Assim, a realização de tratamentos térmicos é importante para alcançar as

propriedades necessárias para o uso adequado de componentes metálicos engenheirados [4].

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19

Neste trabalho foi estudada a evolução da microestrutura da superliga a base de níquel

GMR-235 a partir de tratamentos térmicos de homogenização/solubilização e

envelhecimento. A determinação da melhor condição de tratamento térmico foi feita através

de análise microestrutural, utilizando imagens de MO e MEV-ERE, e pelos resultados de

microdureza.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Superligas

As superligas à base de Ni estão entre os materiais de engenharia mais complexos

desenvolvidos pelo homem, pois são adicionados muitos elementos de liga que, quando

combinados, produzem microestruturas com propriedades interessantes para as mais diversas

aplicações. Em geral, as adições de elementos realizadas nas superligas são categorizadas

como: i) formadores da fase γ; ii) formadores da fase γ′; iii) formadores de carbonetos e iv)

elementos que segregam para os contornos de grãos, como mostrado na Figura 3.

Figura 3: Efeito de participação dos elementos de liga nas superligas à base de níquel. Adaptada de

[5].

Mo, Cr, Co, Fe,

Re, Ru

particionam na

fase γ

Composição

influencia o

desajuste entre

aγ e aγ′

Al, Ti, Nb, Ta, V

particionam na

fase γ´.

W pode ser parti -

cionado entre as

fases γ e γ`

Mo, W, Nb formadores

de carbonetos

secundários M23C6, M6C

e M7C4

Ti, Zr, Nb,

Formadores

do carboneto

primário MC

B e Zr

endurecem os

contornos de

grãos.

Y Óxido

utilizado

no

endurecim

ento por

dispersão.

Al e Cr.

Formadores de

óxidos.

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20

Elementos como Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Mo, Re e W contribuem com a estabilização da

fase γ. As adições de Al, Ti, Nb e Ta promovem a formação de fases ordenadas tais como γ′ e

γ′′. Os elementos B,C,Hf e Zr, quando adicionados, são fortemente segregados nos contornos

de grão. Os elementos Cr, Mo, W, Nb, Ta e Ti podem formar carbonetos e/ou boretos

[1].Alguns elementos desempenham outras funções: Cr e Al inibem a oxidação e a corrosão

em alta temperatura, formando finas camadas de óxido estável e aderente à superfície e atuam

como barreiras que impedem o avanço da corrosão; B e Zr inibem a formação dos carbonetos

e reduzem a solubilidade do carbono nos contornos de grão. Por fim,os elementos Pb, Bi, Sb,

As, S, P e Ag são prejudiciais, pois formam um filme de baixo ponto de fusão nos contornos

de grão e diminuem a resistência à fluência das superligas [4].

2.1.1 A fase γ

A matriz γ possui estrutura CFC e é uma solução sólida rica em Ni endurecida pelas

adições de Mo, W, Re, Pt, Cr e Ta. Elementos com raio atômico até 15 % maior que o do Ni

são extremamente eficientes no aumento de resistência por solução sólida de γ-Niss. Isto é

causado pela distorção da rede e, portanto, aumenta com o aumento da diferença entre os raios

atômicos entre os tamanhos dos átomos. Elementos com ponto de fusão elevado (molibdênio

e tungstênio) possuem forte coesão e reduzem a difusão, particularmente a altas temperaturas

[6].

2.1.2 A fase γʹ

A fase γ‟ foi descoberta por Betteridge e Franklin em 1957 em virtude do aumento da

resistência em temperaturas elevadas da liga Nimonic80 através de adições de Al e Ti [3]. A

fase γʹ é um composto intermetálico de estequiometria A3B com estrutura cristalina do tipo

Au3Cu-L12. Possui uma relação de orientação cubo-cubo com a matriz, podendo apresentar

forma esferoidal, cuboidal ou outras formas, dependendo das condições de processamento,

composição química e da “história térmica” a qual o material foi submetido. A fase γʹ é

ordenada e sua estrutura cristalina é mostrada na Figura 4. A célula unitária consiste de

átomos de Ni no centro das faces e átomos de Al nos cantos do cubo. Alguns elementos como

Co, Cu e Pt substituem preferencialmente o Ni, enquanto Ti, Nb e Ta substituem as posições

do Al. Elementos como Cr e Fe podem ocupar ambos os sítios [5].

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21

Figura 4: Célula unitária da fase γʹ

As propriedades mecânicas das superligas de níquel são extremamente dependentes da

microestrutura, especialmente na formação dos precipitados de γʹ [8]. A sua contribuição para

a resistência das superligas depende do tamanho, do espaçamento e da forma dessas

partículas. Consequentemente, as tendências no desenvolvimento de superligas têm resultado

em materiais com fração volumétrica acima de 60% [6]. As quantidades de alguns dos

principais elementos formadores da fase γʹ (ex.: Al e Ti) controlam a coerência desses

precipitados com a matriz γ. Estudos em superligas mostraram que a vida até a ruptura por

fluência desse material depende fortemente da fração volumétrica de γʹ. O tempo de ruptura

aumenta quando a fração volumétrica dos precipitados de γʹ atinge 50%, e decresce

repentinamente acima deste valor, como mostrado na Figura 5 [4].

Figura 5:Vida até a ruptura em fluência em função da fração volumétrica de γʹ para as superligas à base

de níquel [4].

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22

Ambas as fases γ e γʹ possuem parâmetros de rede bastante similares. Em vista disso,

os precipitados de γʹ são coerentes com a matriz γ. Em outras palavras, os precipitados de γʹ

apresentam baixa energia de interface em relação à matriz γ contribuindo para estabilidade

estrutural destes precipitados em temperaturas elevadas. Embora pequena, a diferença nos

parâmetros de rede entre as fases (“misfit” ou “mismatch”) não é zero. O “mismatch” pode

ser calculado pela seguinte equação:

δ = 2(aγ′- aγ)/(aγʹ+ aγ)

na qual aγʹ e aγ são os parâmetros de rede das fases γʹ e γ, respectivamente [6].

A deformação resultante da coerência pode trazer uma contribuição significativa para

o endurecimento total da superliga, uma vez que a tensão de escoamento possui uma

dependência linear com o “mismatch” entre 20 e 800°C. Entretanto, um valor elevado de

“mismatch” aumenta a força motriz para o engrossamento de γʹ [5]. Para precipitados

pequenos e/ou quando o “mismatch” entre as fases γ/γʹ é mínimo, a fase ordenada γʹ tende a

ter formato esferoidal. Quando o “mismatch” entre γ/γʹ for elevado, a fase γʹ tende a ser

cuboidal [2].

2.1.3 As fases minoritárias

Além das fases γ e γʹ existem outras fases que podem estar presentes nas superligas.

Algumas fases como carbonetos e/ou boretos são desejáveis sob certas condições. No entanto,

a maioria são fases deletérias que podem iniciar falhas catastróficas e reduzir a vida em

serviço [9].

2.1.3.1 Carbonetos

O carbono é adicionado entre 0,05 e 0,2% (em peso) e reage com os elementos Ti, Hf,

Ta, Cr, Mo dentre outros para formação de carbonetos de estequiometrias variadas MC,

M23C6 e M7C3 como mostrado na Figura 6. Os carbonetos são comumente encontrados no

interior da fase γ e nos contornos de grãos. Observa-se que tais carbonetos podem nuclear

heterogeneamente nas superligas de níquel até temperaturas maiores que a “liquidus‟,

dependendo do potencial de nucleação e, dentre os diversos elementos presentes nas

superligas de níquel. Como exemplo de redução da precipitação dos carbonetos, embora não

seja aplicado a GMR-235, tem-se o cobalto que pode influenciar o tipo e a quantidade de

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23

carbonetos presentes nestes materiais. Os aumentos nos teores de cobalto reduzem a

quantidade de carbonetos formados através do aumento da quantidade de carbono dissolvido

em γ [6].

Figura 6: Estrutura típica de uma superliga demonstrando as formas possíveis de carbonetos presentes

[10].

Sob serviço a temperaturas elevadas, as propriedades dos contornos de grãos tornam-

se tão importantes quanto o endurecimento causado pela precipitação de γʹ no interior dos

grãos. Os carbonetos nas superligas realizam três funções importantes: 1) Endurecem os

contornos de grãos dificultando o escorregamento relativo entre os contornos e permitindo a

relaxação das tensões ao longo dos contornos. Esta função é potencializada quando os

carbonetos são finos e estão homogeneamente distribuídos ao longo dos contornos de grãos;

(2) Aumentam a resistência mecânica em alta temperatura de ligas de Ni e de Co que não são

endurecidas pela precipitação da fase γʹ; e (3) Os carbonetos podem “aprisionar” os elementos

refratários (Hf, Ta, W, Mo, Re, Cr, Ti) formadores de fases topologicamente compactas

(FTC) que são extremamente deletérias para as superligas de Ni[11].

