CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DA SOLDA DE METAIS DISSIMILARES A-508/82/182/316L COM REFORÇO DE SOLDA 52

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1 2011 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2011 Belo Horizonte,MG, Brazil, October 24-28, 2011 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DA SOLDA DE METAIS DISSIMILARES A-508/82/182/316L COM REFORÇO DE SOLDA 52 Raphael G. Paula 1, Célia A. Figueiredo 2 and Wagner R.C. Campos 2 1 Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN / CNEN - BH) Av. Antônio Carlos, Belo Horizonte, MG raphaelmecanica@gmail.com 2 Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN / CNEN - BH) Av. Antônio Carlos, Belo Horizonte, MG caf@cdtn.br; wrcc@cdtn.br ABSTRACT Stress corrosion cracking (SCC) is the major corrosion concern in the plant life management of ageing plants. The main classes of nuclear power plant materials that are potentially subjected to SCC are austenitic stainless steels and nickel based alloys. The nickel alloys 600, 82 and 182, originally selected due to their high corrosion resistance, show after many years of plant operation, susceptibility to SCC. Those alloys are used in steam generators and as dissimilar metal weld materials for nozzels of components such as the reactor pressure vessel and the pressurizer. Several techniques have been developed to mitigate the consequences of SCC in dissimilar metal welds; e. g. deposition of a compatible structural layer over the nozzle external surface, known as weld overlay, to induce compressive stresses on the nozzle critical region and weld repair. The material used in this work is a mock-up of an Angra 1 pressurizer nozzle weld, manufactured at CDTN according to procedures established for nuclear power plants. The weld links the forged 316 stainless steel to the A-508 carbon steel by Inconel 182 weld metal. On the carbon steel side, a buttering layer is applied (alloy 82). Alloy 52 is employed as weld overlay. The objective of this work is to perform a microstructural and metallographic characterization of the mock up materials, which includes an optical microscope analysis of the general structure of the material, microhardness determinations and a microstructure evaluation of selected regions of the mock up. 1. INTRODUÇÃO A corrosão sob tensão (CST) é um dos mais severos fenômenos de degradação que comprometem o tempo de vida de instalações nucleares em todo o mundo. Os principais materiais utilizados em centrais nucleares, potencialmente suscetíveis à CST, são os aços inoxidáveis austeníticos e as ligas à base de níquel. A liga de níquel 600 e seus metais de solda 182 e 82, originalmente selecionados por sua resistência à corrosão, apresentaram suscetibilidade à CST após anos de operação das usinas [1,2,3]. As ligas 182 e 82 são utilizadas como metal de adição em soldas dissimilares e na construção de componentes como o vaso de pressão e o pressurizador. Diversas técnicas têm sido desenvolvidas para mitigar as consequências da CST em soldas dissimilares tais como a deposição de uma camada estrutural de material compatível sobre a superfície do bocal, conhecida como weld overlay, e o reparo de soldas [4,5]. A liga comumente aplicada como weld overlay é a liga de níquel 52.

2 O modelo físico de um dos bocais do pressurizador de Angra 1 contendo uma solda dissimilar, denominado mock up, foi projetado e manufaturado no CDTN de acordo com procedimentos estabelecidos para usinas nucleares. A Figura 1 mostra um esquema do reator nuclear e a configuração do mock up. Weld overlay Liga 52 Reator nuclear PWR Pressurizador Mock up Figura 1. Esquema da localização do mock up no pressurizador de um reator nuclear do tipo PWR. A solda une o aço inoxidável AISI 316L ao aço carbono ASTM A-508 por meio do metal de adição Inconel 182. No lado do aço carbono, uma camada de amanteigamento é aplicada utilizando a liga 82. Posteriormente é aplicada uma camada de solda de reforço com a liga 52, o weld overlay [6,7]. Este trabalho tem como objetivo realizar a caracterização metalográfica dos materiais do mock up incluindo a determinação de perfis de microdureza e a avaliação microestrutural de regiões selecionadas da solda. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Depois da fabricação do mock up este foi cortado por eletro-erosão, retirando-se uma amostra da junta soldada de aproximadamente 10 mm de espessura, como visto na Figura 2. Esta amostra foi posteriormente polida e atacada quimicamente com solução Marble (10g CuSO 4 ; 50ml HCl; 50ml H 2 O; Glicerégia 10ml HNO 3 ; 20 a 50ml HCl; 30ml glycerol). Desta maneira foi possível melhorar a visualização da microestrutura da solda e demarcar as regiões de estudo.

