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a) Fundição
Os requisitos de propriedades mecânicas e de resistência à corrosão/oxidação
em elevadas temperaturas, que as superligas devem satisfazer para que possam
ser empregadas em aplicações tais como componentes de turbinas de aviões a
jato, têm determinado as características dos processos de fundição destas
superligas. Por este motivo, na fabricação de superligas de níquel fundidas
deve haver rigoroso controle dos parâmetros durante as etapas de fusão,
homogeneização e solidificação. Atualmente predomina a fusão, a arco ou por
indução, a vácuo. Do mesmo modo, deve haver muito cuidado quanto a todos os
materiais que entram em contato com o banho durante a fusão, assim como em
relação às adições feitas às ligas, para refino ou para outras finalidades.
Vários tipos de
processos podem ser usados para a fusão das superligas de níquel. Talvez o
mais utilizado seja o processo de refusão a arco em vácuo a partir de
material fundido por indução a vácuo, conhecido pela sigla VIR em inglês
[1]. Neste processo quatro variáveis são importantes: 1-matéria-prima
virgem; 2-sucata como matéria-prima; 3-refratário; 4-adição de CO e H2O para
o refino. No processo ESR (eletroescória refundida a partir de eletrodos
fundidos ao ar) as variáveis importantes são: 1-matéria-prima (VIR e
sucata); 2-escórias fundidas ao ar; 3-refratários 4-escórias fundidas pelo
processo ESR. No processo EVR (eletroescória refundida a partir de eletrodos
fundidos por indução a vácuo) as variáveis importantes são: 1-matéria-prima
virgem; 2-sucata como matéria-prima; 3-refratários; 4-escórias ESR. No
processo PMR (material fundido a plasma em cadinho refratário) as variáveis
importantes são: 1-matéria-prima virgem; 2-sucata como matéria-prima;
3-refratários; 4-ligantes (se forem usados). No processo PMS (material
fundido a plasma em cadinho feito de cascão de panela) há somente duas
variáveis importantes: 1-matéria-prima virgem; 2-sucata como matéria-prima;
este método elimina o refratário e oferece a possibilidade vantajosa de
fundir diretamente a partir de lingotes ou eletrodos. No processo PMV
(fundido com eletrodo a plasma em vácuo e refundido a vácuo), somente a
matéria-prima é uma variável importante, porém este processo oferece a
possibilidade de melhorar a microestrutura do lingote através da etapa de
refusão a arco. No processo NAR (a arco não consumível, rotativo) as
variáveis importantes são: 1-matéria-prima virgem; 2-sucata como
matéria-prima; 3-refratários; 4-contaminação potencial do eletrodo. No
processo NAS (eletrodo não consumível, rotativo, vazado em cadinho de
cascão) as variáveis importantes são: 1-matéria-prima virgem; 2-sucata como
matéria-prima; 3-contaminação potencial do eletrodo; nestes dois processos (NAR
e NAS) há a possibilidade, porém remota, de contaminação a partir do
eletrodo não consumível. O processo NAV (arco não consumível, fundido com
eletrodos e refusão a arco em vácuo, junção do NAS com o VAR) apresenta como
variável importante somente a matéria-prima, além de também permitir a
possibilidade de melhoria da microestrutura do lingote. O processo NER (arco
não consumível, fundido com eletrodos e refundido com eletroescória, junção
do NAS com o ESR), apresenta como variáveis importantes somente a
matéria-prima e a eletroescória, porém permite a possibilidade de
dessulfurizar na etapa ESR. O processo EBM (fusão por feixe de elétrons)
apresenta como variável importante somente a matéria-prima, mas não oferece
vantagem em relação ao processo VIR. O processo VEB apresenta como variáveis
importantes: 1-matéria-prima virgem; 2-sucata como matéria-prima;
3-refratário; 4-contaminação reduzida a ppms (partes por milhão); apresenta
características de fusão semelhantes às do processo VIM, porém
adicionalmente a possibilidade de refino por feixe de elétrons na soleira em
cascata. O processo NEB (eletrodo não consumível com soleira em cascata e
fusão por feixe de elétrons) apresenta a matéria-prima com única variável
importante, e é um processo muito viável, por combinar um mínimo de
contaminação do banho com a melhor forma de refino do metal. E, finalmente,
o processo NEV (NEB com refusão a arco em vácuo) também apresenta a
alimentação de matéria-prima como única variável importante, e teoricamente
reduz a contaminação do banho metálico àquela proveniente da matéria-prima.
As propriedades das
superligas de níquel são afetadas por todas as fases dos processos de
fabricação. Sob esse ponto de vista, considera-se o processo VAR como um
processo de fusão e solidificação controladas. A solidificação do banho
metálico deve ser cuidadosamente controlada para assegurar que as
propriedades ideais sejam obtidas a um custo viável. Adicionalmente,
tratamentos térmicos de homogeneização são necessários para garantir
distribuição adequada de fases na microestrutura das superligas de níquel.
Fusão ao ar: os
requisitos de propriedades das superligas de níquel destinadas à fabricação
de componentes de turbinas de aviões a jato têm limitado a aplicação do
processo de fusão ao ar para a fabricação de poucas ligas para determinadas
aplicações críticas. Além disso, a tecnologia dos fornos de indução elétrica
torna necessário um lote mínimo de fabricação da ordem de 10 a 15 toneladas,
preferencialmente 50 toneladas, havendo também limitações tecnológicas,
como, por exemplo, a necessidade de reduzir os teores de silício ao mínimo
possível, o que é muito complicado no caso de fusão ao ar, já que o silício
é um ingrediente importante das escórias de fornos elétricos. Por este
motivo, serão abordados a seguir somente as variáveis importantes para o
processo VAR (refundido a arco em vácuo a partir de eletrodos fundidos por
indução em vácuo).
Processo VAR -
Matéria-prima: Historicamente razões econômicas determinam a escolha e o
uso de matérias-primas, e não fatores tecnológicos. Entretanto, levando em
consideração as exigências relativas a materiais de uso aeronáutico, os
fabricantes têm focado a questão da composição química da matéria-prima.
Sucata como matéria-prima: Este tipo de material deve ser cuidadosamente
segregado e mantido limpo. Apesar disso, freqüentemente a sucata tem sido
considerada como o principal fator de contaminação na fundição de
superligas. Por exemplo, muitos componentes feitos à base de superligas são
fabricados por brasagem, e a sucata gerada por esse processo evidentemente
torna-se uma fonte de contaminação por chumbo, estanho e cobre, se não for
feita uma seleção cuidadosa da sucata a ser utilizada como matéria-prima.
Como regra geral prefere-se a sucata interna, com composição química
conhecida, à sucata comprada no comércio, justamente para evitar esse tipo
de contaminação. Devem ser evitados elementos como fósforo, chumbo, estanho,
antimônio, arsênio e outros elementos mesmo em traços. No caso de sucata
comprada, a mesma deve ter sua composição determinada por amostragem em
lotes antes de ser usada na fundição. O pré-refino da sucata é um método não
muito utilizado, porém bastante efetivo para o ajuste de elementos residuais
como o enxofre, e a diluição de outros elementos. Também pode ser utilizado
um sopro de oxigênio na sucata fundida antes de um tratamento de redução com
escória. Entretanto, este método não é indicado quando a sucata contém
teores significativos de elementos formadores de compostos refratários, como
o os nitretos de titânio (TiN) e de vanádio (VN), que são estáveis no estado
líquido. Uma vez formados, estes compostos não podem ser reduzidos e são
mantidos no produto final.
Algumas especificações
limitam a quantidade de certos tipos de sucatas a determinadas porcentagens
do total de matéria-prima carregada nos fornos de fundição. Em relação a
alguns tipos de sucata usada em fusão ao ar, a principal preocupação é com
os elementos que afetam a trabalhabilidade a quente ou o processamento
posterior, os quais devem ser minimizados nas cargas de sucata a serem
introduzidas nos fornos. Se a liga deve ser refundida ao arco em vácuo, o
fabricante pode levar em consideração, até certo ponto, a remoção de certos
elementos no vácuo, como, por exemplo, o manganês, o hidrogênio e o
oxigênio, assim como outros elementos com baixas pressões de vapor.
Matéria-prima virgem: compõe-se de metais comercialmente puros, ferro-ligas,
pré-ligas, óxidos metálicos ou compostos intermetálicos. Na fusão ao ar
praticamente todos esses tipos de matéria-prima virgem são utilizados,
porque se utiliza dispositivos abertos ao ar: uso de escórias,
recarregamento, agitação mecânica do banho, sopro de oxigênio, adições para
refino, proteção de vapor e adições de lingote.
Quando a liga pode conter ferro, as ferro-ligas são bastante úteis como
matéria-prima, principalmente do ponto de vista econômico, mas podem
apresentar grande variações de teores de elementos tais como enxofre e
nitrogênio. O teor de enxofre da carga de matéria-prima deve ser o mais
baixo possível, mas é possível reduzí-lo por tratamentos com escórias.
Matéria-prima com alto teor de enxofre não deve ser usada em processos como
o VIM (fusão por indução a vácuo). Também deve haver muito cuidado para
evitar umidade na carga de matéria-prima usada na fabricação de materiais
refratários, pois estes tendem a ser muito higroscópicos. Freqüentemente a
cal calcinada pode contaminar o material com elevados teores de MgO, que
pode afetar as propriedades do material, se não for removida.