Dentre os carbonetos citados, o MC é majoritário nas superligas de níquel em que seu

surgimento depende da composição da liga e a sua morfologia dependerá das condições de

processamento. Tais carbonetos são estáveis em altas temperaturas, mas não são estáveis em

baixas temperaturas. Durante o tratamento térmico de envelhecimento ou sob condições de

serviço (entre 600 a 1000 °C), os carbonetos MC podem sofrer decomposição liberando

carbono e seus elementos formadores (Ti, Hf, Cr, Mo, Ta, Nb) que difundem e reagem com a

matriz formando carbonetos do tipo M6C e M23C6 ricos em Cr, Mo e W, como mostra a

Figura 7. Tais reações de decomposiçãosão mostradas logo abaixo:

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24

MC + γ(“ss”) M23C6 + γʹ eq. 1

(Ti,Mo)C + γ (Ni,Cr,Al,Ti em “ss”) (Cr, Mo)23C6 + Ni3(Al,Ti) eq. 2

MC + γ M6C +γʹ eq. 3

(Ti, Mo)C + γ (Ni, Al, Ti em “ss”) Mo3(Ni,Co)3C + Ni3(Al,Ti)eq. 4

(“ss” → solução sólida)

Essa transformação sofrida pelo carboneto MC é vista como benéfica em algumas

situações ou maléfica, dependendo da morfologia do carboneto formado como mencionado.

Se o carboneto formado nas regiões dos contornos for contínuo, “como um filme”, esse atuará

como um caminho mais rápido à nucleação e propagação das trincas, pois esta fase é frágil e

apresenta baixa ductilidade. No entanto, se o carboneto apresentar-se como precipitados finos

e regulares presentes ao longo dos contornos, ocorrerá a inibição do escorregamento entre

contorno e efetivamente os carbonetos contribuirão com o aumento de resistência,

principalmente à fluência [2,12].

Figura 7:Micrografia via MEV de um carbeto primário MC degenerado em

carbonetos do tipo M6C e M23C6 [3].

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25

2.1.3.2 Boretos

Pequenas adições de boro são necessárias para aumentar a resistência à fluência das

superligas elevando a resistência ao escorregamento entre contornosde grãos e contribuindo

com a estabilidade dos carbonetos. Os boretos sãoprecipitados duros e que se formam apenas

nos contornos de grãos. O boretocomumente encontrado nas superligas é o M3B2, com célula

unitária tetragonal [6].

2.1.3.3 Fases topologicamente compactas (FTC)

Nas superligas, as fases FTC que usualmente se formam como placas finas ou agulhas

como mostrado na Figura 8, podem levar à diminuição da resistência à ruptura, a perda de

ductilidade, a formação de sítios para nucleação de trincas e o aprisionamento dos elementos

responsáveis pelo endurecimento por solução sólida e por precipitação. Quantidades

excessivas de Cr, Mo, W e Re podem promover a formação das fases FTC, exemplificado na

Figura 8. As fases resultantes tinham como características: (i) densidade de empacotamento

atômico alta e uniforme, (ii) as ligações entre os elementos são direcionais e não-metálicos e

(iii) estruturas cristalinas complexas.

Em geral, estas fases têm fórmulas químicas AxBy, onde A e B são metais de transição,

com A e B de eletronegatividades diferentes, sugerindo que os fatores eletrônicos são

importantes na estabilidade.

Figura 8: Precipitação da fase sigma nos contornos de grãos após tratamento a 750 °C por 5000 h.

Retirado de [11].

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26

2.1.3.4 Superliga GMR-235

Estudos em fluência mostraram que a superliga GMR-235 testada a 816 °C/234 MPa

apresentou tempos de ruptura superiores a 100 horas. Testes preliminares indicaram que a

superliga fundida GMR-235 apresentava boa resistência ao choque térmico e fadiga mecânica

[4]. Zupanic et al [13] conduziu um trabalho de caracterização dos constituintes

microestruturais da superliga GMR-235 em diferentes condições de processamento. Este

material era constituído pela matriz γ com precipitados dispersos de γ′ e três fases

minoritárias: M3B2, MC e Ti(C,N).

De certa forma, podem-se destacar adições de elementos como Cr, Mo, Fe, Al, Ti, Si,

Mn. Dentre as características desses elementos, o Fe ajuda a formar a matriz, auxilia no

processo de endurecimento por solução sólida, sendo fundamental para a precipitação de

compostos endurecedores na matriz. Juntamente com o Ni e Fe, o Cr forma a matriz e auxilia

no processo de endurecimento por solução sólida garantindo a estabilidade superficial

(resistência à oxidação e a corrosão a quente). Al e Ti são adicionados para precipitação da

fase γ′ e o Al ainda contribui com o aumento da resisência à oxidação. Si e Mn melhoram a

fluidez do líquido durante a etapa de fusão da liga [14].

2.2 Tratamentos térmicos de superligas à base de Ni

2.2.1 Solubilização e homogenização

O efeito dos parâmetros de processo que envolve a solidificação no desenvolvimento

da microestrutura das superligas é importante, pois a condição inicial da microestrutura “as

cast” será um dos fatores importantes na definição dos tratamentos térmicos subsequentes ao

qual o material será submetido. O espaçamento entre os braços dendríticos (primários e

secundários), a macro/microssegregação, a distribuição e morfologia dos precipitados e a

porosidade são fatores que influenciam as propriedades mecânicas [15].

Os tratamentos térmicos de homogenização química são muito utilizados em

superligas no estado bruto de fusão. Estes tratamentos térmicos têm como objetivo principal a

eliminação da segregação do material. Entretanto, os tempos necessários para eliminar

completamente a segregação e obter uma composição perfeitamente uniforme são

extremamente longos, particularmente quando a segregação é severa, envolvendo elementos

pesados que se difundemlentamente e a estrutura de solidificação é grosseira (espaçamento

entre os braços das dendrítas primárias de ordem de 100µm) [5]. Em geral as temperaturas de

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27

homogenização química são mais baixas que as de solubilização, como observado em outros

trabalhos [2].

O tratamento térmico de solubilização em superligas é teoricamente definido pelo

intervalo entre as temperaturas “solvus” de γ´ e “solidus” de uma liga. Por definição, a

temperatura “solidus” é a temperatura de equilíbrio na qual a fase líquida surge e a

temperatura “solvus” é a temperatura na qual os últimos precipitados da fase γ´ passam para a

solução [16]. As temperaturas de tratamentos têm que ser elevadas o suficiente para atingir a

solubilização, porém, sem causar a fusão incipiente.

Numa liga apresentando forte segregação, a “solvus” de γʹ pode variar mais de dezenas

de graus Celsius de um ponto para outro. Em outras ligas, o intervalo da temperatura “solvus”

de γʹ pode exceder a temperatura de fusão incipiente, tornando impossível a solubilização

completa [5].

É necessário também ter um controle rígido da temperatura do forno para o tratamento

térmico de solubilização em temperaturas próximas da fusão incipiente e “solvus” de γ´.

Flutuações de 10°C podem iniciar danos irreversíveis através da fusão incipiente,

comprometendo a integridade do material, como mostradona Figura 9 [16].

Figura 9: Micrografia da superliga B1914 indicando a ocorrência de fusão incipiente após tratamento

térmico a 1250 °C por 1 h [11].

Resultados mostraram que a taxa de resfriamento e a temperatura em que se iniciou o

resfriamento tem forte influência sobre a formação e distribuição de γʹ, como mostradona

Figura 10 [17]. Os resultados mostraram uma distribuição bimodal para resfriamentos a partir

de temperaturas mais altas do que baixas. Uma distribuição unimodal aparece em

temperaturas intermediárias [17].

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28

Figura 10: Imagem feita por elétrons secundários de amostras solubilizadas à 1172ºC e resfriadas ao ar

em diferentes temperaturas durante um resfriamento contínuo de 5 ºC/min.[17].

Quando a superliga é resfriada a partir da temperatura do tratamento de solubilização,

uma grande variedade de morfologias de precipitados pode estar presentes, como mostradona

Figura 11. Durante o resfriamento contínuo, os precipitados mudam de morfologia de acordo

com esta sequencia: núcleos esféricos → cubos → cubos maiores → dendritas → “estrelas”.

A morfologia “estrela” (cubos deformados com vértices estendidos) possui mais alta energia

interfacial do que os cubos simples. Elas são observadas em amostras que passam por

tratamentos térmicos acima da “solvus” de γʹ e então são resfriadas rapidamente [5].

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29

(a)

(b)

Figura 11:Nucleação e mudanças no tamanho e morfologia (a) esquemático da fase γʹ durante

asolubilização e (b) no resfriamento após a solubilização. Retirado de [5].

