MECANISMOS DE ENDURECIMENTO DA SUPERLIGA INCONEL 718

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1 1 MECANISMOS DE ENDURECIMENTO DA SUPERLIGA INCONEL 718 Marcos Domingos Xavier (1) RESUMO O presente texto traz uma avaliação qualitativa dos mecanismos de aumento da resistência mecânica da superliga Inconel 718. Adicionalmente, é feita uma estimativa da contribuição de cada mecanismo à resistência desta liga, tomando como base o níquel A, que contém 99,4 % de pureza. Os elementos químicos em solução sólida são responsáveis pelo acréscimo aproximado de 10 % na resistência mecânica destas ligas. O acréscimo adicional na resistência mecânica decorre do efeito combinado da deformação plástica e da precipitação coerente. Os tratamentos termomecânicos avançados estabelecidos para estas ligas diferenciam-se dos tratamentos termomecânicos convencionais pela existência de envelhecimento prévio à deformação plástica, garantido distribuição homogênea de precipitados e ancoramento das discordâncias, conduzindo à menor ocorrência da recuperação micro-estrutural e consequentemente, menor taxa de perda de resistência mecânica em aplicações sujeitas a altas temperaturas. Palavras chave: Metalurgia. Liga Inconel. (1) Engenheiro Metalurgista, M. Sc., Técnico de Ensino do SENAI CFP 1.19 SP; Coordenador do Curso Superior de Tecnologia em Processos Metalúrgicos da Faculdade SENAI de Tecnologia Nadir Dias de Figueiredo; Doutorando do Departamento de Engenharia Metalúrgica e Materiais da Escola Politécnica da USP.

2 2 1 INTRODUÇÃO As superligas a base de níquel destinam-se a resistir a tensões apreciáveis em altas temperaturas. Aplicações típicas são as turbinas da indústria aeroespacial e os reatores da indústria química. Estas ligas não são sujeitas a transformações martensíticas e não são, pois, possíveis os tratamentos de têmpera e revenido. Além disto, tem matriz com estrutura CFC e não sofrem transformações alotrópicas até o ponto de fusão. Possuem elevada tenacidade e ductilidade em uma larga faixa de temperaturas. Por esta razão, podem ser trabalhadas a frio, a morno e a quente. Estas ligas se beneficiam do tratamento termomecânico ( TTM ), que pode ser efetivo até temperaturas da ordem de 727 C, pois acima destas temperatura a subestrutura de deformação não é estável (1). As superligas Inconel 718, de composição química Ni 18 Fe 18 Cr 3 Mo 5 Nb 1Ti 0,5 Al 0,04 C 0,004 B, são projetadas para serviço na faixa de 427 a 727 C. Para estas temperaturas, as propriedades mecânicas (resistência; tenacidade e fadiga de baixa e alta ciclagem ) são fatores que determinam o limite de vida da superliga. 2 MECANISMOS DE ENDURECIMENTO Os elementos químicos presentes na superliga Inconel 718 podem ser divididos em algumas categorias (1), de acordo com sua função e posição na tabela periódica: a) Elementos que formam soluções sólidas substitucionais na matriz austenítica. Pertencem aos grupos V A; VI A e VIII A: Fe; Cr; Mo. b) Elementos que contribuem à formação de precipitados. Pertencem aos grupos III A; IV A e V A: Al; Ti; Nb. c) Elementos que formam carbonetos: Cr; Mo; Nb; Ti. d) Elementos que segregam em contornos de grão: B; C. e) Elementos que formam óxidos superficiais protetivos e aderentes: Cr; Al.

