Estudo da Influência da Camada de Niquelação sobre o Processo de
Brasagem de Tiras de Inconel 718
Antonio Carlos Strabelli Junior, Clarice Terui Kunioshi
Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo – CTMSP
Avenida Prof. Lineu Prestes, 2468 – Cidade Universitária – São Paulo – SP
Resumo: Muitos projetos de reatores nucleares utilizam grades espaçadoras (GE) – componente
estrutural responsável pela fixação das varetas combustíveis (VC) projetadas e compostas por um
arranjo de tiras de Inconel 718 (UNS N07718: Ni-19Cr-18Fe-5Nb-3Mo) estampadas e encaixadas.
O processo de fabricação envolve a fixação dessas tiras por processos de soldagem, entre eles a
brasagem. Neste estudo foram realizados alguns tratamentos térmicos de soldagem por brasagem,
em forno a vácuo, de tiras de Inconel 718 niqueladas, variando alguns parâmetros do processo, como
a mistura do material de brasagem e características da camada de niquelação. Esses ensaios
preliminares serviram para caracterizar a região da solda e verificar a interação entre as partes
durante a soldagem. Os resultados mostraram, também, a necessidade de uma caracterização quanto
à resistência mecânica, tendo em vista a presença de fases frágeis na região da solda.
Palavras-chave: Brasagem, Inconel 718, Grades Espaçadoras, Reatores Nucleares.
1. INTRODUÇÃO
O Programa Nuclear da Marinha, que vem sendo executado desde 1979, visa capacitar o país a dominar o ciclo do combustível nuclear e a desenvolver e construir uma planta nuclear de geração de energia elétrica, incluindo-se aí a confecção do reator nuclear. A primeira parte desse programa - domínio do ciclo do combustível – já foi atingida, restando ainda o esforço de conclusão da segunda parte – a planta nuclear.
O CTMSP – Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo – é o responsável pelo desenvolvimento e fabricação do elemento combustível (EC) do primeiro núcleo do Laboratório de Geração Núcleo Elétrica (LABGENE). Para isso, é necessário que o projeto seja desenvolvido de acordo com as normas em vigor (CNEN – Comissão Nacional de Energia Nuclear), de maneira a garantir que o EC seja seguro, confiável e licenciável, utilizando-se um processo de fabricação qualificado, testado e reprodutível e um produto final que atenda aos limites de segurança e critérios de desempenho.
Existem muitos reatores nucleares que utilizam grades espaçadoras (GE) – componente estrutural responsável pela fixação das varetas combustíveis (VC) projetadas e fabricadas como um arranjo de tiras de Inconel 718 (UNS N07718: Ni-19Cr-18Fe-5Nb-3Mo) estampadas e encaixadas. O Inconel 718 é uma liga de Ni endurecível por precipitação, que possui uma boa resistência à corrosão e alta resistência mecânica. A manutenção da estrutura e arranjo dessas tiras de Inconel 718 que formam a GE é realizada através de processos de soldagem, entre eles a brasagem. Para esse processo, essas tiras são niqueladas com a finalidade de permitir uma melhor molhabilidade do material de brasagem nas tiras. A molhabilidade do material base pela pasta é necessária para promover coesão entre estes e, assim, desenvolver a junção requerida. Tanto a molhabilidade, quanto a fluidez do metal preenchedor (pasta) são fortemente influenciados pelas reações químicas que ocorrem na interface metal/pasta, na própria pasta, assim como pela geometria da junção.
As partes a serem unidas devem, também, estar limpas e protegidas de excessiva oxidação, uma vez que óxidos prejudicam a molhabilidade e inibem o espalhamento do metal líquido (pasta) na superfície do substrato (tira) durante o processo de brasagem. A utilização de revestimentos, como a niquelação, é frequentemente utilizada de forma a garantir tais condições, além do fato de inibir a rápida difusão de elementos presentes na pasta para o metal base, e a subsequente formação de fases frágeis intermetálicas.
Este trabalho visa mostrar os resultados de estudos preliminares sobre a influência das características da camada de niquelação na brasagem das tiras de Inconel 718, utilizando um material de brasagem à base de níquel (Ni-Cr-P) e um tratamento térmico a uma temperatura em torno de 1050°C, em forno a vácuo.