2.2.1 Envelhecimento

A efetividade do endurecimento causado por γ′ depende de sua fração volumétrica,

bem como do seu tamanho e de sua distribuição na microestrutura do material. O tratamento

térmico de envelhecimento tem como objetivos promover a re-precipitaçãoda fase γʹ com

morfologia cuboidal [16] e a precipitação de γʹ dentro dos canais da matriz γ como

mostradona Figura 12 [4].

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30

Figura 12: Precipitação de γʹ com morfologia e tamanhos distintos [7].

Os tratamentos térmicos de envelhecimento podem ser feitos em duas etapas. Esses

tratamentos em duas etapas são usados a fim de maximizar a resistência e desenvolver uma

melhor combinação entre propriedades e microestrutura do material [3].

A primeira etapado envelhecimento, a temperaturas mais elevadas, precipita a fase γʹ

mais grosseira e pode melhorar a distribuição dos carbonetos nos contornos de grão. A

segunda etapa, geralmente a uma temperatura inferior à primeira, gera a precipitação da fase

γʹ mais fina, proporcionando uma distribuição bimodal do tamanho de partícula da fase γʹ e

aumentando a fração volumétrica da fase γʹ, uma vez que a primeira etapa possui uma maior

temperatura e consequentemente maior energia de superfície na matriz [3]. Outro fator seria

que tratamentos térmicos de envelhecimento em duas etapas auxiliam na formação de uma

película contínua da fase γʹ ao redor dos carbonetos, diminuindo a probabilidade de fraturas

intergranulares no material (fratura frágil) [3].

Os tratamentos térmicos de envelhecimento são feitos para aumentar as frações

volumétricas da fase γʹ e de outras fases minoritárias que possam promover o endurecimento

por precipitação da liga. No equilíbrio, em temperaturas menores de tratamentos, há a

tendência de se obter maiores frações volumétricas da fase γʹ e com maiores tempos de

tratamentos há a tendência de se alcançar essa fração em equilíbrio [2].

γʹsecundário

γʹprimário

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31

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

3.1 Produção do material

O material utilizado para este estudo foi doado pela empresa Açotécnica S.A na forma

de uma fatia de um lingote de 0,5 kg aproximadamente. Após o recebimento do material

foram feitos cortes através do processo de eletroerosão em filetes e, posteriormente, estes

filetes foram cortados em dimensões próximas à de cubos de 1,00cm³.

Na Tabela 1 são mostrados os valores da composição média (% em peso) da liga

GMR-235 de acordo com o trabalho publicado por [13]. Após a preparação das amostras

foram determinados os experimentos definidos para o estudo da evolução microestrutural da

superliga GMR-235. O fluxograma mostrado pela Figura 13 exemplifica com detalhes todas

as etapas envolvidas no presente estudo.

Tabela 1:Composição química média(% peso)presente na superliga à base de níquel GMR-235 [13].

Elemento Ni Fe Cr Al Ti Mo Mn Si C B

(% peso) Balanço 10,7 14,7 3,6 2,0 4,6 0,3 0,5 0,15 0,05

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32

Figura 13: Fluxograma com as etapas envolvidas no estudo de evolução microestrutural da superliga

GMR-235.

3.2 Análise térmica Diferencial (DTA)

Amostras nas condições brutas de fusão (“as cast”) foram selecionadas para a

realização de experimentos de análise térmica diferencial (DTA), como mostrado na Figura

14. As amostras eram cilíndricas e pesavam aproximadamente 180 mg. O aquecimento e o

resfriamentoforam realizados no intervalo de temperatura de 25 até 1500°C nas taxas de

aquecimento de 5, 10 e 20°C/min.. As temperaturas de transformação foram determinadas a

partir dos valores encontrados nos “picos” ou no ponto de inflexão em relação aos eventos

térmicos observados nas curvas de aquecimento/resfriamento.

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33

Figura 14: a) Aparelho LABSYS de DTA/DSC; b) Porta-amostra do aparelho.

3.3 Simulações de cálculo termodinâmico

Com objetivo de entender as relações de fase no equilíbrio e fora do equilíbrio em

função da temperatura e conhecer o caminho de solidificação da superliga GMR-235 foram

realizadas simulações de cálculo termodinâmico. A simulação é baseada na descrição

matemática de propriedades termodinâmicas das fases. Estas descrições matemáticas estão

contidas em banco de dados de softwares como PANDAT, JMATPRO, Thermo-Calc que são

utilizados para realização de cálculos termodinâmicos. No presente trabalho foi utilizado o

programa Thermo-Calc versão R e o banco de dados de superligas de NiTTNI8 [18]. Foram

realizados os cálculos de fração molar de fase em função de temperatura, as composições

químicas das fases e estimativas do caminho de solidificação pelo modo Scheil.

3.4 Tratamentos Térmicos

Os objetivos dos experimentos de tratamentos térmicos eram de estabelecer condições

adequadas (tempo e temperatura) para realização dos tratamentos térmicos de solubilização e

de envelhecimento. Os tratamentos térmicos foram divididos em duas etapas:

1) Homogeneização/Solubilização e

2) Envelhecimento.

Estes tratamentos térmicos foram conduzidos de modo a avaliar a evolução

microestrutural da superliga GMR-235 sob condições variadas de solubilização e de

envelhecimento, a partir de amostras no estado bruto de fusão. As amostras utilizadas para os

tratamentos térmicos foram encapsuladas em tubo de quartzo em atmosfera inerte de argônio.

Os tratamentos térmicos foram realizados em forno tubular cerâmico (Lindberg Blue) com

elemento resistivo de dissiliceto de molibdênio(MoSi2). Todas as temperaturas foram medidas

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34

com um termopar tipo K instantes antes decada tratamento térmico e na mesma posição em

que a amostra iria ser colocada no forno. Isso foi feito com o objetivo de averiguar se a

temperatura real da região onde se encontrava a amostra era a mesma que o controlador do

forno estava indicando. Todas as amostras foram resfriadas ao ar após cada etapa de

tratamento térmico.

Figura 15: Foto mostrando o termopar tipo K durante os tratamentos térmicos [2].

3.4.1 Solubilização

Nos tratamentos térmicos de solubilização, amostras no estado bruto de fusão foram

submetidas à condições diferentes de solubilização, variando as temperaturas e os tempos

envolvidos. Posteriormente as microestruturas foram caracterizadas por MO, MEV-ERE e

através de medidas de microdureza.

Tiveram-se como princípio das escolhas das condições: T1) temperatura abaixo da

possível temperatura desolvus de γʹ do material (1032°C) sendo a escolhida de 1000 °C; T2)

temperaturas na região da “janela de solubilização”, ou seja, temperaturas entre a solvus de γʹ

e a de fusão incipiente (1032°C a1193°C) sendo as escolhidas de 1125, 1150 e 1180 °C; T3)

temperatura próxima de fusão incipiente (1200 °C) e T4) temperatura acima da fusão

incipiente (1200°C). Todas as condições tiveram como referência as temperaturas de

transformação calculadas (simulações térmicas como Thermo-Calc) e medidas

experimentalmente por DTA.

Como mostrado na Tabela 2 têm-se as nomenclaturas e condições (temperatura e

tempo) adotadas para os tratamentos térmicos de solubilização em uma etapa. A nomenclatura

determinada para “as cast” foi de AsCast.

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35

Foram também realizados tratamentos térmicos de solubilização em duas etapas. A

primeira etapa do tratamento tem como objetivo dissolver as regiões eutéticas, sem ocorrência

de fusão incipiente. Na segunda etapa, o objetivo é homogenizar os elementos químicos e

solubilizar precipitados com temperatura solvus mais elevadas, por exemplo, γʹ, carbonetos

e/ou boretos. Na Tabela 3 são apresentadas as condições (tempo e temperatura) e

nomenclaturas adotadas para os tratamentos térmicos de solubilização em duas etapas.

Tabela 2: Condições de tratamentos térmicos em uma condição.

1000°C 1125°C 1150°C 1180°C 1200°C 1300°C

2 horas A3 B1 C1

5 horas F2 A8 B2 C2 D2 E2

8 horas A6 B3 C3

Tabela 3: Condições de tratamentos térmicos em duas condições.

1150 °C + 1180 °C

G1 5 horas + 5 horas

G2 8 horas + 8 horas

3.4.2 Envelhecimento

Os tratamentos térmicos de envelhecimento foram realizados a partir das melhores

condições de solubilização. A temperatura e os tempos para os tratamentos de envelhecimento

foram selecionados utilizando os resultados dos cálculos de fração molar defases em função

da temperatura e os tempos foram baseados em resultados obtidos no trabalho de [20]. Na

Tabela 4 são mostradas as condições de envelhecimento em uma etapa.

Tabela 4: Condições de tratamentos térmicos de envelhecimento em uma etapa.