3 3 A microestrutura das superligas usa todos os possíveis métodos para aumentar a resistência a altas temperaturas. O desenvolvimento de superligas constitui-se em um exemplo do uso máximo da engenhosidade do metalurgista. Tipicamente, as seguintes fases estão presentes em uma superliga Inconel 718: matriz austenítica, com solução sólida intersticial e substitucional; MC; TiN; Delta; Laves; γ ; γ. As fases γ e γ são as principais endurecedoras da liga e seus comportamentos à precipitação são determinados inicialmente pela quantidade de nióbio, e também pela temperatura e tempo de envelhecimento. A homogeneização incompleta do material no estado fundido ou conformado produzirá precipitação não uniforme das fases γ e γ durante o trabalho mecânico ou tratamentos térmicos de envelhecimento. A grande estabilidade da liga 718 está relacionada à estabilidade da fase γ, que transforma-se em delta e γ com o aumento do tempo e temperatura de envelhecimento. Eventualmente, a fase γ irá dissolver-se e a fase delta se tornará a fase terminal no sistema 718. Uma fase αcr é encontrada nos contornos de grão quando são aplicados longos tempos de exposição entre 593 e 732 o C. O carboneto M 23 C 6 normalmente encontrado em ligas a base de níquel não é encontrado na liga 718. As fases sigma e M 6 C não são muito encontradas na liga 718 devido aos conteúdos controlados de silício e baixas temperaturas usadas para homogeneização nos tratamentos termomecânicos. As fases sigma e laves, topologicamente empacotadas, são indesejadas e ocorrem eventualmente. As fases γ e γ, principais endurecedoras, são coerentes com a matriz (2). A fase γ é considerada a principal fase endurecedora e tem uma estrutura cristalina "DO 2 BCT (tetragonal de corpo centrado). A fase γ é ordenada, de estrutura cristalina Ll 2 FCC (cúbica de faces centradas). Ambas tem 3 átomos de níquel. A fase γ é mais rica em Nb enquanto que γ é mais rica em alumínio. A fase γ tem forma de disco e a fase γ tem forma globular. A fase delta é incoerente com a matriz γ e tem uma estrutura cristalina orthorrombica. É encontrada como placas crescendo nos planos ( 111 ) ou nucleando nos contornos de grão e está associada com a perda de resistência desta liga. É usada para controlar o tamanho de grão em materiais conformados.

4 4 A figura 1 (2) traz um diagrama de temperatura versus estabilidade das fases para a liga 718 fundida. Fig.1 (2) : Diagrama Temperatura versus estabilidade das fases presentes em inconel TRATAMENTOS TERMOMECÂNICOS As ligas Inconel 718 podem ser submetidas a tratamentos termomecânicos (TTM) convencionais e avançados. O TTM convencional consta respectivamente das etapas de solubilização dos elementos de liga, deformação plástica via encruamento e envelhecimento final. Há nesta última etapa a nucleação da fase γ nas discordâncias das bandas de deslizamento e nas discordâncias situadas entre estas bandas. A distribuição destes precipitados não é uniforme e as discordâncias são pouco imobilizadas pelos mesmos.

5 5 O tratamento termomecânico (TTM ) avançado, desenvolvido para o inconel 718, possui as seguintes etapas (1) : a) Solubilização: 957 o C b) Pré-envelhecimento: 707 o C/ 4 h c) Deformação: laminação ( 19 % de redução ) d) Pós-envelhecimento: 677 o C / 8 h; resfriamento no forno até 622 o C, num total de 18 horas A introdução do pré-envelhecimento tem basicamente duas funções. Primeiro, é estabelecer uma distribuição homogênea de precipitados que não podem ser destruídos por deformação subsequente. De outra maneira, a nucleação de precipitados nas discordâncias poderia resultar durante o envelhecimento final, em uma distribuição não uniforme de precipitados, que não seria favorável a uma resposta ótima. E, segundo, os precipitados pré-existentes ancoram as discordâncias de modo a evitar a recuperação durante o(s) envelhecimento(s) final(is). A figura 2 (1) traz uma representação esquemática do efeito de um préenvelhecimento sobre a distribuição dos precipitados.

