ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DA SUPERLIGA INCONEL 718 EM TEMPERATURAS ELEVADAS

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1 Anais do 15 O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XV ENCITA / Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil Outubro 19 a ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DA SUPERLIGA INCONEL 718 EM TEMPERATURAS ELEVADAS Delton Lustosa de Resende ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes 50 - Vila das Acácias CEP São José dos Campos SP Bolsista PIBIC-CNPq deltonlustosa@gmail.com Carlos de Moura Neto ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Professor Associado II mneto@ita.br Danieli Aparecida Pereira Reis ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bolsista Pós-Doutorado CAPES danielireis@hotmail.com Ana Cláudia de Oliveira Hirschmann ITA Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bolsista Pós Doutorado CAPES ana@ita.br Resumo. Os modernos jatos usados como propulsores de aviões tiveram seu projeto inicial desenvolvido décadas antes do surgimento de materiais adequados para essa aplicação. Já no início do século XX era conhecida toda a teoria mecânica necessária para projetar turbinas de aviões a jato porém naquela época ainda não se conhecia materiais que pudessem preencher todos os requisitos de resistência à corrosão e ao amolecimento causado por condições muito agressivas em altas temperaturas associadas a esse tipo de aplicação. O desenvolvimento das chamadas superligas de níquel de cobalto e de ferro começou nos Estados Unidos nos anos 1930 e ao longo dos anos as superligas de níquel tornaram-se as mais utilizadas. Além das turbinas de jatos as superligas de níquel encontram aplicações variadas em altas temperaturas como em motores de foguetes e veículos espaciais em geral reatores nucleares submarinos usinas termoelétricas equipamento petroquímico etc. Entretanto a principal aplicação dessas ligas continua sendo seu uso em turbinas de jatos de aviação. Deste modo o conhecimento de como se comporta os materiais que são submetidos a essas condições é indispensável para um bom funcionamento e segurança do projeto em questão podendo assim prevenir falhas catastróficas. E os ensaios de fluência é uma importante ferramenta que irão fornecer informações para tal conhecimento. O INCONEL 718 é uma das mais importantes superligas de níquel sendo utilizada com muita freqüência em projetos deste nível que requer um material com elevada resistência mecânica boa resistência à fadiga e à fluência boa resistência à corrosão e capacidade de operar continuamente em elevadas temperaturas. Palavras chave: fluência Inconel 718 superligas microestrutura. 1. Introdução Superligas à base de níquel são conhecidas desde a década de 1930 e utilizadas principalmente em aplicações aeroespaciais e plantas de geração de energia. Essas aplicações requerem um material com elevada resistência mecânica boa resistência à fadiga e à fluência boa resistência à corrosão e capacidade de operar continuamente em elevadas temperaturas. Dentre todas as superligas à base de níquel uma das mais importantes é o INCONEL 718 contendo como principais elementos de ligas Cr Nb Mo Ti e o Al [1]. É extremamente utilizado pelas indústrias nuclear de criogenia petrolífera e principalmente aeroespacial pois forma a espinha dorsal dos motores a jato tanto comerciais quanto militares. Mesmo tendo essas características a repetição por tensões em condições ambientais específicas pode causar outros comportamentos no crescimento de trincas podendo ocasionar a fratura do material. Por esse motivo o estudo da resistência à fluência da superliga Inconel 718 é um avanço nos cenários tecnológico nacional e internacional visto a necessidade de estudo da resistência em materiais estruturais em temperaturas elevadas e condições de maior severidade. Este trabalho propõe-se a atingir os seguintes objetivos:

