Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel. M. Eng. Alexandre Farina Pesquisador em Ligas de Ni Pesquisa e Desenvolvimento

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1 Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel M. Eng. Alexandre Farina Pesquisador em Ligas de Ni Pesquisa e Desenvolvimento

2 Sumário Definição e conceitos sobre Superligas e Ligas de Níquel Processo de Fabricação Metalografia das ligas de Níquel Monel, Inconel, Incoloy, Nimonic Superligas à base de Níquel

3 Definição de Superligas São ligas que apresentam uma ou mais propriedades muito acima das ligas convencionais (aços carbono, aços ferramenta, aços inoxidáveis, etc...). As superligas mais conhecidas são à base de Ni, mais há ligas à base de Co, Fe, etc... Propriedades desejadas Resistência Mecânica Tração, Torção, Fadiga, Impacto, Fluência Resistência à Corrosão Resistência à Oxidação

4 Devido as elevadas propriedades mecânicas estas ligas podem ser divididas em duas classes: Ligas trabalhadas termo-mecanicamente (Wrougth Alloys) Forjadas e Laminadas Com ou sem Tratamentos Térmicos Ligas não trabalhadas termo-mecanicamente Fundição de Precisão Monocristalinas Definição de Superligas Solidificação Direcional Principal diferença entre estas classes: PLASTICIDADE

5 O que torna estas ligas Superligas? Fases com comportamentos que fogem aos comportamentos padrão: Fase g Ni 3 (Al,Ti) Estrutura cúbica (CFC) do tipo L1 2 Fase g Ni 3 Nb Estrutura ortorrômbica do tipo DO 22 Fase b NiAl Estrutura cúbica (CCC) do tipo B2 Fases Ordenadas: Os átomos ocupam preferencialmente estas posições na rede cristalina!

6 Limite de Escoamento da fase g Ni 3 (Al,Ti) Limite de escoamento aumenta com a temperatura ~1100MPa // 600ºC Inconel 713 AISI 316 Limite de escoamento é função de adições de elementos de liga

7 Limite de Escoamento da fase g Ni 3 (Al,Ti) O aumento é gerado por uma mudança do sistema de escorregamento na super-estrutura cristalina Para a fase g Ni 3 (Al,Ti) isto ocorre pela mudança do escorregamento no plano (111) para o plano (110) em alta temperatura.

8 Fase b Ni(Al,Ti) As fases intermetálicas apresentam características especiais, porém nem todas podem ser utilizadas para ligas estruturais. A fase b apresenta comportamento cerâmico, com fratura frágil sob tração. Esta propriedade impede seu uso em estruturas. No entanto a dureza desta fase é equivalente a de um carboneto

9 Resistência a Fluência (10.000h)

10 Limite de Escoamento Comparação com aço Fe-12Cr-0.6Mo (~AISI 420)

11 Processos de Fabricação

12 Processo de Fabricação Processo Especial Convencional Fusão Refusão / Refino VIM (Vaccum induced melting) ESR (Electroslag Remelting) VAR (Vaccuum Arc Remelting) EAF (Electric Arc Furnace) VOD (vacuum oxygen decarburisation) AOD (Argon-Oxygen Decarburization) Forjamento Laminação Acabamento Forjamento em prensas hidráulicas. Geralmente para peças grandes e barras. Laminação (plana e barras) Desbaste, Retífica, etc...

13 Processos de Fabricação - Fusão EAF (Electric Arc Furnace) Fusão por arco voltaico Fusão e vazamento ao ar Refino do metal líquido por escória Há oxidação do banho metálico

14 Processos de Fabricação - Fusão VIM (Vacuum Induction Melting) Fusão e vazamento sob vácuo Pouco refino do metal líquido Reduzida oxidação do banho metálico Possibilidade de vazamento de ligas que são facilmente oxidadas com oxidação mínima Ligas com Al, Ti Apenas refino por pressão (vácuo) Pressão de vapor

15 Processos de Fabricação - Refino VOD (Vacuum Oxygen Decarburizing) Descarburação por injeção de gás Refino do metal líquido

16 Processos de Fabricação - Refino AOD (Argon-Oxygen Decarburizing) Descarburação por injeção de gás Ar/O Maior refino do metal líquido em relação ao VOD

