EFEITO DA ADIÇÃO DE Cr E Nb NO DESENVOLVIMENTO DE INTERMETÁLICOS DE Fe-Al IN SITU

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1 EFEITO DA ADIÇÃO DE Cr E Nb NO DESENVOLVIMENTO DE INTERMETÁLICOS DE Fe-Al IN SITU G.D.Bazzi Universidade Federal do Paraná, Rua Francisco H. Dos Santos s/n.º - Jardim das Américas, gessica_dias@yahoo.com.br A.S.C.M D Oliveira Universidade Federal do Paraná, Rua Francisco H. Dos Santos s/n.º - Jardim das Américas. sofmat@ufpr.br Universidade Federal do Paraná. RESUMO Os intermetálicos de alumínio, aluminóides, mostram boa resistência mecânica e à oxidação, isto os torna atrativos em temperaturas intermediárias. Entre as ligas candidatas, aquelas à base de Fe-Al têm um potencial considerável, pois oferecem um baixo custo relativo que significa acessibilidade para a produção e fabricação. No entanto algumas dificuldades do processamento decorrente das características exotérmicas da formação de intermetálicos Fe/Al e de baixa tenacidade à temperatura ambiente limitam a utilização destas ligas. Propõem-se neste trabalho contornar alguns destes obstáculos pela produção de revestimentos soldados de Fe/Al e avaliar o efeito da adição de Cromo e Nióbio com o intuito de melhorar essas propriedades. O objetivo é produzir revestimentos espessos com desenvolvimento dos intermetálicos "in situ", isto é durante a deposição. Será utilizada a técnica de soldagem por Plasma com Arco Transferido que oferece controle das variáveis de processo e permite utilizar material na forma de pó. Palavras-chave: Fe-Al, intermetálicos, revestimento. INTRODUÇÃO Compostos intermetálicos compõem uma classe de materiais que consiste em ligas de fases ordenadas entre dois ou mais elementos metálicos onde as diferentes espécies atômicas ocupam sítios específicos na rede cristalina.

2 Intermetálicos diferem das ligas convencionais porque geralmente possuem estruturas cristalinas ordenadas a temperaturas ambiente ou intermediárias. Os compostos intermetálicos formam na sua composição estruturas cristalinas de proporções estequiométricas. Têm características de materiais metálicos e cerâmicos, e suas propriedades mecânicas são intermediárias entre os metais ( que são geralmente mais macios e dúcteis) e cerâmicos (que são geralmente mais duros e frágeis). Nos cerâmicos há predominância de ligações covalentes e iônicas, o que não ocorre nos metais, cujas ligações atômicas são conhecidas como ligações metálicas. Os intermetálicos contém ligações metálicas e covalentes, dependendo da sua constituição. Por causa da sua posição intermediária, as propriedades dos intermetálicos podem ser fortemente influenciadas por pequenas mudanças no sistema. O estudo dos intermetálicos tem sido focado em alguns aluminóides como TiAl, Ti 3 Al, NiAl, Ni 3 Al, FeAl. (1). Estes aluminóides possuem muitos atributos que os fazem atrativos para aplicações estruturais. Contém alumínio suficiente para formar em meios oxidantes, filmes finos, densos, compactos e aderentes de Al 2 O 3, que constitui uma superfície protetora, têm baixa densidade, pontos de fusão relativamente altos e boa resistência mecânica a altas temperaturas. Exibem fragilização à temperatura ambiente, ocasionada pela reação da umidade do ar com elementos reativos dos intermetálicos, no caso o Al, que forma o hidrogênio atômico, o qual penetra no material e causa a fratura a frio: 2Al + 3H 2 O Al 2 O 3 + 6H + + 6e Em adição à excelente resistência à corrosão, os aluminóides de Fe oferecem um baixo custo e uma conservação estratégica dos elementos, entretanto o maior inconveniente dos aluminóides de Fe é a sua baixa ductilidade e fratura à temperatura ambiente. A temperatura de fusão dos aluminóides de Fe está entre 1200 a 1400ºC, o que possibilita sua aplicação em temperaturas de serviço em torno de 1000ºC, como por exemplo: elementos de sistemas de fusão de sais, sistemas de exaustão automotivos, trocadores de

