Efeito do tratamento de envelhecimento na superliga Inconel 718: aplicação em temperaturas elevadas

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1 Efeito do tratamento de envelhecimento na superliga Inconel 718: aplicação em temperaturas elevadas Felipe Rocha Caliari 1 Kátia Cristiane Gandolpho Candioto 2,3 Danieli Aparecida Pereira Reis 1,4 Antonio Augusto Couto 5,6 Carlos de Moura Neto 1 Carlos Ângelo Nunes 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Praça Marechal Eduardo Gomes Vila das Acácias São José dos Campos, SP Brasil 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica. 2 Escola de Engenharia de Lorena EEL/USP. 3 Associação Educacional Dom Bosco. 4 Universidade Federal de São Paulo. 5 Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares. 6 Universidade Presbiteriana do Mackenzie RESUMO Neste trabalho estuda-se o efeito do tratamento térmico de duplo envelhecimento na supeliga Inconel 718. Efetuou-se o tratamento com as etapas: solução sólida a 1.095ºC por 1 hora, após o duplo envelhecimento em 955 C/1h - 720ºC/6,5h - 720ºC/1,5h + 620ºC/8h. Os parâmetros tamanho de grão, análise qualitativa e distribuição das fases secundárias por de MEV/EDS e análise de dureza são utilizados para avaliar a evolução microestrutural. Os resultados mostram aumento do tamanho de grão e da dureza, bem como melhor dispersão dos precipitados ao longo da matriz. Palavras-chave: Superligas, duplo envelhecimento, Inconel INTRODUÇÃO Os tratamentos térmicos aplicados à superliga Inconel 718 vêm sendo estudados [1,2] no que tange a otimização da formação das fases que promovem aumento da resistência mecânica - fase γ, gama γ e eta η bem como o controle da formação das fases δ (delta), Laves e fases topologicamente empacotadas (TCP), que fragilizam o material. Entretanto, a literatura relata estudos [3] que apontam a fase delta como promotora no controle do crescimento de grão, funcionando como barreira para o mecanismo de escorregamento de grãos. As etapas de tratamento térmico em ligas endurecidas por precipitação são tratamento de solução sólida e envelhecimento. No tratamento de solução sólida a temperatura deve ser cuidadosamente escolhida, pois em temperaturas próximas à linha solvus obtém-se resistência à fluência [3] e, em temperaturas mais baixas, o aumento da resistência à fadiga [4]. Kuo et al. reportam [5] o crescente aumento da 22

2 Temperatura ( o C) TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico temperatura de solução sólida utilizada ao longo do tempo, visando dissolver fases prejudiciais como delta, TCP e Laves. O tratamento de envelhecimento proporciona precipitação das fases secundárias como γ, γ e o crescimento de grão. A fase metaestável γ, com estrutura cristalina TCC, possui baixo grau de desajuste (misfit) [3] em relação à matriz Ni-Cr-Fe, e é a fase mais importante no mecanismo de endurecimento. Neste estudo objetiva-se analisar qualitativamente o efeito do tratamento térmico de duplo envelhecimento, utilizando imagens obtidas por microscópio ótico e eletrônico de varredura (MEV/EDS), valores de microdureza e tamanho de grão ASTM. 2 MATERIAL E MÉTODOS 2.1. Composição da superliga Inconel 718 A superliga Inconel 718, fornecida pela empresa Multialloy, foi obtida através do processo VIM/VAR e no estado recozido. A composição química da superliga é apresentada na Tabela 1. Os corpos de prova foram usinados pela Fautec Ferramentaria Automação e Usinagem Ltda., conforme as dimensões apresentadas na Figura 1. TABELA 1. Composição da superliga Inconel 718. Inconel 718 (%p/p) Cr Ni Si Mo Ti Nb Fe Al 18,94 54,47 0,04 1,35 1,05 5,89 17,99 0, Tratamento térmico O tratamento térmico de duplo envelhecimento foi realizado em forno tubular Lindberg/Blue M (100V/50A/50kW), na Escola de Engenharia de Lorena (EEL USP/DEMAR). As etapas do tratamento são detalhadas na Figura o C/1h Tratamento térmico (duplo envelhecimento) o C/1h o C/6,5h 720 o C/1,5h 620 o C/8h Tempo (h) FIGURA 1. Tratamento térmico aplicado à superliga Inconel

3 2.3. Preparação microestrutural As amostras foram preparadas por métodos convencionais de metalografia (corte transversal seguido de embutimento em baquelite). Os procedimentos de lixamento foram realizados utilizando granulometrias de 320, 600 e #. O polimento foi realizado com um pano de 6 µ impregnados com pasta de diamante 6 µm, seguindose polimento com um pano 1 µ e pasta de diamante de 1 µm. Os procedimentos de lixamento e polimento foram realizados em politriz da marca Struers. Entre cada procedimento, tanto no lixamento quanto no polimento, as amostras foram submetidas a limpeza em ultra-som, durante 5 minutos. As amostras foram atacadas com solução Glyceregia. 3 RESULTADOS 3.1 Resultados das micrografias. As micrografias da superliga Inconel 718 foram obtidas por microscopia óptica: Figura 2: nas condições como recebida (CR); Figura 3: após tratamento de solução sólida a 1.095ºC; Figura 4: após patamar de envelhecimento de 955ºC; Figura 5: após tratamento de duplo envelhecimento. Dos resultados obtidos da microscopia ótica, nota-se a melhor dispersão das fases secundárias. FIGURA 2. Liga com estrutura como recebido. FIGURA 4. Liga após primeiro patamar de envelhecimento a 955ºC. FIGURA 3. Liga após solução sólida a 1.095ºC. FIGURA 5 Liga após duplo envelhecimento. 24

