Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel. M. Eng. Alexandre Farina Pesquisador em Ligas de Ni Pesquisa e Desenvolvimento

(1)

Superligas de

Níquel

M. Eng. Alexandre Farina

Pesquisador em Ligas de Ni Pesquisa e Desenvolvimento

(2)

 Definição e conceitos sobre Superligas e Ligas de Níquel

 Processo de Fabricação

 Metalografia das ligas de Níquel

 Monel, Inconel, Incoloy, Nimonic

 Superligas à base de Níquel

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 São ligas que apresentam uma ou mais propriedades muito acima das

ligas convencionais (aços carbono, aços ferramenta, aços inoxidáveis,

etc...). As superligas mais conhecidas são à base de Ni, mais há ligas à

base de Co, Fe, etc...

 Propriedades desejadas

 Resistência Mecânica

 Tração, Torção, Fadiga, Impacto, Fluência

 Resistência à Corrosão

 Resistência à Oxidação

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 Devido as elevadas propriedades mecânicas estas ligas podem ser

divididas em duas classes:

 Ligas trabalhadas termo-mecanicamente (Wrougth Alloys)

 Forjadas e Laminadas

 Com ou sem Tratamentos Térmicos

 Ligas não trabalhadas termo-mecanicamente

 Fundição de Precisão

 Monocristalinas

 Solidificação Direcional

Definição de Superligas

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 O que torna estas ligas “Superligas” ?

 Fases com comportamentos que fogem aos comportamentos padrão:  Fase g’ – Ni₃(Al,Ti) – Estrutura cúbica (CFC) do tipo L1₂

 Fase g’’ – Ni₃Nb – Estrutura ortorrômbica do tipo DO₂₂ Fase b – NiAl – Estrutura cúbica (CCC) do tipo B2

Fases Ordenadas: Os átomos ocupam preferencialmente

(6)

 Limite de Escoamento da fase

g

’ Ni

₃

(Al,Ti)

 Limite de escoamento aumenta com a temperatura

AISI 316

Inconel 713

Limite de escoamento é função de

adições de elementos de liga

(7)

 Limite de Escoamento da fase

g

’ Ni

₃

(Al,Ti)

 O aumento é gerado por uma mudança do sistema de escorregamento

na super-estrutura cristalina

 Para a fase

g

’ – Ni

₃

(Al,Ti) isto ocorre pela mudança do escorregamento

no plano (111) para o plano (110) em alta temperatura.

(8)

 Fase

b

Ni(Al,Ti)

 As fases intermetálicas apresentam características especiais, porém

nem todas podem ser utilizadas para ligas estruturais.

 A fase

b

apresenta comportamento cerâmico, com fratura frágil sob

tração. Esta propriedade impede seu uso em estruturas.

(9)

(10)

 Limite de Escoamento

(11)

(12)

Processo de Fabricação

Processo Especial Convencional

Fusão VIM (Vaccum induced melting)

EAF (Electric Arc Furnace)

Refusão / Refino

ESR (Electroslag Remelting)

VOD (vacuum oxygen decarburisation) VAR (Vaccuum Arc

Remelting)

AOD (Argon-Oxygen Decarburization) Forjamento Forjamento em prensas hidráulicas.

Geralmente para peças grandes e barras. Laminação Laminação (plana e barras)

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Processos de Fabricação - Fusão

 EAF (Electric Arc Furnace)  Fusão por arco voltaico  Fusão e vazamento ao ar

 Refino do metal líquido por escória  Há oxidação do banho metálico

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Processos de Fabricação - Fusão

 VIM (Vacuum Induction Melting)  Fusão e vazamento sob vácuo

 Pouco refino do metal líquido

 Reduzida oxidação do banho metálico

 Possibilidade de vazamento de ligas que são facilmente oxidadas com oxidação mínima

 Ligas com Al, Ti

 Apenas refino por pressão (vácuo)  Pressão de vapor

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Processos de Fabricação - Refino

 VOD (Vacuum Oxygen Decarburizing)  Descarburação por injeção de gás  Refino do metal líquido

(16)

Processos de Fabricação - Refino

 AOD (Argon-Oxygen Decarburizing)

 Descarburação por injeção de gás Ar/O

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Processos de Fabricação - Refusão

 ESR (Electroslag Remelting)

 Refusão por arco voltaico com escória  Refino da estrutura bruta de fusão

 Eliminação de impurezas para a escória  Uso da reação metal-escória

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Processos de Fabricação - Refusão

 VAR (Vacuum Arc Remelting)

 Refusão sob vácuo por arco voltaico  Refino da estrutura bruta de fusão

 Eliminação de impurezas para a superfície do lingote  Pressão de vapor

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Processos de Fabricação - Forjamento