2 Caracterizar microestruturalmente a superliga INCONEL 718 como recebido via microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. Formar recursos humanos para a pesquisa e o ensino. Participar de congressos científicos com a produção de artigos correlatos objetivando ampliação da divulgação do conhecimento. 2. Descrição do Problema 2.1 Revisão Bibliográfica Superliga ] A razão primordial para a existência das superligas de níquel com diferentes composições químicas é a sua excelente resistência mecânica num amplo intervalo de temperaturas. A estrutura cristalina compacta cúbica de face centrada (CFC) da matriz austenítica das superligas de níquel como já foi comprovado apresenta grande capacidade de manter resistência à tração à ruptura e boas propriedades de fluência em temperaturas homólogas muito mais altas do que as ligas de matriz cúbica de corpo centrado (CCC) por causa de vários fatores incluindo o excelente módulo de elasticidade e a alta difusividade que os elementos secundários possuem nesse tipo de matriz. É de grande importância a grande solubilidade de muitos elementos de liga na matriz austenítica e a capacidade de controle da precipitação de fases intermetálicas como a gama linha que conferem alta resistência mecânica. O endurecimento também pode ser aumentado pela formação de carbetos e também pela dissolução de alguns elementos na matriz (endurecimento por solução sólida). Essa capacidade de endurecimento dessas ligas austeníticas de níquel de cobalto e de ferro as tornam adequadas para aplicações em turbinas de jato e motores de foguetes que exigem alta resistência mecânica em média e alta temperatura. Entretanto não apenas a resistência mecânica/dureza é importante nesse tipo de aplicações. A dutilidade nas condições de serviço também é importante e a maioria das superligas apresenta boa dutilidade. As superligas em geral apresentam também boa resistência ao impacto à fadiga de alto e de baixo ciclo e à fadiga térmica [2]. O níquel puro possui massa específica de 89 g/cm 3 ponto de fusão 1455 ºC estrutura cristalina CFC (cúbica de face centrada). A massa específica da maioria das superligas de níquel fica entre 779 e 932 g/cm 3. A massa específica é uma propriedade importante para as superligas de níquel uma vez que a redução da massa específica do componente de turbina de jato leva a um aumento das tensões centrífugas reduzindo a vida útil do componente. A condutividade térmica do níquel puro é da ordem de 0089 (W/mm 2 )/(ºC/mm) portanto superior à do ferro puro que atinge somente 0072 (W/mm 2 )/(ºC/mm). Porém a condutividade térmica das superligas é muito inferior da ordem de 10% desse valor devido à adição de muitos elementos de liga em elevados teores. O ideal seria obter superligas com maior condutividade térmica já que isso seria importante para dissipar calor e assim minimizar os gradientes de temperatura reduzindo então as tensões térmicas e assim a tendência de ocorrer falha por fadiga térmica. A expansão térmica nas superligas de níquel é menor do que nas ligas ferrosas austeníticas e isso é importante do ponto de vista da aplicação em turbinas de jatos já que esses componentes são projetados com estreitas tolerâncias dimensionais para operar bem em serviço além de um baixo coeficiente de expansão térmica contribuir para minimizar as tensões térmicas minimizando assim a ocorrência de empenamento e fadiga térmica [2] INCONEL 718 A superliga Inconel 718 é indicada para solicitações à altas temperaturas porém não pode ser utilizada em temperaturas superiores a 815 C. Além disso devido às elevadas propriedades mecânicas este material é bastante utilizado na fabricação de componentes de alto desempenho. A existência de uma fase metaestável λ (Ni3 Nb) com morfologia de discos alongados orientados paralelamente aos planos cristalográficos {100} da matriz é a principal causa do endurecimento do material [3]. Além dessa fase observou-se ainda a existência de uma pequena quantidade de uma fase λ ' (Ni 3 (Ti Al)) com a morfologia de partículas quase-esféricas. Esta última também exerce o papel de endurecedor do material porém menos efetivo do que o endurecimento promovido pela fase λ ''. Além disso quando esta superliga é exposta a uma determinada faixa de temperatura ( ºC) durante um longo período de λ '' numa fase estável δ (Ni 3 Nb) com a morfologia de finas placas. Estas partículas tempo ocorre a dissolução da fase conduzem ao amolecimento do material. Alguns autores [4-6] realizaram investigações sobre os precipitados resultantes do envelhecimento isotérmico da Inconel 718 para identificar as fases responsáveis pelos diferentes estágios de endurecimento. Por outro lado estudos sobre a cinética de precipitação e dissolução da fase secundária δ [7] confirmam a sua morfologia e apontam ainda que essa fase promove um controle do crescimento de grãos. Além disso em ausência de fase δ as partículas de carbetos metálicos são responsáveis pelo controle do crescimento de grãos [1].