3 calor, recipientes de conversão catalítica, sistemas de produção química, sistemas de conversão de carvão mineral, etc. (2) A adição de elementos de liga a aluminóides de Fe procura melhorar suas características à temperatura ambiente e a altas temperaturas. Neste trabalho avaliou-se o efeito da adição de cromo e nióbio. O efeito benéfico da adição de cromo vem da modificação da superfície, reduzindo a reatividade do alumínio com a umidade do ar, o que reduz a fragilização tanto em temperaturas mais altas como à temperatura ambiente. As propriedades mecânicas das ligas Fe 3 Al modificadas pelo Cr podem ser melhoradas ainda mais por tratamentos termomecânicos e adição de outros elementos de liga como Nb, cujo benefício está em melhorar a resistência mecânica e a dureza nas temperaturas alta e ambiente, além de garantir a resistência à corrosão e melhorar a soldabilidade. Algumas dessas ligas mostram um aumento na ductilidade de mais de 15% à temperatura ambiente. (2) A proposta deste trabalho á avaliar a influência da adição dos elementos de liga Cr e Nb em revestimentos a base de Fe-Al, na soldabilidade e nas características dos revestimentos. MATERIAIS E MÉTODOS As misturas de pó utilizadas neste trabalho foram formuladas visando a relação de Fe-Al indicadas na figura 1.

4 Fig.1 Diagrama de Fases Fe-Al composição base Foram preparadas misturas de pós elementares de Fe, Al, Cr e Nb conforme a tabela 1. Cada formulação foi obtida após pesagem do pó elementar em balança de precisão permanecendo em estufa por 12 h, homogeneizados em misturador Y por 1:30h a 25 RPM, voltando posteriormente à estufa por 24 h com o objetivo de minimizar a absorção de umidade. Após serem retirados da estufa, foram imediatamente depositados por plasma de arco transferido ( PTA) em substrato de aço AISI 1020 de 15 mm x 75 mm x 150mm, gerando cordões de aproximadamente 10 cm de comprimento. O equipamento utilizado para deposição dos pós foi o STARWELD 300M da DELORO STELLITE, instalado no laboratório de Engenharia de Superfícies da UFPR.

5 Fig. 2 Equipamento utilizado para deposições (Starweld 300 M) Tabela 1 Misturas do material de aporte Misturas Fe (%) Al (%) Cr (%) Nb (%) FeAl FeAlNb 84, ,5 FeAlCr FeAlCrNb 74, ,5 Foram empregados os mesmo parâmetros de processamento para cada uma das misturas, conforme a tabela 2, sendo que a única variável a ser observada é a composição de cada amostra. Tabela 2 Parâmetros de processamento Vazão Vazão Vazão Corrente Tx. Gás de Gás de Gás de Aliment. Plasma Proteção Transp. 2 l/min 15 l/min 2 l/min 170 A Cte em volume Vel. De Dist. Avanço Tocha- Peça Eletrodo 100mm/min 10 mm 1/8 Os revestimentos foram avaliados quanto à sua soldabilidade recorrendo à inspeção visual. Outras características dos revestimentos foram avaliadas por perfis de microdureza Vickers ( HV 0,3) na seção transversal, microscopia ótica e eletrônica de varredura e difração de raios X para identificação das fases

6 presentes. O nível de diluição foi determinado através da razão de áreas dada pela equação 1: Diluição = Ai/At * 100 (A) Fig. 3 Representação das áreas de cálculo da diluição. (4) As áreas de cálculo foram obtidas pelo software de aquisição de imagens Image Pró. RESULTADOS E DISCUSSÃO A avaliação dos cordões por inspeção visual mostrou depósitos relativamente rugosos, com algumas mordeduras. A ausência de poros e trincas sugere a boa soldabilidade para os parâmetros de processamento utilizados. Fig. 4 Nível de diluição nos depósitos das diferentes misturas. Os níveis de diluição medidos nos cordões processados com as diferentes misturas estão apresentados na figura 4. Observa-se que os níveis de diluição