A contaminação pelo
destacamento de material refratário dos fornos de fundição e sua absorção
pelo banho de metal líquido, não tem sido muito investigada, pois muitos
acreditam que isso é pouco provável, ao considerar o revestimento refratário
do forno inerte. Entretanto, sabe-se que banhos metálicos líquidos podem ser
contaminados pelo contato com certo materiais refratários, quando condições
redutoras prevalecem durante a fusão. A contaminação por boro e por zircônio
presentes no material refratário dos fornos pode ter um efeito favorável às
propriedades das superligas de níquel, mas a maioria dos elementos que
contaminam o banho de fusão deste modo podem apresentar efeitos nocivos a
estas propriedades. Os refratários podem contribuir para a formação de
inclusões por reações químicas com o banho de fusão (inclusões endógenas) ou
por erosão das paredes do forno que gera fragmentos absorvido pelo banho
(inclusões exógenas). Estes fatores podem ser cuidadosamente controlados
pelo monitoramento dos procedimentos de montagem e reparo do revestimento
refratário dos fornos e pelo controle das variáveis de fusão, como
temperatura de superaquecimento, temperatura de vazamento e carregamento e
recarregamento cuidadosos de matéria-prima nos fornos de fundição.
Entretanto, é difícil
analisar quimicamente os refratários usados nos fornos de fundição, e em
geral o fundidor se orienta pelos certificados emitidos pelos fornecedores
de material refratário para fornos. A tendência de pesquisa e
desenvolvimento em fundição, nos próximos anos, será marcada pelo aumento do
interesse nesse tipo de ocorrência, especialmente no caso de fusão em vácuo.
Outro aspecto importante na fundição é a questão da evolução dos gases
durante o processo: esse fenômeno é inevitável no caso de fusão ao ar, porém
pode ocorrer até certo ponto mesmo na fusão em vácuo. Pode ser influenciado
por diversos fatores, como manuseio de materiais, cortes de energia
elétrica, falhas mecânicas nos equipamentos e até mesmo causas relacionadas
com mão-de-obra. Como resultado, há uma grande variação na eficiência dos
procedimentos de desoxidação, especialmente quando ocorrem variações
climáticas. Nesta caso, a fusão em vácuo ajuda muito a resolver esse tipo de
problema, mas não é uma solução completa.
Novas técnicas de fusão ao ar e desgaseificação em vácuo: Embora a
desgaseificação em vácuo e outras técnicas tenham se iniciado na fusão ao
ar, o rápido desenvolvimento e o uso da fusão em vácuo pode ter desviado
alguns processos de refino a vácuo intermediários. Por exemplo, poucos, ou
até mesmo nenhum, dos eletrodos do processo VAR são desgaseificados em vácuo
antes do uso. De modo semelhante, poucos eletrodos de superligas já foram
desgaseificados em vácuo. Entretanto, vários dos novos processos oferecem
vantagens econômicas para o futuro.
Em certos processos de
desgaseificação, uma superliga com poucos elementos reativos (Ti, Al, Nb)
podiam ser fundida ao ar com matéria-prima relativamente barata. O banho de
fusão podia ser desoxidado, então dessulfurizado com cal e escorificado. Uma
vez coberto o banho de fusão e com a capacidade de aumentar o calor por arco
ou indução em vácuo, os elementos reativos podiam ser adicionados e o calor
se espalhava através dos eletrodos em vácuo ou em atmosfera inerte. Com uma
prática de fundição adequada, era possível obter um produto de boa
qualidade, mesmo utilizando-se matéria-prima de custo mais baixo do que
aquela usada na fusão por indução em vácuo. Também era possível a fundição
contínua com equipamento adequado.
Fusão por indução
em vácuo: Este processo começou a ser mais utilizado nos Estados Unidos
por volta de 1940, com o desenvolvimento de dispositivos para obtenção de
vácuo, aumentando a produção de alguns gramas para cerca de 50 toneladas.
Além da obtenção do vácuo e fatores relacionados, o fundidor deve ser
extremamente cuidadoso com as cargas de matéria-prima usadas na fundição em
vácuo. Grande parte das vantagens do processo de fundição por indução em
vácuo vem do uso de matéria-prima virgem, em geral produzida
eletroliticamente ou por processos especiais de separação química. Como a
fusão em vácuo geralmente resulta em recuperação de elementos de liga
próxima de 100 % (sendo exceções o carbono, o manganês e o nitrogênio), o
uso de matéria-prima com alto grau de pureza realmente favorece o controle
da composição química, desde que se tomem cuidados adequados na pesagem,
alimentação e aquecimento da matéria-prima, além de representar um ganho
econômico no processo de controle da composição química da liga. Entretanto,
o uso de 100 % de matéria-prima virgem evidentemente representa uma
desvantagem econômica, além de significar um desperdício de sucata valiosa
que poderia ser usada como carga de matéria-prima na fundição de superligas
de níquel. Uso de sucata como matéria-prima: nos Estados Unidos já existe
toda uma estrutura organizada de coleta, limpeza e empacotamento de sucata
de superligas para uso como carga de matéria-prima na fundição, mesmo no
caso de fundição em vácuo. A sucata é cuidadosamente coletada e reciclada
internamente pelo fundidor de superliga. Alguns fundidores até mesmo
pré-refinam a sucata, a convertendo num material mais adequado para ser
usado como matéria-prima na carga de fundição. O percentual de sucata na
matéria-prima deve ser rigorosamente controlado, e no caso de fundição de
peças de turbinas usadas em aplicações críticas pode ser restringido em no
máximo 50 %. Certos tipos de sucata, como peças oleosas, pós e peças
brasadas nem mesmo podem ser usadas como matéria-prima, na maioria dos
casos. Um controle de qualidade cuidadoso requer amostragem estatística e
fusão em vácuo de amostras representativas antes do recebimento desta
sucata. Como conseqüência desse tipo de exigência, a indústria da sucata
desenvolveu um alto grau de sofisticação com relação aos equipamentos usados
na fusão e na análise química.
Matéria-prima virgem: Níquel, ferro, nióbio, cromo, cobalto e manganês
eletrolíticos, “ferro Armco”, pelotas de níquel, rodelas de tungstênio,
cobalto e molibdênio e certas ferro-ligas (para ligas que contêm ferro ou
permitem alto teor de ferro residual) são usados. As principais ferro-ligas
usadas em fusão em vácuo são Fe-Cr, Fe-Mo e Fe-Nb. Entretanto, estes
materiais são particularmente muito sensíveis a variações nos teores
residuais de enxofre e de nitrogênio. Em alguns casos se usam briquetes
prensados de metais como molibdênio. Praticamente não se usa pós metálicos
como matéria-prima de fundição, devido aos riscos de perda de elementos de
liga e de erro de composição química, além de possíveis danos às bombas de
vácuo. Entretanto, microadições, em nível de ppm (partes por milhão), podem
ser feitas através de pós “empacotados” em folhas finas de alumínio e assim
mergulhados no banho de fusão. Contudo, mais freqüentemente estas adições
são feitas em ligas-mães de níquel, como Ni-Mg ou Ni-B.
Preparação e
Carregamento de Fornos de Fundição: Na fusão em vácuo é de fundamental
importância muita atenção e cuidado com a preparação do forno, com a limpeza
da carga de matéria-prima, com a fusão propriamente dita e com os moldes
utilizados. É uma etapa crítica a remoção de fragmentos soltos e óxidos do
fundo do cadinho e das paredes do forno. Isso é particularmente complicado
no caso de operações rápidas, nas quais o cadinho ainda está quente como
resultado do uso na corrida anterior. Entretanto, o uso de ferramentas
especiais e de revestimento protetor ajudam a satisfazer este requisito. As
partes do forno, as conexões elétricas e as conexões de vácuo devem ser
cuidadosamente examinadas para evitar que o forno abra durante a operação
para conserto. Os anéis de vedação (“O-rings”) e as superfícies em contato
com esses anéis devem ser inspecionados para garantir que não haja vazamento
durante a fusão. Do mesmo modo, para assegurar uma fusão sem problemas deve
ser feita uma colocação cuidadosa dos moldes, calhas e bicos de vazamento.
Neste aspecto, o carregamento do cadinho é de extrema importância, uma vez
que geralmente os fundidores tendem a pensar que essa operação apresenta um
alto custo de mão-de-obra e baixo valor tecnológico.
A colocação da carga de fundição é de fundamental importância, tanto do
ponto de vista da uniformidade do banho de fusão quanto do ponto de vista
econômico. O primeiro aspecto a ser considerado é o cuidado com o material
do revestimento refratário do forno no cadinho durante o carregamento. Deve
haver muito cuidado durante o carregamento, especialmente com peças de
grandes dimensões, de modo a evitar trincamento ou outro tipo de dano ao
material refratário do cadinho. O carregamento deve ser feito de tal modo
que a carga fique com a maior densidade possível, ou seja, com o maior fator
de empacotamento possível, evitando que fique agarrada às paredes do forno,
principalmente no rápido início da fusão. Alguns fabricantes com maior
capacidade de produção utilizam programas de computador para ajudar no
empacotamento da carga de fundição, principalmente no caso de produção de
ligas mais nobres.
Material refratário
e vácuo: Embora os refratários com alto teor de magnésia (MgO) sejam os
mais favoráveis para a fusão da maioria das superligas de níquel,
refratários à base de alumina (Al2O3) também podem ser usados. De num modo
geral, a magnésia é mais suscetível ao choque térmico do que a alumina,
fazendo com que seja necessário um pré-aquecimento do refratário de
magnésia. Por outro lado, os refratários à base de alumina apresentam
superfície mais irregular, mas podem ser utilizados sem pré-aquecimento. Não
há dúvida de que existe um certo grau de interação entre refratário e banho
de fusão. Não existe material refratário inerte a este tipo de interação,
principalmente quando as condições de fusão variam muito, de oxidantes para
redutoras. A absorção de magnésio a partir de um cadinho de MgO pode até
apresentar um efeito benéfico às propriedades da liga, porém a absorção de
alumínio a partir de um material refratário à base de alumina pode resultar
na formação excessiva de inclusões não metálicas. Outros fatores importantes
são a arquitetura do próprio cadinho e a diferença básica entre refratários
em forma de tijolos e refratários em forma de massa de revestimento. Esses
fatores tornam-se ainda mais importantes à medida em que o tamanho do forno
aumenta. Ainda há muito espaço para a melhoria dos materiais refratários dos
fornos. Por exemplo, há poucos casos relatados do uso de refratários
compósitos. As exigências relativas aos aspectos econômicos da fusão e o
crescimento da demanda de maior pureza e confiabilidade leva os fundidores
cada vez mais a enfatizar a natureza das variações de impurezas nos
materiais refratários dos fornos de fundição usados na produção de
superligas de níquel.