 Forjamento:

 Prensagem a quente/frio de um lingote ou peça, em geral, de grande porte  Recalque (aumentar a deformação do material)

 Altera a microestrutura  refino do tamanho de grão  Desbaste (reduzir a espessura do material)

 Altera a microestrutura  refino do tamanho de grão  Acabamento (alisamento da superfície)

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Processos de Fabricação - Forjamento

 Forjamento:

 Prensagem a quente/frio de um lingote ou peça, em geral, de grande porte  Recalque (aumentar a deformação do material)

 Altera a microestrutura  refino do tamanho de grão  Desbaste (reduzir a espessura do material)

 Altera a microestrutura  refino do tamanho de grão  Acabamento (alisamento da superfície)

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Processos de Fabricação - Laminação

 Laminação

 Redução da espessura do material através da passagem deste entre dois cilindros com (barras) ou sem (planos) entalhes

 Refino da microestrutura através da redução do tamanho de grão

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Processos de Fabricação - Acabamento

 Acabamento  Torneamento,  Fresamento,  Retífica,  Trefilação

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Ligas de Ni – Principais Fases

Fase Estrutura Fórmula Comentário

g' FCC – L1₂ Ni3(Al,Ti) Principal fase para endurecimento da matriz da maioria das ligas de Ni

h HCP – DO₂₄ Ni3Ti

Fase deletéria e metaestável formada em altas temperaturas. Em geral precipita na forma de agulhas de Widmanstätten

g" BCT – DO₂₂ Ni₃Nb

Principal fase para endurecimento de ligas contendo Nb. Em geral a precipitação ocorre na forma de discos coerentes com a matriz g

d Ortorr. (Cu₃Ti) Ni₃Nb

Fase frágil e deletéria as propriedades. Precipita em alta temperatura na forma de agulhas (baixa temperatura – superenvelhecimento) ou filmes nos contornos de grão (altas temperaturas solubilização).

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Ligas de Ni – Principais Fases

M(C,N) FCC M(C,N) onde M = Ti, Nb, Hf, Zr ...

Carbonetos primários ou secundários. Dependentes do teor de C e de N das ligas e dos elementos formadores. Elevam as resistências ao desgaste e mecânica

M₂₃C₆ FCC (Cr,Fe,Mo,W)₂₃C₆

Carbonetos precipitados durante o envelhecimento das ligas para aumento da resistência mecânica. Em geral precipitação em glóbulos e placas nos contornos de grão.

M₆C FCC Fe₃Mo₃C Carboneto. Secundário

M₇C₃ Ortorr. (Fe,Cr,Mn)₇C₃

Carboneto secundário em geral observado na forma de partículas intergranulares.

(26)

Ligas de Ni – Principais Fases

M₃B₂ Tetragonal Mo₂FeB₂, Nb₃B₂ Boreto presente em ligas com elevado teor de B.

m Romboédr. (Fe,Co)₇(Mo,W)₆

Presente em ligas com elevado teor de Mo e de W. Precipita na forma de agulhas de Widmanstäten em altas temperaturas.

Laves Hexagonal

Fe₂Nb, Fe₂Ti, Fe₂Mo, Co₂Ta,

Co₂Ti

Fase deletéria. Precipita-se na forma de glóbulos alongados após exposição à altas temperaturas.

Sigma Tetragonal

FeCr, FeCrMo, CrFeMoNi, CrCo,

CrNiMo

Fase deletéria precipitada na forma de glóbulos em geral alongados em ligas que permaneceram por longos períodos entre 540ºC e 980ºC

(27)

(28)

 Evolução da Microestutura das Ligas de Ni

 Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)

 Liga Binária Ni-20Cr

 Matriz Austenítica

(29)

 Evolução da Microestutura das Ligas de Ni

 Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)

Isoterma de 1150ºC – Al-Cr-Ni

 Liga Ternária Ni-20Cr-1.0Al

 Matriz Austenítica

(30)

 Evolução da Microestutura das Ligas de Ni

 Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)

Isoterma de 1050ºC –Cr-Ni-Ti

g+g’

 Liga Quaternária

 Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti

 Matriz Austenítica com

Ni

₃

(Ti,Al)

(31)

 Evolução da Microestutura das Ligas de Ni

 Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)

 Liga Quinária

 Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti-0.05C

 Matriz Austenítica com

Ni

₃

(Ti,Al) e TiC

TiC

Nimonic 80A: Sol. 1080ºC/1h Env. 700ºC/16h

(32)

 Extremamente resistentes à corrosão, em especial em ambientes marinhos com água parada, porém com baixa resistência mecânica em relação as demais superligas de Ni. Resistência compatível com aços especiais.

