ESTUDO DO COMPORTAMENTO EM FLUÊNCIA DA SUPERLIGA
INCONEL 718
Tarcila Sugahara
ITA, Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bolsista Mestrado FAPESP
tarcila.s@bol.com.br
Carlos de Moura Neto
ITA, Instituto Tecnológico de Aeronáutica Professor Associado I
mneto@ita.br
Danieli Aparecida Pereira Reis
ITA, Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bolsista PNPD CAPES
danielireis@hotmail.com
Ana Cláudia de Oliveira Hirschmann.
ITA, Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bolsista Pós Doutorado CNPq
anacoh@terra.com.br
Francisco Piorino Neto
IAE/CTA, Instituto de Aeronáutica e Espaço Pesquisador
fpiorino@iae.cta.br
Resumo. Materiais com comportamento adequado em temperaturas elevadas e ambientes agressivos tornaram-se uma
necessidade científica e tecnológica nos dias de hoje. Superligas à base de níquel são conhecidas desde a década de 1930, e utilizadas principalmente em aplicações aeroespaciais. Estas 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 temperaturas elevadas. Neste trabalho, pretende-se estudar o comportamento em fluência da superliga Inconel 718. A liga será submetida a ensaios de fluência na modalidade de carga constante, nas temperaturas de 650 e 700 ºC, na faixa de tensão de 625 a 814 MPa. Pretende-se obter conjuntos de curvas e parâmetros experimentais relativos às regiões primária, secundária e terciária, como função das tensões e temperaturas aplicadas. Serão avaliados a ductilidade, a taxa de fluência estacionária e o tempo de vida. A caracterização microestrutural, com o emprego das técnicas de microscopia óptica e eletrônica de varredura serão ferramentas valiosas para a compreensão dos mecanismos de fluência.Palavras chave: fluência, Inconel 718, superligas, caracterização microestrutural.
1. Introdução
O comportamento de metais e ligas durante deformação em altas temperaturas é complexo e muda com parâmetros de processamento termomecânicos e com as condições de trabalho.
Superligas à base de níquel são conhecidas desde a década de 1930, e utilizadas principalmente em aplicações aeroespaciais. Estas 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. Isto é conseguido graças à combinação de uma matriz austenítica endurecida por solução sólida – fase γ com elevadas frações volumétricas de precipitados coerentes do tipo Ni(Ti, Nb,Ta) Al – fase γ’. São ligas que contêm de 30% a 75%Ni e até 30%Cr, endurecidas por solução sólida e por precipitação. As ligas endurecidas por solução sólida são geralmente usadas na condição de recozimento. Algumas denominações são Hastelloy-X, Inconel 600, Inconel 617 e Inconel 625. As ligas endurecidas por precipitação contêm alumínio, titânio ou nióbio, para causar a precipitação de uma segunda fase durante um tratamento térmico apropriado. Algumas denominações são Astrolloy, Inconel 718, Nimonic 80A, René 41, Udimet 500, Waspalloy.
Desde que se tornou material em “evidência”, o Inconel vem sendo extensivamente estudado por vários grupos de pesquisa de todo o mundo. Não somente a liga 718, mas todos os tipos de Inconel têm sido investigados no que se refere à resistência a corrosão por tensão, corrosão em altas temperaturas, mecanismos de permeação de hidrogênio, morfologia dos filmes, efeitos do tratamento térmico, dentre tantos outros estudos que deem as reais características destas superligas (Schubert, F., 1983).
O Inconel 718, à base de níquel, contendo de 5,3 a 5,5%Nb, forma a espinha dorsal dos motores a jato, tanto comerciais quanto militares. Inicialmente desenvolvida como material de disco para turbofans de aeronaves, a liga 718 teve, nos últimos anos, seu uso estendido a outras peças de motores, como parafusos e eixos de rotor, sendo seu emprego adequado às indústrias nuclear, criogênica e petrolífera ( Sims, T.S, Stoloff, N., Hagel W.C., 1987).
Devido ao seu grande uso pelas indústrias, o Inconel 718 também tem sido bastante estudado. Podem-se citar, por exemplo, os trabalhos de Chen, Kawagoisihi e Nisitani que estudaram a taxa de crescimento da corrosão por fadiga e vida útil do Inconel 718 em diversas temperaturas. Verificou-se que esta taxa poderia ser estimada pela lei de crescimento das pequenas fissuras em altos níveis de tensão e que a fadiga é maior em temperaturas mais elevadas. Os autores mencionam que, mesmo que o Inconel seja considerado resistente a altas temperaturas, a repetição por tensão em condições ambientais específicas pode causar outros comportamentos no crescimento de trincas e que esses problemas deveriam ser estudados no futuro (Chen, Q.; Kawagoishi, N.; Nisitani, H., 2000).