Existem poucas
informações sobre a manutenção do vácuo durante a fusão por indução. O
primeiro, e provavelmente mais facilmente reconhecido, dos aspectos
relacionados com a indicação de pressão, é o vazamento através de conexões,
“O-rings” e dispositivos semelhantes. Outra fonte de problemas é a
possibilidade de retorno do ar bombeado para fora, principalmente quando se
usa determinados tipos de bombas de difusão juntamente com bombas mecânicas.
Outra fonte de contaminação por gás é a dessorção a partir da superfície da
carga metálica, que pode até conter umidade, além de diferentes tipos de
gases adsorvidos, o que evidentemente enfatiza a necessidade de limpar
cuidadosamente a carga de fundição antes da fusão e de assegurar que não
ocorram vazamentos nas conexões do sistema de resfriamento a água. Outras
fontes de contaminação por gases são os gases dissolvidos a partir das
interações entre material refratário e o banho de fusão, e os gases gerados
a partir da volatilização de certos elementos metálicos. Na fusão de
superligas de níquel em vácuo, um fator importante deve ser considerado:
quando a taxa de evolução de gás no forno se iguala a taxa de remoção de
elementos gasosos, o vácuo mantém-se a um valor constante, mesmo que esteja
ocorrendo um elevado fluxo de gás. Sendo assim, geralmente os fundidores
estabelecem um determinado nível de pressão para o qual a câmara de fusão é
considerada apta em termos de vácuo e o acúmulo de pressão é medido somente
em função da evolução de gás a partir do banho de fusão. Entretanto,
evidentemente se a taxa de vazamento for muito alta, o vácuo deve ser
melhorado o suficiente para que se atinja a condição de taxa de remoção de
gases aproximadamente constante. A mudança de pressão por unidade de tempo é
uma função direta do volume (tamanho) do forno. Assim, é difícil haver
intercâmbio de procedimentos operacionais entre fabricantes, a não ser que
se trate do mesmo volume de forno.
Considerações sobre
pressão de vapor exigem que o fundidor leve em conta as reações de
evaporação ou destilação potencial, que por sua vez são controladas pela
cinética das reações metalúrgicas dessas pressões. Embora as curvas de
pressão de vapor não possam ser usadas diretamente como ferramentas de
controle das taxas de evaporação de determinados elementos específicos,
podem ser usadas como guias para se atingir esse objetivo. Sabe-se que as
taxas de destilação ou evaporação de elementos presentes em traços numa
matriz serão diferentes das encontradas em matrizes diferentes, e assim os
procedimentos de refino deverão ser ajustados conforme o caso.
Como a destilação é
controlada cineticamente, é um processo diretamente proporcional à
superfície de metal líquido exposto ao vácuo, enfatizando ainda mais a
importância dos filmes superficiais e seu controle. Também outros fatores
devem ser considerados, como a taxa de difusão para a superfície, o grau de
atividade do banho de fusão e sua agitação. Ultimamente também passou a ser
considerada a influência da presença de elementos em traços sobre o
comportamento de um elemento em relação a outro, alterando suas taxas de
reação num dado meio liqüefeito. Apesar de não haver muitos dados na
literatura sobre controle de impurezas, está se tornando cada vez mais
evidente que determinados elementos residuais são desejáveis para as
propriedades de certos materiais. Por exemplo, boro, zircônio e magnésio são
controlados de modo a proporcionar efeitos benéficos para as propriedades de
certas superligas de níquel.
Os maiores custos da
fusão em vácuo devem ser considerados dentro de um panorama mais amplo, que
inclui a melhoria de propriedades de materiais fundidos com este processo.
De fato, a maioria das ligas de desenvolvimento tecnológico mais recente, e
que contêm elevados teores de elementos reativos, como as superligas de
níquel endurecida pela fase gama linha, não seriam comercialmente viáveis se
não fosse a fusão em vácuo.
Desoxidação durante
Fusão por Indução em Vácuo: As práticas usuais de desoxidação não evitam
completamente a presença de gases dissolvidos, como oxigênio, hidrogênio e
nitrogênio. Destes três gases o hidrogênio dificilmente representa um grande
problema, devido à sua elevada difusividade, e, portanto, grande facilidade
de remoção, tanto em líquidos quanto em sólidos. Teores de hidrogênio da
ordem de 5 ppm são obtidos sem grande dificuldade na prática cotidiana de
fusão em vácuo. Entretanto, este não é o caso quando se considera o oxigênio
e o nitrogênio. O oxigênio tende a ser controlado por fatores ligados à
pressão de equilíbrio no forno durante a fusão, assim como por fatores
associados à dissolução de refratários e liberação de oxigênio dos óxidos,
como mencionado anteriormente. Sabe-se bem que na fusão em vácuo a
desoxidação por carbono em vácuo pode ser responsável pela redução dos
níveis de oxigênio, embora estes raramente atinjam os valores previstos pela
teoria termodinâmica das reações carbono-oxigênio. A dissolução de
refratários e/ou a incapacidade de bolhas de CO de tamanho crítico se
nuclearem são provavelmente os principais motivos pelos quais não sejam
atingidos os níveis teóricos da ordem de 6 a 10 ppm. Entretanto, uma escolha
adequada de cadinho, agitação efetiva e controlada do banho de fusão,
controle cuidadoso das condições de vácuo e correto uso e carregamento da
matéria-prima nos fornos de fundição são todos fatores que contribuem para
que sejam atingidos níveis de oxigênio consistentes, isto é, da ordem de 20
a 30 ppm aproximadamente.
Remoção do
Nitrogênio na Fusão em Vácuo: A remoção do nitrogênio durante a fusão
das superligas de níquel é de fundamental importância, porque geralmente
estas ligas contêm elementos fortemente formadores de nitretos. O TiN e o
Ti(C,N) podem ser extremamente nocivos às propriedades mecânicas das
superligas. Na ausência de elementos com forte afinidade pelo nitrogênio
pode-se esperar rápida remoção do nitrogênio, especialmente durante a
efervescência do carbono. Podem ser obtidos valores da ordem de 20 ppm com
pressões de fusão no intervalo de 5 a 25 torr. Porém no caso de superligas,
com muita sorte se consegue teores residuais de nitrogênio da ordem de 40 a
50 ppm. Sabe-se que aumentando o tempo de operação é possível obter níveis
de nitrogênio mais baixos do que os que são obtidos na prática comercial,
mas isso implicaria num tempo de contato9 entre banho de fusão e refratário
mais prolongado, aumentando a contaminação pelo refratário e o custo do
processo de fusão. Infelizmente parece haver somente um meio de se obter bom
controle do teor de nitrogênio durante a fusão a arco em vácuo, que consiste
em reduzir ao mínimo possível, do ponto de vista econômico, a contaminação
de nitrogênio através da carga de matéria-prima usada na fundição. No banho
de fusão os nitretos encontrados são essencialmente do tipo sólidos
refratários, como TiN e VN. O Pré-tratamento da carga de matéria-prima com
escória apropriada pode ser bem sucedido no sentido de aprisionar essas
partículas relativamente pesadas no leito da escória. Também pode ser útil,
com o mesmo propósito de reduzir este tipo de contaminação, carregar a
matéria-prima com elementos reconhecidamente formadores de nitretos na etapa
final da seqüência de fusão, essencialmente considerados como adições
reativas.
Alguns fundidores
sempre acreditaram haver uma relação direta entre os teores de nitrogênio e
enxofre, ou seja, que caso o teor de enxofre seja reduzido, automaticamente
o teor de nitrogênio também será reduzido. Como se sabe que altos teores de
enxofre diminuem a taxa de solubilização do nitrogênio no ferro com alto
teor de carbono, pode ser vantajoso não dessulfurizar nas etapas iniciais da
fusão.
Remoção do Enxofre durante Fusão em Vácuo: este tema preocupou os fundidores
de superligas de níquel em vácuo durante muito tempo. Porém, deve ser
reconhecido que, assim como no caso do nitrogênio, o enxofre é um elemento
que deve ser mantido nos teores mais baixos possíveis já na preparação da
carga de matéria-prima de fundição. Por causa de sua abundância na natureza,
o teor de enxofre das cargas de matéria-prima de fundição tende a ser
elevado e a variar bastante. Existem vários métodos para a dessulfurização
durante a fusão em vácuo e sendo assim, o fundidor deve pesar as vantagens e
desvantagens de cada um. Além disso, ele deverá considerar o método que
melhor permita o uso de cargas de fundição com teores de enxofre
relativamente altos e, portanto, de menor custo. Cargas com teores de
enxofre relativamente altos poderão ter seu teor de enxofre diminuído
através do pré-refino com escórias básicas com elevado teor de cal no forno
elétrico. Cargas com altos teores de enxofre também podem ser reduzidas por
hidrogênio no estado sólido, já que qualquer teor residual de hidrogênio é
geralmente removido durante a fusão em vácuo.
É importante que gases
residuais, particularmente o nitrogênio, possam ser removidos (talvez mais
eficientemente) pelo pré-aquecimento da carga em vácuo, já que os materiais
sólidos da carga apresentam menor solubilidade de nitrogênio no estado
sólido. Várias escórias já foram usadas para dessulfurização na fusão em
vácuo. Também já foi usada a purgação com gases, como hidrogênio e metano.
Já há algum tempo se reconhece que superligas de níquel com teores de
enxofre da ordem de 0,01 % em massa apresentam propriedades mecânicas
satisfatórias. Entretanto, para muitas aplicações torna-se necessário
reduzir o teor de enxofre para valores inferiores a 0,005 % em massa, ou até
mesmo menos de 0,003 % em alguns casos mais específicos. Por outro lado,
atualmente se sabe que adições de cério na carga de matéria-prima de
fundição permitem reduzir o teor de enxofre das superligas de níquel para
valores iguais ou inferiores a 0,001 %.