17 Processos de Fabricação - Refusão ESR (Electroslag Remelting) Refusão por arco voltaico com escória Refino da estrutura bruta de fusão Eliminação de impurezas para a escória Uso da reação metal-escória

18 Processos de Fabricação - Refusão VAR (Vacuum Arc Remelting) Refusão sob vácuo por arco voltaico Refino da estrutura bruta de fusão Eliminação de impurezas para a superfície do lingote Pressão de vapor

19 Processos de Fabricação - Forjamento Forjamento: Prensagem a quente/frio de um lingote ou peça, em geral, de grande porte Recalque (aumentar a deformação do material) Altera a microestrutura refino do tamanho de grão Desbaste (reduzir a espessura do material) Altera a microestrutura refino do tamanho de grão Acabamento (alisamento da superfície)

20 Processos de Fabricação - Forjamento Forjamento: Prensagem a quente/frio de um lingote ou peça, em geral, de grande porte Recalque (aumentar a deformação do material) Altera a microestrutura refino do tamanho de grão Desbaste (reduzir a espessura do material) Altera a microestrutura refino do tamanho de grão Acabamento (alisamento da superfície)

21 Processos de Fabricação - Laminação Laminação Redução da espessura do material através da passagem deste entre dois cilindros com (barras) ou sem (planos) entalhes Refino da microestrutura através da redução do tamanho de grão

22 Processos de Fabricação - Acabamento Acabamento Torneamento, Fresamento, Retífica, Trefilação

23 Microestrutura

24 Ligas de Ni Principais Fases Fase Estrutura Fórmula Comentário g' FCC L1 2 Ni3(Al,Ti) h HCP DO 24 Ni3Ti g" BCT DO 22 Ni 3 Nb d Ortorr. (Cu 3 Ti) Ni 3 Nb Principal fase para endurecimento da matriz da maioria das ligas de Ni Fase deletéria e metaestável formada em altas temperaturas. Em geral precipita na forma de agulhas de Widmanstätten Principal fase para endurecimento de ligas contendo Nb. Em geral a precipitação ocorre na forma de discos coerentes com a matriz g Fase frágil e deletéria as propriedades. Precipita em alta temperatura na forma de agulhas (baixa temperatura superenvelhecimento) ou filmes nos contornos de grão (altas temperaturas solubilização).

25 Ligas de Ni Principais Fases Fase Estrutura Fórmula Comentário M(C,N) FCC M(C,N) onde M = Ti, Nb, Hf, Zr... M 23 C 6 FCC (Cr,Fe,Mo,W) 23 C 6 Carbonetos primários ou secundários. Dependentes do teor de C e de N das ligas e dos elementos formadores. Elevam as resistências ao desgaste e mecânica Carbonetos precipitados durante o envelhecimento das ligas para aumento da resistência mecânica. Em geral precipitação em glóbulos e placas nos contornos de grão. M 6 C FCC Fe 3 Mo 3 C Carboneto. Secundário M 7 C 3 Ortorr. (Fe,Cr,Mn) 7 C 3 Carboneto secundário em geral observado na forma de partículas intergranulares.

26 Ligas de Ni Principais Fases Fase Estrutura Fórmula Comentário M 3 B 2 Tetragonal Mo 2 FeB 2, Nb 3 B 2 Boreto presente em ligas com elevado teor de B. m Romboédr. (Fe,Co) 7 (Mo,W) 6 Mo e de W. Precipita na forma de agulhas de Widmanstäten em altas Presente em ligas com elevado teor de temperaturas. Laves Sigma Hexagonal Tetragonal Fe 2 Nb, Fe 2 Ti, Fe 2 Mo, Co 2 Ta, Co 2 Ti FeCr, FeCrMo, CrFeMoNi, CrCo, CrNiMo Fase deletéria. Precipita-se na forma de glóbulos alongados após exposição à altas temperaturas. Fase deletéria precipitada na forma de glóbulos em geral alongados em ligas que permaneceram por longos períodos entre 540ºC e 980ºC

27 Evolução da Microestutura das Ligas de Ni

28 Evolução da Microestutura das Ligas de Ni Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C) Liga Binária Ni-20Cr Matriz Austenítica