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Foram utilizadas tiras de Inconel 718 niqueladas, na condição recozida, cuja composição química é apresentada na Tabela 1, e conjuntos montados das junções dessas tiras (Figura 1) foram utilizadas para a realização dos ensaios de brasagem.
Tabela 1: Composição química (% em peso) da liga de Inconel 718 das tiras da GE.
ELEMENTO COMPOSIÇÃO MEDIDA (% em peso) COMPOSIÇÃO NOMINAL (% em peso) C 0,03 0,05 (máx) Mn 0,09 0,35 (máx) Si 0,08 0,35 (máx) P 0,012 0,015 (máx) S <0,001 0,015 (máx) Cr 18,22 17,00 - 21,00 Co 0,14 0,10 (máx) Mo 3,00 2,80 - 3,30 Nb + Ta 5,09 4,75 - 5,50 Ti 1,05 0,65 - 1,15 Al 0,58 0,20 - 0,80 Fe balanço balanço Cu 0,13 0,30 (máx) Ni 53,67 50,00 - 55,00 B 0,003 0,006 (máx) Ta 0,01 0,05 (máx)
Foi realizada análise microestrutural dessas tiras nas direções longitudinal e transversal, e o reagente utilizado para revelar a microestrutura foi uma solução contendo 100 mL de água, 25 mL de HCl e 8g de FeCl3, a
uma temperatura entre 50°C e 57°C e tempos de ataque entre 3 e 5 minutos. As amostras preparadas para análise metalográfica também foram utilizadas para a análise de inclusões e as medidas de tamanho de grão e de microdureza Vickers (HV).
(a) (b)
Figura 1: Arranjo das tiras de Inconel 718 para os ensaios de brasagem. (a) Vista lateral e (b) vista do topo.
Foram selecionadas três tiras de Inconel 718 niqueladas, cujas características da camada de Ni são apresentadas na Figura 2. Cada tira produziu 4 corpos de prova como os apresentados na Figura 1, montados sempre com material da mesma tira de origem, não havendo combinações entre estes.
O material para brasagem consistiu de uma mistura de uma resina (binder) e pó de uma liga Ni-Cr-P, BNi-7 segundo especificação AWS A5.8, de fabricação da Nicrobraz. A Figura 3(a) mostra a morfologia do pó da liga Ni-Cr-P, provavelmente obtida por atomização, contendo uma grande distribuição de tamanhos de partículas. A análise química semi-quantitativa por EDS (espectroscopia de energia dispersiva de raios-X), apresentada na Figura 3(b), mostra a composição aproximada de Ni-14Cr-9P.
A análise por difração de raios-X (Figura 4) mostra que o pó de Ni-Cr-P é cristalino, composto por duas fases, uma de fosfeto de Ni (Ni2P) e outra de Ni-Cr, uma solução sólida de Ni-Cr com estrutura CFC (cúbica de
Foram utilizadas duas formulações de pasta de brasagem: 93:7 e 91:9 de pó de Ni-Cr-P e binder. O processo de brasagem foi realizado em um forno a vácuo, à temperatura em torno de 1050°C por 5 minutos.
O processo de brasagem foi realizado com a aplicação da pasta (mistura pó/binder) no topo dos corpos de prova, mais precisamente na região da junta (Figura 1), com auxílio de uma seringa e depósito de aproximadamente 200 mg de pasta. Os corpos de prova foram brasados aos pares, com material da mesma tira, com a finalidade de se obter duas amostras submetidas às mesmas condições experimentais. As amostras brasadas foram seccionadas em três posições, base, meio e topo das tiras, e as seções transversais foram caracterizadas por microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e EDS.
(a) (b)
(c)
Figura 2: Caracterização da camada de niquelação das três tiras de Inconel 718 utilizadas para os tratamentos de brasagem. (a) Tira nº 1, (b) Tira nº 2 e (c) Tira nº 3. Imagens com aumento de 1000X.
(a) (b) Figura 3: Morfologia (a) e espectro de EDS (b) do pó de brasagem Ni-Cr-P.
