8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 SÍNTESE DO INTERMETÁLICO FE 3 Al POR MOAGEM DE ALTA ENERGIA Fiamoncini, F.*; Da Costa, C. E. 1 ; Folgueras, M. V. 2 Universidade do Estado de Santa Catarina - Udesc-CCT - Joinville-SC - Brasil fabiane_fiamoncini@yahoo.com.br *, edil@joinville.udesc.br 1, dem2mvf@joinville.udesc.br 2 RESUMO Este trabalho tem por objetivo a síntese de sistemas intermetálicos Fe 3 Al, através da técnica de Moagem de alta energia. Compostos intermetálicos são ligas ordenadas, normalmente consistidas de dois elementos sendo caracterizados pela ordem de longo alcance que exibem, que é causada pela forte ligação entre os átomos diferentes quando comparados aos átomos iguais no sistema. Alguns dos compostos intermetálicos, especialmente aqueles baseados em alumínio e silício, têm as atrativas combinações de baixa densidade, alta resistência e boa resistência a corrosão e oxidação. As amostras foram obtidas em moinho atritor do tipo horizontal sendo a principal variável o tempo de moagem com uma mesma velocidade e relação bolas/pó. Os pós foram submetidos a tratamentos térmicos para a formação final dos intermetálicos. A caracterização estrutural foi realizada através de difração de raios-x e microscopia óptica e eletrônica. Os resultados obtidos demonstram a viabilidade de obter diversos sistemas de compostos intermetálicos. PALAVRAS CHAVE: intermetálicos, moagem de alta energia, metalurgia do pó 863

2 INTRODUÇÃO Compostos intermetálicos são ligas ordenadas, normalmente consistidas de dois elementos. Eles são caracterizados pela ordem de longo alcance que exibem, sendo resultado da forte ligação entre os átomos diferentes quando comparados aos átomos iguais no sistema. No caso do clássico sistema níquel-alumínio, a solubilidade máxima de alumínio em solução sólida desordenada de níquel é aproximadamente 20 at.%. Maior adição de alumínio causa a formação de um composto ordenado de longo alcance do tipo L1 2 em que os átomos de alumínio ocupam posições nos cantos do cubo e os átomos de níquel estão situados nas faces do cubo. O tipo de estrutura L1 2 é apresentado na Figura 1a, e é representativa de uma estrutura ordenada cúbica de face centrada. Para a estrutura L1 2 perfeitamente ordenada no sistema níquel-alumínio, a relação atômica é 25% alumínio e 75% níquel. Com teores de alumínio próximo da fração atômica de 0.5, uma segunda forma de compostos intermetálicos ordenados de níquel alumínio é formada. Essa forma de estrutura ordenada é classificada como o tipo B2 e é apresentada na Figura 1b. Aqui os átomos de alumínio se posicionam no centro do cubo e os átomos de níquel nos cantos do cubo. A relação atômica ideal para esse composto é 1:1 e é descrita com freqüência como uma estrutura ordenada cúbica de corpo centrado. Figura 1. Estruturas cristalinas de dois compostos intermetálicos baseados em níquel e alumínio: (a) O composto L1 2 Ni 3 Al; (b) O composto B2 NiAl [1]. Em alguns sistemas, o composto intermetálico ordenado de longo alcance está presente abaixo de certa temperatura, acima da qual o material é uma solução sólida desordenada. A transição ordem-desordem ocorre quando intermetálicos A 3 B do tipo L1 2 são aquecidos até ou acima de uma temperatura de transição ordemdesordem crítica T od correspondente ao desaparecimento dos sub-reticulados consistidos de posições face-centro e cubo-aresta de um reticulado cúbico de face centrada ocupado respectivamente por átomos A e B que são posteriormente redistribuídos randomicamente nos dois tipos de locais do reticulado. Mas, quando a energia do arranjo é muito alta, a estrutura ordenada pode persistir até o ponto de fusão T f do composto. Compostos como Ni 3 Al, NiAl e CoAl são exemplos em que o material permanece ordenado até seu ponto de fusão ser alcançado [2]. A estrutura ordenada dos compostos intermetálicos é responsável pela maioria das propriedades atípicas exibidas por essa classe de materiais devido às mudanças na nucleação e movimento de discordâncias resultantes das restrições impostas devido às estruturas ordenadas. Na Tabela 1 apresentam-se a estrutura e propriedades mais interessantes dos aluminetos de níquel, ferro e titânio. A forte ligação entre os átomos vizinhos diferentes responsável pelo arranjo, resulta em módulos de elasticidade superiores e altas resistências quando