3 (a) (b) Figura 2. (a) Mock up em corte, (b) corte feito por eletro-erosão e atacado com solução Marble; no detalhe em amarelo está a sobrecamada de solda (weld overlay) de Inconel 52. Uma vez que as regiões da junta soldada foram evidenciadas pelo ataque químico, foi possível traçar os perfis de microdureza Vickers, com carga de 0,1 Kg e tempo de 30 segundos ao longo de todo o conjunto, como visto no desenho esquemático da Figura 3. A Tabela 1 apresenta a composição química dos materiais. Inconel Inconel Inconel L 11 A 508 Figura 3. Determinação dos perfis de microdureza.

4 Tabela 1 - Composição química dos materiais envolvidos na construção do mock up, (% em peso). C Mn Si P S Cr Ni Nb Ti Cu Mo Al Fe 316L 0,023 1,46 0,475 0,021 0,003 16,7 9,8 0,02 0,03 0,142 2,1 0,011 Bal. A-508 0,21 1,34 0,227 0,005 0,003 0,09 0,68 0,002 0,001 0,056 0,51 0,011 Bal ,047 5,81 0,572 0,015 0,006 14,9 71,8 1,89 0,183 0, Bal. 82 0,04 2,81 0,09 0,003 0,001 19,6 73,1 2,44 0,35 0, Bal Bal Posterior ao ensaio de microdureza a amostra de junta soldada foi cortada em partes menores e embutida em resina condutora, sendo lixada, polida em pasta de diamante até 1 µm e atacada eletroliticamente em solução de ácido oxálico 10% com 2 volts por 30 segundos. A Figura 4 mostra o esquema de corte e as amostras embutidas. As amostras foram analisadas por meio de microscopia ótica com sistema de captura e análise de imagem, microscopia eletrônica de varredura e microanálise por EDS (Energy Dispersive Spectrometer) Figura 4. Esquema de corte da amostra de junta soldada e visão geral de amostras retiradas do mock up e embutidas. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Microdureza As Figuras 5, 6, 7 e 8 apresentam os perfis de microdureza obtidos conforme o esquema mostrado na Figura 3. Observa-se na Figura 5 um aumento da microdureza próximo à linha de fusão. Os valores de microdureza da liga 182 são levemente superiores aos valores da liga 52. É provável que este aumento tenha sido causado por tensões residuais geradas durante o processo de soldagem e ao aparecimento de precipitados e inclusões, a ser visto no item 3.2. O mesmo comportamento foi observado no perfil 316L/Inconel 52 mostrado na Figura 7.

5 Para a solda de Inconel 82 ocorreu pouca variação na microdureza, a qual ficou próxima de 250 Vickers. Figura 5. Perfis de microdureza Vickers com carga de 100 gramas (HV 0,1 Kg), da solda Inconel 52/182. Figura 6. Perfis de microdureza Vickers com carga de 100 gramas (HV 0,1 Kg), da solda Inconel 82.

6 316L Inconel 52 ( Linha de fusão) Figura 7. Perfis de microdureza Vickers com carga de 100 gramas (HV 0,1 Kg), do aço 316L/solda L Inconel A-508 Figura 8. Perfis de microdureza Vickers com carga de 100 gramas (HV 0,1 Kg), da junta soldada 316L/ Inconel 182/Inconel 82/ A-508.

7 3.2. Análise Metalográfica e Química A Figura 9 mostra a interface do metal de solda Inconel 182 e metal base AISI 316L que apresenta uma microestrutura composta de grãos austeníticos e ferrita delta. Próximo à linha de fusão tem-se a fase sigma que é a ferrita delta parcialmente dissolvida [8,9]. Nota-se também aumento dos grãos e dendritas próximos à linha de fusão no metal de solda Inconel L Linha de Fusão 316L Precipitados e inclusões Fase Sigma Ferrita Delta Precipitados Figura 9. Micrografias do metal base AISI 316L e metal de solda Inconel 182; aumento 100x e 200x respectivamente, ataque eletrolítico ácido oxálico 10%, 20 segundos, 2 V. Na Figura 10 as análises feitas por EDS próximas à linha de fusão do metal base AISI 316 L indicam no ponto 2 uma inclusão de Si e Mo. O ponto 3, mais escuro, indica possivelmente carbonetos de cromo associados com óxidos de Al e Mg e Si e S. Figura 10. Microanálise no metal base AISI 316 L próximo da linha de fusão. A Figura 11 (a) revela a microestrutura próxima à linha de fusão entre os metais de solda Inconel 52 e Inconel 182 com precipitados distribuídos nos contornos e no interior dos grãos. Em detalhe na Figura 11 (b) observa-se uma microestrutura dendrítica com grãos colunares encontrada nos três metais de solda estudados, Inconel 182/82/52 [10].