4 3.2 Resultados da microscopia eletrônica de varredura (MEV/EDS) Os resultados de MEV/EDS são apresentados nas Figuras 6 a 9. Pode-se observar a partir das imagens obtidas (Figuras 6 e 7) pelo método de elétrons retroespalhados, a presença de fases claras, que são ricas em titânio (conforme o espectro da Figura 8), e precipitados escuros ricos em nióbio (conforme o espectro da Figura 9). FIGURA 6. Inconel 718 como recebido. FIGURA 7. Inconel 718 após duplo envelhecimento. FIGURA 8. Espectro obtido por EDS, que representa a composição química da Figura 6 (precipitado escuro). FIGURA 9. Espectro obtido por EDS, que representa a composição química da Figura 7 (precipitado claro localizado no contorno de grão). 25

5 3.2 Resultados do ensaio de dureza. A Tabela 2 apresenta os resultados do ensaio de microindentação, em que se comparam os valores de microdureza do Inconel 718 antes e depois do tratamento térmico. TABELA 2 Valores de microdureza Vickers. Inconel 718 Valores médios de dureza [HV] Como recebido 202,43 Após solução sólida a 1.095ºC 184,17 Após patamar de envelhecimento de 955ºC 347,52 Duplo envelhecido 401,63 Conforme os resultados da Tabela 2, há um decréscimo da dureza após tratamento de solução sólida, pois ocorre grande difusão das espécies, produzindo uma matriz supersaturada. No final do tratamento térmico observa-se um aumento de quase 100% da dureza, em relação à liga como recebida, devido principalmente àformação das fases secundárias. A Tabela 3 apresenta uma comparação dos valores do tamanho de grão ASTM, do Inconel 718 (etapas intermediárias do tratamento térmico). TABELA 3. Valores de tamanho de grão ASTM para as etapas intermediárias do tratamento térmico. Inconel 718 Tamanho de grão ASTM Como recebido 8,20 Após solução sólida a 1095ºC 7,50 Após patamar de envelhecimento de 955ºC 7,23 Duplo envelhecido 7,23 4 DISCUSSÃO Os resultados observados de tamanho de grão estão coerentes com os valores obtidos por Kuo et al. [5], e mostram aumento de 9% durante a etapa de solução sólida. O aumento gradual dos valores de microdureza Vickers, principalmente nas etapas de envelhecimento, indica eficácia no aumento da resistência mecânica e está associado à formação e precipitação das fases. As micrografias reforçam esta conclusão. Como pode se observar nas Figuras 2 a 5, em que está presente uma fina dispersão de fases secundárias ao longo da matriz. Nas micrografias também se observa a presença de maclas, deformação tipicamente encontrada na liga Inconel 718. A análise quantitativa via MEV/EDS indica a presença de precipitados à base de nióbio e titânio. 26

6 5 CONCLUSÃO O tratamento térmico de duplo envelhecimento altera as características microestruturais da superliga Inconel 718, por meio do aumento da dureza e do tamanho de grão, características que aumentam a resistência à fluência para aplicação em temperaturas elevadas. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio recebido do Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA/DCTA, do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN, e da Escola de Engenharia de Lorena - EEL-USP REFERÊNCIAS 1. Slama C., Abdellaoui M. Structural characterization of the aged Inconel 718. Journal of Alloys and Compounds (2000), 306 (1-2), pp Alam, T., Chaturvedi, M., Ringer, S.P., Cairney, J.M. Precipitation and clustering in the early stages of ageing in Inconel 718. Materials Science and Engineering A (2010), 527 (29-30), pp Sims, T.S, Stoloff, N., Hagel W.C. Superalloys II: High Temperature Materials for Aerospace and Industrial Power, ed. John Willey, New York, Heat treater s guide. Practices and procedures for nonferrous alloys. ASM International, The Materials Information Society Kuo C.-M., Yang Y.-T., Bor H.-Y., Wei C.-N., Tai C.-C. Aging effects on the microstructure and creep behavior of Inconel 718 superalloy. Materials Science and Engineering A (2009), (C), pp Effect of aging treatment at superalloy INCONEL 718: appiication at elevated temperatures ABSTRACT In this work it is studied the effect of heat treatment of double aging in Inconel 718 superalloy. The heat treatment steps were: solid solution to 1095 C for 1 hour, after aging in the double 1 h/955 C C / 6.5 h C / 1.5 h C/8 h. The grain size parameter, qualitative analysis and distribution of secondary phases by SEM/ EDS analysis and hardness test are used to evaluate the microstructural evolution. The results show increase in ASTM grain size, hardness value and better dispersion of the precipitated throughout the matrix. Keywords: Superalloys, double aging, Inconel