comparados aos constituintes individuais. No entanto, a alta resistência é geralmente associada à ductilidade baixa. Com respeito à ductilidade, intermetálicos ficam entre metais e cerâmicas [3]. A natureza frágil de intermetálicos a temperatura ambiente é atribuída a baixo movimento de discordância em um reticulado altamente ordenado [4]. Alguns dos compostos intermetálicos, especialmente aqueles baseados em alumínio e silicone, têm as atrativas combinações de baixa densidade, alta resistência e boa resistência a corrosão e oxidação. Aplicações envolvendo exposições a atmosferas oxidantes e/ou corrosivas em temperaturas elevadas requerem materiais especiais para resistir a ambientes que podem deteriorar potencialmente partes expostas. Sob tais condições, é desejável formar uma camada de óxido de proteção, que seja aderente, densa e cresça lentamente ao longo do tempo. Três óxidos se encaixam nessa categoria Cr 2 O 3, Al 2 O 3 e SiO 2. Portanto, componentes produzidos para atmosferas oxidantes de alta temperatura devem conter Cr, Al e/ou Si em concentrações grandes o suficiente para formar uma camada de proteção e manter crescimento de óxido de proteção se há lascamento [5]. Compostos intermetálicos tais como aluminetos e silicietos têm a habilidade de formar rápido uma camada aderente de alumina ou sílica que oferece excelente proteção contra oxidação a alta temperatura [1].

3 Tabela 1. Propriedades dos aluminetos de níquel, ferro e titânio [8]. Intermetálico Estrutura T od ( C) T f ( C) ρ (g/cm³) E (GPa) Ni 3 Al L1 2 (cfc ordenada) NiAl B2 (ccc ordenada) Fe 3 Al D0 3 (ccc ordenada) B2 (ccc ordenada) FeAl B2 (ccc ordenada) Ti 3 Al D0 19 (hc ordenada) TiAl L1 0 (tetragonal ordenada) TiAl 3 D0 22 (tetragonal ordenada) A emergência dos compostos intermetálicos Nos últimos 40 anos, realizaram-se grandes esforços na busca de melhoras nas propriedades dos materiais convencionais e no desenvolvimento de novos materiais para aplicações estruturais, em mecanismos relacionados com a conversão de energia em sistemas avançados. Talvez, o exemplo mais claro desse trabalho, seja o desenvolvimento das superligas baseadas em níquel, que hoje são amplamente utilizadas na indústria aeronáutica, de geração de energia elétrica, química e de transformação da energia. As superligas, apesar de seu grande uso, apresentam limitações em aplicações avançadas (principalmente no que se refere a sua temperatura de fusão e seu alto custo), havendo-se estudado quase ao limite e restando pouco espaço para novos desenvolvimentos. Esses aspectos motivam a busca de materiais metálicos ou cerâmicos que possam substituir as superligas baseadas em níquel. Considerando os distintos sistemas metálicos têm um grande potencial para essas aplicações avançadas, e as ligas intermetálicas ordenadas de níquel e ferro estão entre as que suscitam maior interesse [6]. Os intermetálicos despertaram muito interesse devido às atrativas e às vezes atípicas propriedades mecânicas. Além disso, muitos intermetálicos demonstram excelente resistência à corrosão e à oxidação. Eles geralmente não contêm elementos estratégicos e são relativamente baratos [1]. No entanto, o uso desses materiais para aplicações a alta temperatura foi dificultado por sua alta fragilidade intrínseca e sua baixa tenacidade. O interesse nos aluminetos de ferro e níquel se intensificou quando se descobriu que técnicas de solidificação rápida podem resultar em melhorias na ductilidade a temperatura ambiente. A natureza frágil de intermetálicos a temperatura ambiente é atribuída a baixo movimento de discordância em um reticulado altamente ordenado. O aumento da ductilidade resultante da solidificação rápida é principalmente função da introdução de desordem devido ao resfriamento brusco para formação de vacâncias. Outros efeitos benéficos da solidificação rápida incluem homogeneidade estrutural e tamanho de grão muito fino, ambos também contribuindo para aumentar a ductilidade. Aoki e Izumi [7] no final dos anos 70 observarem que a adição de quantidades imponderáveis de boro a Ni 3 Al aumentou a ductilidade a temperatura ambiente de praticamente nula para 0,5%. Recentemente, melhorias em propriedades de intermetálicos resultaram de investigações no uso de adições ternárias combinado com o uso de técnicas de processamento modificadas. No final dos anos 80 os principais