Resistência à Oxidação da Liga Eutética Ni-Ni 3 Si. Oxidation Resistance of the Ni-Ni 3 Si Eutectic Alloy

Transcrição

1 ISSN Revista Matéria, v. 9, n. 4, pp , RESUMO Resistência à Oxidação da Liga Eutética Ni-Ni 3 Si Dutra A., Caram R. Universidade Estadual de Campinas / Faculdade de Engenharia Mecânica Departamento de Engenharia de Materiais C.P Campinas - Brazil atdjr@fem.unicamp.br, rcaram@fem.unicamp.br A fabricação de componentes estruturais para aplicações em altas temperaturas e em meios agressivos envolve o emprego de materiais que mantenham suas características químicas e físicas em níveis aceitáveis, mesmo em temperaturas elevadas. Atualmente, dentre os setores industriais com alta demanda por tal classe de materiais estruturais podem ser citados o aeronáutico e o de geração de energia. Materiais sujeitos a elevadas temperaturas experimentam diversos fenômenos químicos e físicos, incluindo a oxidação e a deterioração de suas propriedades mecânicas. Neste trabalho foi analisada a resistência à oxidação da liga eutética Ni-Ni3Si utilizando a técnica de análise termogravimétrica (TGA), com taxa de aquecimento igual a 10oC/min e fluxo controlado de ar sintético e oxigênio molecular (O2) de 40 cc/min. Os experimentos foram realizados à temperatura de 1.000oC, com amostras retangulares e polidas até a grana de 1,0 µ m. Após os ensaios, as amostras oxidadas foram embutidas, lixadas e polidas adequadamente para análise microestrutural. Os resultados indicam que o eutético Ni-Ni3Si apresenta excelente resistência à oxidação. Palavras chaves: Ligas eutéticas, oxidação, análise termogravimétrica. ABSTRACT Oxidation Resistance of the Ni-Ni 3 Si Eutectic Alloy Structural materials aimed to be used under severe conditions that include high temperatures and aggressive environments must keep their chemical and physical properties under such conditions. The aeronautical and energy generating industries demand such structural materials that when working under high temperatures may undergo chemical and physical phenomena like oxidation and mechanical properties degradation. This work reports a thermogravimetric analysis (TGA) study of the oxidation behavior of the Ni-Ni3Si eutectic alloy. The experiments were conducted under the following conditions: 1000 C; heating rate of 10 C/mim; 40 cc/mim flux of synthetic air; 40 cc/mim flux of molecular oxygen. The samples were rectangular and polished up to 1.0 µ m grinding medium. After the experiments, the samples were mounted for metallographic analysis and the results show that the Ni-Ni3Si eutectic alloy is highly resistant to oxidation. Keywords: Eutectic alloys, oxidation, termogravimetric analysis. 1 INTRODUÇÃO O processo de oxidação envolve os fenômenos de adsorção, absorção, dissociação e ionização de moléculas de oxigênio, com subseqüente incorporação de íons para formar a camada de óxido [1]. O óxido pode formar-se sobre a superfície ou internamente pela precipitação de óxido fora da matriz. Metais refratários geralmente apresentam tais características, como baixa resistência à oxidação e elevada reatividade em temperaturas elevadas. Aspectos como facilidade de oxidação do metal base, natureza da camada óxida e a taxa na qual ocorre a oxidação devem ser consideradas na reação metal-oxigênio durante a formação da camada óxida. A taxa de oxidação depende principalmente do acesso do oxigênio aos átomos metálicos, da maneira como interagem íons metálicos e íons de oxigênio. O mecanismo de crescimento pode ser expresso em termos de lei de crescimento: linear, parabólica, logarítmica e cúbica. Segundo estas taxas de crescimento, a logarítmica e a cúbica são as mais desejáveis para serviços em altas temperaturas. [2], [3]. Muitos dos resultados experimentais evidenciam que a cinética de crescimento das camadas oxidadas sobre a superfície do metal é governada pelo processo de difusão de espécies (cátions e ânions) através da camada óxida externa ou de metais ou ligas subjacentes, ou quando não se tem acesso direto do Autor Responsável: Dutra A.