Elementos de liga,
quando adicionados propositalmente ou mesmo residuais, presentes em teores
inferiores a 1 % ou da ordem de ppm, são considerados microadições. Exemplos
típicos são o carbono (cuja função básica consiste na formação de carbetos),
o boro e o zircônio (os quais aumentam a resistência à fluência das
superligas de níquel). Duas possibilidades podem explicar esse efeito desses
dois elementos: uma seria a migração preferencial de boro e zircônio para os
contornos de grãos, nos quais alterariam o processo de precipitação de
carbetos de modo benéfico às propriedades do material, enquanto a outra
seria a concentração desses dois elementos reduzindo a efetividade dos
contornos de grãos como fontes de lacunas, reduzindo os processos
difusionais que contribuem para a deformação por fluência. Do mesmo modo, a
minimização da condensação de lacunas nos contornos de grãos resulta na
diminuição da probabilidade de que concentradores de tensões formados nos
contornos de grãos possam levar à fratura prematura dos componentes
fabricados com superligas de níquel.
A trabalhabilidade a
quente de superligas de níquel pode ser bastante afetada pela adição de ppms
de determinados elementos, como boro, zircônio e magnésio, cujos teores
devem ser cuidadosamente controlados. No caso da superliga Waspaloy, a
dutilidade melhora com a adição de magnésio. Coloca-se como hipótese que o
efeito principal do magnésio seria terminar qualquer desoxidação do banho de
fusão de superliga de níquel. Adicionalmente, o magnésio pode se combinar
com o enxofre residual, neutralizando seu efeito nocivo. O magnésio
remanescente migra preferencialmente para locais de baixa energia como
contornos de grãos e de maclas, onde atua no sentido de evitar o acúmulo de
discordâncias empilhadas que poderia levar á fratura frágil, ao promover a
formação de emaranhados de discordâncias.
Elementos reativos,
particularmente o lantânio e o ítrio, têm sido cada vez mais adicionados às
superligas de níquel para aumentar a resistência à oxidação e sulfetação. A
adição de ítrio está originando uma nova classe de novos materiais que serão
usados tanto como ligas de base quanto como revestimentos em outras ligas
para melhorar as propriedades de resistência à corrosão/oxidação em altas
temperaturas. Ligas do tipo NiCrAlY oferecem promissoras possibilidades de
aplicações de diversos tipos, incluindo turbinas de gás veicular.
Posteriormente começou o uso do háfnio em pequenas adições em determinadas
superligas de níquel com efeitos benéficos, aumentando a resistência
mecânica e a dutilidade simultaneamente [1].
b) Metalurgia do Pó
Nas últimas décadas a metalurgia do pó tem sido um dos processos com emprego
cada vez mais crescente na produção de componentes a base de superligas de
níquel. Este interesse advém do desejo duplo de melhorar as propriedades e a
viabilidade econômica da fabricação destes componentes em comparação com
outros métodos, assim como vislumbrar o desenvolvimento de novas
microestruturas, que não podem ser obtidas por outros processos mais
tradicionais.
A fabricação de produtos plenamente densos de superligas de níquel a partir
de pós metálicos envolvem as seguintes etapas: 1 – Produção do pó: pós
metálicos finos são produzidos tanto a partir de pós elementares misturados
na proporção adequada para produzir a liga adequada, quanto a partir de pós
da liga balanceada; 2 – Compactação: o agregado de pós é mecanicamente
consolidado para formar um sólido relativamente denso porém fracamente
ligado, mas que pode ser convenientemente manuseado para o processamento
posterior; 3 – Sinterização: O produto compactado “verde” é então aquecido a
uma temperatura homóloga relativamente alta (em relação à temperatura de
fusão, à qual é inferior), resultando no crescimento e fortalecimento das
ligações entre as partículas do pó, de modo a formar um produto final denso
e com boa resistência mecânica. Cada uma dessas etapas é muito importante
para que se obtenha bons resultados na produção de componentes de superligas
de níquel a partir de pós metálicos.
Produção dos Pós Metálicos
Os
efeitos da produção inicial de pós são de essencial importância para a
microestrutura e as propriedades do componente de superliga de níquel
fabricado a partir de pós metálicos. A principal preocupação é garantir
homogeneidade de composição química no caso de ligas altamente complexas
produzidas por métodos mais tradicionais, especialmente quando as seções dos
produtos são consideravelmente largas. Como resultado da segregação na liga,
ocorre grande variação de composição química, e conseqüentemente de
propriedades em regiões diferentes de um único produto, geralmente fundido.
A produção do mesmo tipo de componente por metalurgia do pó permite
restringir um essa variação de composição química às dimensões das
partículas dos pós. Se forem usados pós de ligas, cada partícula é
efetivamente um microproduto no qual a segregação ocorre somente no âmbito
da partícula. Quando são misturados pós de composições diferentes para
formar uma liga, como no caso do uso de pós elementares ou de ligas-mães,
ainda ocorrem variações iniciais de composição química em pequena escala, da
ordem de grandeza das dimensões das partículas de pós, e podem ser ainda
mais reduzidas ainda mais durante o processamento do material. Sendo assim,
um resultado do emprego do processo de metalurgia do pó é a garantia de uma
melhor homogeneidade de composição química da superliga de níquel já na
etapa inicial do processamento deste material.
O segundo resultado da
produção por metalurgia do pó é a oportunidade de produzir ligas sintéticas
com microestrutura que não pode ser obtida pelo processamento convencional.
Outro aspecto importante é a possibilidade de produzir ligas endurecidas por
dispersão. Para essas ligas, o requisito de existir uma segunda fase
dispersa e quimicamente inerte distribuída na matriz da liga, possível pela
metalurgia do pó, não poderia ser obtido por processos tradicionais de
fundição. Por outro lado, há uma grande variedade de processos que podem ser
usados para produzir tanto pós de ligas contendo dentro de cada partícula
uma segunda fase inerte e dispersa (por exemplo através de oxidação interna
e liga obtida mecanicamente), ou uma mistura de pós da matriz da liga junto
com partículas de segunda fase dispersas, na qual a distribuição de fases é
controlada pelo tamanho das partículas dos pós (por exemplo mistura por
meios mecânicos, coprecipitação e redução seletiva).
Compactação e Sinterização: A próxima etapa na seqüência de processamento é
a compactação do agregado de pós num sólido relativamente denso com
resistência mecânica na condição “verde” suficiente para permitir o
processamento posterior. Este geralmente é um processo de trabalho mecânico
com elevadas tensões entre partículas juntamente com soldagem e junção de
partículas entre si.
No processamento de
pós para a fabricação de componentes estruturais, geralmente a compactação
ocorre a frio e dentro de uma matriz fechada. Como os pós metálicos
utilizados são altamente compressíveis, como resultado de seu formato
irregular e baixa dureza intrínseca esta operação produz uma peça com
densidade, formato e dimensões bem próximos aos do produto final, atingindo
simultaneamente uma razoável resistência na condição “verde”. A
possibilidade de atingir praticamente a configuração final do produto, e uma
razoável homogeneidade de composição química nesta etapa da seqüência de
processamento, elimina a necessidade de várias etapas posteriores de
aquecimento e trabalho a quente, além de minimizar a necessidade de
operações de acabamento da peça, e as conseqüentes perdas de usinagem. Esse
tipo de vantagens proporcionadas pelo processo de fabricação de peças por
metalurgia do pó, representa uma grande vantagem na fabricação de pequenas
peças em larga escala. Entretanto, pós de superligas de níquel geralmente
não são compressíveis, porque apresentam elevada resistência mecânica,
principalmente a frio, e por serem constituídos por partículas
aproximadamente esféricas. Por este motivo, em geral a compactação a frio
não é indicada para o processamento de superligas de níquel. Como
conseqüência, a compactação de pós de superligas de níquel é geralmente
realizada a quente em uma ou duas etapas, combinando compactação e
sinterização numa única operação.
Compactação a
Quente: A compactação a quente é realizada por extrusão ou prensagem a
quente. Em qualquer um dos dois casos, antes da densificação o pó deve ser
processado numa atmosfera protetora ou em vácuo, para evitar a oxidação dos
elementos constituintes reativos.
Extrusão de Pós:
esta etapa é geralmente precedida pelo acondicionamento dos pós num
invólucro, e o pó assim encapsulado é extrudado a quente tanto para formar
produtos finais com tamanho definido, usados como perfis estruturais, quanto
para formar barras, que são então submetidas ao acabamento por laminação ou
forjamento até chegar à forma e tamanho do produto final.
Prensagem a Quente:
é feita tanto por prensagem a quente em vácuo quanto por forjamento a quente
ou por prensagem isostática a quente. Embora a prensagem a quente seja
geralmente empregada para fornecer tarugos adequados para o forjamento,
também pode produzir perfis forjados usados em processamento posterior ou
mesmo produtos acabados.
Densificação:
Todos esses processos de consolidação a quente apresentam um problema em
comum: tanto a compactação quanto a sinterização são efetivamente processos
de deformação plástica, isto é, a densificação e o crescimento de “pescoços”
nas partículas de pós necessitam de mudanças de forma sob tensões aplicadas.