6 6 (b) TTM convencional (a) TTM avançado Fig. 2 (1) : Efeito do pré-envelhecimento sobre a resposta de inconel 718 a TTM convencional e avançado A introdução do pré-envelhecimento tem basicamente duas funções. A primeira delas estabelece uma distribuição homogênea de precipitados que não podem ser destruídos por deformação plástica subsequente. De outra maneira, a nucleação de precipitados nas discordâncias poderia resultar durante o envelhecimento final, em uma distribuição não uniforme que seria desfavorável a uma resposta ótima às propriedades mecânicas. E, segundo, os precipitados préexistentes ancoram as discordâncias de modo a evitar a recuperação durante o(s)

7 7 envelhecimento(s) final(is). A figura 2 (1) traz uma representação esquemática do efeito de um pré-envelhecimento sobre a distribuição dos precipitados. 4 PROPRIEDADES MECÂNICAS As tabelas I e II trazem respectivamente as propriedades mecânicas de tração para o níquel A, com 99,4 % de pureza e para o Inconel 718, conforme composição supra citada.. Estima-se que 10 % da diferença de resistência mecânica entre ambos deve-se ao endurecimento por solução sólida e os 90 % restantes devem-se à ação conjunta da deformação plástica e da precipitação coerente. Em termos numéricos, o gradiente entre os limites de resistência à tração medidos na temperatura ambiente para o níquel A ( 415 MPa ) e para o inconel 718 ( 1430,5 MPa médio ) é de 1015,5 MPa. A contribuição estimada do endurecimento por solução sólida é 101,55 MPa. Todavia, a combinação da deformação e da precipitação coerente conduz ao aumento previsto de resistência mecânica em torno de 913,95 MPa. A avaliação precisa da resistência em cada etapa do tratamento termomecânico convencional ou avançado faz-se necessária. Tabela 1 (1) : Propriedades mecânicas do níquel A ( 99,4 % Ni ) Limite de escoamento Limite de resistência à Alongamento (%) (MPa ) tração (MPa)

8 8 Legenda: UTS: Limite Tabela de resistência 2 1 : Propriedades à tração mecânicas (3) de tração do Inconel 718: Ni - 18Fe 18 Cr 3 Mo 5 Nb 1 Ti 0,5 Al 0,04 C 0,00 B YS: Limite de escoamento EL: Alongamento Fracture Toughness: Tenacidade à fratura LCF: Fadiga de baixo ciclo Creep: Fluência % R of A: % de redução de área. 5 DISCUSSÃO E CONCLUSÕES As superligas, também chamadas de ligas inteligentes, podem ser endurecidas por diversos mecanismos metalúrgicos disponíveis. Os tratamentos termomecânicos avançados aplicam o pré-envelhecimento que conduz à mais intensa imobilização dos defeitos cristalinos lineares, dificultando a aniquilação

9 9 destes defeitos cristalinos de sinais opostos e inibindo com maior intensidade a recuperação microestrutural. Em linhas gerais, pode-se concluir que: (a) A grande estabilidade da liga Inconel 718 está relacionada à estabilidade da fase γ (b) Os precipitados γ e γ, coerentes com a matriz, são os principais endurecedores do Inconel 718; (c) Os tratamentos termomecânicos avançados conduzem ao maior endurecimento das ligas Inconel 718 em relação aos tratamentos termomecânicos convencionais; (d) Estima-se que os elementos de liga em solução sólida sejam responsáveis por 10 % da resistência mecânica do Inconel 718, sendo o restante do efeito mecânico atribuído à combinação do envelhecimento com a deformação plástica.

10 10 HARDENING MECHANISMS OF INCONEL ALLOY 718 ABSTRACT This essay is a qualitative assessment of mechanisms for increasing the mechanical strength of the superalloy Inconel 718. Additionally, it is an estimate of the contribution of each mechanism to the resistance of this alloy, based on the nickel, which contains 99.4% pure. The chemical elements in solid solution are responsible for the increase of approximately 10% in the mechanical strength of these alloys. The additional increase in strength arises from the combined effect of plastic deformation and precipitation consistent. Advanced thermomechanical treatments established for these alloys differ from conventional thermomechanical treatments on the existence of aging prior to plastic deformation, ensured homogeneous distribution of precipitates and anchoring of disagreements, leading to lower incidence of microstructural recovery and therefore lower rate of loss mechanical strength in applications subject to high temperatures. Keywords: Metallurgy. Alloy Inconel.

11 11 REFERÊNCIAS (1) Meyers, M. A.; Chawla,K. K. Princípios de metalurgia mecânica. São Paulo: Edgard Blucher, (2) Pickering, F. B. Physical metallurgy and design of Steels. London: Applied Science Publishers, (3) Metals Handbook: ASM. v. IX