2 oxigênio molecular em direção ao substrato. A taxa de crescimento da camada óxida em cada instante é proporcional à espessura do filme protetor, isto, geralmente leva a uma cinética de oxidação descrita pela lei parabólica. Ligas eutéticas ou próximas à composição eutética são de grande importância nas indústrias de fundição e soldagem. A solidificação direcional de ligas eutéticas pode levar ao crescimento cooperativo de suas fases constituintes, permitindo a obtenção de materiais compósitos, com propriedades mecânicas, ópticas, elétricas e magnéticas anisotrópicas interessantes [4], [5]. Através da transformação eutética é possível obter duas ou mais fases sólidas, crescendo de forma mútua e em alguns casos de forma cooperativa. Como as fases formadas durante a reação eutética exibem equilíbrio próximo ao termodinâmico, a estrutura eutética, teoricamente, não apresenta reações interfaciais entre suas fases. Tal situação mostra-se perfeita na preparação de materiais compósitos para uso em altas temperaturas. A solidificação direcional de ligas de composição eutética permite obter microestruturas altamente anisotrópicas, formadas por mais de uma fase. O sistema Ni-Si exibe transformação eutética junto à composição Ni-21,4%Si (em átomos), que resulta em duas fases: a solução sólida de silício em Ni, que origina a fase α Ni, e o composto intermetálico Ni3Si, conforme mostra a figura 1. Na figura 2 está apresentada a microestrutura do eutético Ni-Ni3Si solidificado direcionalmente a uma taxa de 10 mm/h em um forno de indução do tipo Bridgman. É oportuno afirmar que a fase clara representa a solução sólida de Si na matriz de Ni, a fase α Ni e a fase em escuro representa o composto intermetálico Ni3Si. Considerando que na literatura existem informações limitadas sobre este sistema, é extremamente interessante avaliar a resistência à oxidação da liga eutética Ni-Ni3Si com pretensão de aplicá-la como elemento estrutural a ser utilizado em temperaturas elevadas. Figura 1: Diagrama de fases parcial do sistema Ni-Si. 2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Os ensaios de oxidação foram realizados pela técnica de análise termogravimétrica (TGA) através de três estágios: aquecimento, manutenção da temperatura em C durante 24 horas e resfriamento até a temperatura ambiente. As etapas de aquecimento e resfriamento foram realizadas com taxa de 10 0 C/min sob atmosfera controlada de ar sintético e oxigênio molecular (O2) com fluxo de 40 cc/min. Os ensaios foram realizados em amostras retangulares de 4,0 x 4,0 x 1,5 mm que foram cortadas a partir dos lingotes solidificados direcionalmente (figura 2). Após os ensaios as amostras oxidadas foram embutidas lixadas e polidas adequadamente para análise microestrutural. 356

3 (a) (b) Figura 2: Microestrutura da liga eutética Ni-Ni3Si solidificada direcionalmente a uma taxa de 10 mm/h, (a) corte longitudinal, (b) corte transversal. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES A cinética de oxidação da liga eutética Ni-Ni3Si (figura 3) mostra que durante o período de 24 h o ganho de massa foi atribuído ao consumo de oxigênio. A primeira observação refere-se ao estágio de aquecimento onde se pode notar o aumento no ganho de massa, tanto em atmosfera de oxigênio quanto em ar sintético. Este fenômeno está relacionado à formação de óxidos transientes e é freqüentemente observado em metais e ligas metálicas. Neste caso a elevada taxa de oxidação é conseqüência das instabilidades térmicas locais, da alta taxa de nucleação de óxido o que leva a instabilidades microestruturais ou a altos gradientes de potencial químico ao longo da camada inicial de óxido [6]. Além disto, durante o período isotérmico, a cinética de crescimento da camada óxida exibe curva de perfil parabólico, sem presença de períodos repetitivos o que pode estar relacionada a alta resistência à oxidação apresentada pela liga Ni-Ni3Si, pois a formação da camada óxida não apresenta fissuras, formando uma barreira à penetração do oxigênio no substrato, impedindo a formação de oxidação acelerada. Figura 3: Cinética de oxidação da liga eutética Ni-Ni3Si. A figura 4 mostra a evolução do ganho de massa com a temperatura. Observa-se que a liga apresenta baixa taxa de oxidação, tanto no aquecimento quanto no período isotérmico, além de não apresentar o 357