No caso do processamento de pós convencional a compactação a frio pode levar
a uma densificação razoável, ao passo que a sinterização subseqüente resulta
em rápido crescimento da ligação entre partículas. Por outro lado, os
atributos que tornam as superligas importantes do ponto de vista
tecnológico, isto é, a resistência mecânica em alta temperatura e a
resistência à oxidação, simultaneamente dificultam a obtenção da
densificação plena e das ligações entre partículas, mesmo no caso de
processamento a quente. De modo a se fabricar produtos resistentes e densos,
devem ser usadas frações de temperaturas homólogas relativamente altas,
assim como deformação plástica intensa. Deste modo, quando a extrusão é
usada como o único processo de consolidação e conformação, uma razão de
redução mínima de pelo menos 9 : 1 é necessária. Requisitos de deformação
equivalente são necessários para outros procedimentos de processamento. Por
este motivo, a fabricação de componentes de superligas com grandes
dimensões, como discos de turbinas, ocorre geralmente em operações em duas
etapas baseadas no uso da compactação a quente para produzir tarugos
destinados ao trabalho mecânico a quente posterior. Este problema pode ser
melhor visualizado e demonstrado no caso de produtos fabricados com pós de
ligas endurecidas pela dispersão de óxidos, como é o caso do TD Nickjel e do
TD Nichrome. Para estas ligas existe uma forte relação entre a resistência
mecânica, que pode ser atingida, e o histórico de processamento, mesmo no
caso de materiais plenamente densos. Acredita-se que as variações de
resistência mecânica se devem principalmente à dificuldade de obter ligações
fortes entre partículas e entre fases, no caso destas ligas de alta
resistência mecânica. Assim, espera-se que, à medida em que avança o
desenvolvimento de superligas resistentes em altas temperaturas, torne-se
ainda mais complicado o seu processamento por metalurgia do pó.
Microestrutura
(Grãos): Outra característica comum entre os produtos fabricados por
metalurgia do pó é o desenvolvimento de uma microestrutura de grãos muito
finos. Evidentemente, o tamanho de grão máximo que o material pode atingir
corresponde às dimensões da partícula de pó, embora a maioria dos pós sejam
policristalinos, isto é, apresentam gãos menores do que as dimensões das
partículas de pós. Embora a formação e o crescimento das ligações entre
partículas seja de fato um processo bem semelhante à recristalização
primária, o prolongamento da exposição a elevadas temperaturas de
sinterização geralmente não ocasiona recristalização secundária nem
crescimento de grão anormal nas superligas, devido a fatores inibidores como
óxidos superficiais e outros tipos de contaminação superficial na superfície
das partículas dos pós, juntamente com a presença de fases secundárias em
muitas destas ligas. Como resultado, o tamanho de grão fino é quase uma
regra geral para os produtos de superligas fabricados a partir de pós, sendo
difícil ocorrer a presença de grãos mais grosseiros. Dependendo do tipo de
aplicação este fato pode representar uma vantagem ou uma desvantagem. Em
temperaturas de serviço relativamente baixas ou intermediárias, o grão fino
representa um considerável ganho de resistência mecânica e tenacidade,
simultaneamente. Em elevadas temperaturas, os processos de deslizamento de
contornos de grãos, que então ocorrem, acarretam sérios problemas no que diz
respeito à fluência, fazendo com que seja necessário um processamento
adicional posterior que induza o crescimento de grão nas ligas destinadas à
operação em altas temperaturas.
Tipos de Pós:
Atualmente os pós de superligas de níquel são produzidos por atomização,
pelo processo de eletrodo rotativo (PER), pela mistura de pós elementares e
de ligas-mães (mistura mecânica) e pela precipitação da solução aquosa. As
duas primeiras técnicas mencionadas representam o maior volume de produção
de pós de superligas, enquanto as duas últimas são usadas essencialmente
para a produção de ligas endurecidas por dispersão.
Atomização:
Neste processo o pó é produzido quando um jato de fluido (geralmente água ou
vapor d’água, porém no caso de superligas de níquel contendo elementos
reativos é um gás inerte) em alta pressão colide contra uma coluna de metal
liquefeito que flui para baixo, gerando gotículas que ao se solidificarem
transformam-se em partículas, razoavelmente esféricas. A diferença entre o
uso da água e do gás inerte é significativa, tanto em relação às
características químicas do pó produzido quanto em relação ao seu efeito na
etapa subseqüente de consolidação do pó.
As partículas
irregulares produzidas pela atomização por jato d’água apresentam áreas
superficiais relativamente grandes e tendem a conter óxidos, tanto na
superfície quanto internamente. Quanto maior essa área superficial,
eventualmente aumentada pela presença de óxidos, mais fácil a compressão a
frio. Por outro lado, as superligas devem ser atomizadas em condições não
oxidantes, tanto na superfície quanto internamente. Isso se deve ao fato de
que os elementos reativos formadores da fase gama linha (titânio e alumínio)
e gama duas linhas (nióbio) ao se oxidarem não poderiam ser reduzidos por um
subseqüente recozimento em hidrogênio, ao contrário dos óxidos de níquel e
ferro eventualmente formados. Por este motivo as superligas que contêm Ti,
Al e Nb são fundidas e atomizadas em vácuo ou em atmosfera de gás inerte. A
segunda conseqüência da atomização com gás inerte é que os pós assim
produzidos apresentam baixa área superficial e podem ser praticamente
esféricos.
A combinação de baixa área superficial e elevada dureza leva os pós de
superligas que contêm elementos reativos a serem praticamente
incompressíveis à temperatura ambiente. Os gases inertes mais utilizados são
o nitrogênio e o argônio., sendo usado um tanque de água ao fundo da câmera
de atomização para resfriar as partículas quentes.
Entretanto, atualmente
se atomiza preferencialmente com argônio e o pó é resfriado e coletado numa
câmara seca. O tamanho da partícula é determinado principalmente pelo
tamanho do orifício pelo qual o gás sai, pela pressão do mesmo e pela
temperatura de fusão utilizada. Numa variação dos processos descritos
anteriormente, o metal líquido num cadinho é pressurizado com gás não
reativo e borrifado através de um orifício numa câmara de vácuo. No caso de
uso de um gás solúvel, como o hidrogênio, por exemplo, o metal praticamente
explode na câmara de vácuo, produzindo um pó finamente divido. A forma das
partículas de pó, neste caso, é predominantemente esférica. O teor de
oxigênio no pó de superliga de níquel produzido por este processo é inferior
a 100 ppm.
Processo do
Eletrodo Rotativo: Neste processo a extremidade de um eletrodo rotativo
consumível, isto é, uma barra de superliga, é fundida por um arco formado a
partir de um eletrodo não rotativo de tungstênio. Ambos os tipos de eletrodo
ficam contidos dentro de uma câmera que foi evacuada e preenchida com gás
inerte. À medida que o eletrodo de superliga gira, a força centrífuga assim
gerada leva o metal líquido assim produzido pelo arco a voar na forma de
gotículas finas e esféricas que se solidificam em pleno vôo e caem no piso
da câmara. O tamanho da partícula de pó é controlado pelo diâmetro do
eletrodo consumível e pela velocidade de giro do mesmo.
A matéria-prima para a
atomização no caso deste processo compõe-se basicamente de barras de
superligas fundidas em vácuo que, dependendo do tipo de fusão realizada e
dos procedimentos de vazamento empregados, contém uma maior ou menor
quantidade de fases não metálicas nocivas, como nitretos, carbonitretos, e
silicatos e óxidos de alumínio ou magnésio. Estas fases, juntamente com os
carbetos essenciais, são retidas na conversão de barra para pó, embora com
menor tamanho. As fases não metálicas no pó atomizado tendem a ser mais
finas e mais amplamente dispersas do que no pó produzido pelo processo de
eletrodo rotativo convencional.
Mistura Mecânica:
Uma técnica denominada mistura mecânica para produzir superligas endurecidas
por dispersão a partir de uma mistura pós de níquel, liga mãe
cromo-níquel-alumínio-titânio, zircônio, ligas-mães de boro e óxidos de
tório e de ítrio já foi desenvolvida, utilizando um moinho de bolas de alta
energia e usando pelotas de níquel como agente de fricção. Durante a moagem
os vários constituintes da liga alternadamente se soldam, fragmentam e se
separam das pelotas de níquel. Cada um desses ciclos de soldagem-separação
reduz a espessura dos constituintes por um fator de 5 a 10, de modo que,
após 40 horas de moagem, o cromo, principal elemento de liga, não pode mais
ser observado em microscópio ótico. Este processo já foi empregado para
modificações da superliga de níquel Nimonic 80A contendo ítrio e tório,
gerando uma outra superliga denominada IN-853.
Técnicas Especiais
para Pós de Ligas Endurecidas por Dispersão: Ao contrário dos processos
citados anteriormente, nos quais o principal problema é conseguir
homogeneidade de composição química sem contaminação por contato, a produção
de pós de superligas endurecidas por dispersão apresenta o objetivo
adicional de produzir pós que, após a consolidação, contenham uma (ou mais)
segunda fase inerte e dispersa dentro da matriz. Dois métodos básicos já
foram usados para atingir este objetivo. O primeiro consiste em criar uma
mistura fina e uniforme de pós da liga e da fase inerte. Neste caso, o
tamanho e a distribuição de partículas de segunda fase no produto final são
determinados pelos tamanhos originais das partículas dos dois tipos de pós.
O método mais direto
para produzir essas misturas de pós consiste em utilizar dispositivos
mecânicos para fazer a mistura, até que os pós fiquem bem distribuídos. Este
método geralmente não tem sido bem sucedido, na medida em que a aglomeração
das partículas durante o processo de mistura tende a resultar em tamanhos de
partículas de pós das fases que são consideravelmente maiores do que as
dimensões iniciais dos pós originais. Uma alternativa a este método consiste
em produzir as duas fases como uma fina mistura de pós. Por exemplo: sais do
metal da matriz e a fase dispersa são co-precipitados a partir de uma
solução aquosa. A oxidação e então a redução seletiva dos sais produz uma
mistura razoavelmente homogênea de pós de metal e de óxido sem que ocorra
aglomeração excessiva.