desenvolvimentos se produziram na fabricação de intermetálicos, devido à possibilidade de serem utilizados como material estrutural nas indústrias aeronáutica e aeroespacial. Considerando as diferentes vias de fabricação de intermetálicos, a moagem de alta energia é provavelmente o sistema mais eficiente em todos os espectros de composição [6]. Uma vantagem da moagem de alta energia sobre muitas outras técnicas é que esse sistema é uma via de fabricação em estado sólido e conseqüentemente problemas associados com fusão e solidificação (tais como segregação ou grandes diferenças em ponto de fusão) são contornados. Como moagem de alta energia resulta em uma mistura muito fina entre constituintes iniciais, o aquecimento do pó resultante permite a formação de compostos homogêneos e de granulometria muito fina, similar àqueles produzidos por técnicas de solidificação rápida, através de um processo de difusão acentuada em estado sólido [4].

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO A obtenção do intermetálico Fe 3 Al foi através de moagem de alta energia horizontal, com uma velocidade de 700 rpm e variando o tempo. Como agente controlador do processo - PCA foi utilizada uma cera na proporção de 1,5% a mais na mistura. Esta adição tem como objetivo evitar a soldagem dos pós com a parede do moinho bem como a formação de aglomerados. Para observar a evolução da microestrutura dos pós em função do tempo de moagem foram estudados 2 tempos de 5 e 20 horas resultando na caracterização através de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Nos primeiros estágios de moagem a estrutura lamelar característica de camadas alternadas de ferro e alumínio se desenvolve em cada partícula, Figura 2a. Para maiores tempos de moagem as partículas se tornam mais coesas descaracterizando a microestrutura lamelar observada em poucos tempos de mistura, Figura 2b, após 20 horas, sugerindo que o material se tornou monofásico. (a) Figura 2. Micrografias mostrando as características microestruturais da mistura de pó MA Fe 3 Al, (a) após 5 horas, e (b) após 20 horas. (b) Para as amostras moídas durante 5 horas (Figura 3a), a partícula tende a uma morfologia irregular, cujo tamanho pode variar. Ao alcançar o tempo máximo (Figura 3b) de moagem estudado, as partículas se apresentam com uma morfologia equiaxial, cujos tamanhos são mais homogêneos. (a) Figura 3. Micrografias mostrando as características microestruturais da mistura de pó MA Ni 3 Al, (a) após 5 horas, e (b) após 20 horas. A estequimetria do intermetálico pode ter um desvio significante da proporção atômica ideal 75Fe:25Al, e da base dos pós de partida. Analisaram-se qualitativa e quantitativamente os elementos presentes (b)

5 (Figura 4 e Tabela 2, respectivamente) e corroborou-se seu desvio da proporção ideal através da sonda de energia dispersiva de raios-x (EDX). Tabela 2. Análise quantitativa da amostra com um desvio da estequimetria (5 horas de mistura). Elemento Mole Conc. Conc. Unidades Fe wt.% Ni wt.% Al wt.% O wt.% C wt.% Total wt.% Figura 4. Análise qualitativa da amostra 8. Não é raro encontrar compostos intermetálicos que exibem pequenos ou significantes desvios da proporção estequiométrica ideal. Exemplos de ambos são vistos no diagrama de fases níquel alumínio. O composto ordenado L1 2 Ni 3 Al tem um campo de fase que se estende por alguns por cento atômicos por volta da proporção atômica ideal 75Ni:25Al. O composto ordenado B2 NiAl, no entanto, apresenta uma extensão significante no campo de fase por volta da proporção atômica ideal 50Ni:50Al. É esperado que os compostos intermetálicos que têm campos de fase estendidos sejam aqueles que poderiam ter aplicações comerciais [1]. Através da difração de raios-x pode-se observar o comportamento da formação do composto intermetálico, que inicialmente apresenta apenas os picos dos elementos básicos iniciais e conforme vai aumentando o tempo de moagem os picos vão diminuindo em intensidade e aumentando em largura. Este comportamento é típico da formação de um material amorfo, perdendo as características de cada elemento em particular. A Figura 5 apresenta o espectro de raios-x de amostras de Fe-Al, moídas em diferentes tempos. 20 horas 14 horas Fe 3 Al (220) Fe 3 Al (400) 10 horas 8 horas 6h Figura 5. Espectro de difração de raios-x para diferentes tempos de moagem de Fe-Al.