Tempo

(horas)

Temperatura (°C)

750 °C (0,37 % em peso γʹ) 850 °C (0,29% em peso γʹ)

5 Y1 Z1

20 Y2 Z2

80 Y3 Z3

Também foram realizados tratamentos térmicos de envelhecimento em duas etapas,

visando uma distribuição bimodal do tamanho de precipitados da fase γ‟. Foram selecionadas

as temperaturas de 750, 850°C com tempos de 5 horas para a primeira etapa e de 20 horas

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36

para as duas condições sendo a mesma temperatura de 650°C também. Vale ressaltar que para

os tempos tiveram-se como base o trabalho de [2].

Tabela 5: Condições de envelhecimentoem duas etapas (T1 e W1) e as frações molares

de γʹ nas respectivas temperaturas.

T1 750 °C/5 horas

(0,37 % em peso γʹ) →

650 °C/20 horas

(0,39% em peso γʹ)

W1 850 °C/5 horas

(0,29% em peso γʹ) →

780 °C/ 20 horas

(0,35% em peso γʹ)

3.5 Preparação Metalográfica

Na etapa de caracterização microestrutural, todas as amostras seguiram basicamente a

mesma rota de preparação metalográfica, sendo:

Embutimento a quente com resina fenólica;

Lixamento com lixas de carbeto de silício (SiC) em #400, #800, #1200, #2400 e

#4000;

Polimento com OP-S 0.01µm diluído em 50% volume de água destilada.

Todas as amostras foram atacadas quimicamente para que revelasse sua

microestrutura e assim obter uma melhor análise com glicerégia (1/6 HNO3, 2/6

HCl e 3/6 de glicerina) [21].

Teve-se, inicialmente, dificuldade para estabelecer uma rota adequada de preparação

metalográfica tanto na fase de lixamento como na fase de polimento. A solução encontrada foi

de reduzir o tempo e a quantidade de lixas de granulometria grosseira para, então, evitar o

abaulamento das amostras. Consequentemente na etapa de polimento teve como princípio

inicial utilizar pastas de diamante de 3 e 1 µm. Porém, com o surgimento de riscos em muitas

das amostras, essa etapa foi retirada e a solução foi utilizar somente como condição o

polimento final com OP-S de 0,01 µm mesmo que por tempos mais longos.

Para polimentos foi utilizada a politriz automática da marca LECO modelo

SPECTRUM SYSTEM 1000 (Figura 16), ajustada com uma força de 200N na amostra,

rotação de 300 RPM e tempo aproximado de 40 minutos.

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37

Figura 16: Politriz automática LECO modelo SPECTRUM SYSTEM 1000 [18].

A amostra no estado bruto de fusão foi caracterizada com o auxílio do microscópio

ótico LEICA modelo DMIRM sob luz polarizada com câmera digital Samsung modelo

SCC131 acoplada e do microscópio eletrônico de varredura (MEV) com filamento de

Tungstênio no modelo LEO 1450VP e Hitachi TM3000 com XEDS acoplado, nos modos

elétrons retroespalhados e elétrons secundários. As amostras tratadas foram analisadas

somente por microscopia eletrônica de varredura (MEV).

Para a amostra no estado bruto de fusão também foi caracterizada composicionalmente

nas regiões dendríticas e interdendríticas via XEDS. As medidas foram feitas em duas regiões

da amostra escolhidas por apresentarem regiões dendríticas e interdendríticas „espessas‟ com

o objetivo de minimizar a imprecisão das medidas, sendo feitas medidas em oito pontos

decada região.

c)

Figura 17: A) Microscópio ótico Leica DM IRM; B) Microscópio eletrônico de varredura LEO

1450VP com XEDS acoplado; C) Microscópio eletrônico de varredura Hitachi TM3000

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38

3.6 Medidas de Microdureza

A amostra bruta de fusão e amostras após tratamentos térmicos de solubilização e

envelhecimento foram submetidas a medidas de dureza em um microdurômetro Buehler

modelo Micromet 6020 (Figura 18). A carga utilizada para a medição foi de 500 gf e o tempo

de carga foi de 30 segundos. Foram realizadas 15 medidas em posições aleatórias em cada

amostra.

Figura 18: Microdurômetro Buehler modelo Micromet 6020.

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39

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 Simulação de cálculo termodinâmico

As simulações termodinâmicas têm sido amplamente aplicadas em materiais

engenheiradosde diversos tipos. Esse método permite simulações relacionadas às condições

de equilíbrio possibilitando obter informações das temperaturas Tsolidus, Tsolvusdeγʹ e Tliquidus,

ordem de aparecimento das fases na solidificação e a fração molar de cada fase em função da

temperatura [22]. Os cálculos foram realizados utilizando a base de dados TTNI8, específica

para superligas à base de Ni [18]. Com os valores calculados das temperaturas solvus de γʹ,

solidus e liquidus, pode-se juntamente com os resultados de DTA definir as condições dos

tratamentos térmicos de homogenização/solubilização, dissolvendo completamente as fases de

baixo ponto de fusão e γʹ, sem a ocorrência de fusão incipiente. Além disso, as simulações

permitiram estimar as frações de equilíbrio de γʹ nas temperaturas de realização dos

tratamentos térmicos de envelhecimentos.

4.1.1 Fração molar de fases em função da temperatura

Na Tabela 6 são mostradas as identificações (numeração e cores) das fases presentes

nos cálculos de fração molar de fases em função da temperatura.

Tabela 6: Número e cor correspondente a cada fase na simulação em Thermo-Calc para a superliga GMR-235.

Número - Fase

1- Líquido 2- Fase γ 3- Carboneto MC

4- Boreto M3B2 5- Carboneto M23C6 6- Carboneto M6C

7- Fase γʹ 8- Fase Sigma 9- Fase Laves

A Figura 19 apresenta os resultados de fração molar de fases em função da

temperatura no intervalo de 600 e 1400°C para a superliga GMR-235. A partir destes

resultados podem-se determinar as temperaturas liquidus, solidus e solvusde γʹ; a sequência de

precipitação das fases durante a solidificação e as frações de molares de fases, principalmente

de γʹ que é uma das principais fases endurecedoras da liga GMR-235. Os valores das

temperaturas liquidus, solidus e solvus de γʹ são apresentados na Tabela 7.

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40

Figura 19: Simulação do número de mols de fase versus temperatura entre 600°C e 1400°C para a

superliga GMR-235 via Thermo-Calc.

Tabela 7: Principais temperaturas (°C) na simulação do Thermo-Calc para a superliga GMR-235.

T liquidus 1350

T solidus 1305

Tsolvus de γʹ 1032

A Figura 20 é uma ampliação para visualização da fração molar de fases minoritárias

no intervalo de 600 a 1400°C. Pode-se observar através da simulação que as fases mais

estáveis presentes são os boretos que tem fração molar próximo a 0,006. Embora baixa, os

carbonetos do tipo M23C6 apresenta fração molar de 0,035 abaixo de 1050 °C. O carboneto do

tipo MC precipita próximo a 1320 °C e o início da sua decomposição ocorre a partir de

temperaturas abaixo de 1015 °C. O carboneto M6C precipita próximo a 1100 °C e sofre

degeneração abaixo de 780 °C. São previstas a formação de fases deletérias como σ – sigma e

a fase Laves. A fase σ precipita em torno de 790 °C e sua fração molar máxima de 0,048 é

atingida na temperatura de 650°C. Já a fase Laves precipita a 650 °C e sua fração molar

máxima de 0,015 é atingida a 600°C. A precipitação dessas fases não é desejável pois

comprometem a integridade microestrutural das superligas em temperaturas de serviço.

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41

Figura 20: Resultado de fração molar de fases minoritárias em função da temperatura

para superliga GMR-235.

Na Tabela 8 são mostradas as frações molares de γ e γʹ em função da temperatura, a

partir das quais foram definidas as condições de envelhecimento. Uma vez que os tratamentos

térmicos de envelhecimento têm longa duração, a microestrutura do material pode chegar

próxima ao equilíbrio termodinâmico. Nos tratamentos térmicos de envelhecimento procura-

se maximizar a fração molar de γʹ precipitada em função das temperaturas selecionadas. Isto

possivelmente terá um impacto positivo nas propriedades mecânicas da liga, no caso serão

avaliadas através de ensaios de microdureza.

Tabela 8: Resultados de fração molar de fases (γ e γ´) nas temperaturas de 750 e 850 °C

para superliga GMR-235.