7 medidos são bastante superiores aos esperados em depósitos de ligas comerciais depositadas por PTA (9). Esta mudança de comportamento pode ser atribuído ao caráter exotérmico da reação de formação do intermetálico FeAl (9) e ao alto valor de corrente utilizado para a execução dos depósitos (9). Observa-se que a adição isolada de Nb ou de Cr não provoca variações significativas no nível de diluição. No entanto a adição conjunta destes elementos de liga resulta em uma redução significativa no nível de diluição sugerindo uma diminuição de reação exotérmica. O revestimento que apresenta menor diluição é também aquele com maior diferença entre a leitura da microdureza no topo do cordão e no substrato. Isso é esperado uma vez que a diluição tanto incorpora elementos do substrato à liga quanto o inverso. Perfis de microdureza medidos na seção transversal dos diferentes revestimentos estão apresentados na figura 5. Observa-se que junto à superfícies existem dois níveis de dureza, são identificados próximos aos 300 HV para os depósitos de FeAlCrNb e FeAlCr e próximos aos 230 HV para os depósitos de FeAl e FeAlNb. Observa-se também que apenas os cordões das misturas FeAlCr e FeAl mantém os níveis de dureza, enquanto os depósitos das misturas FeAlNb e FeAlCrNb apresentam quedas significativas, apesar de menor nível de diluição.

8 Fig. 5 Microdureza Vickers para as diferentes misturas, em destaque a primeira leitura no substrato A microestrutura dos diferentes revestimentos foi analisada na seção transversal do cordão, mostrada na figura 6 e 7. Observou-se que todas as amostras apresentaram crescimento celular com presença de precipitados possivelmente de intermetálicos, distribuídos no interior das células. Notou-se também a presenças de algumas zonas livres de precipitados (PFZ) próximas a interface entre as células. O aparecimento das PFZ pode ocorrer por dois motivos: à temperaturas elevadas têm-se um grande número de lacunas no material, o resfriamento provoca grande concentração de lacunas facilitando a difusão, entretanto as interfaces entre as células são o principal sorvedouro dessas lacunas, o que por sua vez afeta a distribuição dos precipitados, apesar disso a composição química das PFZ em relação às demais não muda. Outro motivo para a geração de PFZ é a retirada de soluto das vizinhanças das interfaces pela precipitação de partículas nas interfaces das células, empobrecendo as regiões vizinhas. (5) No presente estudo a origem das PFZ pode ser atribuída à maior concentração de lacunas que impede a difusão dos átomos de soluto junto das interfaces das células. A avaliação da microestrutura no topo do cordão evidencia a formação de

9 uma poça de fusão de forma elíptica, figura 8, pela observação da orientação preferencial dos grãos que se estabilizam desfavorecendo a formação de cristais mais espessos, isso denota um incremento na resistência mecânica do revestimento. Fig. 7 Microestrutura dos revestimentos das diferentes ligas processadas a) e b)

10 Fig. 7 Microestrutura dos revestimentos das diferentes ligas processadas c) e d) Todas as estruturas obtidas neste trabalho apresentaram crescimento celular, exemplificado na figura 8. Fig.8 Representação esquemática da orientação dos grãos durante a solidificação. Análises no microscópio ótico, apresentadas nas figuras 9 e 10, revelam que os precipitados dos revestimentos em cuja mistura foram adicionados elementos de liga são redondos e no revestimento de mistura FeAl, observa-

11 se a presença de precipitados aciculares, observação confirmada em análise feita em microscópio eletrônico de varredura. a) FeAl b) FeAlNb

12 c) FeAlCr d) FeAlCrNb Fig. 10 Detalhe dos precipitados existentes no interior das células Além dos precipitados, também se observa a existência de mais de uma fase na matriz do revestimento, sendo que uma análise de EDS revelou que estas fases têm a mesma composição química. Pela análise de difração de raios X, confirma-se que os intermetálicos previstos no diagrama de fase Fe-Al foram desenvolvidos in situ, isto é, durante a deposição. Os difratogramas indicam a formação das fases FeAl e Fe 3 Al em todas as misturas. Verifica-se ainda a formação de fases complexas de FeAlCr sempre que Cr foi adicionado. A retirada do Fe da solução sólida é confirmada pela presença de fases mais ricas em Al (FeAl3) para a mistura de FeAlNb e pela menor diluição do revestimento de FeAlCrNb. Com a formação de FeNb menos Fe está disponível para a reação exotérmica de formação das fases FeAl e Fe3Al. A maior afinidade de Nb pelo Fe é constatada pela formação de fases FeNb.