Fluência é a deformação lenta e contínua de um sólido com o tempo (ASTM, 1996). Tipicamente, a resistência à fluência de um sólido é estimada pelo cálculo da taxa de deformação secundária e avaliada como função da carga ou tensão aplicada. Para tanto, é aplicada uma carga estática sobre uma amostra em temperaturas elevadas, medindo-se a deformação como função do tempo (ASTM, 1996).
O objetivo deste trabalho é a caracterização microestrutural da superliga Inconel 718 após ensaio de fluência. A liga selecionada (Inconel 718) foi submetida a ensaios de fluência ao ar em temperatura de 650 e 700oC, na modalidade
de carga constante, na faixa de tensão de 625 a 814 MPa. Estudos completos de ensaio na fluência da superliga Inconel 718 são escassos na literatura. A caracterização microestrutural tem como objetivo determinar as fases existentes, incluindo a caracterização e quantificação das inclusões presentes, além de permitir um conhecimento mais detalhado da influência da microestrutura na resistência à fluência ao ar da superliga Inconel 718.
2. Metodologia
A Superliga Inconel 718 utilizada neste trabalho foi fornecida pela empresa Villares S.A. (Sumaré-SP). O material teve uma fusão em forno VIM, refusão em VAR, tratamento térmico de homogeneização, forjamento a quente em matriz aberta para desbaste, laminação a quente de desbaste e laminação a quente de acabamento.
A composição da superliga esta mostrada na Tab. 1. Tabela 1.Composição química da superliga Inconel 718.
Elementos Químicos (% peso) C 0,042 S 0,0028 Mn 0,01 Co 0,02 Ni 52,97 Cr 18,56 Nb 5,61 Al 0,07 Ti 1,95 Mo 2,63
A superliga Inconel 718 foi analisada sob condições de fluência em temperaturas de 650 oC, a carga de 700, 750
and 814 MPa e de 700 °C, a carga de 625, 700 e 750 MPa .
Os corpos-de-prova foram confeccionados pela ENEFER Ltda, de acordo com as especificações como mostrado na Fig. 1.
Figura 1 - Corpo-de-prova.
A Tab. 2 apresenta o valor de dureza para a liga de Inconel 718, que já era esperado, e que esta próximo ao fornecido pela Villares S.A.
Tabela 2. - Ensaio de dureza na escala de microdurezaVickers do Inconel 718(como recebido). Superfície analisada Dureza (HV)
Inconel 718 344,06
Na Fig. 2 pode ser observado 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).
Figura 2. Microestrutura da liga de Inconel 718, como recebido. 2.1. Ensaio de Fluência
Para realização dos ensaios de fluência foram utilizados os fornos pertencentes ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA/CTA, da marca MAYES. Nos fornos foram adaptados sistemas elétricos e controladores, desenvolvidos pela BSW Tecnologia, Indústria e Comércio Ltda, segundo as exigências da norma (ASTM E139/83, 1990). O forno de fluência é apresentado na Fig. 3.
Figura 3 - Forno de fluência marca Mayes.
Foi utilizado o Software Antares desenvolvido em conjunto com a BSW Tecnologia, Indústria e Comércio Ltda., visando a coleta de dados relativos ao alongamento dos corpos-de-prova e as medidas de temperatura em períodos de tempo pré-determinados.
Para a obtenção das medidas de alongamento, foi utilizado um transdutor do tipo LVDT Schlumberger D 6,50. Para o controle de temperatura foi utilizado um termopar tipo Cromel-Alumel AWG24.
O forno foi instalado em uma posição adequada, de forma que o corpo-de-prova se mantivesse localizado na parte central de aquecimento. Acoplado ao controlador e a um indicador digital de temperatura instalado próximo à máquina de ensaio, foi utilizado um termopar numa posição próxima ao corpo-de-prova. O sinal do termopar era coletado por uma unidade de processamento pelo Software Antares, com os dados de temperatura e alongamento armazenados simultaneamente durante o ensaio de fluência.
O sinal de saída do LVDT era enviado a uma unidade de processamento, desenvolvida pela BSW Tecnologia, Indústria e Comércio Ltda, que convertia os sinais em medidas de alongamento por períodos de tempo pré-definidos pelo operador e alimentava o Software Antares. Para a alimentação do software, foi utilizada a curva de calibração obtida por um calibrador de extensômetros de alta resolução, para um transdutor do tipo LVDT Schlumberger D 6,50, à temperatura de aproximadamente 35°C.
A realização dos ensaios de fluência se procedeu de acordo com a norma (ASTM E139-06, 1990). O forno de fluência foi desmontado peça por peça, as roscas principalmente as mais oxidadas foram lixadas e engraxadas, a estrutura foi remontada com o corpo-de-prova, encaixado na estrutura conectado ao extensômetro e com os termopares fixados próximos ao corpo-de-prova. O LVDT foi conectado ao extensômetro. Ajustou-se o centro do corpo-de-prova com o centro do forno, quando necessário o nível do forno foi ajustado, os tijolos refratários e manta de fibra de vidro foram colocados nas extremidades superior e inferior do forno para impedir perda de calor.