Fração molar das fases Temperatura (°C)

γʹ γ

0,37 0,57 750

0,29 0,65 850

4.1.2 Simulação Sheil-Gulliver

As simulações pelo modo Scheil permitiram calcular o caminho de solidificação fora

de equilíbrio para a superliga GMR-235. O modelo Scheil-Gulliverpostula que a difusão no

1 -Liquidus

Fração

Mo

lar (

Fase

)

Temperatura (Celsius)

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estado sólido é desprezível, a difusão na fase líquida é infinita e o equilíbrio local é

estabelecido somente na frente de solidificação. As reações envolvidas durante a solidificação

da superliga GMR-235 a partir da fase líquida são mostradas na Tabela 9. A Figura 21 é

mostrada a sequência na qual as fases são depositadas na interface S+L durante o resfriamento

da liga. Com isso pode-se analisar as temperaturas considerando assimulações

termodinâmicas nas condições de equilíbrio, fora de equilíbrio (modo Sheil-Gulliver) e,

também, correlacionando com as temperaturas obtidas experimentalmente via DTA como

mostrado na Tabela 10.

Figura 21: Fração molar de sólido em função da temperatura para o modelo de Scheil-Gulliver.

Tabela 9: Relação entre a fração de sólido versus temperatura na simulação do Thermo-Calc para a superliga

GMR -235.

Número Fases

1 Líquido

2 Líquido + γ

3 Líquido + γ + MC

4 Líquido + γ + MC + M3B2

5 Líquido + γ + MC + M3B2 + M23C6

6 Líquido + γ + MC + M3B2 + M23C6 + γʹ

7 Líquido + γ + MC + M3B2 + M23C6 + γʹ+ σ

1170

1200

1230

1260

1290

1320

1350

Te

mp

era

ture

, C

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Mole Fraction of Solid

THERMO-CALC (2012.08.30:12.49) : DATABASE:USER W(C)=WC, W(MN)=WMN, W(SI)=WSI, W(TI)=WTI, W(AL)=WAL, W(MO)=WMO, W(FE)=WFE, W(CR)=WCR, W(B)=WB, P=1E5, N=1;

1 1: LIQUID

2 2: FCC_A1#1 LIQUID

3 3: FCC_A1#1 FCC_A1#2 LIQUID

3

4

4: FCC_A1#1 FCC_A1#2 LIQUID M3B2_TETR

4

4

5

5: FCC_A1#1 FCC_A1#2 LIQUID M3B2_TETR M6C

5

6

6: FCC_A1#1 LIQUID M3B2_TETR M6C

67

7: FCC_A1#1 LIQUID M3B2_TETR M6C SIGMA

8

8: FCC_A1#1 G_PHASE LIQUID M3B2_TETR M6C SIGMA

2012-08-30 14:39:42.76 output by user Alex from ALEX-PC

Tem

pe

ratu

ra, e

m C

els

ius

Fração de sólido formado

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Tabela 10: Principais temperaturas na simulação do Thermo-Calc para a superliga GMR-235.

Dados Temperatura (°C)

(Fora de Equilíbrio)

Temperatura (°C)

(Equilíbrio)

DTA

Temperatura (°C)

T liquidus 1350 1350 1345

T solidus - 1305 -

T Fusão Incipiente 1180 - 1193

T solvusde γʹ - 1032 1020

4.1.3 Análise Térmica Diferencial

Para a superliga GMR-235 foi feito apenas uma análise térmica diferencial (DTA)

tendo como taxas de aquecimento/resfriamento de 20°C/min em um intervalo de 25 a 1500°C

a partir de amostras bruta de fusão. Na Figura 22 é mostrado o termograma da superliga

GMR-235 com as curvas de aquecimento e de resfriamento. Com o objetivo de facilitar a

interpretação dos valores de temperaturas obtidos das curvas de aquecimento e de

resfriamento, estão indicados por letras. Já nas Tabelas 11 e 12 são indicadas as temperaturas

de início e fim da transformação.

Figura 22: Curva de análise térmica diferencial obtida no aquecimento da amostra bruta de fusão (25 a

1500°C) e, em seguida, no resfriamento (1500 a 25 °C) para a condição de 20°C / minuto.

Aquecimento

Resfriamento

Endotérmico

Exotérmico

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Tabela 111: Relação dos picos presente na curva de análise térmica e os eventos associados nas transformações

de fases no aquecimento da superliga GMR-235.

Identificação dos picos Evento térmico associado no aquecimento

A (1020 °C) γʹ - solvus.

B(1193 a 1236 °C) Dissolução do eutéticotrifásico (M3B2 + MC + γ) e

formação de líquido

C (1254 a 1314 °C) Dissolução do eutético (MC + γ) e formação de líquido

D (1345 °C) Desaparecimento da fase γ e fusão completa da liga

Tabela 122: Relação dos picos presente na curva de análise térmica e os eventos associados nas transformações

de fases no resfriamento da superliga GMR-235.

Identificação dos picos Evento térmico associado no resfriamento

E (1341 °C) Formação de γ a partir do líquido

F (1287 a 1230 °C) Formação do eutético MC + γ

G (1206 a 1190 °C) Solidificação do líquido residual e formação do

eutéticotrifásico (M3B2 + MC + γ)

H (1012 °C) γʹ - solvus

Analisando a Figura 22, notam-se oito principais picos sendo quatro relevantes na

etapa de aquecimento e os outros quatro relevantes na etapa de resfriamento. Como

mencionado na Tabela 10 e Tabela 11, o primeiro pico (A) refere-se ao evento de dissolução

de γʹ que ocorre progressivamente com o aumento contínuo da temperatura. Em trabalhos

publicados anteriormente, a diferença entre os picos de amostras tratadas termicamente e a

bruta de fusão é nítido sendo que para a amostra solubilizada o seu pico é mais acentuado

(faixa de temperatura menor) [3]. Isso ocorre devido ao fato do material solubilizado ser mais

homogêneo microestruturalmente e com precipitados mais finos de γʹ. Sendo assim, essa

identificação é fundamental por estar associado à solvus de γʹda superliga.

Os próximos eventos térmicos observados são indicados pelas letras B e C. O evento

térmico identificado pela letra B está relacionado com o início de formação da fase líquida

(fusão incipiente) que surge a partir de 1192 °C. O próximo evento térmico identificado pela

letra C envolve a dissolução do carboneto do tipo MC e o aumento progressivo da fração de

líquido que consome os carbonetos e a fase γ. A fusão de todo o material termina a 1345 °C,

identificado pela letra D.

No resfriamento os primeiros cristais da fase γ surgiram a partir de 1341 °C (evento

térmico E). Com a continuidade do resfriamento a fração da fase γ aumenta progressivamente

e a 1287 °C (evento térmico F) a composição do líquido atinge a temperatura do eutético

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45

binário γ/MC. O líquido residual é resfriado até atingir a temperatura de formação do eutético

ternário γ/MC/M3B2 (evento térmico G). A precipitação de γʹ iniciou a 1012 °C. Os resultados

mostrados até aqui em relação das medidas de DTA apresentam boa correlação com os

valores apresentados por [13]. Zupanic e colaboradores apresentarm os resultados de

caracterização da liga GMR-235 após o material ter sido processado por lingotamento

contínuo, fusão a arco e microfusão. A partir de medidas de DTA foram determinadas as

temperaturas de formação das fases presentes na superliga GMR-235 que estão mostradas na

Tabela 13.

Tabela 13. Resultados de DTA da liga GMR-235 [13]

Reações Temperaturas de transformação

Fase primária - γ 1331 °C

Eutético binário

(L ↔ MC + γ) 1270 °C

Eutético trifásico

(L ↔ MC + γ + M3B2) 1191 °C

γʹ - solvus 996 °C

Correlacionando as temperaturas, observa-se que a temperatura liquidus calculada via

Thermo-Calc (1350 °C) para a superliga GMR-235 e a temperatura liquidus encontrada via

DTA (1345°C) são muito próximas assim como a temperatura solvus de γʹ calculada via

Thermo-Calc (1032 °C) e a calculada via DTA (1020 °C). Porém, para a condição de

temperatura de fusão incipiente encontrada via DTA na condição solubilizada (1193 °C) não

converge com a temperatura de solidus calculada via Thermo-Calc (1305 °C), mas apresenta

um valor próximo ao que foi calculado via Scheil (1180 °C), como mostrado na Tabela 10.

4.2 Análise microestrutural do material no estado bruto de fusão

Tendo como tema de trabalho o estudo da evolução microestrutural da superliga

GMR-235 em variadas condições de tratamentos térmicos a partir do estado bruto de fusão, a

análise do material de partida é fundamental. Por meio disso, espera-se identificar

características, morfologias e a distribuições dos precipitados que constituem a

microestrutura.

A Figura 23 apresenta a macroestrutura da superliga no estado bruto de fusão (“as

cast”) obtida via microscopia ótica. A microestrutura apresentada pela liga é dendrítica com o

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espaçamento primário sendo da ordem de 30 μm. Nas regiões interdendríticas são encontrados

os microconstituintes microestruturais formados a partir de reações envolvendo a fase líquida.

Figura 23: Micrografia da amostra “As Cast” obtida via microscopia ótica

após ser atacada com glicerégia e com ampliação de 100x.