29 Evolução da Microestutura das Ligas de Ni Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C) Liga Ternária Ni-20Cr-1.0Al Matriz Austenítica Isoterma de 1150ºC Al-Cr-Ni

30 Evolução da Microestutura das Ligas de Ni Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C) g+g Liga Quaternária Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti Matriz Austenítica com Ni 3 (Ti,Al) Isoterma de 1050ºC Cr-Ni-Ti

31 Evolução da Microestutura das Ligas de Ni Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C) Nimonic 80A: Sol. 1080ºC/1h Env. 700ºC/16h TiC Liga Quinária Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti-0.05C Matriz Austenítica com Ni 3 (Ti,Al) e TiC

32 Ligas de Ni-Cu (Monel) Extremamente resistentes à corrosão, em especial em ambientes marinhos com água parada, porém com baixa resistência mecânica em relação as demais superligas de Ni. Resistência compatível com aços especiais. Aplicação principal nas indústrias naval e petroquímica Principais ligas: Monel 400 (VRC400) e Monel K500 (VRC500K)

33 Ligas de Ni-Cu (Monel) A liga Monel foi desenvolvida inicialmente partindo-se de sulfetos de Ni e de Cu e fazendo redução simultânea dos minérios como fonte de Cu e de Ni Monel tem um L apenas pois na época não era permitido nomes de famílias em produtos!

34 Ligas de Ni-Cu (Monel) Composição Química Liga Ni Cu Fe Mn C Si S Outros Alloy 400 Alloy 401 Alloy R-405 Alloy 450 Alloy K min 28.0~ ~45.0 Bal min 28.0~ ~ ~33.0 Bal. 0.4~ min 27.0~ Zn, 0.05Pb, 0.02P 2.30~3.15Al, 0.35~0.85Ti Valores sozinhos indicam máximo da faixa

35 Fração Molar de Fases Ligas de Ni-Cu (Monel) Monel K500 Matriz bifásica (duas austenitas) com dispersão de TiC e após solubilização e envelhecimento apresenta precipitação de Ni 3 (Al,Ti) g 1 g 2 g g g 1 56%Cu g 65%Ni TiC L 42%Ni 30%Cu 700ºC 763ºC 1140ºC 760ºC g g 1 + g 2 815ºC g g + g 1280ºC solidus 1330ºC liquidus Composição da Matriz

36 Ligas de Ni-Cu (Monel) Microestrutura Ligas com matriz austenítica podendo apresentar dispersão de precipitados de Ni 3 (Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N) Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%) Carbono pode ser adicionado em teores inferiores a 0.30% Monel K500 Laminada a quente e solubilizada em alta temperatura. Ataque com Glicerégia Monel K500 Macrografia de amostra bruta de laminação. Ataque com HNO 3 eletrolítico

37 Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Resistentes a altas temperaturas com excelentes propriedades mecânicas. Elevada resistência à oxidação e resistência razoável a corrosão. Aplicação principal nas indústrias aeroespacial, nuclear e petroquímica, válvulas automotivas, turbinas (avião e à gás). Principais ligas: Inconel 718 (VAT 718), Inc. 600 (VAT 600), Inc. 751 (VAT 751) Sist. de exaustão

38 Composição Química Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros Alloy min 14.0~ ~ Alloy min 20.0~ ~ ~ ~ ~ Cu, 0.006B Alloy min 20.0~ ~ ~ Alloy min 27.0~ ~ Cu Alloy ~ ~ 21.0 Bal ~ ~ ~ ~ Cu, 0.006B Alloy min 14.0~ ~ ~ ~ Cu Alloy C-276 Bal. 14.5~ ~ ~ V, 3.50W Valores sozinhos indicam máximo da faixa

39 Fração Molar de Fases Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Inconel 718 Sigma 500ºC Laves 540ºC Ferrita 590ºC M 23 C 6 700ºC Sigma 830ºC Ni 3 Al (g ) 900ºC Ni 3 Nb (d) 1020ºC Liquidus 1350ºC M(C,N) 1260ºC Solidus 1210ºC

40 Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Microestrutura Ligas com matriz austenítica. Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni 3 (Al,Ti) e Ni 3 Nb além de carbonitretos do tipo M(C,N) Inconel 718 Forjada a quente e solubilizada em alta temperatura (1030ºC/2h). Ataque com Glicerégia Inconel 751 Laminada, solubilizada (1120ºC/1h) e envelhecida (750ºC/4h). Ataque com Glicerégia.