Com o software inicializado o LVDT foi ajustado de maneira a registrar no software a deformação inicial desejada o início da faixa linear do LVDT. No braço do forno foi colocada 10% da carga total pretendida no ensaio, para ajuste do sistema, e após 1 hora foi colocada a carga total.
2.2. Preparação Metalográfica
Após o ensaio de fluência os corpos-de-prova foram preparados através de procedimentos convencionais (corte transversal). Para o embutimento a quente, utilizou-se uma resina fenólica fornecida pela Struers. Em seguida as amostras foram lixadas de acordo com a seguinte seqüência de granas: 220, 500, 800, 1200. O polimento final foi feito com OP-S. Para revelação da microestrutura, as amostras foram atacadas com uma solução (reagente Glycerégia) na proporção de 3:HCL, 2:Glicerol, 1: HNO3, com tempos de imersão em torno de 15 s.
Foi utilizado microscópio óptico Leica modelo DMRXP e microscópio eletrônico de varredura da marca LEO modelo 435 VPI pertencente à Divisão de Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço do CTA (AMR/IAE/CTA). 3. Resultados
3.1. Ensaio de Fluência
A Figura 4 apresenta as curvas de fluência obtidas para a liga de Inconel 718 sem tratamento nas condições de 650 oC, para cargas de 700, 750 e 814 MPa.
Figura 4. Curvas de fluência obtidas para a liga Inconel 718 em temperaturas de 650oC, e cargas de 700, 750 e 814 MPa
(material como recebido).
A Figura 5 apresenta as curvas de fluência obtidas para a liga de Inconel 718 sem tratamento nas condições de 700 oC, para cargas de 625, 700 e 750 MPa.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 1 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 8 625 MPa 700 MPa 750 MPa d e form a çã o [m m/m m ] tempo [h]
Figura 5. Curvas de fluência obtidas para a liga Inconel 718 em temperaturas de 700oC, e cargas de 625, 700 e 750 MPa
(material como recebido).
Como já esperado, pode-se observar um aumento significativo da resistência do material na vida em fluência com a diminuição da tensão.
As Tabela 3 e 4 apresentam a relação dos principais parâmetros experimentais obtidos a 650 e 700°C, respectivamente, a partir das curvas experimentais, em que σ é a tensão aplicada, ε·
s corresponde a taxa de fluência
estacionária, obtida a partir da inclinação da região linear na curva de fluência (estágio secundário). O valor de tp
corresponde ao constante tempo relativo a tempo primário, é obtido no final do estágio primário e/ou início do estágio secundário. O valor tf é o tempo final de fratura, εf corresponde à deformação de fratura e RA, a redução percentual em
área, na fratura.
Tabela 3. Dados de fluência a 650 °C. σ (MPa) (h) tp ε · s (1/h) (h) tf (mm/mm) εf (%) AR 700 16 0,00013 --- --- --- 750 6 0,00032 92,7 0,06036 5,57 814 0,25 0,00616 4 0,06120 6,23 Tabela 4. Dados de fluência a 700 °C.
σ (MPa) (h) tp ε · s (1/h) (h) tf (mm/mm) εf (%) AR 625 1,50 0,0002 15,0 0,0511 7,23 700 0,33 0,0009 5,1 0,0314 3,80 750 0,05 0,0016 1,7 0,0258 4,23 4. Conclusões
Quanto às medidas de microdureza, a liga Inconel 718 apresenta uma dureza próxima à fornecida pelo fabricante (sem tratamento térmico). A liga apresentou comportamento típico em fluência com a presença dos três estágios de fluência. O estágio secundário foi predominante durante o ensaio; a taxa mínima de fluência apresentou aumento significativo com o aumento da tensão aplicada.
5. Agradecimentos
A minha família pelo amor, apoio e compreensão.
À Profa. Dra. Danieli Aparecida Pereira Reis pela atenção, paciência, dedicação e orientação. À Dra. Ana Claudia de Oliveira Hirschmann pelo apoio, colaboração e instrução.
Ao Prof. Dr. Carlos de Moura Neto pelo apoio e instrução.
Ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica/ Divisão Mecânica, pela contribuição no desenvolvimento deste trabalho. À FAPESP pela concessão da bolsa e suporte financeiro para realização deste trabalho.
6. Referências
American Society For Testing And Materials, 1990, Surface Engineering, v.5, Philadelphia. American Society for Testing and Materials, 1996, Surface Engineering, v.5, Philadelphia.
Chen, Q.; Kawagoishi, N.; Nisitani, H. Evaluation of fatigue crack growth rate and life prediction of Inconel 718 at room and elevated temperatures. Materials Science and Engineering, v. 277, p. 250-257, 2000.
Schubert, F., Temperature and time dependent transformation: Application to heat treatment of high temperature alloys, ASM, Metals Park, 1983, p.3.
Sims, T.S, Stoloff, N., Hagel W.C. Superalloys II High Temperature Materials for Aerospace and Industrial Power, ed. John Willey, New York,1987.
