AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA A CORROSÃO DE UMA JUNTA SOLDADA DE INCONEL 625 OBTIDA ATRAVÉS DA SOLDAGEM POR FRICÇÃO E MISTURA MECÂNICA

Transcrição

1 AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA A CORROSÃO DE UMA JUNTA SOLDADA DE INCONEL 625 OBTIDA ATRAVÉS DA SOLDAGEM POR FRICÇÃO E MISTURA MECÂNICA D. Martinazzi (2) ; G.V. B. Lemos (1, 2) ; J. C. Brancher (2) ; A. C. S. dos Santos (2) ; L. Bergmann (1) ; J. F. dos Santos (1) ; T. R. Strohaecker (2). 1 Helmholtz-Zentrum Geesthacht. Institute of Materials Research. Materials Mechanics. Solid State Joining Processes. Geesthacht, Germany. 2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Programa de Pós Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais (PPGE3M), Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil. guilherme.lemos@ufrgs.br RESUMO As ligas resistentes à corrosão (CRA), como o Inconel 625, são frequentemente utilizadas na indústria petrolífera. Assim, é importante o entendimento da Soldagem por Fricção e Mistura Mecânica (SFMM), com baixo aporte térmico, como um método de união promissor aplicado as ligas CRA. As superligas de níquel têm uma excelente resistência à corrosão em presença de cloretos. No entanto, sabe-se que a soldagem provoca alterações microestruturais e estas podem afetar as propriedades de corrosão. Portando, juntas soldadas de Inconel 625 foram produzidas por SFMM com velocidade de rotação da ferramenta de 200 rpm e velocidade de soldagem constante (1mm/s). Em um primeiro momento, diferentes regiões da superfície de topo da junta foram avaliadas em termos de microestrutura e microdureza. Por fim, a avaliação quanto a resistência à corrosão através de polarizações potenciodinâmicas em soluções de NaCl 3,5% a temperatura ambiente não revelou mudanças significativas na resistência à corrosão da junta soldada. Palavras-chave: Soldagem por fricção e mistura mecânica, Inconel 625, Resistencia à corrosão em cloreto. 7877

2 1. INTRODUÇÃO Os novos desafios da indústria do petróleo exigem a exploração de poços profundos e ambientes agressivos, particularmente em áreas de águas profundas, como as da costa do Brasil (1). Poços profundos geralmente são muito corrosivos, têm pressões mais elevadas e, sendo assim, exigem materiais de alto desempenho. Para a tecnologia submarina, tubos revestidos têm sido comumente utilizados para transporte de petróleo para a plataforma de produção. Para proteger estas tubulações contra a corrosão do sal e gases como H2S e CO2, o uso de uma liga resistente a corrosão (Corrosion Resistant Alloy - CRA) como camada de revestimento interno é uma potencial solução (2). Esta camada resistente à corrosão é uma aplicação típica para as superligas de Niquel como o Inconel 625. A liga 625 (UNS N06625) é um material não magnético endurecido por solução sólida devido ao efeito dos metais refratários (Nióbio e Molibdênio) em uma matriz austenítica. Porém, esta superliga a base de Níquel não é totalmente estável e vários constituintes microestruturais podem ser encontrados após um envelhecimento por um longo tempo, tais como M23C6, M6C, Laves, fase γ (Ni3Nb), fase δ (Ni3Nb) e até mesmo algumas quantidades residuais da fase γ (Ni3(Al, Ti, Cr, Nb)), dependendo das quantidades de Al e Ti presentes na liga (3, 4, 5, 6). De fato, os elementos de liga adicionados às ligas de Inconel com intuito de aumentar a resistência à corrosão da liga podem, em certas circunstâncias, acabar originando diversos constituintes intermetálicos. Os métodos comuns de soldagem com fusão como o eletrodo revestido e MIG/MAG podem resultar em problemas relacionados à segregação, porosidade, fragilização, distorção e tensões residuais (7, 8). Ainda, estes processos podem ocasionar a precipitação de carbonetos ricos em Cr e o crescimento de grãos durante a soldagem na região chamada de zona afetada pelo calor (ZAC). Por fim, também já foi reportada a existência da fase Laves após a soldagem com fusão que, em certas circunstâncias, pode ser prejudicial para a resistência à corrosão (9). Assim, pode-se dizer que os problemas mencionados acima são atribuídos a solidificação e/ou elevado aporte térmico. Desta maneira, a Soldagem por Fricção e Mistura Mecânica (SFMM) (10) aparece como uma oportunidade para redução dos problemas causados pela 7878