Figura 4: Resultado da análise de difração de raios-X do pó de Ni-Cr-P utilizado no processo de brasagem das tiras de Inconel 718.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 5 mostra as microestruturas das seções longitudinal e transversal das tiras de Inconel 718 utilizadas para os ensaios de brasagem. Pode-se observar uma estrutura de grãos austeníticos aproximadamente equiaxiais maclados, característicos dessas ligas de Ni. Foram realizadas caracterizações de microdureza Vickers (ASTM E384) e medidas de tamanho de grão (ASTM E112), cujos resultados são apresentados na Tabela 2. Análises por MEV e EDS mostram que esse Inconel 718 apresenta inclusões de Nb-Ti (Figura 6) alinhados na direção de laminação das tiras, e podem, também, ser observadas nas microestruturas da Figura 5 (pontos e linhas escuras nas imagens).
A Tabela 3 mostra os dados obtidos através da análise metalográfica das regiões brasadas, dos quais se constata a não alteração do tamanho de grão, permanecendo este próximo do material não brasado, além das medidas de espessura das camadas de Ni de cada tira.
(a) (b) Figura 5: Microestrutura da tira de Inconel 718 no estado recozido. Seção longitudinal (a) e seção transversal da
tira. 200X.
Tabela 2: Propriedades do Inconel 718 medidas nas seções longitudinal e transversal das tiras. Propriedade Seção Longitudinal (HV) Seção Transversal (HV) Dureza (HV) 215,8 9,8 230,9 4,1
Tamanho de Grão (m) 52,7 0,6 52,0 0,6 Tamanho de Grão (ASTM) 5,13 0,22 5,17 0,22
Tabela 3:Espessura da camada de Ni e tamanho de grão das tiras niqueladas após a brasagem. Tira 1 Tira 2 Tira 3 Espessura da Camada de Ni (µm) 3,3 0,3 12,8 0,8 6,7 0,7
Tamanho de Grão ASTM (G) 5,28 0,25 5,52 0,25 5,05 0,25
Figura 6: Inclusões de Nb-Ti observadas no Inconel 718 das tiras da GE, alinhadas no sentido de laminação.
As diferentes regiões brasadas dos corpos de prova confeccionados com as tiras nº1, nº 2 e nº 3, com as proporções de pasta de 93:7, 91:9 e 91:9, respectivamente, são mostradas nas Figuras 7 à 9. A amostra brasada com a menor proporção de binder para pó de brasagem apresentou todas as três regiões soldadas, sendo que o topo reteve menor quantidade de material de brasagem, e a base apresentou um acúmulo. O oposto foi observado para as amostras brasadas com maior proporção de binder na mistura, onde se percebeu a diminuição do material brasado ao longo do trajeto topo-base, chamando atenção para a região da base do corpo de prova, onde houve o desprendimento de um dos braços do metal base durante o corte e preparação metalográfica da amostra. A viscosidade da pasta, o tempo e temperatura de brasagem constituem os principais fatores que afetam as características da solda por brasagem, não sendo descartado, também, o aspecto de limpeza das tiras e as reações químicas que ocorrem ao longo do trajeto, como a formação de óxidos e difusão de elementos entre pasta e material base. Neste aspecto, espessura da camada de niquelação e a sua aderência na superfície da tira de Inconel podem ajudar a ancorar o material de brasagem durante o tratamento térmico. As amostras preparadas com a tira nº 1, que apresentou menor espessura de camada de Ni, proporcionou melhores características de brasagem.
Para muitos processos de brasagem, outro fator que pode influenciar a brasagem é o ângulo de contato. A faixa de ângulo de contato entre pasta/base considerada ótima está entre 10° a 45°, sendo esta determinada pelo vazio a ser preenchido e pela espessura do material a ser depositado, como, por exemplo, a formação de pequenos ângulos em regiões de fina camada depositada ou de pequenos espaços ocupados. (Soldering, 1991)
O processo de brasagem em altas temperaturas é uma técnica de soldagem importante utilizada na fabricação de componentes complexos, e existem muitos tipos de metais de adição para brasagem, especialmente ligas a base de Ni, desenvolvidas para brasagem de superligas de Ni (Grushko & Weiss, 1984). Com o propósito de diminuir a temperatura liquidus desses metais e ligas de adição, elementos como P, Si, B e Pd foram adicionados a esses materiais. Entretanto, fases intermetálicas, que são extremamente duras e frágeis, podem se formar e diminuir a resistência das soldas. Tempos de brasagem mais longos, maiores temperaturas de brasagem ou menores folgas das juntas têm sido sugeridas com a finalidade de eliminar essas fases intermetálicas.
