AVALIAÇÃO MICROESTRUTURAL DA LIGA REFRATÁRIA TI-6AL-4V COM ESTRUTURA DE WIDMANSTÄTTEN APÓS ENSAIO MECÂNICO DE FLUÊNCIA

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1 Anais do 15 O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XV ENCITA / 2009 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil Outubro 19 a AVALIAÇÃO MICROESTRUTURAL DA LIGA REFRATÁRIA TI-6AL-4V COM ESTRUTURA DE WIDMANSTÄTTEN APÓS ENSAIO MECÂNICO DE FLUÊNCIA Guilherme Lucas Figueiredo de Oliveira Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) H-8 B 240 CTA Cep: São José dos Campos-SP-Brasil Bolsista PIBIC-CNPq guilherme.fig87@gmail.com Maria Margareth da Silva Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) Departamento de Engenharia Mecânica-Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes 50 Vila das Acácias Cep: São José dos Campos-SP-Brasil meg@ita.br Resumo. No trabalho de iniciação científica realizado foram concentrados esforços na compreensão teórica do fenômeno da fluência em ligas metálicas tendo especial atenção à fluência das ligas metálicas de titânio e sua importância no contexto da indústria aeronáutica e aeroespacial. Primeiramente foi feita a revisão bibliográfica a respeito da fluência propriamente dita e das propriedades da liga de titânio que é objeto dos estudos a Ti-6Al-4V. A estrutura cristalina de Widmanstätten também foi foco dos estudos preliminares. Numa próxima etapa do estudo realizado foram concentradas atenções no método de ensaio dos corpos de prova a serem utilizados no projeto. Foram estudadas a correta utilização e montagem dos fornos de fluência e as variáveis envolvidas em um ensaio e suas respectivas influências no mesmo como a temperatura do forno e a pressão a que é submetido o corpo de prova. Finalmente foram realizados os ensaios de fluência da liga Ti-6Al-4V com estrutura de Widmanstätten levantadas as curvas de fluência e obtidas as imagens microscópicas dos corpos de prova ensaiados.palavras chave: Liga refratária FluênciaTi-6Al-4VWidmanstätten. 1. Introdução Materiais com comportamento adequado em temperaturas elevadas e ambientes agressivos tornaram-se uma necessidade científica tecnológica e economicamente viável nos dias de hoje. Estudos têm sido realizados independente de objetivos comerciais para o aprimoramento na obtenção de novas ligas e principalmente para a reavaliação de ligas comerciais já existentes por meio da aquisição de dados em condições de maior severidade. Neste plano de trabalho dá-se continuidade às pesquisas já iniciadas nos estudos de fluência da liga Ti-6Al-4V. Tais estudos foram efetuados com a liga recozida não recoberta com cerâmica sob condições de fluência realizada ao ar e avaliando-se o efeito do recobrimento cerâmico e da atmosfera de ensaio na fluência da liga refratária. 2. Metodologia Para a realização deste trabalho foi utilizada a liga Ti-6Al-4V na forma de barras cilíndricas adquiridas junto à Empresa Multialloy Eng. Mat. Ltda na condição forjada e recozida a 190 o C durante 6 horas e resfriada ao ar. A configuração microestrutural resultante dos tratamentos térmicos e mecânicos corresponde à condição de maior aplicação na indústria aeronáutica. A caracterização quanto à composição química dos principais elementos (percentual em peso) atende aos requisitos da norma ASTM B A preparação das amostras para análise via microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura seguiu os padrões usuais de metalografia ou seja embutimento a quente (150ºC) sob pressão de 21 MPa seguido do lixamento manual com lixas à base de SiC na sequência de e O polimento foi realizado com uma solução de sílica coloidal (OP-S). Foi utilizado microscópio óptico Leica modelo DMRXP estereoscópio ZEISS modelo Stemi SV11 e microscópio eletrônico de varredura da marca LEO modelo 435 VPI pertencente à Divisão de Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço do CTA (AMR/IAE/CTA). O objetivo deste plano de trabalho de iniciação científica é a caracterização microestrutural da liga Ti-6Al-4V com estrutura de Widmanstätten após ensaio de fluência. A liga selecionada (Ti-6Al-4V) após tratamento térmico para obtenção da estrutura de Widmanstätten foi submetida a ensaios de fluência ao ar na temperatura de 600 o C na modalidade de carga constante na faixa de 125 a 319 MPa. Estudos completos de ensaio na fluência da liga refratária Ti-6Al-4V tratada termicamente são escassos na literatura. A caracterização microestrutural teve o objetivo de determinar as fases existentes incluindo a caracterização e quantificação das inclusões presentes além de permitir um conhecimento mais detalhado da influência da microestrutura na resistência à fluência ao ar da liga Ti-6Al-4V. As técnicas utilizadas neste trabalho foram microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. As informações