3 tradicional soldagem por fusão e não deve ser desprezada como alternativa para melhoria das propriedades mecânicas da junta soldada. A corrosão é um fenômeno de superfície que tem início na interface entre o material e o meio corrosivo. Existem diversos ensaios para avaliação da corrosão, dentre eles podem-se citar as técnicas eletroquímicas, ensaios de imersão, ensaios de corrosão associados a esforços mecânicos (11). Visto a relevância da aplicação das ligas de Níquel, especialmente a liga Inconel 625, em sistemas que exigem alto grau de confiabilidade em ambientes agressivos, o estudo do comportamento frente à corrosão é extremamente importante, independente destes materiais possuírem uma notável resistência à corrosão em meios contendo cloretos (12). O estudo do comportamento eletroquímico através da voltametria cíclica proporciona uma visão geral qualitativa de um metal exposto a uma solução eletrolítica. Os ensaios eletroquímicos permitem determinar rapidamente a taxa de corrosão por meio da técnica de polarização potenciodinâmica. As curvas de polarização são muitas vezes utilizadas para a determinação da densidade de corrente de corrosão (icorr) e do potencial de corrosão (Ecorr) mediante o uso das extrapolações das retas de Tafel (13, 14). Portanto, o presente trabalho objetiva caracterizar a microestrutura e avaliar o comportamento mecânico a partir do levantamento do perfil de microdureza na superfície de topo de juntas soldadas de Inconel 625 produzidas através da Soldagem por Fricção e Mistura Mecânica. Além disso, o comportamento eletroquímico será avaliado em solução de NaCl 3,5% com o intuito de reproduzir um ambiente corrosivo com concentração de cloretos de ppm. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O material de base utilizado no estudo foi uma superliga de Níquel, Inconel 625, na forma de chapas com 3,2 mm de espessura. A Tabela 1 mostra a composição química fornecida de acordo com o certificado do fabricante. 7879

4 Tabela 1 - Composição química do material utilizado (% em massa). Chapa de Inconel 625 Ni Cr Fe Mo Nb Al Ti Si C Bal. 21,7 4,7 8,6 3,38 0,13 0,18 0,18 0,015 Previamente à soldagem, a superfície das chapas foi limpa e lixada para remoção de óxidos e impurezas. Notou-se um aumento da qualidade superficial das juntas soldadas com este procedimento. O processo de SFMM foi realizado em uma máquina rígida em forma de pórtico equipada com servomotores através de uma ferramenta não consumível de Nitreto Cúbico de Boro Policristalino (pcbn) grau Q70 com ombro de 25 mm de diâmetro e um pino com comprimento de 3 mm. A rotação da ferramenta foi no sentido anti-horário, assim, o lado esquerdo da junta soldada foi chamado retrocesso (LR) e o lado direito de lado de avanço (LA). Para a obtenção dos cordões de solda, a ferramenta foi inclinada para frente com um ângulo de 1,5 em relação à direção normal e uma atmosfera de argônio foi utilizada para evitar a oxidação superficial durante a soldagem. Para as análises metalográficas, as amostras foram preparadas de acordo com as práticas básicas de lixamento/polimento e depois atacadas com o reagente Adler. A microscopia ótica foi utilizada para uma observação microestrutural do material de base (MB), da região de interface no lado de retrocesso (RILR), da região do centro da solda (zona de mistura), também da zona de bandeamento e por fim da região de interface no lado de avanço (RILA). Os perfis de microdureza foram realizados partindo do metal de base para a junta soldada com os seguintes parâmetros: carga 9,8N durante 15 s e distância entre indentações de 0,4 mm. Por fim, a avaliação do comportamento foi realizada em uma célula eletroquímica padrão de três eletrodos: junta soldada de Inconel 625 como eletrodo de trabalho, grade de platina como contra eletrodo e como eletrodo de referência foi utilizado um eletrodode prata-cloreto de prata. dados Os experimentos foram realizados em um potenciostato-galvanostato Aulotlab modelo 302 N, controlado pelo software Nova 1.4. O eletrólito estudado foi uma 7880