3 Assim a superliga Inconel 718 possui elevada resistência mecânica boa resistência à fadiga e à fluência boa resistência à corrosão e capacidade de operar continuamente em elevadas temperaturas Fluência A deformação plástica em função do tempo para materiais que estão sujeitos a uma carga (ou tensão) constante e temperaturas superiores a aproximadamente 04T f é conhecida por fluência. Uma curva típica de fluência (deformação em função do tempo) irá exibir normalmente três regiões distintas vide Gráfico 1. Para a fluência transiente (ou primária) a taxa (ou inclinação) diminui ao longo do tempo. Isso sugere que o material está experimentando um aumento na resistência à fluência ou encruamento a deformação se torna mais difícil à medida que o material é deformado. O gráfico torna-se linear (isto é a taxa de fluência é constante) na região de regime estacionário (ou secundária). A constância da taxa de fluência é explicada com base em um equilíbrio entre os processos concorrente de encruamento e recuperação. E finalmente a deformação acelera para a fluência terciária exatamente antes da fratura [8]. Essa falha do material é conhecida freqüentemente por ruptura e resulta de falhas microestruturais como por exemplo a separação do contorno de grão e a formação de trincas cavidades e vazios internos. Para carregamentos em tração pode ocorrer a formação de um pescoço em algum ponto no interior da região de deformação. Todos estes efeitos resultam em uma diminuição da área da seção reta efetiva e em um aumento na taxa de deformação que levará à fratura [9]. Figura 1: Regiões características de uma curva de fluência Importantes parâmetros de projeto disponíveis a partir de um desses gráficos incluem a taxa de fluência em regime estacionário (inclinação da curva na região linear) e o tempo de vida até a ruptura. Tanto a temperatura como o nível de tensão aplicada influenciam o comportamento da fluência. O aumento de qualquer um desses parâmetros produz os seguintes efeitos: (1) um aumento na deformação inicial instantânea (2) um aumento na taxa de fluência em regime estacionário e (3) uma diminuição no tempo de vida até a ruptura. Com frequência surge a necessidade de obter-se dados de engenharia sobre a fluência que são impraticáveis de serem coletados a partir de ensaios normais em laboratório. Isso é especialmente verdadeiro quando se deseja obter resultados para exposições prolongadas (da ordem de anos). Uma solução para esse problema envolve a execução de ensaios de fluência e/ou de ruptura por fluência a temperaturas alem daquelas exigidas por períodos de tempo mais curtos e a um nível de tensão comparável para então realizar-se uma extrapolação apropriada para as reais condições de serviço [8]. 3. Materiais A Superliga Inconel 718 utilizada neste trabalho foi fornecida pela empresa Villares Metals S.A. (Sumaré-SP). A composição química desse material está descrito na tabela 1. O material foi fundido em forno VIM refundido em forno VAR tratamento térmico de homogeneização forjamento a quente em matriz aberta para desbaste laminação a quente de desbaste e laminação a quente de acabamento.

4 Tabela1: Composição química (% peso) da superliga Inconel 718. Elementos Químicos (%p) C 0042 S Mn 001 Co 002 Ni 5297 Cr 1856 Nb 561 Al 007 Ti 195 Mo 263 Os corpos-de-prova foram confeccionados pela ENEFER Ltda de acordo com as especificações sistemas de garras e extensômetros disponíveis. Para os ensaios de fluência foram utilizados os fornos pertencentes ao Departamento de Tecnologia do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA/CTA) adquiridos junto à EMEC (The Eletronic and Mechanical Engineering Co. Ltda.). Nos fornos estão adaptados sistemas elétricos e controladores desenvolvidos pela BSW Tecnologia Indústria e Comércio Ltda. segundo as exigências da norma ASTM E139/83. Os dados relativos ao alongamento dos corpos-de-prova e as medidas de temperatura em períodos de tempo pré-determinados foram coletados pelo software Antares desenvolvido em conjunto com a BSW Tecnologia Indústria e Comércio Ltda. Para a alimentação do software foram utilizados um calibrador de extensômetro de alta resolução Instron modelo e um transdutor LVDT. Os termopares utilizados para o controle de temperatura foram do tipo Cromel-Alumel AWG24. O sinal de saída do LVDT foi enviado a dois sistemas independentes: a um registrador gráfico tipo x-t modelo RB101 série V e 60 Hz da ECB Equipamentos Científicos do Brasil Ltda; e a uma unidade de processamento desenvolvida pela BSW Tecnologia Indústria e Comércio Ltda. que converte os sinais em medidas de alongamento por períodos de tempo pré-definidos pelo operador e alimenta o software Antares. 4. Metodos O material Inconel 718 como recebido foi preparado por meio de procedimentos convencionais. Para o embutimento a quente utilizou-se uma resina fenólica fornecida pela Struers. Em seguida as amostras foram lixadas de acordo com a seguinte sequência de granas: O polimento final foi feito com OP-S. Para revelação da microestrutura a amostra foi atacada com uma solução (reagente Glycerégia) na proporção de 3:HCL 2:Glicerol 1: HNO 3 com tempos de imersão em torno de 15 s. A superliga Inconel 718 foi analisada sob condições de fluência em temperaturas de 650 C a carga de e 814 MPa. 5. Resultados Obtidos Nas Figuras 2 e 3 observa-se que a microestrutura da liga de Inconel 718 (como recebido) é uma estrutura de grãos heterogêneos. Além disso pode se notar uma pequena fração de partículas de carbonetos distribuídas de maneira não uniforme pela matriz. A fase γ aparece mais clara nas micrografias em relação à fase γ (em pequena quantidade porque não houve um tratamento térmico de envelhecimento).