2 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro geradas neste trabalho serão ferramentas valiosas para a compreensão dos mecanismos de fluência da liga Ti-6Al-4V. Todos os equipamentos estão disponíveis no Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial (CTA). 3.Revisão Bibliográfica 3.1. Liga Ti-6Al-4V No contexto científico e tecnológico em que o mundo se encontra a busca por novos materiais que agreguem características como resistência e baixa massa específica a uma estrutura tem sido objeto de pesquisa de instituições reconhecidas por representarem a vanguarda do desenvolvimento técnico. A indústria aeroespacial que no Brasil é o setor que produz os bens de maior valor agregado (Bartels W. 2007) é notavelmente dependente de tecnologias que fomentem o seu desenvolvimento. Dentro desse ambiente de novas pesquisas para o setor a busca e o desenvolvimento de novos materiais é um dos ramos mais prolíficos sendo pesquisadas desde novas ligas a materiais compósitos (Camanho P. 2005). A liga de titânio Ti-6Al-4V é reconhecidamente importante no que se refere aos seus aspectos tecnológicos devido às suas características de alta resistência à fluência alta resistência à corrosão e massa específica consideravelmente baixa. As características da liga fazem dela uma excelente candidata à utilização em motores aeronáuticos em turbinas a gás tipos turbojato e turbofan (Norris G. 1994). Dadas as características da liga e sua respectiva utilização em motores aeronáuticos (principalmente na forma de palhetas das turbinas) é necessário considerar as condições de trabalho a que é submetido o material. Nas turbinas o trabalho é realizado em altas temperaturas e o movimento rotacional do motor exerce no metal altas tensões de deformação. Dessa maneira faz-se importante o estudo da fluência da liga quando submetidas a condições extremas de temperatura e pressão. Avanços têm sido observados no desenvolvimento das ligas de titânio com objetivo de melhoras o comportamento em fluência embora ainda assim a oxidação superficial limite o uso destas ligas para temperaturas superiores a 600ºC (Seco F. J. Irrisari A. M. 2001) O Fenômeno da Fluência O fenômeno da fluência é a deformação lenta e contínua de um sólido com o tempo. Geralmente a fluência é dependente de diversas variáveis como tensões tempo temperatura tamanho forma distribuição de tamanhos dos grãos fração volumétrica viscosidade da fase vítrea dos contornos de grãos e mobilidade das discordâncias (D.A.P. Reis; 2005) Aumentos na temperatura e tensão atuam no sentido de promover maior deformação instantânea e maiores taxas de fluência no estado estacionário e uma diminuição no tempo para falha (ASTM 1996). O modo usual de cálculo da fluência de um material e dado pela medida da deformação observada em função da tensão aplicada para uma dada temperatura. Uma carga estática é aplicada na amostra do material ensaiado em altas temperaturas (normalmente de 40% a 70% da temperatura de fusão do material) e então é medida a deformação em função do tempo decorrido. Historicamente falando a fluência começou a ter sua importância reconhecida e a ser sistematicamente investigada a partir do século XX (Meyers M. A. Chawla K. K. 1982). Desta maneira os estudos dos materiais usados nestes componentes exigem cada vez mais sofisticações tecnológicas aprimoramentos nos ensaios experimentais (destrutivos e não- destrutivos) e uma constante busca de uma vasta base de dados. Tais bases associadas a métodos matemáticos e computacionais podem conduzir a um melhor entendimento de todos os fenômenos estruturais que podem ocorrer nos materiais quando por exemplo submetidos a tensões em regimes de temperaturas elevadas (Barboza M. J. R.; Moura Neto C.; Silva C. R. M. 2004) A Estrutura de Widmanstätten O projeto de iniciação científica teve como objetivo o estudo da liga de titânio Ti-6Al-4V tratada termicamente de maneira a possuir estrutura de Widmanstätten. O intuito principal do estudo de novas estruturas da liga é a obtenção de características desejáveis ao material como por exemplo maior resistência à fluência e maior resistência à corrosão em temperaturas elevadas e condições de severidade. O tratamento térmico da liga Ti-6Al-4V para a obtenção da estrutura de Widmanstätten como feito no Instituto Tecnológico de Aeronáutica (D.A.P. Reis; C. Moura Neto; M. M. Silva; F. Piorino Neto) consiste no encapsulamento a vácuo dos corpos-de-prova em tubos de quartzo com diâmetro interno de 21 mm colocados em um forno tubular Lindberg/blue-M modelo STF 54434C sob atmosfera de argônio. Para a obtenção da estrutura de Widmanstätten as amostras são submetidas à temperatura de 1050 C por 30 minutos com resfriamento ao forno até a temperatura de 700 C (6 C/min) mantendo-se esta temperatura por 1 hora seguida de resfriamento ao ar.

