Ligas Para Altas Temperaturas

LIGAS PARA ALTAS TEMPERATURAS

INTRODUÇÃO

Superligas são à base de ferro, níquel ou cobalto, contendo cromo para resistência à oxidação e a à corrosão, bem como outros elementos para resistência mecânica em temperatura elevada. Tradicionalmente, são consideradas as ligas para emprego a temperaturas superiores à aproximadamente 540ºC.

Para uso acima de 600ºC, normalmente, três grupos de materiais são considerados:

- Aços austeníticos para alta temperatura

- Superligas endurecidas por solução sólida

- Superligas endurecidas por precipitação

Para aplicações estruturais, o limite atual da tecnologia de superligas é de aproximadamente 950ºC enquanto, para aplicações sem solicitações mecânicas, temperaturas de até 1200ºC podem ser aceitas em alguns casos. Para aplicações acima desses limites, outros materiais são normalmente considerados, como cerâmicas, compostos intermetálicos (Ni3Al, por exemplo) e metais e ligas refratárias.

Grande parte do desenvolvimento das superligas pode ser creditada às necessidades decorrentes do desenvolvimento de turbinas a gás. É particularmente interessante que o desenvolvimento dessas turbinas, desde sua concepção, vem sendo limitado pelos materiais disponíveis.

Superligas à base de Fe – Ni são normalmente produtos trabalhados mecanicamente (forjados ou laminados). Ligas à base de níquel e de cobalto são, frequentemente, projetadas para fundição. Algumas composições com maior quantidade de elementos de liga só podem ser obtidas por fundição, ou por modernos processos alternativos (solidificação rápida, metalurgia do pó etc.)

Como regra, em função dos elementos de liga empregados, do controle de residuais, fundamental para se atingir as propriedades necessárias, assim como da necessidade do melhor controle possível da estrutura de solidificação, superligas requerem fusão sob vácuo e refusão (VAR, ESR OU EB), se o aproveitamento máximo de suas propriedades é desejado.

As exigências crescentes sobre as superligas, como classe de material, requerem o máximo em desenvolvimento metalúrgico, tanto no projeto de liga como nos processos de fabricação.

Propriedades importantes no desenvolvimento e caracterização de superligas são:

-Resistência à fluência

- Resistência à fadiga termina e mecânica

- Estabilidade estrutural

- Resistência à corrosão/oxidação a quente no ambiente em questão

Além disso, propriedades tecnológicas, como soldabilidade, formabilidade, etc. devem ser consideradas.

ESTABILIDADE ESTRUTURAL DOS AÇOS

Esta é uma condição essencial, sobretudo porque certas ligas, ainda que apresentem excelente resistência mecânica à temperatura ambiente, podem falhar rapidamente quando em serviço a altas temperaturas, sob ação de cargas muito menores, devido à ocorrência de alguma modificação na sua estrutura interna ou à precipitação de constituintes frágeis nos contornos dos grãos.

É, portanto, necessário que os aços para serviço a altas temperaturas apresentem pelo menos uma certa estabilidade estrutural, isto é, a estrutura deve conservar- se tanto quanto possível inalterada tanto a temperaturas elevadas de serviço como à ambiente, de modo a reter, à temperatura ambiente, depois do serviço às temperaturas mais altas, propriedades como ductilidade e resistência ao choque. De fato, a esferoidização que pode ocorrer pelo serviço a altas temperaturas de aços perlíticos de baixo teor em liga, tende a diminuir a resistência à fadiga dos aços; e a precipitação de carbonetos nos contornos dos grãos de aços austeníticos não só prejudica sua ductilidade como também diminui sua resistência à corrosão.

ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS RESISTENTES AO CALOR

Muitos aços de baixo teor em liga são usados com certo êxito, quando sujeitos a esforços de pequeno vulto, a temperaturas até aproximadamente 500°C.

Dentre os aços, entretanto, os mais indicados para serviço a altas temperaturas são os de alto teor em liga, contendo principalmente cromo e níquel. Junta-se, às vezes, alumínio e silício. Sob o ponto de vista de resistência à oxidação, o elemento básico é o cromo, cuja ação nesse sentido torna-se eficaz a partir do teor 5%.

O silício atua de modo bastante peculiar: o teor desse elemento necessário a melhorar a oxidação de aços ao cromo é aproximadamente de 2%, a temperaturas da ordem de 800-900°C. Abaixo desse valor, o silício não produz efeito e, por outro lado, é inútil adicionar mais do que não se obtém qualquer ulterior melhora.

O alumínio também atua no mesmo sentido, sendo que um teor de aproximadamente 2% desse metal num aço com 6% de cromo, 0,5% de molibdênio e 0,15% de carbono, suprime praticamente qualquer perda de peso, quando o aço for submetido a temperaturas de ordem de 800°C.

O níquel, como se sabe, apresenta isoladamente uma resistência ao calor muito superior à do ferro. Apesar disso, as ligas Fe-Ni não são geralmente usadas para aplicações a altas temperaturas. Entretanto, as ligas ternárias Fe-Cr-Ni e, no limite extremo, as ligas binárias Cr-Ni sem ferro constituem os grupos mais importantes de ligas utilizadas para serviço a altas temperaturas.

No que diz respeito à resistência à fluência, os elementos que mais acentuadamente influem sobre essa propriedade são o molibdênio, o vanádio, o tungstênio, o titânio e o nióbio.

A razão pela qual os elementos de liga mencionados melhoram a resistência à fluência dos aços não está ainda inteiramente elucidada.

Essa ação pode ser devida ou a formação de carbonetos de fases intermediárias ou a um arranjo atômico que precede a formação dessas fases. Por outro lado, pode ser que essa ação seja devida ao fato de alguns dos elementos de liga mencionados (molibdênio, vanádio, tungstênio, titânio e nióbio) aumentarem sensivelmente a temperatura de recristalização do ferro, após um encruamento. Convém lembrar também que os elementos citados tendem a estabilizar a fase alfa e, quando ultrapassam um certo teor, tendem a suprimir a transformação alfa-gama a alta temperatura.

SUPERLIGAS À BASE DE FERRO E NÍQUEL

Uma família dessas ligas foi desenvolvida