13 Fig.10 Compostos identificados por difração de raios X nos revestimentos a base de FeAl. CONCLUSÕES Para as condições testadas neste trabalho pode-se concluir: Aluminóides de Fe se formam na deposição de misturas à base de Fe-Al. A adição de Cr e Nb como elemento de liga provoca a formação de fases à base de AlCrFe e de FeNb respectivamente, sem comprometer o desenvolvimento dos intermetálicos FeAl e Fe3Al. Revestimentos espessos com boa qualidade e soldabilidade, intermetálicos à base de Fe-al são desenvolvidos in situ durante a deposição por PTA. REFERÊNCIAS 1. NATIONAL ACADEMY PRESS Intermetallic Alloy Development A Program Evaluation, Washington, D.C ASM. Alloying Undestand The Basics PORTER, D.A. Phase Transformations in Metals and Alloys. Van Nostrand Reinhold Co. Ltd., 1981

14 4. D OLIVEIRA, A. S. C. M. ; PAREDES, R. S. C. ; SILVÉRIO, R. B. Iron aluminide development using plasma transferred arc coating process. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON MECHANICAL ENGINEERING, 2003, São Paulo. Proceedings of the 17th International Congress of Mechanical Engineering, PALM, M.; Concepts derived from phase diagram studies for the strengthening of Fe-Al based alloys. Intermetallics , XIAO, H.; BARKER, I. The relationship Between Point Defects and Mechanical Properties in Fe-Al at Room Temperature. Acta Metal. Mater., Vol 43 n.º 1, pp , JIMENEZ, A,J, ; FROMMEYER, G.; Creep Behavior of Intermetallic Fe-Al and Fe-Al-Cr Alloys. Materials Science and Engineering A , MORRIS, D.G.; MUÑOZ-MORRIS M.A.; REQUEJO L.M.; BAUDIN, C. Strengthening at high temperatures by precipitates in Fe-Al-Nb alloys. Intermetallics , D OLIVEIRA, A. S. C. M. ; PAREDES, R. S. C. ; SANTOS, R.L.C.S.; Pulsed current plasma transferred arc hardfacing. Journal of Materials Processing Technology 171 (2006) ZHAO, W.; LIU, L; Structural characterization of Ni-based superalloy manufactured by plasma transferred arc assisted deposition. The State Key of Plastic Forming and Die And Mold Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhna, China, LIU, C.T.; STRINGER, J.; MUNDY, J.N.; HORTON, L.L.; ANGELINI, P.; Ordered intermetallic alloys: an assessment. Intermetallics , EFFECT OF CHROMIUM AND NIOBIUM ADDITION IN THE DEVELOPMENT IN SITU OF FE-AL INTERMETALLICS. ABSTRACT The aluminium intermetallics, aluminides, show a good strength and oxidation resistance that make the attractive to use in intermediate temperatures. In alloy candidate midst, the Fe-Al based alloys have a considerable potential, because it offer a low relative cost, that means accessibility to production and manufacture. However some difficulties in the processing resulted by the exothermic

15 characteristics in the intermetallics FeAl formation, and the low ductility at ambient temperatures, that limited the use od this alloys. This work come up to get round some of this barriers for welded claddings production and measure the effect of chromium and niobium addition with the intention to take a turn for the better this properties. The objective os produce thick claddings with in situ intermetallics development, i.e. during the deposition. Will be used the Plasma Transferred Arc technique, that offer variable control and allow to use powder material. Key words: Fe-Al, intermetallics, cladding