5 solução de NaCl 3,5% em temperatura ambiente. Todas as polarizações potenciodinâmicas foram conduzidas com uma velocidade de varredura de 1 mv/s e iniciadas em 250 mv abaixo do potencial de circuito aberto, que foi previamente medido por 1h. O retorno da voltametria se deu quando a densidade de corrente alcançou aproximadamente 1 ma/cm². 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO As microestruturas da superfície da junta soldadas da superliga a base de Níquel, Inconel 625, são mostradas na Figura 1. O processo de soldagem no estado sólido, de acordo com as análises metalográficas da superfície de topo da solda, pode ser dividida em cinco regiões ao longo da direção transversal, são elas: o material de base (MB), a região no lado retrocesso (RILR), a zona de mistura (ZM), a zona de bandeamento (ZB) e a região de interface no lado avanço (RILA). Uma visão geral da macroestrutura da superfície da junta soldada pode ser vista na Figura 1(a). Em uma análise em maior aumento, A Figura 1(b) mostra o metal de base (MB), ou seja, a superliga a base de Níquel conhecida como Inconel 625. Como as fotos foram obtidas de uma região suficientemente afastada da zona soldada, verifica-se que o MB não sofreu nenhuma influência de temperatura e, consequentemente, nenhuma alteração microestrutural. Seguindo em direção à solda propriamente dita, a Figura 1(c) ilustra a região de interface localizada no lado de retrocesso (lado esquerdo) da junta soldada, região onde ocorreu deformação de alguns grãos. No entanto, por se tratar de uma zona de transição, a distinção do seu início é difícil. Logo após esta região, pode ser notada a zona de mistura da soldagem por fricção, região onde ocorreu refino de grão oriundo da alta deformação e recristalização dinâmica (Figura 1(d)). Em geral, microestruturas refinadas apresentam melhores propriedades mecânicas. A Figura 1(e) mostra a zona de bandeamento (ZB) para o processo no estado sólido. Pode-se perceber um refino de grão ainda maior nesta região (ZB) que tende a ocasionar um aumento de dureza pontual. As regiões de bandeamento, também conhecidas como regiões pretas, já foram observadas em estudos anteriores (15). Por fim, a Figura 1(f) apresenta a interface localizada ao lado direito da solda (ZILD). 7881

6 Figura 1. Superfície de topo da junta soldada: a) visão geral, b) material de base (MB), c) região interface lado retrocesso (RILR), d) zona de mistura (ZM), e) zona de bandeamento, f) região de interface lado direito (RILD). 7882

7 A Figura 2 apresenta os resultados de microdureza Hv1 para a superfície da junta soldada. Com respeito ao metal de base, os resultados variam na faixa de HV e picos de dureza podem observados nesta região e que podem estar relacionados a precipitados presentes no material. O refino de grão proveniente da soldagem no estado sólido foi a principal causa para o aumento de dureza na zona de mistura. Na região de bandeamento, mostrada através da Figura 1(e), existiu um refino de grão maior ainda que pode explicar o pico de dureza local de 335 HV. Figura 2. Perfil de microdureza na superfície da junta soldada. A Figura 3 mostra as curvas de polarização potenciodinâmica obtidas para diferentes regiões da superfície de topo da junta soldada avaliadas em concentrações de Cl - de ppm. Para obtenção dos valores de potencial de corrosão (Ecorr) e densidade de corrente de corrosão (icorr) foram realizadas extrapolações das retas de Tafel com auxílio do software NOVA 1.10 para cada região analisada e estes valores são apresentados na Tabela 2. Além disso, também foram encontrados os valores de resistência à polarização (Rp). De maneira geral, o processo de soldagem por fricção e mistura mecânica não provocou alterações significativas na resistência à corrosão da junta soldada em relação ao material base, fato que pode ser explicado pelo baixo aporte térmico característico do processo. 7883

8 Figura 3. Comportamento eletroquímico para diferentes regiões da junta soldada de Inconel 625. Tabela 2. Resultados obtidos a partir das retas de Tafel para as curvas de polarização. Ecorr (mv) Icorr (na/cm²) Rp (MΩ) Metal de base (MB) Região de interface lado de retrocesso (RILR) Zona de mistura (ZM) Zona de bandeamento (ZB) Região de interface lado de avanço (RILA) CONCLUSÕES Os ensaios de polarização potenciodinâmica em juntas soldadas de Inconel 625 mostraram que as alterações microestruturais provenientes da Soldagem por Fricção e Mistura Mecânica não acarretam em mudanças significativas na resistência a corrosão da superliga de Níquel quando avaliadas em meio puramente salino em eletrólito de NaCl 3,5% a temperatura ambiente. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Rolls-Royce Holdings annual report. 65 Buckingham Gate - London,