8 Linha de Fusão (a) (b) Figura 11. Metalografia dos metais de solda Inconel 52/182; aumento 50x e 200x respectivamente, ácido oxálico 10%, 10 segundos, 2 V. Durante o processo de solidificação dos metais de solda Inconel 182/82/52 alguns precipitados tendem a se formar no interior e nos contornos dos grãos, vistos nas Figuras 12, 13 e 14. Estes precipitados são geralmente carbonetos e carbonitretos de titânio (Ti) e nióbio (Nb), mas também podem surgir segregações de alumínio, manganês e silício. Contorno de Grão Figura 12. Microanálise no metal de solda Inconel 182.

9 Figura 13. Microanálise no metal de solda Inconel 82. Figura 14. Microanálise no metal de solda Inconel 52.

10 Na Figura 15 podem ser vistos o mapa e o perfil de composição química por EDS do aço carbono A-508 na direção dos metais de solda Inconel 82/182, indicando o efeito da diluição nos teores de ferro, níquel e cromo. A Figura 15. Perfil e mapa da composição dos elementos Cr, Fe e Ni na interface do metal base aço A-508 e metais de solda Inconel 82/182. Observa-se nitidamente o efeito da diluição nos elementos Cr, Fe e Ni na transição do metal base A-508 para o metal de solda Inconel 82, posteriormente, tem-se certa estabilização dos elementos na interface Inconel 82/182.

11 4. CONCLUSÕES Neste trabalho foi realizada a caracterização metalográfica dos materiais do mock up de um dos bocais do pressurizador de Angra 1. Com base no estudo feito pode-se observar que: Ocorreu um leve aumento de dureza nos perfis 1,2,3 de Inconel (182 /52) e também nos perfis 6,7,8 do metal base AISI 316L para a sobrecamada de solda (weld overlay) Inconel 52. Não ocorreu variação significativa de dureza ao longo dos perfis 4 e 5, amanteigamento Inconel 82. Próximo à linha de fusão a dureza dos metais de solda foi menor provavelmente devido ao efeito da diluição nos metais base AISI 316L e A-508. A microestrutura dos metais de solda estudados é dendrítica. Foi observada grande quantidade de precipitados e inclusões nos metais de solda Inconel 182/82/52 que provavelmente foram responsáveis pelos elevados valores de dureza na região soldada. Os precipitados e inclusões no metal de solda estão bem distribuídos em grande quantidade no centro das dendritas e nos contornos de grão. A maior parte das inclusões encontradas nos contornos de grão e dendritas dos metais de solda Inconel 182/82/52 estavam associadas a carbonetos e nitretos de Nb e Ti. Verificou-se também o surgimento de segregações de alumínio, manganês e silício nessas regiões. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPEMIG pelo apoio financeiro dado para a realização deste trabalho. REFERÊNCIAS 1. SCOTT, P.M. An Overview of Materials Degradation by Stress Corrosion in PWRs. Eurocorr- Annual European Corrosion Conference of the European Federation of Corrosion, Nice, Acropolis, de Set., GOMEZ-BRICEÑO, D., SERRANO, M. Aleaciones Base Niquel em Condiciones de Primario de Los Reactores Tipo PWR. Materiales, Março, EPRI Electric Power Research Institute. Review of SCC of Alloys 182, 82 in PWR Primary Service. MRP 220, ALEXANDREANU, CHOPRA, K.O., SHACK, J. W. Crack Growth Rates of Nickel Alloy Welds in a PWR Environment. Argone National Laboratory NUREG/CR US. Nuclear Regulatory Commission Office of Nuclear Regulatory Research, May, 2006.

12 5. D. Gomez-Briceno, et Al. SCC of Alloy 600 Components in PWR Primary Loop, International Symposium on Nuclear Power Plant Life Management, Budapest, Nov 2002, pp. 4-8 (2002). 6. IAEA - International Atomic Energy Agency. Assessment and Management of Ageing of Major Nuclear Power Plant Components Important to Safety Steam Generators. IAEA TECDOC 981, EPRI - Electric Power Research Institute. A Model of the Effects of Li, B, and H2 on Cracking of Alloys 690, 52, and 152 in Pressurized Water Reactors. MRP 111, D. M. E. Villanueva, F. C. P. Junior, R. L. Plaut, A. F. Padilha, Comparative Study on Sigma Phase Precipitation of Three Types of Stainless Steels: Austenitic, Superferritic and Duplex, Materials Science and Technology, Volume 26, Number 9, pp (2006). 9. S. Kožuh, M. Gojić, L. Kosec, The Effect of Annealing on Properties of AISI 316L Base and Weld Metals, RMZ Materials and Geoenvironment, Slovenia, Volume 54, Number 3, pp (2007). 10. SOPPET, K.W., SHACK, J. W. Environmentally Assisted Cracking in Light Water Reactors. Argone National Laboratory NUREG/CR US. Nuclear Regulatory Commission Office of Nuclear Regulatory Research, Mar