4 fenômeno de pest considerado crítico em ligas a serem usadas em altas temperaturas. É possível perceber que amostras ensaiadas em atmosferas de oxigênio apresentam um ganho de massa superior as amostras ensaiadas sob atmosfera de ar sintético. Percebe-se ainda que o maior ganho de massa se deu no período de aquecimento, ao contrário do que aconteceu em atmosfera de oxigênio, onde o período de maior ganho de massa está relacionado ao período isotérmico. O ajuste das curvas termogravimétricas para a equação clássica Δ m 2 =Kpt (1) (Δ m é o ganho de massa por unidade de área, t é o tempo em minutos e Kp é o coeficiente de taxa parabólica), leva à obtenção dos coeficientes aparentes da taxa parabólica. Neste trabalho foram calculados os valores dos coeficientes Kp para todas as situações de ensaio. O maior valor desse coeficiente foi obtido para a amostra ensaiada sob atmosfera de oxigênio a C e que corresponde a um valor de Kp= 1, mg 2 /cm -4 s -1. Monceau [6], em seus estudos encontrou o valor de Kp= 1, mg/cm -4 s -1 para o níquel puro. Com isto pode-se afirmar que a presença da fase intermetálica Ni3Si não compromete a resistência à oxidação do eutético Ni-Ni3Si. Figura 4: Efeito da temperatura no ganho de massa por unidade de área, exposta a oxigênio e ar sintético. A figura 5 mostra a microestrutura obtida após o ensaio em atmosfera de oxigênio a 10000C, onde percebe-se a formação uniforme de uma fina camada de óxido. Entretanto, não se nota nenhum tipo de oxidação seletiva por nenhuma das fases que constituem o eutético Ni-Ni3Si, evidenciando deste modo alta resistência à oxidação da liga, reforçando a possibilidade de aplicações da mesma como elemento estrutural para aplicações a altas temperaturas. Figura 5: Microestrutura da liga eutética Ni-Ni3Si obtida após ensaio de oxidação em atmosfera de oxigênio a C por 24h. 358

5 4 CONCLUSÕES A realização dos ensaios de oxidação na liga eutética Ni-Ni3Si sob atmosfera de oxigênio e ar sintético mostraram que a liga em estudo apresenta excelente resistência a oxidação, o que permite afirmar que essa liga apresenta-se como potencial material estrutural a ser aplicado a altas temperaturas. A cinética de crescimento da camada óxida é do tipo parabólica, o que significa que óxido formado apresenta caráter protetor para o substrato, não apresentando fissuras, trincas ou descamação em sua superfície. O não aparecimento do fenômeno de pest pode ser entendido como benéfico à oxidação da liga e a não oxidação seletiva das fases também beneficia o aumento da resistência à oxidação do eutético Ni-Ni3Si. Sob atmosfera de oxigênio o eutético aqui estudado apresentou maior ganho de massa em comparação à atmosfera de ar sintético. A camada óxida apresentou formação uniforme e aderente ao substrato ao longo de toda a superfície da liga. Os valores de Kp encontrados estão próximo aos encontrados em literatura, evidenciando alta resistência à oxidação da liga eutética Ni-Ni3Si. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] PERKINS, A. R., MEIER, H.G., Journal of Metals, v. 8, p.17, [2] MEIER, H. J., GIBELING, J. C., NIX, W. D., Acta Metallurgica, v. 34, p. 914, [3] GUY, G. A., Metalurgia Física para Ingenieros, Fondo Educativo Interamericano, 347p [4] GALASSO, F. S.; Unidirectional Solidified Eutectics for Optical Eletronic and Magnetic Aplications, J. of Metals, v.19, p.17, [5] PARSONS, J. D.; YUE, A.S.; Growth of Fiber Optic Eutectic and Their Applications, J. of Growth Crystal, v. 55, p. 470, [6] MONCEAU, D., PIERAGGI, B., Oxidation of Metals, v.,50, p.477,