Outro método para gerar pós de ligas bifásicas consiste em fabricar
partículas de pós que contenham cada uma ambas as fases, isto é, matriz e
fase dispersa, na proporção desejada. O antecessor desse método usado para
produzir ligas Al-Al2O3 do tipo SAP. O pó deste produto apresenta flocos
finos e partículas esféricas de alumínio, sendo a camada superficial de
óxido a fase secundária. Após a consolidação e subseqüente trabalho
mecânico, a camada de óxido se fragmenta e estes fragmentos são distribuídos
por toda a matriz. O teor de óxido é determinado pela razão
superfície-volume do pó, enquanto o espaçamento entre óxidos é determinado
pelo tamanho original das partículas de pó. Um método diferente para
produzir pós multifásicos é aquele que utiliza a formação de subcamadas de
óxidos. Neste caso, os pós monofásicos contendo tanto um óxido forte quanto
um formador de nitretos são produzidos por métodos tradicionais como a
atomização. Com o aquecimento num leito fluidizado contendo uma corrente de
gás reativo (oxigênio ou amônia) numa pressão determinada, ocorre reação com
o elemento formador de nitretos ou de óxidos, mas não com a matriz, de modo
que os pós ficam internamente oxidados ou nitretados como resultado da
difusão do gás reativo no pó. Este processo fixa o tamanho e a distribuição
da segunda fase, independentemente de outras variáveis de processamento
adicionais.
Deve ser ressaltado
que, para conseguir uma adequada distribuição de segunda fase finamente
dispersa, é necessário o uso de pós com partículas pequenas, mesmo levando
em consideração o risco de problemas relacionados com piroforicidade
(explosões causadas pela reatividade de determinados tipos de pós muito
finos e reativos).
Consolidação de Pós:
A consolidação de pós de superligas de níquel pode ser considerada sob o
ponto de vista de duas áreas de interesse. No primeiro caso, o pó solto é
convertido num produto estrutural com uma forma final desejada. Isso pode
ser realizado por extrusão, forjamento ou prensagem a quente. O processo
utiliza um tarugo de extrusão contendo uma cavidade com a forma desejada. A
cavidade é definida por um material lixiviável, como aço carbono. O pó de
superliga é derramado dentro da cavidade, após o que o tarugo é evacuado e
extrudado a quente sob condições de fluxo em corrente através de uma matriz
redonda. A remoção do material adicionado resulta num produto com forma
definida e desejada em longos comprimentos, numa condição de densidade
plena. Condições típicas de extrusão neste processo: razão de redução (de
área de seção reta) da ordem de 10 a 20 para 1 e temperaturas da ordem de
1040 a 1150 °C. O mesmo processo, porém numa versão mais simples,
evidentemente pode ser aplicado na produção de barras e vergalhões de
superligas com pequenos diâmetros.
A prensagem
hidrostática a quente apresenta outro exemplo de consolidação em uma única
etapa produzindo um produto com a forma final. Invólucros de aço
pré-conformados ou de vidro preenchidos com pó são evacuados e prensados
isostaticamente num autoclave com gás em pressões superiores a 10.000 psi
(68.850 MPa) em temperaturas da ordem de 1010 a 1150 °C por um período entre
1 e 4 horas. Um ciclo deste processo pode produzir um objeto plenamente
denso como um disco de turbina, que mesmo exigindo usinagem
pós-consolidação, caso fosse produzido por um processo de forjamento de alta
precisão, mesmo assim necessitaria do uso de matrizes para uso em alta
temperatura, evidentemente muito caras, e que não seriam necessárias no caso
do processo mencionado. Para aquelas situações nas quais os pós produzidos
por este processo não atendem aos requisitos de resistência mecânica, sem
que seja realizado um posterior processamento de trabalho mecânico a quente,
mesmo assim este processo permite a produção de uma peça intermediária que
pode ser forjada.
As duas técnicas de
consolidação de pós descritas anteriormente oferecem combinações
interessantes de variáveis de tempo e de pressão de consolidação. Enquanto
temperaturas semelhantes são usadas em ambos os processos, a extrusão
utiliza elevadas pressões, que variam entre 100.000 e 200.000 psi (688.500 e
1.377.000 MPa), por um período de alguns poucos segundos. Por outro lado, no
caso da prensa hidrostática são utilizadas pressões muito mais baixas em
períodos muito mais longos, da ordem de várias horas. Nesse sentido, não
surpreende o fato de que microestruturas completamente diferentes são
obtidas como resultado do uso desses dois diferentes tipos de processos de
consolidação de pós. Partículas de pós extrudados apresentam-se muito
alongadas, com razão de aspecto (razão ente o maior e o menos diâmetro) da
ordem de 30 a 60 para 1, produzindo-se assim uma microestrutura muito fina,
que pode ser modificada por tratamento térmico, gerando grãos maiores.
Partículas de pós processados em autoclave tendem a se tornar
aproximadamente equiaxiais após a compactação e apresentam tamanhos de grãos
maiores do que os das partículas dos pós iniciais.
A segunda área de
interesse consiste na prática mais generalizada na indústria na qual o pó de
superliga é consolidado de forma a se produzir uma barra redonda forjada.
Isso é conseguido através do uso do processo de prensagem isostática a
quente, ou do processo de extrusão, a partir do pó não consolidado ou já
previamente prensado a quente.
A produção de barras
forjadas pelo processo de prensagem hidrostática a quente (PIQ) envolve os
mesmos procedimentos abordados anteriormente para produtos pré-conformados
por forjamento. Este método seria necessário no caso de um disco de turbina
ou disco pré-conformado com dimensões excessivas, que não permitiriam que
fosse introduzido nas unidades de processamento por PIQ disponíveis na
indústria. A capacidade das maiores unidades de PIQ limitam as barras
acabadas a cerca de 500 mm de diâmetro e 1,2 a 1,5 m de comprimento. A barra
PIQ assim produzida seria então forjada para produzir um disco de tamanho
ideal.
No caso de extrusão,
havendo a necessidade de produzir um disco, para ser usado numa usina de
energia de aeronaves, com diâmetro de 125 a 300 mm, é necessário extrudar
uma peça com diâmetro de 225 mm, por exemplo, em estágios múltiplos, com
razão de redução de 8 para 1, exigindo um tarugo inicial com diâmetro de
637,5 mm. Considerando uma pressão de 35,2 kgf/mm2, seria então necessária
uma força da ordem de 23.000.000 kgf. Entretanto, esse valor pode ser
reduzido mediante a elevação da temperatura até valores inferiores, porém
próximos ao da temperatura de fusão incipiente. Entretanto, antes de se
atingir esse valor, outro limite é imposto pela ocorrência de reações na
superfície das partículas, na faixa de 1040 a 1230 °C. Este tipo de reação,
na qual carbetos insolúveis precipitam na superfície da partícula, pode ser
evitado se o tarugo de extrusão for primeiramente prensado a quente, tanto
isostaticamente quanto em extrusão convencional, numa temperatura inferior à
faixa de temperaturas de precipitação, de tal modo que todas as superfícies
de partículas livres sejam eliminadas. Este tarugo “passivado” pode ser
subseqüentemente aquecido a uma temperatura mais elevada para a extrusão de
uma barra com tamanho desejado. Dependendo da liga e do tamanho de barra
necessário, a barra pode ser extrudada com comprimentos da ordem de 7,5 m.
De qualquer modo, a
escolha do processo ideal depende de fatores básicos como a composição
química da liga e as propriedades desejadas no produto final [1].
c) Processamento Mecânico
Laminação de Chapas e Barras
No caso da laminação a
quente de uma placa fundida de superliga de níquel, a principal preocupação
é a manutenção de uma temperatura uniforme. A trabalhabilidade das
superligas de níquel é quase ilimitada se for feito um adequado balanço de
perdas térmicas por um aporte térmico suficiente à barra/chapa que está
sendo laminada. No caso da laminação a quente de chapa fina de liga Udimet
700, há uma certa dificuldade de manter a temperatura do metal no intervalo
estreito de 1040 a 1120 °C. Outro aspecto importante é a questão da
orientação dos contornos de grãos na superfície do lingote: contornos
perpendiculares ao fluxo de metal são muito mais propensos ao trincamento
severo do que contornos paralelos ao fluxo de metal. Entretanto, uma
verificação mais cuidadosa dessa teoria poderia render grandes avanços
tecnológicos na fabricação de chapas e barras.
Outro aspecto
igualmente interessante é a perda de elementos reativos durante o trabalho a
quente. Por outro lado, a deformação isotérmica poderá reduzir o tempo total
de aquecimento e assim minimizar a perda de elementos como o boro.
Práticas de recozimento intermediário e final podem variar muito de
fabricante para fabricante. Esta área é bastante competitiva, pois a
conformabilidade a frio destas ligas é muito limitada. O resfriamento rápido
(têmpera) pode ser empregado para as superligas de níquel, sendo o processo
de têmpera em leito fluidizado possivelmente um dos métodos mais adequados.
Laminação Cruzada:
a laminação cruzada de placas é um processo usado para a produção de discos
de turbina a gás fabricados em superligas de níquel, que apresenta três
vantagens: 1 – Capacidade de formar discos maiores do que os que são
processados em equipamentos de forjamento; 2 – Capacidade de conformar
materiais de alta resistência mecânica; 3 – Potencial de utilização deste
processo para a fabricação de materiais mais aperfeiçoados. O material é
laminado num laminador convencional, mas é girado a um ângulo específico,
como 90°, por exemplo, entre cada passe de laminação. A tecnologia atual
prevê o uso de produtos de aço conformados que são prensados à placa para
produzir um determinado contorno, aumentando a utilização de material. As
propriedades resultantes revelam resistência mecânica isotrópica no plano do
disco. Devido à redução da área de contato da matriz, as perdas de energia
devido à fricção e as perdas de calor devido à condução térmica devem ser
menores do que durante o forjamento de um produto com forma de panqueca. Não
há necessidade de ferramental para fabricar um produto plano. Este processo
é especialmente compatível com um método de ligar placas a anéis numa
montagem integral. A viabilidade econômica é razoável o suficiente para
permitir estudos de viabilidade técnica.