3 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Para a liga tratada termicamente é esperada uma microestrutura menos sensível à oxidação característica avaliada através de observações microscópicas de sua estrutura e avaliações de sua microdureza. Na figura 1 é apresentada uma micrografia da liga Ti-6Al-4V como é recebida dos fornecedores. Figura 1 Micrografia da Ti-6Al-4V como recebida. As figuras 2 e 3 apresentam micrografias ópticas da liga analisada após o tratamento térmico que lhe-conferiu estrutura de Widmanstätten. Figura 2 Micrografia da Ti-6Al-4V com estrutura de Widmanstätten.

4 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Figura 3 Ampliação da micrografia da Ti-6Al-4V com estrutura de Widmanstätten. O que pode ser observado a partir das micrografias apresentadas é que a estrutura tratada termicamente de modo a possuir estrutura de Widmanstätten possui maior tamanho médio de grão se comparada á estrutura como recebida. O maior tamanho médio dos grãos ocasiona uma maior resistência à oxidação da liga uma vez que quanto maior for o tamanho do grão menor será a energia de ativação de seu contorno (Callister 2003). Os valores de microdureza da liga antes e após o tratamento térmico auxiliam na avaliação de sua resistência à oxidação e estão apresentados na tabela 1 (D.A.P. Reis; C. Moura Neto; M. M. Silva; F. Piorino Neto; 2008) Tabela 1 Microdurezas da liga Ti-6Al-4V Estrutura Microdureza (HV) Como recebida 3622 ± 54 Widmanstätten 3254 ± 64 A difusão de oxigênio na estrutura da liga atua no sentido de aumentar a sua dureza sendo possível a estimativa da quantidade de oxigênio presente por meio de medidas de microdureza. Desta maneira quanto maior a microdureza maior oxidação sofreu a liga de titânio. Os valores apresentados na tabela 1 evidenciam portanto que a liga de estrutura Widmanstätten possui maior resistência à corrosão que aquela sem tratamento térmico; que justifica um estudo mais profundo de suas características como o que foi realizado neste trabalho (Pitt F.; Ramulu M.; 2004). 4. Materiais e Procedimentos 4.1. Corpos-de-Prova Os estudos realizados neste projeto de iniciação científica foram feitos com base na liga Ti-6Al-4V sob a forma de corpos de prova de dimensões indicadas na figura 4. Figura 4 Corpo-de-Prova de Ti-6Al-4V

5 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Os corpos de prova foram confeccionados pela Fautec Ferramentaria Automação e Usinagem Ltda de acordo com as especificações sistemas de garras e extensômetros disponíveis a partir de barras cilíndricas da liga de titânio adquiridas junto à Empresa Multialloy Eng. Mat. Ltda. As barras foram forjadas e recozidas a 190 C durante 6 horas e resfriadas ao ar. A caracterização quanto à composição química dos principais elementos que compõem as barras cilíndricas realizada com barras similares em 2005 forneceu os seguintes resultados (em percentual de massa): Ti = 8916 % Al = 661% V = 423% Forno de Fluência Como citado anteriormente um dos pontos principais do trabalho é o que se refere ao conhecimento do ensaio de fluência. Para tal fim foi preciso portanto conhecer o forno de fluência onde são feitos os ensaios bem como a foi necessário o conhecimento das corretas maneiras de montar e monitoras esses fornos. Foram utilizados fornos de fluência cilíndricos para ensaios ao ar. A figura 5 apresenta a representação esquemática do forno. Figura 5 Representação esquemático dos fornos de fluência utilizados. A coleta dos dados obtidos dos ensaios realizados é feita por meio do software Antares Software Antares desenvolvido pela BSW Tecnologia Indústria e Comércio Ltda. Para a obtenção das medidas de alongamento foi utilizado um transdutor do tipo LVDT Schlumberger D 650. Para o controle de temperatura foi utilizado um termopar figura 6. Figura 6 Termopar para ensaio em forno de fluência. O forno de fluência foi instalado em uma posição adequada de forma que o corpo-de-prova se mantivesse localizado na parte central de aquecimento. Foi utilizado um termopar numa posição próxima ao corpo-de-prova. O sinal do termopar é coletado por meio de uma unidade de processamento pelo Software Antares com os dados de temperatura e alongamento armazenados simultaneamente durante o ensaio de fluência. O sinal de saída do LVDT é enviado a uma unidade de processamento que converte os sinais em medidas de alongamento por períodos de tempo pré-definidos pelo operador e alimenta o software de monitoramento. Na figura 7 é apresentada a interface do programa que monitora as condições e dados obtidos do ensaio.