 Aplicação principal nas indústrias naval e petroquímica

 Principais ligas: Monel 400 (VRC400) e Monel K500 (VRC500K)

(33)

Ligas de Ni-Cu (Monel)

A liga Monel foi desenvolvida

inicialmente partindo-se de sulfetos

de Ni e de Cu e fazendo redução

simultânea dos minérios como

fonte de Cu e de Ni

Monel tem um L apenas pois na

época não era permitido nomes de

(34)

Ligas de Ni-Cu (Monel)

Liga Ni Cu Fe Mn C Si S Outros Alloy 400 63.0 min 28.0~34.0 2.50 0.20 0.30 0.50 0.024 --- Alloy 401 40.0~45.0 Bal. 0.75 2.25 0.10 0.25 0.015 --- Alloy R-405 63.0 min 28.0~34.0 2.50 2.00 0.30 0.50 0.025~0.06 --- Alloy 450 29.0~33.0 Bal. 0.4~1.0 1.00 --- --- 0.02 1.0Zn, 0.05Pb, 0.02P Alloy K500 63.0 min 27.0~33.0 2.00 1.50 0.25 0.50 0.01 2.30~3.15Al, 0.35~0.85Ti

Valores sozinhos indicam máximo da faixa

(35)

Ligas de Ni-Cu (Monel)

 Monel K500

 Matriz bifásica (duas austenitas) com dispersão de TiC e após solubilização e envelhecimento apresenta precipitação de Ni₃(Al,Ti)

1330ºC liquidus 1280ºC solidus 815ºC g  g + g’ 760ºC g  g₁ + g₂ 65%Ni 30%Cu 1140ºC 700ºC 763ºC 42%Ni 56%Cu Composição da Matriz g₁ g₂ g’ g TiC g g₁ L Fração Molar de Fases

(36)

Ligas de Ni-Cu (Monel)

Monel K500 – Laminada a quente e solubilizada em alta temperatura. Ataque com Glicerégia

 Microestrutura

 Ligas com matriz austenítica podendo apresentar dispersão de precipitados de Ni₃(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N)

 Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%)

 Carbono pode ser adicionado em teores inferiores a 0.30%

Monel K500 – Macrografia de amostra bruta de laminação. Ataque com HNO₃ eletrolítico

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 Resistentes a altas temperaturas com excelentes propriedades mecânicas. Elevada resistência à oxidação e resistência razoável a corrosão.

 Aplicação principal nas indústrias aeroespacial, nuclear e petroquímica, válvulas automotivas, turbinas (avião e à gás).

 Principais ligas: Inconel 718 (VAT 718), Inc. 600 (VAT 600), Inc. 751 (VAT 751)

Sist. de exaustão

(38)

 Composição Química

Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)

Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros Alloy 600 72.0 min 14.0~ 17.0 6.0~ 10.0 0.15 1.0 0.5 0.50 Alloy 617 44.5 min 20.0~ 24.0 3.0 10.0~ 15.0 8.00~ 10.00 0.60 0.8~1 .5 0.05~ 0.15 1.0 1.0 0.5Cu, 0.006B Alloy 625 58.0 min 20.0~ 23.0 5.0 1.0 8.00~ 10.00 3.15~ 4.15 0.40 0.40 0.10 0.50 0.50 Alloy 690 58.0 min 27.0~ 31.0 7.0~ 11.0 0.05 0.05 0.50 0.50Cu Alloy 718 50.0~ 55.0 17.0~ 21.0 Bal. 1.0 2.80~ 3.30 4.75~ 5.50 0.65~ 1.15 0.20~ 0.80 0.08 0.35 0.35 0.30Cu, 0.006B Alloy 751 70.0 min 14.0~ 17.0 5.0~ 9.0 0.70~ 1.20 2.00~ 2.60 0.10 1.0 0.50 0.50Cu Alloy C-276 Bal. 14.5~ 16.5 4.0~ 7.0 2.50 15.0~ 17.0 0.01 1.0 0.08 0.35V, 3.50W

(39)

 Inconel 718

Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)

Liquidus 1350ºC Solidus 1210ºC M(C,N) 1260ºC Ni₃Nb (d) 1020ºC Ni₃Al (g’) 900ºC M₂₃C₆ 700ºC Ferrita 590ºC Laves 540ºC Sigma 500ºC Sigma 830ºC Fração Molar de Fases

(40)

Inconel 718 – Forjada a quente e solubilizada em alta temperatura (1030ºC/2h).

Ataque com Glicerégia

Inconel 751 – Laminada, solubilizada (1120ºC/1h) e envelhecida (750ºC/4h). Ataque com Glicerégia.

Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)

 Ligas com matriz austenítica.

 Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni₃(Al,Ti) e Ni₃Nb além de carbonitretos do tipo M(C,N)

(41)

Inconel 718 – Forjada e solubilizada em alta temperatura (1030ºC/2h) e envelhecida: 718ºC/8h+650ºC/8h. Ataque com Glicerégia

Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)

 Ligas com matriz austenítica.

 Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni₃(Al,Ti) e Ni₃Nb além de carbonitretos do tipo M(C,N)

Inconel 718 – Laminada e tratada a (1040ºC/1h + 980ºC/8h + 760ºC/8h + 650ºC/8h)

(42)

Inconel 625 – Bruta de Forjamento Ataque com Glicerégia

Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)

Inconel 625 – Forjada e solubilizada em alta temperatura (1200ºC/30min).

Ataque com Glicerégia

Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Alloy 625 58.0min 20.0 ~23.0 5.0 1.0 8.00 ~10.00 3.15 ~4.15 0.40 0.40 0.10 0.50 0.50

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 Resistentes a corrosão em altas temperaturas (em especial por cloretos), com boas propriedades mecânicas, porém inferiores as ligas Inconel. Resistência a oxidação reduzida.

 Aplicação principal na indústria petroquímica.

 Principais ligas Incoloy A-286 (VAT A286) e Incoloy 925 (VRC925)

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Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy)

Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros Alloy A-286 72.0 min 14.0~ 17.0 6.0~ 10.0 --- --- --- --- --- 0.15 1.0 0.5 0.50 Alloy 825 38.0 ~46.0 19.5 ~23.5 22.0 min --- 2.5 ~3.5 --- 0.6 ~1.2 0.2 0.05 1.0 0.5 1.5~3.0 Cu Alloy 925 44.0 21.0 28.0 --- 3.0 --- 2.1 0.3 0.01 --- --- --- Alloy 800HT 30.0~ 35.0 19.0~ 23.0 39.5 min --- --- --- 0.15~ 0.60 0.15~ 0.60 0.06~ 0.10 1.5 1.0 ---

(45)

Incoloy A-286 – Laminada, solubilizada (980ºC/1h) e envelhecida (720ºC/16h) Ataque com Glicerégia

 Microestrutura Incoloy 800H (g+g’+Ti(C,N) + M₂₃C₆) 1) Solubilizada 2) Solubilizada e Envelhecida por 15anos a 815ºC

Ataque com Marble.

Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy)

 Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de Ni₃(Al,Ti) além de carbonitretos do tipo M(C,N) e carbonetos do tipo M₂₃C₆

2) 1)

(46)

 Boa resistência à corrosão a alta temperatura, em especial por sulfatos, excelente resistência à fluência e à fadiga à quente.

 Aplicação principal na indústria automotiva na fabricação de válvulas para motores de combustão interna e industria petroquímica e aeroespacial.

 Principais ligas Nimonic 80A (VAT80A) e Nimonic 90 (VAT90)

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Ligas de Ni-Cr (Nimonic)

Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros Nimonic 80A Bal. 18.0 ~21.0 3.0 2.0 --- --- 1.8 ~2.7 1.0 ~1.8 0.10 1.0 1.0 --- Nimonic 86 Bal. 25.0 --- --- 10.0 --- --- --- 0.05 0.03Ce Nimonic 90 Bal. 18.0 ~21.0 1.5 15.0~ 21.0 --- --- 2.0 ~3.0 1.0 ~2.0 0.13 1.0 1.0 0.02B

(48)

Nimonic 80A – Laminada, solubilizada (1080ºC/1h) e envelhecida (700ºC/16h) Ataque com Glicerégia

Ligas de Ni-Cr (Nimonic)

 Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de Ni₃(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N)

 Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%)

Nimonic 90 – Laminada, solubilizada (1080ºC/8h) e envelhecida (700ºC/12h + 850ºC/2h). Ataque com Glicerégia

(49)

 Ligas com elevada quantidade de fases intermetálicas (g’, g’’)  Elevada resistência mecânica (tração, fluência)

 Elevada resistência à quente

 Microestrutura geralmente em Blocos

Superligas de Ni

(50)

(51)

Superligas de Ni (Monocristalinas)

(52)

Superligas de Ni – Waspaloy

 Similar a microestrutura da liga Nimonic 80A.  Diferença:

Maior quantidade de g’

 Elevada resistência mecânica à quente  Grande dispersão de partículas

 13.5%Co

 Elevada resistência à oxidação  4.5%Mo

 Elevada dificuldade para usinar  Aplicações:

 Indústria aeroespacial (turbinas)  Máquinas de tração e fluência

(53)

Superligas de Ni – Inconel 738

(54)

Superligas de Ni – MAR-M 246

(55)