Na Figura 24, são mostrados os diversos precipitados formados a partir de reações

envolvendo a fase líquida e possivelmente por reações no estado sólido. Na região dos

contornos de grãos, na escala do espaçamento secundário das dendritas, pode-se verificar a

presença de colônias de eutético. Os resultados de Scheil, fração molar de fases em função da

temperatura, as temperaturas de transformação medidas por DTA, devidamente comparada

com os resultados mostrados por [13], sugere que este eutético pode ser o eutético binário

γ/MC ou o eutético trifásico γ/MC/M3B2. Medidas de microanálise por EDS ou mesmo a

extração de precipitação juntamente com as medidas de XRD poderiam elucidar a

composição destes microconstituintes. Na Figura 25 são mostradas microestruturas da

superliga GMR-235 atacada com glicerégia. É possível perceber a presença da fase γʹ

precipitada de maneira dispersa no interior das dendritas da fase γʹ. Embora com baixa

ampliação, aparentemente tem-se γʹ com distribuição de forma homogênea e uniforme e, que

através da escala apresentada, o tamanho e morfologia dos precipitados de γʹ podem ter

tamanhos aproximadamente entre 0,3 µm a 0,7 µm. Na região dos contornos de grãos são

encontradas as colônias do eutético formado durante a solidificação da fase líquida.

RegiãoDendrítica

RegiãoInterdendrítica

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Figura 24: Micrografia da amostra “As Cast” obtida via MEV no modo de elétrons retroespalhados

após ser atacada com glicerégia

Figura 25: Micrografias da amostra “As Cast” obtida via MEV no modo de elétronsretroespalhados

após ser atacada com glicerégia.

4.3 Caracterização microestrutural após tratamentos térmicos de

homogenização/solubilização.

4.3.1 Abaixo da temperatura solvus γʹ

Na temperatura de 1000 °C, não é possível solubilizar totalmente a fase γʹ na matriz γ,

uma vez que a temperatura de tratamento é inferior a temperatura solvus de γʹ da liga

(calculada – 1032 °C; medida por DTA – 1020 °C). Também, tendo para essa condição de

equilíbrio uma fração molar da fase γʹ aproximadamente 14% segundo a simulação no

Thermo-Calc (Figura 19).

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48

4.3.1.1 Condição a 1000°C

A Figura 26 apresenta a micrografia da amostra tratada a 1000 °C por 5 horas.

Aparentemente a microestrutura apresenta regiões interdendríticas remanescentes quase

imperceptíveis e com precipitados localizados principalmente nos contornos de grãos. Através

dessa microestrutura, não foi observado a presença de microconstintuintes eutéticos, porém,

com a presença de alguns preciptados com morfologias irregulares pode significar a

ocorrência da fragmentação dos carbonetos que se apresentam em um tamanho menor do que

na amostra bruta de fusão. Os resultados de fração molar de fases em função da temperatura,

Figura 19, mostram a decomposição de MC (1023 °C) e a precipitação de M6C. Isto sugere

que a partir da decomposição dos carbonetos do tipo MC pode haver a formação de M6C

como mostrado na equação 3, vista a seguir:

MC + γ M6C + γʹ eq. 3

Figura 26: Micrografia da amostra 1000°C /5h obtida via MEV no estado de elétrons retroespalhados

após ser atacada com glicerégia.

4.3.2 Acima da temperatura solvus γʹ

Através dos resultados e comparações entre a simulação via Thermo-Calc e a análise

experimental de DTA, pode-se chegar a um intervalo de temperatura (janela de solubilização)

em que supostamente ocorreria a solubilização da fase γʹ na matriz γ. Essa janela representa o

intervalo entre as temperaturas acima da solvus de γʹ (1032 °C) e abaixo da temperatura de

fusão incipiente (1193 °C). Neste intervalo, os resultados de cálculo indicam que as fases

estáveis são: γ, os carbonetos MC e M23C6 e os boretos do tipo M3B2.

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49

4.3.2.1 Condição a 1125 °C

O tratamento térmico a 1125 °C foi feito nos tempos de 2, 5 e 8 horas. Observa-se que

para os tempos mais curtos (2 e 5 horas) ainda há regiões, principalmente nos contornos de

grãos, com estruturas similares as colônias de eutético encontradas nos materiais no estado

bruto, como mostrado na Figura 27. Com o aumento do tempo de tratamento térmico, fica

claras a que as colônias de eutético são consumidas e ocorre a re-precipitação de fases

secundárias que se encontram homogeneamente distribuídas. Para todas as condições a

1125°C não é possível observar claramente a presença da fase γʹ no interior dos grãos da fase

γ (Figuras 27).

A B

C D

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50

Figura 27:a) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1125°C por 2 horas; b) Aumento da

micrografia em (a); c) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1125°C por 5 horas; d) Aumento da

micrografia em (c); e) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1125°C por 8 horas; f) Aumento da

micrografia em (e).

4.3.2.2 Condiçãoa 1150°C

Os tratamentos térmicos a 1150 °C foram feitos nos tempos de 2, 5 e 8 horas. Na

Figura 28 são mostradas as micrografias da superliga GMR-235 tratada a 1150 °C. Com o

aumento do tempo e da temperatura, a microestrutura dendrítica foi completamente eliminada

a 1150 °C e nota-se o crescimento de grãos com morfologia mais alongada. Os precipitados

formados encontram-se distribuídos homogeneamente. Na condição de tratamento térmico a

1150 °C por 5 e 8 horas verifica-se que o arrancamento de carbonetos provavelmente

removidos durante a etapa de preparação metalográfica. Um cuidado maior deverá ser tomado

para evitar que estes artefatos de preparação interfiram na interpretação das microestruturas.

E F

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51

Figura 28:a) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1150°C por 2 horas; b) Aumento da

micrografia em (a); c) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1150°C por 4 horas; d) Aumento da

micrografia (c); e) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1150°C por 8 horas; f) Aumento da

micrografia (e).

A B

C D

F E

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4.3.2.3 Condiçãoa 1180°C

Os tratamentos térmicos a 1180 °C foram feitos nos tempos de 2, 5 e 8 horas. Na

Figura 29 são mostradas as micrografias da superliga GMR-235 tratada a 1180 °C. Foi

observado que nas condições de 2 e 5 horas de tratamento térmico que o arrancamento de

precipitados foi intenso, principalmente na região dos contornos de grãos, como mostrado nas

Figuras 29a – 29d. Coincidentemente, nos tempos de 2 e 5 horas, mesmo após os tratamentos

terem sido feitos a temperatura mais elevada, era possível observar que estruturas similares às

colônias de eutético ainda estavam presentes nas microestruturas, como mostrado nas

Figura29b e Figura29d. As partículas menores que foram arracandas eram encontradas

próximas às regiões as colônias de eutético. Assim sugere-se que durante os tratamentos a

1180 °C devido à decomposição parcial das colônias e a re-precipitação de novas partículas

na região dos contornos geraram interfaces com alta energia e o “misfit” entre estes novos

precipitados e a matriz era elevado. Estes precipitados eram incoerentes com a matriz e as

forças aplicadas durante a preparação metalográfica foram elevadas a tal ponto de promover o

arrancamento. As microestruturas mostradas para condição de 1180 °C/8 h mostram uma

situação completamente diferente do que foi discutido anteriormente. Nas Figuras 29e – 29f é

possível observar que algumas partículas foram arrancadas do interior dos grãos, mas não

foram removidas dos contornos de grãos (Fig. 29e). As colônias de eutético foram totalmente

dissolvidas na matriz e a re-precipitação foi bem homogênea e os precipitados estão dispersos

no interior e nos contornos de grãos, ver Fig. 29f e Fig.30. Assim espera-se uma menor

variação nas medidas de microdureza (desvio padrão) e maior média desse valor.

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Figura 29:a) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1180°C por 2 horas; b) Aumento da

micrografia em (a); c) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1180°C por 4 horas; d) Aumento da

micrografia (c); e) Micrografia da amostra tratada termicamente a 1180°C por 8 horas; f) Aumento da

micrografia (e).

B

E

D

F

C

A

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Figura 30: Micrografia da amostra tratada termicamente a 1180 °C por 8 horas com maior ampliação

(4.0k).