A pasta de brasagem utilizada neste estudo é composta por um pó metálico Ni-Cr-P, misturado com uma resina volátil, que desaparece durante o processo. A presença de Cr no metal de preenchimento vem a garantir maior resistência mecânica à matriz de Ni, assim como maior resistência à corrosão. O teor de P, utilizado como fundente neste material, combina-se com os demais elementos produzindo fosfetos, os quais se caracterizam pela formação de fases frágeis intermetálicas presentes na região da junta e nos contornos de grão do Inconel próximos à interface.
A análise por MEV e EDS da região de brasagem (Figura 10) mostra claramente a presença de duas fases, A e B indicadas na imagem de MEV, Figura 10(a). Os resultados de EDS são apresentados na Tabela 4. Caracteriza-se a fase A como sendo uma solução sólida de Ni e a fase B como sendo uma fase intermetálica de fosfetos como Ni5P2, Ni12P5 ou, mais provavelmente, de Ni3P(fase tetragonal de corpo centrado de composição
semelhante). A fase A possui maior teor de Cr em relação à fase B, o que é explicado pela solubilidade entre estes dois elementos, sendo que o Cr apresenta baixa solubilidade em matrizes de P. Observa-se, ainda, que há difusão de
elementos presentes no metal base (Inconel 718), como Nb e Fe, para a região de solda, havendo maior preferência pela fase A, fruto da solubilidade entre estes elementos e compatibilidade de reticulado cristalino.
(a) (b)
(c)
Figura 7: Imagens de MO da seção transversal da brasagem das tiras de Inconel 718 em três posições dos corpos de prova: topo (a), meio (b) e base (c). Amostra com a tira nº 1 e proporção 91:9 da pasta de brasagem. 50X.
A fase B é constituída de um material mais duro e frágil do que a fase A, sendo esta prejudicial para a integridade da brasagem, devido a sua menor capacidade de suportar esforços mecânicos ou pelo fato de constituir áreas mais susceptíveis à corrosão na região da solda. (Reed-Hill, 1973)(Porter & Easterling, 1992)(Yeh & Chuang, 1997). Observam-se melhores resultados com a menor presença desta fase, que se forma pelo resfriamento abaixo da solidificação isotérmica do metal fundido, originando as dendritas observadas na Figura 10.
A camada de Ni previamente depositada nas tiras de Inconel permite a molhabilidade do material de brasagem, e durante o tratamento térmico é incorporada na estrutura da solda, não sendo possível delimitar a mesma nas imagens, vindo esta a fazer parte da composição de ambas as fases presentes.
Uma análise mais detalhada da região de interface tira/solda permitiu observar a formação de precipitados nos contornos de grão do Inconel, Figura 11, que é o aumento da região mostrada no detalhe da Figura 10(a). A análise de composição química por EDS mostra uma grande quantidade de P, o que pode implicar em uma possível fragilização dos contornos de grão, com consequente diminuição da resistência da soldagem. Esse fato, no entanto necessita de maior investigação, o que deverá ser feito nas próximas etapas do trabalho, que inclui a realização de ensaios de tração nessas juntas soldadas.
Devido à grande quantidade de fatores que influenciam as características da solda por brasagem dessas tiras de Inconel 718, pretende-se, nas próximas etapas deste estudo, fixar alguns parâmetros do processo, como composição da pasta e operações de preparação das tiras, para estudar mais detalhadamente a influência da niquelação no processo de brasagem.
Entretanto, esse estudo preliminar ajudou a caracterizar melhor a região da solda e as fases que são formadas durante o tratamento térmico escolhido. A temperatura de brasagem recomendada pelo fabricante do material de brasagem (Ni-Cr-P) é de 1050°C, porém experimentos anteriores mostraram um excessivo aumento do tamanho de grão da tira de Inconel nesta temperatura, o que não é desejável, pois diminui as propriedades mecânicas da liga e prejudica o posterior tratamento de envelhecimento das tiras de Inconel. Esse tratamento de endurecimento por precipitação confere as propriedades de resistência das molas que estão estampadas nessas tiras, e que são responsáveis pela fixação das varetas combustíveis no elemento combustível.
(a) (b)
(c)
Figura 8: Imagens de MEV da seção transversal da brasagem das tiras de Inconel 718 em três posições dos corpos de prova: topo (a), meio (b) e base (c). Amostra com a tira nº 2 e proporção 93:7 da pasta de brasagem.