9 2. Lemos, G. V. B.; Simoni, L.; Bergmann, L.; Souza, D ; Araujo, D. B.; Dos Santos, J. F.; Strohaecker, T. R.; Schroeder, R. M. Caracterização Preliminar da Microestrutura em Cordões de Solda da liga 625 produzidos através dos processos de SFMM e MIG. XLI Congresso Nacional De Soldagem, Salvador - Bahia Farina, A. B.. Efeito do teor de ferro e do tratamento térmico na microestrutura e propriedades da liga UNS N / A.B. Farina São Paulo, p. Tese (Doutorado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais 4. Eiselstein, L. H. e Gadbut, J. Matrix-Stiffened Alloy. US 3,160,500 United States, 8 th December of Patent Application. 5. Eiselstein, H. L. e Tillack, D. J. The Invention and Definition of Alloy 625. E. A. Loria. Alloy 718, 625 and Various Derivatives. s.l. : The Minerals, Metals and Materials Society, 1991, pp Floreen, S., Fuchs, G. E. e Yang, W. J. The Metallurgy of Alloy 625. E. A. Loria. Superalloys 718, 625, 706 and Various Derivatives. s.l. : The Minerals, Metals and Materiais Society, 1994, pp Avery, R. E.; Tuthill, A. H. Guidelines for Welded Fabrication of Nickel Alloys for Corrosion Resistante Service. (1994) pp Sorensen, C. D.; Nelson, T. W. Friction stir welding of ferrous and nickel alloys. Friction stir welding and processing. (2007) pp Davis, J. R., ed. Corrosion of weldments. ASM International, Thomas, WM; Nicholas, Ed; Needham, JC; Murch, MG; Temple-Smith, P; Dawes, CJ. Friction-Stir Butt Welding, GB Patent No , International patent application No. PCT/GB92/02203, (1991) 11. DUPONT, J.N.; VAN GEERTRUYDEN, W.; CAIZZA, A.; ESPOSITO, A. Corrosion Behavior Of Alloy 600 And 622 Coextruded And Weld Overlay Coatings. NACE International, GANESAN, P.; RENTERIA, C. M.; CRUM, J., R. Versatile Corrosion Resistance of INCONEL alloy 625 in Various Aqueous and Chemical Processing Environments. Superalloys 718, 625 and Various Derivatives Edited by Edward A. Loria The Minerals, Metals & Materials Society, pg , DE OLIVEIRA, P.C.A.; BERTAZZOLI, R.. Determinação da densidade de corrente de corrosão em meios de baixa condutividade: uso de microeletrodos para minimizar a queda ôhmica. Quim. Nova, 34(2), pp ,

10 14. WOLYNEC, Stephan. Técnicas Eletroquímicas em Corrosão. São Paulo. EDUSP, Sato, Yutaka S., Masahiro Muraguchi, Hiroyuki Kokawa. Tool wear and reactions in 304 stainless steel during friction stir welding. Materials Science Forum. Vol EVALUATION OF THE CORROSION RESISTANCE OF FRICTION STIR WELDED INCONEL ALLOY 625 Abstract: Corrosion resistant alloys (CRA), as Inconel 625, are often used in the offshore industry. Thus, understanding of Friction Stir Welding (FSW) process is important as a promising joining method applied to the CRA. Nickel base superalloys have excellent corrosion resistance in the presence of chlorides. However, it is well known that welding process causes microstructural changes and this may affect the corrosion properties. Therefore, FSWed Inconel 625 joints were produced with tool rotation speed of 200 rpm and welding speed of 1mm/s. At first, different top surface regions of the welded joint were analyzed by microstructure and hardness. Finally, the corrosion resistance evaluation by potentiodynamic polarization in 3.5% NaCl showed no significant changes in the corrosion resistance along the welded joint. Key-words: Friction Stir Welding, Inconel 625, Corrosion resistance, Chloride. 7886