5 Figura 2 : Microestrutura da liga de Inconel 718 como recebido ampliação de 500x. Figura 3 : Microestrutura da liga de Inconel 718 como recebido ampliação de 1000x. A Tabela 2 apresenta o valor de dureza da liga de Inconel 718 valor este já era esperado e que está próximo ao fornecido pela Villares Metal S.A. Tabela2: Ensaio de dureza na escala de dureza Vickers do Inconel 718 (como recebido). Material Dureza (HV)* Inconel *O valor da dureza encontrada é resultado de uma média aritmética relacionados a uma série de ensaios. Foram realizados ensaios de trações com o material estudado em diversas temperaturas. Os valores relativos ao limite de escoamento (σ ε ) limite de resistência máxima (σ máx ) alongamento percentual (A p ) de cada temperatura estão detalhados pela Tabela3.

6 Tabela 3: Limite de escoamento (σ ε ) limite de resistência (σ máx ) alongamento percentual (A p ) para diferentes temperaturas Temperatura ( C) σ ε (MPa) σ máx (MPa) A p (%) Foi realizada a análise da resistência a fluência da superliga Inconel 718 para a temperatura de 650 C submetido a três diferentes valores de tensão: 700MPa 750MPa e 814MPa. Os valores das deformações em função do tempo para os três ensaios estão plotados na Figura 4. Figura 4: Curvas de fluência obtidas para a liga Inconel 718 em temperaturas de 650 C e cargas de e 814 MPa (material como recebido). 4. Conclusões Com todo o aparato teórico adquirido pela revisão bibliográfica relacionado ao estudo de fluência e as características da superliga Inconel 718 foi possível obter algumas conclusões relevantes a partir dos resultados obtidos em laboratório. Quanto às medidas de dureza a liga Inconel 718 apresenta uma dureza próxima à fornecida pelo fabricante (sem tratamento térmico) proporcionando uma maior veracidade aos resultados. A partir dos ensaios de tração observa-se que à medida que a temperatura aumenta o limite de escoamento e o limite de resistência máxima do Inconel 718 diminuem como previsto pela teoria facilitando a deformação do mesmo. Quanto aos ensaios de fluência houve um aumento significativo da resistência do material na vida em fluência com a diminuição da tensão. Portanto a superliga Inconel 718 não pode ser usada para temperaturas acima de 650ºC pois necessita de um tratamento térmico de envelhecimento ou superficial para que ocorra o aumento na resistência.

7 5. Agradecimentos Primeiramente a Deus por tudo aquilo que me concedeu. À minha família pelo apoio dedicação e compreensão. Ao Prof. Dr. Carlos de Moura Neto pela confiança dedicação e orientação. Ao Prof. Dr. Jorge Otubo pela ajuda e paciência. À Prof. Dra. Danieli Aparecida Pereira Reis pelo apoio e instrução À Dra. Ana Cláudia de Oliveira Hirschmann pela ajuda no trabalho realizado A todos os membros do grupo de estudo de fluência do ITA. À Villares Metals S.A. pelo fornecimento da Superliga Inconel 718. Á Divisão de Mecânica do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA/CTA). Ao CNPq pela concessão da bolsa e suporte financeiro para realização deste trabalho. 6. Referências [1]- De Medeiros N; Lins J.F.C 2006 Evolução microestrutural da Inconel 718 após envelhecimento a 750 C 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais [2]- Sims C.T.; Hagel W.C.; The Superalloys John Wiley & Sons New York 1972 p [3]- Paulonis D. F.; Oblak J. M.; Durvall D. S. Transactions ASM n. 62 p [4]- Slama C.; Servant C.; Cizeron G. Aging of the Inconel 718 alloy between 500 and 750 C. Journal of Materials Research v.12 n. 9 p [5]- Slama C.; Abdellaoui M. Structural characterization of the aged Inconel 718. Journal of Alloys and Compounds n. 306 p [6]- Azadian S.; Wei L.-Y.; Warren R. Delta phase precipitation in Inconel 718. Materials Characterization v. 53 pp [7]- Rao G. A.; Srinivas M.; Sarma D. S. Effect of thermomechanical working on the microstructure and mechanical properties of hot isostatically pressed superalloy Inconel 718. Materials Science and Engineering v. 383 p [8]- Callister W. D. Jr. Materials Science and Engineering: an introduction 5. ed John Wiley & Sons New York. [9]- 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. [10]- Brooks C.R.; Heat Treatment Structure and Properties of Nonferrous Alloys ASM Metals Park Ohio USA 1982 p