Extrusão
A questão da geração
de calor interno durante a extrusão é muito importante para as superligas,
considerando sua temperatura de fusão. A maior força necessária numa
temperatura mais baixa parece ser convertida em maior geração de calor
interno, entretanto, ainda não existem meios confiáveis de verificar esta
hipótese do pinto de vista quantitativo. A taxa de deformação é uma variável
muito importante para o processo de extrusão, porque pode ser usada para se
conseguir um balanço ótimo entre os limites de processamento relativos à
fusão central e o trincamento superficial associado ao resfriamento brusco.
A orientação de grão
longitudinal obtida pela fusão com eletrofluxo representa uma vantagem no
processo de extrusão subseqüente, do mesmo modo que ocorre com a laminação
de chapas. Outro aspecto importante é o acabamento superficial inicial do
tarugo, se a etapa de extrusão corresponder ao acabamento final.
Vários lubrificantes a
base de vidro podem ser usados no processo de extrusão, assim como certas
misturas de vidro e de basalto. O desenvolvimento de lubrificantes para
extrusão de superligas já pode ser considerado extenso.
Devido à exposição
térmica rápida, porém em altas temperaturas, durante a extrusão das
superligas de níquel, a microestrutura resultante revela grãos finos e
recristalização plena, tendo como conseqüência uma elevada trabalhabilidade
nas operações subseqüentes. O produto final pode até apresentar
superplasticidade caracterizada por elevados alongamentos percentuais.
Estampagem
O Inconel
X parece apresentar razoável estampabilidade. Entretanto, o crescimento de
grão crítico é um problema ao qual as operações de estampagem são sensíveis.
No caso do Nimonic 80A as condições de nucleação críticas são as reduções de
espessura de 0,5 a 2 %. O tratamento térmico recomendado com solubilização a
1065 °C exige que não tenha sido feito nenhum trabalho mecânico ou pelo
menos uma redução de 4 % para evitar crescimento de grão crítico. Esta
proibição pode ser seguida no caso de laminação, mas não no caso de
estampagem para produzir uma peça com formato específico. A alternativa
possível consiste em restringir a solubilização à temperatura de 1000 °C
para o Nimonic 80A no qual os carbetos dispersos agem no sentido de inibir o
crescimento de grão. Uma objeção a este procedimento é o fato de que é
realmente mais difícil resfriar rapidamemente abaixo de um valor máximo de
dureza a partir de uma temperatura de recozimento mais baixa. Este problema
pode ser solucionado, ao contrário dos problemas acarretados por
temperaturas de recozimento excessivas. Estas temperaturas não podem ser
muito altas, pois do contrário provocariam excessiva solubilização de
carbetos. O tempo e a temperatura de solubilização de carbetos dependem do
tipo de superliga analisada, sua composição química e seu histórico de
processamento prévio, e sendo assim, devem ser ajustados para cada superliga.
A
conformação por fluência é análoga à estampagem, porém ocorre numa
temperatura mais elevada. Os materiais utilizados na fabricação de
ferramentas evoluíram no sentido de poderem ser conformados em temperaturas
bem mais altas do que as temperaturas de conformação das superligas de
níquel. A conformação por fluência de ligas como René 41 e Inconel X-750
ocorre em temperaturas da ordem de 870 a 900 °C em ciclos de tempo de 4 a 8
horas. Nesse patamar o aquecimento representaria um superenvelhecimento
moderado, que resultaria em resistência mecânica ótima no caso de algumas
ligas, embora parte da perda possa recuperada mediante envelhecimento
subseqüente a 760 °C. Embora lenta, a conformação por fluência apresenta um
bom potencial para a fabricação de produtos estruturais com formas curvas. O
uso de superligas em seções da estrutura de aeronaves deve estimular
pesquisas e desenvolvimento tecnológico com a finalidade de atender essas
aplicações, porém este tipo de estudo ainda está num nível muito limitado.
Forjamento Rotatório
Além das
ligas de níquel endurecidas por dispersão do tipo TD, o forjamento rotatório
tem sido pouco usado no processamento comercial de superligas. Este tipo de
equipamento pode ser encontrado em muitos laboratórios, e alguns trabalhos
experimentais podem utilizar o forjamento rotatório como meio de obter
deformação e recristalização. Acredita-se que o grau de deformação é mais
uniforme através da seção reta do que o que é obtido mediante o uso de
outros processos de deformação. Isso implica na inadequação do uso do
forjamento rotatório para estudos em planta-piloto, que devem ser realizados
com outros processos.
Processos com Elevadas Taxas de Deformação
Um desses
processos com altas taxas de deformação é o forjamento por explosão, que é
essencialmente um processo de conformação de chapas realizado na temperatura
ambiente. Uma comparação da superliga Inconel 600 com o níquel
comercialmente puro permite dizer que os precipitados presentes nesta liga
levam um considerável endurecimento em condições de pressão, nas quais a
dureza do níquel comercialmente puro já atingiu a saturação. Essa
microestrutura é instável em altas temperaturas de serviço e provavelmente
pode ser melhorada por algum tipo de tratamento térmico pós-conformação.
Como o processo de forjamento por explosão torna-se mais vantajoso quando a
complexidade da geometria da peça aumenta, o controle dimensional durante o
tratamento de reaquecimento pode exigir o desenvolvimento de dispositivos
adequados para garantir este controle.
O
forjamento com alta taxa de energia se baseia no emprego de múltiplos
forjamentos a quente. Sabe-se que este tipo de equipamento permite fabricar
peças com estreita tolerância dimensional e complexidade geométrica que não
podem ser obtidos por outros processos. Aparentemente a fusão incipiente é
um problema nas temperaturas de forjamento mais altas, enquanto ruptura e a
fluência reduzida tornam-se problemáticas em temperaturas mais baixas. A
superliga de níquel Waspaloy já foi submetida a este processo de fabricação,
mas pouca informação sobre isso está disponível na literatura. A maioria dos
dados sobre este processo refere-se a outros tipos de liga.
Desbaste de Tarugos
O
processo mais comumente utilizado para desbastar tarugos de superligas de
níquel é o desbaste por prensagem, que apresenta as seguintes
características:
a) Uso prensas de alta capacidade e velocidade para minimizar o resfriamento
por contato.
b) Uso de matrizes de superligas para minimizar a erosão das ferramentas.
c) Uso de combustíveis com baixos teores de enxofre para o aquecimento.
d) Uso de uma seqüência quadrado-retângulo-quadrado.
e) Uso de raios de ferramenta cuidadosamente selecionados.
f) No caso de processo plenamente automatizado, a necessidade de obter alta
qualidade superficial no lingote.
O desbaste prossegue geralmente até a ocorrência de ruptura excessiva. Em
alguns casos os motivos são evidentes, como, por exemplo, quando se usa
ferramentas frias, porém outros casos são inexplicáveis. Lingotes refundidos
por eletroescória podem atingir os níveis de qualidade superficial
requeridos para produção automatizada.
Os
tarugos em sua maioria são desbastados para gerar formatos quadrados ou
quadrados arredondados nas extremidades, e em menor quantidade formatos
octogonais e raramente redondos. O motivo principal é o menor custo do
processo de desbaste gerador de formatos quadrado-retângulo-quadrado.
Entretanto, o forjamento subseqüente para formar discos e rodas é mais
difícil quando se usa tarugos quadrados ou arredondados somente nas
extremidades. Isso é particularmente verdadeiro para as novas superligas
mais duras, e deste modo os tarugos quadrados ou arredondados somente nas
extremidades estão se tornando obsoletos, e os tarugos totalmente redondos
aos poucos ganha espaço para a produção deste tipo de componente.
A
automação completa pode resolver outro problema associado ao processamento
de tarugos: a falta de uniformidade no acabamento superficial,
principalmente no que se refere à distribuição do carbono: partindo de uma
região com microestrutura com muito carbono dissolvido, a precipitação,
durante o forjamento ou durante o tratamento térmico, gera uma qualidade
superficial inferior à da região que já continha carbono precipitado sob a
forma de carbetos. A automação completa tenderia a uniformizar essa
distribuição de carbono, minimizando a ocorrência deste problema.
Outro problema que pode surgir se refere ao aquecimento desigual de tarugos
com grandes dimensões, associado ao gradiente térmico que então se
estabelece (tensões térmicas). Estas tensões térmicas não devem exceder 90 %
do limite de escoamento proporcional a uma deformação de 0,2 % a uma dada
temperatura, o que determina um valor máximo seguro de taxa de aquecimento.
A economia obtida com a redução da geração de perdas/refugos justifica
amplamente o aumento dos custos relativos ao controle do gradiente térmico.
Forjamento
Três
tipos de equipamento de forjamento são amplamente usados para superligas de
níquel. A grande diferença está na velocidade de fechamento das matrizes,
que varia de 7500 mm/s no caso de martelos, para valores intermediários no
caso de prensas mecânicas e para valores tão baixos quanto 500 mm/min ou
menos para prensas hidráulicas. Espera-se resfriamento menos intenso no
martelo devido ao período de contato bem mais curto, a um menor ângulo de
rebarba é possível. Por motivos que ainda requerem pesquisa, freqüentemente
ocorre recristalização mais uniforme no caso de uso de martelos. As
vantagens da prensa hidráulica se referem à sensibilidade das superligas à
taxa de deformação. Forças menores são necessárias para deformar estas ligas
no caso de taxas de deformação mais baixas, assumindo perdas térmicas
desprezíveis. A matriz pode acomodar partículas intermetálicas frágeis mais
prontamente e deformará em torno das mesmas em vez de trincar
catastroficamente através delas. Trabalho a morno residual é mais facilmente
realizado no caso de velocidades de prensa mais baixas. Considerando todos
os aspectos, cada processo tem suas vantagens e desvantagens, sendo o
forjamento em prensa mecânica um intermediário entre os outros dois
processos.