6 Após tratamento térmico a 1000ºC por 60 minutos podemos observar que na estrutura que anteriormente estava amorfizada agora surgem os picos de cristalinidade dos materiais. Para um tempo de 5 horas de moagem podemos observar os picos dos pós de partida (Al e Fe) e após 20 horas de moagem os picos formados estão deslocados para a esquerda indicando uma transformação em relação aos picos anteriores e que correspondem exatamente ao composto Fe3Al (Figura 6). TT 1000 ºC Ni 3 Al (111) Ni 3 Al (200) 20 horas Ni (111) Ni (200) 5 horas Figura 6. Espectro de difração de raios-x das amostras moídas por 5 horas e 20 horas indicando a formação do intermetálico Fe3Al. Através da análise térmica exploratória (DSC), realizada em amostras obtidas em diferentes tempos de moagem, podemos observar a temperatura de ignição para a formação do intermetálico, sendo no caso da moagem por 20 horas o início ocorre em torno de 300ºC (Figura 7). 350 FLUJO TÉRMICO (mw) h 10h 14h 20h TEMPERATURA (ºC) Figura 7. Análise térmica exploratória de amostras com diferentes tempos de moagem, enfatizando o início da ignição para cristalização.

7 CONCLUSÕES: - A técnica de moagem de alta energia é adequada para a obtenção de intermetálicos Fe3Al. - A microestrutura observada em amostras com 5 horas de moagem e 20 horas de moagem demonstra claramente a evolução do processo de mistura dos pós de Fe e Al. - Através da difração de raios-x podemos observar o comportamento de amorfização das estruturas no sentido da formação de uma estrutura coesa e sem apreciação de fases elementares correspondentes aos pós de partida. - A temperatura de ignição para a formação dos compostos intermetálicos pode ser determinada através de calorimetria diferencial exploratória. Para o caso da moagem de 20 horas a temperatura fica em torno de 300ºC. REFERÊNCIAS [1] BOSE, Animesh. Intermetallic Compounds. Advances in Particulate Materials, 1a. ed., Newton, Butterworth-Heinemann, 1995, [2] LAY, S.; YAVARI, A. R. Evidence for Disordered Character of Grain Boundaries in a Ni 3 Al-Based Alloy During Reordering. Acta Materialia, v. 44, n.1, 35-41, [3] DAROLIA, R. NiAl Alloys for High-Temperature Structural Applications. Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, 44-49, [4] FAIR, G. H.; WOOD, J. V. Mechanical Alloying of Iron-Aluminium Intermetallics. Powder Metallurgy, v. 36, n. 2, , [5] BERZTISS, D. A.; PETTIT, F. S.; MEIER, G.H. Anomalous Oxidation of Intermetallics. Mat. Res. Soc. Symp. Proc., v. 364, [6] DA COSTA, C. E. Obtencion de Materiales Compuestos de Matriz de Aluminio Reforzados con Intermetálicos via Pulvimetalurgica. Estudio y Optimizacion de la Aleacion Base y los Intermetálicos Obtenidos por Aleacion Mecanica. Tesis Doctoral, Universidad Politecnica de Madrid, 1998, [7] AOKI, K.; IZUMI, O. Journal of the Japan Metallurgical Society, v. 43, 358, [8] MATAIX, D. B. Investigación de la Interacción Matriz-Partícula en Materiales Compuestos de Matriz de Aluminio Reforzados con Intermetalicos. Influencia en las Características Resistentes. Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Valencia, 1999,