4.3.3 Próximo e acima da temperatura de fusão incipiente

Com o objetivo de avaliar as temperaturas de fusão incipiente calculada por Scheil

(1180 °C) e medida por DTA (1193 °C) e compará-las com a solidus calculada (1305 °C)

foram realizados tratamentos térmicos nas condições de 1200°C por 2 e 5 h e a1300 °C por 2

e 5 h. Em relação ao valor da temperatura de fusão incipiente calculada por Scheil, os

resultados dos tratamentos térmicos realizados a 1180 °C não indicaram a formação de

líquido nesta temperatura. Desta forma, a temperatura de fusão incipiente é maior que

1180°C. Na micrografia mostrada na Figura 31.a observa-se que a 1200 °C houve a formação

de líquido a partir dos contornos de grãos o que pode ser comprovado pela “depressão”

encontrada na região dos contornos. Provavelmente a fase líquida surge como um “filme” que

envelopa os grãos durante o aquecimento a 1200 °C. Estes resultados quando confrontados

com os eventos térmicos (B – 1193 °C/aq. e G – 1206 °C – 1206 °C/resf.) da medida de DTA

apresentam boa concordância e também estão de acordo com os valores encontrados no

trabalho de Zupanic e colaboradores [13]. Já os resultados de Scheil indicavam que a

formação do eutético trifásico iniciava logo abaixo de 1290 °C, como mostrado na Figura 21

(segmento 4 – azul) e na Tabela 9. Estes resultados precisam ser reavaliados e uma sugestão é

a suspensão das fases M23C6, γ′ e σ que precipitam somente através de reações no estado

sólido. Os tratamentos térmicos a 1300 °C também indicavam a formação de líquido e a re-

precipitação do eutético com estrutura lamelar na região dos contornos de grão e a presença

de vazios oriundos do processo de solidificação, como mostrado na Fig. 31b.

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Figura 31: a) Micrografia da amostra tratada termicamente próxima a fusão incipiente a 1200 °C por 5

horas; b) Micrografia da amostra tratada termicamente acima da fusão incipiente 1300 °C por 5 horas.

4.3.4 Solubilização em duas etapas

O tratamento térmico de solubilização em duas etapas tem como objetivos: 1) a

temperaturas mais baixas promover a homogenização química e dissolver as regiões dos

eutéticose 2) a temperaturas mais elevadas promover a solubilização de fases com solvus mais

elevadas e o aumento da temperatura de fusão incipiente e aproxima-la da temperatura solidus

de equilíbrio. Assim, partindo das melhores condições obtidas anteriormente para os

tratamentos térmicos pertencentes à janela de solubilização, realizaram-se duas condições de

tratamentos térmicos em duas etapas como mostrado na Tabela 3.

Embora, os tratamentos de solubilização em duas etapas sejam mais prolongados, isso

ajuda a entender se tal condição é realmente necessária em vista dos resultados finais e

comparando-os com os tratamentos térmicos com apenas uma etapa. Ou seja, espera-se que a

solubilização e homogenização da liga sejam melhores que as condições de solubilização em

uma etapa. Claramente, observa-se que os tratamentos a 1150°C/5h + 1180°C/5 h são foram

suficientes para promover a homogenização química da liga, pois a fase γ′ ainda foi

encontrada na amostra, e algumas regiões de eutético ainda foram encontradas, como

mostrado nas Figura.32a – 32b. Foram encontrados junto às regiões do eutético

microcavidades que podem estar relacionadas ao coalescimento de vazios formados durante a

dissolução destas regiões e a geração de lacunas devido à movimentação de átomos com

coeficientes de difusão diferentes, como mostrado na Figura 32b. As micrografias da

superliga GMR-235 tratadas 1150 °C/8h + 1180 °C/8 h são mostradas nas Figura 32c – 32d.

Nesta condição encontra-se homogenizado e ocorreu a decomposição total do eutético. Assim

A B

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como mostrado anteriormente, os tratamentos por 8 horas, principalmente a 1180 °C mostrou-

se muito mais efetivo em relação aos objetivos definidos para os tratamentos térmicos. Na

Figura 32.d nota-se que há precipitados discretos com composições e morfologias distintas.

Os precipitados com morfologia de blocos são encontrados no interior dos grãos de γ e tem

dimensões próximas a 3 µm e apresentam tonalidade cinza claro. Os precipitados mais claros

são encontrados majoritariamente nos contornos de grãos, são aciculares e com razão de

aspecto muito maior.

Figura 32:a) Micrografia da amostra tratadas termicamente em duas etapas 1150°C (5 horas) e

1180°C(5 horas); b) Micrografia da amostra tratada termicamente em duas etapas sendo 1150°C (8 horas) e

1180°C(8 horas).

4.3.5 Microdureza das amostras solubilizadas

A melhor condição de tratamento térmico será estabelecida comparando os resultados

de caracterização microestrutural das diversas condições de solubilização discutidas

A

C

B

D

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anteriormente com as medidas de microdureza das amostras. Assim, os maiores valores

médios de dureza apresentando os menores valores de incerteza serão considerados como os

melhores resultados obtidos nos tratamentos térmicos de solubilização.

A partir disso, é importante ter como referência a microdureza do material de partida

(“As Cast”) que foi de 388,2 ± 27,5 HV e correlacioná-lo com os resultadosde microdurezas

medidas nas amostras solubilizadas em uma e duas etapas que são mostrados nas Tabelas 14 e

15 respectivamente.

Tabela 134: Relação das medidas médias de dureza (HV) pelas condições de tratamentos térmicos estabelecidos

em uma etapa.

Tempos

(horas)

Temperatura (°C)

1000 1125 1150 1180 1200 1300

2 331,7 ±25,9 360,5 ±24,4 370,3 ±13,3

5 344,0 ±13,0 382,5 ±11,2 372,2 ±16,4 373,8 ±11,0 345,2 ±9,2 376,7 ±11,2

8 392,1 ±9,2 382,5 ±11,9 384,6±7,6 *Todos os valores estão na unidade Vickers (HV) de medida.

Tabela 145: Relação das medidas médias de dureza pelas condições de tratamentos térmicos estabelecidos para

duas etapas.

Condições de tratamentos térmicos em duas etapas Dureza (HV)

1150 °C/5 h + 1180 °C/ 5 h 346,3 ±7,9

1150 °C/8 h + 1180 °C/8 h 371,1 ±6,8

*Todos os valores estão na unidade Vickers (HV) de medida.

Os valores de dureza mostrados apresentam uma amplitude pequena, entre 331,6 ±

25,9 a 392,1 ± 9,2, e comparando com o material de partida apenas a dureza medida na

condição de solubilização em uma etapa (1125°C/8 h) apresenta um valor maior. A dureza

das amostras diminuía rapidamente em 2 h de tratamento térmico. Porém, a medida que os

tempos de tratamento eram aumentados de 5 para 8 h, a variação dos valores de dureza era

reduzida em todas as temperaturas de solubilização. Isso porque, como mostrado nas

micrografias do material “as cast”, a microestrutura do material de partida era muito grosseira

e a distribuição dos precipitados era irregular. Assim, com o tratamento térmico, tem-se a

redução da segregação através da homogenização, a dissolução e re-precipitaçãode partículas

dispersas de modo mais uniforme no interior e nos contornos de grãos da fase γ. Importante

lembrar que a definição da condição mais adequada de solubilização dependerá tanto dos

valores da dureza como da avaliação microestrutural e apresentação de suas fases presentes.

Portanto, apesar da condição 1125 °C por 8 horas apresentar maior valor no experimento de

microdureza, a condição de 1180 °C por 8 horas apresenta um valor pouco menor, mas em

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contrapartida, sua microestrutura apresenta os precipitados finamente dispersos no interior e

na região dos contornos de grãos.

4.4 Tratamentos térmicos de envelhecimento

O tratamento térmico de envelhecimento tem como objetivo promover a precipitação

de uma fase secundária por reação do estado sólido. No presente estudo, as principais fases

secundárias que poderão precipitar na liga GMR-235 são γ′, carbonetos e TCP. As duas

primeiras fases serão encontradas no interior dos grãos da fase γ e nos contornos de grãos

respectivamente. Já as fases TCP são responsáveis pelo aprisionamento de elementos que

endurecem a matriz por solução sólida e a sua formação não é desejável pois apresentam

razão de aspecto elevada devido à morfologia dos precipitados. As amostras envelhecidas

foram submetidas a tratamentos térmicos de solubilização a 1180 °C/8 h.

Assim, as temperaturas de envelhecimento foram escolhidas a partir dos resultados de

simulação de Thermo-Calc e experimentos de DTA, principalmente em relação as

temperaturas dos cálculos de fração de molar de fases que mostravam as maiores frações de γ′

na superliga em questão e, ao mesmo tempo, evitar temperaturas que favorecessem a

formação de fases indesejadas como as Laves e a fase σ. No entanto, como visto na Figura 19

e Figura 20, no intervalo entre 600 e 800 °C apesar das frações de γ′ serem elevadas, as fases

sigma e Laves são estáveis. Assim, dentro das condições estabelecidas para realização dos

envelhecimentos, será investigada a formação das fases FTC. Sabe-se que estas fases são

observadas apenas em tempos mais longos de exposição em temperaturas de serviço [11].