6 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Figura 7 Interface do programa Antares. 5.Resultados Experimentais 5.1. Curvas de Fluência A partir dos ensaios de fluência realizados foram obtidos dados de deformação versus tempo por meio do software Antares citado anteriormente. As figuras 8 9 e 10 apresentam as curvas de fluência obtidas para os ensaios realizados Widmanstätten 600 C 125MPa deformação [mm/mm] tempo [h] Figura 8 - Curva de fluência para o ensaio realizado a 600º C e 125 MPa. 010 Widmanstätten 600ºC 250 MPa Deformação [mm/mm] Tempo [h] Figura 9 - Curva de fluência para o ensaio realizado a 600º C e 250 MPa.

7 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Widmanstätten 600ºC 319 MPa Deformação [mm/mm] tempo [h] Figura 10 - Curva de fluência para o ensaio realizado a 600º C e 319 MPa Análise Microestrutural Finalmente depois de realizados os ensaios de fluência e levantadas as curvas de deformação vs. tempo para cada um dos testes foi feita a análise microestrutural do material resultante dos ensaios por meio de microscopia ótica. As figuras 11 e 12 apresentam respectivamente imagens da liga Ti-6Al-4V Widmanstätten antes e após o ensaio de fluência realizado a 600ºC e 319 MPa. Figura 11 Liga Ti-6Al-4V Widmanstätten antes do ensaio de fluência.

8 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Figura 12 - Liga Ti-6Al-4V Widmanstätten após o ensaio de fluência a 600ºC e 319 MPa. 6.Conclusões Primeiramente por meio dos estudos realizados ao longo do primeiro semestre do projeto de iniciação científica realizado foi possível compreender melhor a importância da pesquisa científica nos contextos nacional e global. Tecnologias de vanguarda têm papel determinante no sucesso desenvolvimento técnico-científico das nações e o Brasil que com o passar do tempo ganha cada vez mais notoriedade no campo da pesquisa e produção aeroespacial não poderia deixar de fomentar tal tipo de estudos. Sendo assim e tendo compreendido toda a relevância da realização de estudos como o desse projeto de iniciação científica ficam ainda maiores a motivação e a vontade da realização de um bom trabalho. A revisão bibliográfica realizada foi importante no sentido de introduzir e fixar conceitos da Ciência dos Materiais bem como no sentido de informar a respeito de novos materiais sua utilização e motivo de sua pesquisa. No trabalho desenvolvido foram também levados em conta os aspectos técnicos que tangem a realização dos ensaios sendo vistas e praticadas a montagem e a utilização dos fornos de fluência. O que pode ser observado a partir das micrografias apresentadas nos resultados é que a estrutura da liga após o ensaio de fluência possui menor tamanho médio de grão se comparada à estrutura da liga antes da realização do ensaio. O menor tamanho de grão ocasiona uma menor resistência à oxidação da liga uma vez que quanto menor for o tamanho do grão maior será a energia de ativação de seu contorno (Callister 2003). Sendo assim fica clara a fragilização do material após a fluência o justifica a realização dos estudos de seu comportamento quando submetida à altas pressões e temperaturas dada a importância de sua aplicação no contexto científico-tecnológico principalmente na indústria aeroespacial. 7. Agradecimentos Agradeço primeiramente à Profa. Dra. Maria Margareth da Silva ao Prof. Dr. Carlos de Moura Neto pela oportunidade de trabalho oferecida e confiança em mim depositada. Agradeço à Dra. Danieli A. P. Reis por toda a atenção e apoio na realização do projeto de iniciação científica. Sem dúvidas seu conhecimento e incentivo foram determinantes na realização do trabalho ao longo do último ano de estudos. Ficam também os agradecimentos do bolsista ao CNPq (PIBIC) pelo apoio durante a realização do projeto. 8. Referências Reis D. A. P Efeito do Recobrimento Cerâmico e da Atmosfera de Ensaio na Fluência de Liga Metálica Refratária de Titânio. Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Espaciais / Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores INPE. Reis D. A. P.; Silva C. R. M.; Nono M. C. A.; Barboza M.J. R.; Piorino F.; Perez E. A. C Effect of Environment on the Creep Behavior of the Ti-6Al-4V Alloy. Materials Science and Engineering A v.399 p

9 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro American Society for Testing and Materials 1996 Surface Engineering v.5 Philadelphia. Barboza M. J. R Estudo e Modelagem sob Condições de Fluência da liga Ti-6Al-4V. Tese de Doutorado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica) Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos pp Barboza M. J. R.; Moura Neto C.; Silva C. R. M. Creep mechanisms and physical modeling and physical modeling for Ti-6Al-4V. Mater. Sci. Eng. A v.369 p Callister W. D. Jr. Materials Science and Engineering: an introduction 6. ed John Wiley & Sons New York.