(a) (b)
(c)
Figura 9: Imagens de MEV da seção transversal da brasagem das tiras de Inconel 718 em três posições dos corpos de prova: topo (a), meio (b) e base (c). Amostra com a tira nº 3 e proporção 93:7 da pasta de brasagem.
(a)
(b) (c) Figura 10: Microestrutura da solda por brasagem na região da interface com a tira de Inconel 718, mostrando uma
fase intermetálica com estrutura dentrítica, e grãos da solução sólida de Ni. (a) Imagem de MEV da microestrutura e espectros de EDS da fase intermetálica (b) e da solução sólida de Ni (c).
Tabela 4: Composição química (% em peso) das fases A e B observadas na região de brasagem, obtidas por EDS.
ELEMENTO FASE A (% em peso) FASE B (% em peso) Nb 1,42 - Ni 82,69 80,60 Cr 10,13 3,00 P 0,65 17,09 Si 0,42 - Fe 4,69 1,15 (a) (b) Figura 11: (a) Precipitados nos contornos de grão do Inconel 718 observados na região da solda por brasagem
(detalhe da Figura 10(a)) e (b) análise de EDS desses precipitados.
A
B
4. CONCLUSÕES
Esses estudos preliminares permitiram verificar a função da camada de niquelação sobre as características da solda por brasagem das tiras de Inconel 718. Entretanto, vários outros parâmetros do processo, como a composição do material de brasagem e temperatura e tempo de tratamento térmico, podem afetar as propriedades da junta soldada, pois influem na formação das fases presentes na região da solda e interface com o material das tiras.
Observou-se a presença de duas fases na região da solda, sendo uma fase constituída por uma solução sólida de Ni e outra fase intermetálica frágil e dura composta de fosfetos como Ni5P2, Ni12P5 ou Ni3P. Foi possível,
ainda, verificar que há difusão de elementos presentes no metal base (Inconel 718), como Nb e Fe, para a região de solda, havendo maior preferência pela solução sólida. A fase dura e frágil, com forma dendrítica, é prejudicial para a integridade da brasagem, devido a sua menor capacidade de suportar esforços mecânicos e pelo fato de constituir mais susceptível à corrosão.
Está previsto, nas próximas etapas deste estudo, a caracterização da resistência mecânica de juntas soldadas em diversas condições experimentais do processo de brasagem, incluindo ensaios de tração.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq pela concessão da bolsa de Iniciação Científica PIBITI (Processo nº 109701/2011-9), ao Laboratório de Microscopia Eletrônica e Força Atômica LabMicro (Poli-USP), em nome do Prof. Dr. André P. Tschiptschin, e ao CTMSP, que possibilitaram a realização deste estudo.
6. REFERÊNCIAS
Grushko, B., & Weiss, B. (1984). Metall. Trans. A, vol. 15A, pp. 609-620.
Porter, D., & Easterling, K. (1992). Phase Transformations in Metals and Alloys (2th ed.). Chapman & Hall. Reed-Hill, R. E. (1973). Physical Metallurgy Principles (2th ed.). Van Nostrand Reinhold Ltd.
Soldering, A. C. (1991). Brazing Handbook (4th ed.). AWS.
Yeh, M., & Chuang, T. (1997, June). Effects of Applied Pressure on The Brazing of Superplastic Inconel 718 Superalloy. Metallurgical and Material Transactions A, pp. 1367-1376.
7. DETALHES DO AUTOR
Antonio Strabelli Junior é aluno de graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela Universidade de São Paulo, cursando 9º ciclo. É também aluno de Iniciação Científica com bolsa CNPq PIBITI desde 05/2011 com o projeto
“Caracterização das Propriedades Mecânicas e Microestruturais de Tiras de Inconel 718 Submetidas a Diferentes Tratamentos Térmicos de Endurecimento por Precipitação” que está sendo desenvolvido no LADICON (Laboratório de Desenvolvimento de Instrumentação e Combustíveis Nucleares) do CTMSP.
Clarice Terui Kunioshi é pesquisadora no LADICON – CTMSP e possui graduação em Engenharia de Materiais pela UFSCar, mestrado e doutorado em Ciências e Tecnologia Nuclear – Materiais pelo IPEN/CNEN-SP.