41 Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Microestrutura Ligas com matriz austenítica. Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni 3 (Al,Ti) e Ni 3 Nb além de carbonitretos do tipo M(C,N) Inconel 718 Forjada e solubilizada em alta temperatura (1030ºC/2h) e envelhecida: 718ºC/8h+650ºC/8h. Ataque com Glicerégia Inconel 718 Laminada e tratada a (1040ºC/1h + 980ºC/8h + 760ºC/8h + 650ºC/8h) MET + Atom Probe: Nb=verde, Al=verm., Ti=azul e

42 Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Alloy min 20.0 ~ ~ ~ Inconel 625 Bruta de Forjamento Ataque com Glicerégia Inconel 625 Forjada e solubilizada em alta temperatura (1200ºC/30min). Ataque com Glicerégia

43 Ligas de Ni-Fe-Cr (Incoloy) Resistentes a corrosão em altas temperaturas (em especial por cloretos), com boas propriedades mecânicas, porém inferiores as ligas Inconel. Resistência a oxidação reduzida. Aplicação principal na indústria petroquímica. Principais ligas Incoloy A-286 (VAT A286) e Incoloy 925 (VRC925)

44 Composição Química Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy) Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros Alloy A-286 Alloy 825 Alloy min 38.0 ~ ~ ~ ~ min ~ ~ ~3.0 Cu Alloy 800HT 30.0~ ~ min ~ ~ ~ Valores sozinhos indicam máximo da faixa

45 Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy) Microestrutura Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de Ni 3 (Al,Ti) além de carbonitretos do tipo M(C,N) e carbonetos do tipo M 23 C 6 1) 2) 2) Incoloy 800H (g+g +Ti(C,N) + M 23 C 6 ) Incoloy A-286 Laminada, solubilizada (980ºC/1h) e envelhecida (720ºC/16h) Ataque com Glicerégia 1) Solubilizada 2) Solubilizada e Envelhecida por 15anos a 815ºC Ataque com Marble.

46 Ligas de Ni-Cr (Nimonic) Boa resistência à corrosão a alta temperatura, em especial por sulfatos, excelente resistência à fluência e à fadiga à quente. Aplicação principal na indústria automotiva na fabricação de válvulas para motores de combustão interna e industria petroquímica e aeroespacial. Principais ligas Nimonic 80A (VAT80A) e Nimonic 90 (VAT90)

47 Ligas de Ni-Cr (Nimonic) Composição Química Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros Nimonic 80A Nimonic 86 Nimonic 90 Bal ~ ~ ~ Bal Ce Bal ~ ~ ~ ~ B Valores sozinhos indicam máximo da faixa

48 Ligas de Ni-Cr (Nimonic) Microestrutura Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de Ni 3 (Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N) Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%) Nimonic 80A Laminada, solubilizada (1080ºC/1h) e envelhecida (700ºC/16h) Ataque com Glicerégia Nimonic 90 Laminada, solubilizada (1080ºC/8h) e envelhecida (700ºC/12h + 850ºC/2h). Ataque com Glicerégia

49 Superligas de Ni Ligas com elevada quantidade de fases intermetálicas (g, g ) Elevada resistência mecânica (tração, fluência) Elevada resistência à quente Microestrutura geralmente em Blocos CMSX-4

50 Superligas de Ni

51 Superligas de Ni (Monocristalinas) Processo de Fabricação (palheta de turbina CMSX-6)

52 Superligas de Ni Waspaloy Microestrutura Similar a microestrutura da liga Nimonic 80A. Diferença: Maior quantidade de g Elevada resistência mecânica à quente Grande dispersão de partículas 13.5%Co Elevada resistência à oxidação 4.5%Mo Elevada dificuldade para usinar Aplicações: Indústria aeroespacial (turbinas) Máquinas de tração e fluência

53 Microestrutura Superligas de Ni Inconel 738

54 Microestrutura Superligas de Ni MAR-M 246

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