4.4.1 Envelhecimento em uma etapa

De certa forma não foram observadas grandes alterações microestruturais para a

amostra Y1(750°C por 5 horas), Y2 (750 °C por 20 horas) e da mesma forma a amostra

Y3(750 °C por 80 horas). Assim na Figura 33 é mostrada a microestrutura da amostra tratada

por 80 h que é representativa da condição de envelhecimento a 750 °C. A microestrutura é

constituída por grãos da fase γ com precipitados presentes no interior e nos contornos de

grãos. Os precipitados de γ′ não foram visualizados nas ampliações utilizadas na captura das

imagens de MEV-ERE. Seria interessante a análise desta amostra por meio de MEV-FEG que

permitiria a caracterização adequada desta fase. Os precipitados mais regulares apresentam

tonalidade cinza escuro em dimensões da ordem de 3 µm. Os precipitados mais claros eram

mais irregulares e tinham razão de aspecto maior que 1. Precipitados mais finos também

podiam ser vistos na região dos contornos de grãos, como mostrado na Figura 33. No

envelhecimento a 850 °C foi possível identificar a presença da fase γʹ no interior dos grãos de

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γ pois a 80 h (Figura 34b) observa-se que ocorreu o coalescimento desta fase γ′ facilitando

sua identificação. Nas micrografias da Figura 34 é possível identificar a presença de

precipitados com tamanho variando de 2µm a 4µm.

Figura 33: Micrografia da amostra envelhecida em uma etapa na temperatura de 750°C (80 horas).

Figura 34: a) Micrografia da amostra envelhecida em uma etapa de 850°C (20 horas); b) Micrografia

da amostra envelhecida em uma etapa de 850°C (80 horas).

4.4.2 Envelhecimento em duas etapas

O tratamento térmico de envelhecimento em duas etapas tem como objetivo a

precipitação da fase γʹ com tamanhos variados, sendo observada uma distribuição bimodal de

tamanho de partículas.

A B

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60

Na Figura 35a – 35b são mostradas as micrografias das amostras submetidas ao

envelhecimento duplo. No tratamento identificado pela sigla W1 (850 °C/5 h + 780 °C/20 h)

há indícios da precipitação da fase γ′ (pontos cinza escuros no interior dos grãos), mas não foi

possível visualizar com clareza em detalhes as suas características microestruturais. São

identificados precipitados no interior e nos contornos dos grãos. Nos tratamentos identificados

pela sigla T1 (750°C/5 h + 650°C/20 h) foi feito com o objetivo de prever a formação das

fases FTC. Na micrografia mostrada na Figura 35b é possível identificar a presença de uma

fase com razão de aspecto muito maior que 1 que está presente no interior e nos contornos dos

grãos. Os resultados de simulação mostram que neste intervalo de temperatura 650 e 750 °C,

as fases sigma e Laves são estáveis. Estudos devem ser conduzidos para elucidar qual a

composição destes precipitados e fazer a identificação correta destas fases.

Figura 35: a) Micrografia da amostra envelhecida em duas etapas -W1; b) Micrografia da amostra

envelhecida em duas etapas –T1.

4.4.3 Microdureza das amostras envelhecidas

Na superliga GMR-235 o valor médio de dureza na condição bruta de fusão foi de 388,2

± 27,5(HV), enquanto que na condição solubilização mais adequada (1180°C/8 h) foi de

384,6 ±7,6(HV). A seguir, nas Tabelas 16 e 17, são apresentados os valores médios de dureza

com os respectivos valores de desvios padrão para os tratamentos de envelhecimento em uma

etapa e para os em duas etapas respectivamente.

A B

Possível

FaseLaves

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Tabela 16: Relação das medidas médias de microdurezas pelas condições de tratamentos térmicos estabelecidos

no envelhecimento em uma etapa.

Tempo

(horas)

Temperatura (°C)

750 °C 850 °C

5 425,4 ± 12,4 375,6 ± 12,4

20 425,7 ± 12,7 385,6 ± 12,6

80 437,0 ± 6,9 381,6 ± 9,4

*Todos os valores estão na unidade Vickers (HV) de medida.

Tabela 157: Relação das medidas médias de microdurezas pelas condições de tratamentos térmicos

estabelecidos para duas etapas de envelhecimento.

Condições estabelecidas Dureza (HV)

750 °C (5 horas) + 650 °C (20 horas) 373,8 ± 11,9

850 °C (5 horas) + 780 °C (20 horas) 434,3 ± 4,9

*Todos os valores estão na unidade Vickers (HV) de medida.

Analisando as condições de envelhecimento em uma etapa, observa-se para a condição

de 850 °C que tem um valor de dureza maior a 20 h e, com o aumento do tempo, a dureza da

amostra diminui. Para a condição de 750 °C os valores de dureza aumentaram à medida que

se aumenta o tempo de tratamento térmico, porém, os valores de incertezas diminuíram.

Assim, observa-se que a temperatura influencia diretamente na dureza sendo que para

temperaturas mais elevadas há a diminuição da fração de γʹ e possivelmente ocorre

ocoalescimento desta fase. Por outro lado, a temperaturas mais baixas, têm-se frações maiores

da fase γʹ (0,37 % em peso em 750°C) que influencia diretamente nos valores de dureza do

material, promovendo um aumento da resistência mecânica do material.

Para as condições de envelhecimento em duas etapas tinha-se a expectativa de ser

encontrada uma distribuição bimodal da fase γʹ e os resultados das medidas de microdureza na

condição de 850°C/5 h + 780°C/20 h sugerem a precipitação de γ′ em tamanhos diferentes.

Por outro lado, nos tratamentos a 750°C/5h + 650°C/20h há indícios da precipitação de fases

FTC e, ao mesmo tempo, sem um aumento considerável da dureza. Na Figura 36 são

mostrados os resultados de durezas para todas as condições de tratamento térmico avaliadas

neste trabalho. Apesar de ter sido atingido um valor considerável de dureza para o

envelhecimento em duas etapas a 850°C/5 h + 780°C/20 h, os tratamentos térmicos de

envelhecimento de uma etapa mostraram-se mais efetivos e a melhor condição foi a 750

°C/80 h.

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62

Figura 36: Relação esquemática entre os valores médios das microdurezas e as condições de

tratamentos térmicos estabelecidas.

5 CONCLUSÃO

Para a superliga GMR-235, pode-se concluir que:

1. Ficou evidenciado que o material de partida (as cast) foi obtido através de uma

solidificação fora de equilíbrio devido a sua microestrutura dendrítica e grosseira,

ou seja, devido a alta segregação composicionalmente.

2. Através da simulação termodinâmica do Thermo-Calc e a análise térmica

diferencial foram estabelecidas as prováveis temperaturas liquidus, solidus, solvus

de γʹ e a fusão incipiente do material estudado (1350°C, 1305°C, 1032°C e

1020°C). Assim, através de condições de tratamentos térmicos tiveram-se indícios

que comprovassem as fases que deveriam estar presentes. Além do mais, foram

estabelecidas as condições de envelhecimento mediante as frações molares

apresentada no gráfico do Thermo-Calc.

3. No geral, as amostras tratadas termicamente apresentaram prováveis

homogeneizações sem indícios de gradientes composicionais para todas as faixas

360

370

380

390

400

410

420

430

440

450

0 20 40 60 80 100

Val

ore

s d

e D

ure

zas

dia

s (H

V)

Tempo (horas)

Valores das microdurezas nas condições establecidas

Y (750.C)

Z (850.C)

W (850.C + 780.C)

"As Cast"

Solubilizada

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de temperaturas na condição de 8 horas. Porém, a amostra com melhor

homogeneização e solubilização microestrutural das fases presentes foi para a

condição de 1180°C/8 horas e com dureza de 384,6 ±7,6 Vickers. No entanto,

embora esperasse ter uma melhor microestrutura após tratamentos térmicos em

duas etapas, aparentemente não houve vantagem quanto à microestrutura e dureza

obtidas.

4. Para os tratamentos térmicos de envelhecimento a condição em duas etapas

(850°C/5 horas + 750°C/20 horas) obteve melhores resultados do que em apenas

uma etapa tanto na análise das micrografias (microestrutura) como para a dureza

das amostras (434,3 ± 4,9 HV).

5. Considerando o tratamento térmico de envelhecimento em duas etapas (850°C / 5

horas + 750°C/20 horas) como ideal, o mesmo tende a apresentar maior dureza

(434,3 ± 4,9 Vickers) que o tratamento térmico de solubilização (384,6 ±7,6

Vickers) e, ao mesmo tempo, próximo ao de envelhecimento em única etapa a

750°C/80 horas. Assim, apresenta uma provável distribuição bimodal da fase γʹ.

Embora não seja comprovada experimentalmente essa distribuição com

micrografias, a somatória dos tempos para essa condição, a torna mais eficiente do

que para a de única etapa na qual o seu tempo de tratamento térmico é muito

superior.

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