A prensa mecânica percorre uma distância pré-fixada automaticamente, o que é
de fundamental importância para a fabricação de produtos com forma muito
precisa, como aerofólios. As palhetas de superligas, em sua maioria, são
fabricadas em prensas mecânicas.
Operações
de forjamento são normalmente descritas com base em redução percentual de
espessura, entretanto, muitas vezes tal descrição é inadequada por não
considerar a geometria da peça, dificultando o estabelecimento de limites
para operações de trabalho a morno.
A
deformação, na maioria dos processos de conformação mecânica, não é
uniformemente distribuída e o crescimento de grão crítico é sempre possível.
A resistência ao cisalhamento das superligas de níquel varia muito com a
temperatura, e o resfriamento associado ao contato com a matriz acentua a
não uniformidade da deformação das superligas em comparação com outras ligas
metálicas.
Embora a lubrificação praticamente perfeita possa resultar num escoamento de
metal mais uniforme, deve ser notado que o processo de forjamento
convencional é dependente da existência de um fecho de matriz. O fecho da
matriz converte a pior orientação de linhas de forjamento no tarugo na
melhor orientação no disco forjado. Se os fabricantes conseguirem produzir
um tarugo isento de direcionalidade (o que talvez seja possível com tarugos
produzidos a partir de pós), então uma lubrificação perfeita será mais útil.
No
passado o forjamento ocorria a partir de um tarugo já trabalhado
mecanicamente com uma razão de compressão (comprimento/diâmetro) da ordem de
2 para 1, de modo a assegurar a reorientação das linhas de forjamento. Mais
recentemente, tem crescido o uso da compressão direta de lingote para discos
e os motivos parecem ser: a) ciclos mais curtos de estocagem-entrega; b)
menor custo do lingote em comparação com o tarugo no caso de ligas mais
concentradas; c) Resposta mais uniforme a um determinado ciclo de
forjamento; d) Forma mais simétrica no lingote do que no tarugo; e) Menor
segregação devido ao menor tamanho do lingote. O item “d” é muito importante
no caso de forjamento em matriz fechada com estreita tolerância.
O principal desestímulo ao uso mais amplo do forjamento direto é a possível
retenção da microestrutura bruta de fusão no produto acabado. Isso poderia
ser evitado com o uso de uma seqüência de matrizes, porém isso tornaria o
processo mais caro e mais complicado. Ligas de maior resistência mecânica,
conseqüentemente com maior resistência à deformação são mais facilmente
conformadas com o uso de uma camada isolante que protege a superfície da
peça contra perdas térmicas por radiação e condução. Os isolantes utilizados
para formar esta camada podem ser sais fundidos, vidros, materiais
cerâmicos, asbesto e aço. Esses materiais podem causar alguma perda de
controle dimensional, mas podem reduzir bastante a ocorrência de trincamento
resultante do resfriamento rápido. A redução das perdas de material assim
obtida compensa os custos dos isolantes.
Recristalização das Superligas de Níquel Associada ao
Trabalho Mecânico de Conformação
Muitos
fatores afetam a recristalização das superligas de níquel. Para cada
composição química diferente e para cada microestrutura inicial os materiais
apresentarão resposta de temperaturas e tempos diferentes no que se refere à
recristalização. Estas são as chamadas microestruturas multifásicas e nelas
cada fase secundária tem seu próprio potencial de inibir a recristalização e
o crescimento de grão.
A fase
gama linha é um obstáculo extremamente efetivo à recristalização,
particularmente se o metal nunca foi aquecido para dissolver a fase gama
linha que se formou durante o resfriamento após a solidificação do lingote.
No caso da liga Astroloy, a distribuição de partículas de fase gama linha
pode revelar enriquecimento interdendrítico de titânio, que ocorreu durante
a solidificação. A migração dos contornos pode superar algumas partículas de
fase gama linha, mas pode encontrar sérios obstáculos em partículas um pouco
maiores, desde que o espaçamento entre estas partículas não seja muito
grande.
Ao
aquecer a temperaturas muito mais altas do que a temperaturas solvus da fase
gama linha, pode ocorrer considerável crescimento de grão e a matriz
supersaturada de carbono, quando ocorre o resfriamento durante o trabalho
mecânico. A deformação causa recristalização numa faixa em torno dos
contornos de grãos do metal, mas a precipitação de carbetos pode evitar o
prosseguimento do crescimento desses grãos. No caso de forjamento em prensa
da liga Waspaloy seguido por solubilização a 1080 °C por 4 horas, os
precipitados MC continuam a restringir o movimento dos contornos de grãos
durante a solubilização. Uma microestrutura uniformemente recristalizada
pode ser obtida mediante forjamento em temperaturas mais baixas, por
exemplo, 1065 °C, na qual o tamanho de grão anterior à deformação é menor,
assim como a supersaturação em carbono.
Se o
tamanho de grão inicial é relativamente grande (ASTM 5 a 6 ou mais, ou seja,
na faixa de 44,9 a 63,5 micra ou mais) e a temperatura de forjamento está
numa faixa na qual a fase gama linha está distribuída por toda a
microestrutura, é de se esperar que ocorra recristalização celular. Neste
caso, às vezes os novos grãos possuem diâmetro igual ao espaçamento entre
partículas, mas algumas vezes os grãos apresentam tamanho muito maior. Este
fenômeno ocorre em alguns processos de fabricação, mas há pouco entendimento
das suas causas e efeitos.
Caso
essas dificuldades sejam superadas e o resultado seja uma microestrutura
uniforme de grãos finos, a recristalização subseqüente pode ocorrer de dois
modos: a) processo no qual a fase gama linha controla a recristalização e o
crescimento de grão; b) processo no qual outra fase (Ni3Nb, por exemplo)
pode controlar ambos os fenômenos ou pelo menos o crescimento de grão. A
microestrutura inicial pode apresentar alta energia (barras trefiladas a
frio) ou baixa energia (recristalizada porém com grãos muito finos). Um
estado de alta energia resultará em recristalização durante tratamento
térmico de solubilização, o qual não altera a microestrutura de baixa
energia.
Uma
microestrutura superplástica é um exemplo extremo de uma microestrutura
completamente recristalizada. Deformações muito elevadas, isto é,
alongamentos superiores a 500 % têm sido observados em lingotes extrudados e
em barras laminadas na faixa de temperaturas de envelhecimento.
Posteriormente produtos de metalurgia do pó têm apresentado essa falta de
encruamento característica da superplasticidade.
Como a
fase gama linha é um efetivo inibidor do crescimento dos grãos, podem ser
obtidos grãos muito finos. Os requisitos para a obtenção de
superplasticidade numa superliga de niquelo são: a) microestrutura inicial
adequada (grãos finos); b) ferramentas relativamente quentes; c) equipamento
capaz de gerar velocidades de fechamento baixas. Tudo isso é viável. Também
é economicamente viável ? Impossível responder a esta questão sem conhecer
quantitativamente as faixas de variação de cada um desses três fatores. A
pesquisa sobre este tema continua em andamento.
Outra
pergunta ainda não respondida sobre superplasticidade é o nível de
propriedades mecânicas após a conformação. Esses materiais terão uma vida em
fadiga de baixo ciclo , ou tenacidade à fratura excepcionais ? Se for o
caso, acelerarão amplamente o uso de superligas em superplasticidade.
Evidentemente estas respostas dependem do tipo de tratamento térmico
realizado, e ainda não se conhece completamente os mecanismos que levam
esses tratamentos a modificarem essas propriedades. O modelamento do
comportamento em deformação das superligas tendo como base o comportamento
do chumbo e da argila não é adequado, pois estes materiais apresentam
características de encruamento totalmente distintas. Entretanto, o uso de
materiais mais adequados para modelamento poderia reduzir os custos e o
tempo necessários para desenvolver a fabricação de produtos com formas
complexas.
Estruturas Trabalhadas a Morno como Objetivo – No desenvolvimento das
primeiras superligas já era utilizado o trabalho a morno combinado com
envelhecimento direto. Entretanto, como o controle de processos realizado
não era adequado, ocorria grande dispersão de resultados. Posteriormente
novas ligas, como a A-286, por exemplo, foram desenvolvidas e suas
propriedades foram determinadas por tratamentos térmicos de modo mais
adequado, e assim as superligas trabalhadas a morno foram substituídas.
Porém há
um interesse renovado no potencial do trabalho a morno de superligas. A
superliga Astroloy trabalhada a morno apresentou melhor resistência à tração
desde a temperatura ambiente até 705 °C, porém simultaneamente uma queda de
resistência à ruptura a 815 °C. Entretanto, a queda de resistência á ruptura
pode ser considerada aceitável no caso de muitas aplicações de discos de
compressores para os quais o trabalho a morno e o envelhecimento podem ser
considerados. Por outro lado, embora útil para chapas laminadas, o trabalho
a morno pode ser de difícil realização em chapas soldadas. Acredita-se que
no caso de forjamento o trabalho a morno pode ser aplicado de modo mais
fácil.
No caso
do processamento da superliga de níquel René 95, o forjamento final a 1100
°C anterior ao tratamento térmico, ocorre 56 °C abaixo da temperatura solvus
da fase gama linha. Acredita-se que a microestrutura resultante do trabalho
a morno interage com o processo de envelhecimento posterior para resultar em
níveis de resistência mecânica mais altos. Os ensaios de tração sugerem essa
possibilidade, mas é necessário um estudo mais aprofundado de microscopia
eletrônica de transmissão para confirmação.
Várias
microestruturas podem ser observadas após uma operação de trabalho a morno.
Elas podem ser (a) deformadas sem apresentar recristalização visível ao
microscópio ótico; (b) deformadas com um “laço” de recristalização
envolvendo os grãos deformados. Esse “laço” consiste numa banda de grãos
muito pequenos cujo crescimento é restringido por partículas maiores de fase
gama linha, e geralmente resulta de uma elevada deformação em baixa
temperatura. Esse último tipo de microestrutura aparenta ser mais freqüente
do que o anterior.
No caso
do envelhecimento da l |
