BRPI0922060B1 - Precipitation hardenable nickel-based alloy, powder of this alloy, solid component comprising this powder and the use of said alloy - Google Patents
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Abstract
LIGA À BASE DE NÍQUEL ENDURECÍVEL POR PRECIPITAÇÃO, PÓ DESTA LIGA, COMPONENTE SÓLIDO COMPREENDENDO ESTE PÓ E O USO DA DITA LIGA. A presente invenção está correlacionada a uma liga à base de níquel, para uso em altas temperaturas, em que a liga compreende em % em peso: - C: 0,05-0,2; - Si: máximo de 1,5; - Mn: máximo de 0,5; - Cr: 15-20; - Al: 4-6; - Fe: 15-25; - Co: máximo de 10; - N: 0,03-0,15; - O: máximo de 0,5; - um ou mais elementos selecionados do grupo que consiste de Ta, Zr, Hf, Ti e Nb: 0,25-2,2; - um ou mais elementos selecionados do grupo que consiste de metais de terra rara (REM): máximo de 0,5; - balanço de Ni e impurezas de ocorrência normal.PRECIPITATION HARDENABLE NICKEL BASED ALLOY, POWDER OF THIS ALLOY, SOLID COMPONENT INCLUDING THIS POWDER AND THE USE OF SUCH ALLOY. The present invention relates to a nickel-based alloy, for use at high temperatures, wherein the alloy comprises in % by weight: - C: 0.05-0.2; - Si: maximum of 1.5; - Mn: maximum of 0.5; - Cr: 15-20; - Al: 4-6; - Fe: 15-25; - Co: maximum of 10; - N: 0.03-0.15; - O: maximum of 0.5; - one or more elements selected from the group consisting of Ta, Zr, Hf, Ti and Nb: 0.25-2.2; - one or more elements selected from the group consisting of rare earth metals (REM): maximum 0.5; - Ni balance and normally occurring impurities.
Description
A presente invenção se refere a uma liga à base de níquel, idealizada para uso em altas temperaturas, como, por exemplo, acima de 900°C. Especificamente, a presente invenção se refere a uma liga à base de níquel endurecível por precipitação, tendo como outro componente alumínio, o que possibilita a formação de um óxido de alumínio estável sobre a superfície, desse modo, proporcionando à liga, uma satisfatória resistência à oxidação. Além disso, a presente invenção está correlacionada a um pó da dita liga à base de níquel e ao uso da referida liga.The present invention relates to a nickel-based alloy, designed for use at high temperatures, for example, above 900°C. Specifically, the present invention relates to a precipitation hardenable nickel-based alloy, having as another component aluminum, which enables the formation of a stable aluminum oxide on the surface, thereby providing the alloy with satisfactory resistance to corrosion. oxidation. Furthermore, the present invention relates to a powder of said nickel-based alloy and the use of said alloy.
As ligas à base de níquel ligadas com alumínio são usadas em uma variedade de aplicações de alta temperatura, como, por exemplo, em fornos de tratamento térmico, uma vez que formam uma proteção de óxido de alumínio estável sobre a superfície. O óxido de alumínio, normalmente, apresenta uma adesão bastante satisfatória e não tende rachar ou cair fora da superfície. Além disso, o óxido de alumínio apresenta uma baixa velocidade de crescimento sob altas temperaturas. Portanto, esse tipo de liga, normalmente, apresenta uma satisfatória resistência à oxidação.Aluminium-alloyed nickel-based alloys are used in a variety of high-temperature applications, such as heat treating furnaces, as they form a stable aluminum oxide shield on the surface. Aluminum oxide normally has very good adhesion and does not tend to crack or fall off the surface. In addition, aluminum oxide has a low growth rate at high temperatures. Therefore, this type of alloy normally presents a satisfactory resistance to oxidation.
As ligas à base de níquel formadoras de óxido de alumínio são conhecidas pela dificuldade de fabricação, especialmente, quando processadas a quente. Um fator que contribui acentuadamente para isso é a fase intermetálica Y’ (NiβAl), a qual é formada em temperaturas abaixo de aproximadamente 900°C, durante lento resfriamento e/ou aquecimento, como, por exemplo, durante tratamentos térmicos ou durante processamento a quente. Essa fase intermetálica torna a liga dura e frágil, consequentemente, difícil de processar. A precipitação de y’ também reduz a atividade do alumínio na liga, desse modo, tornando a formação do óxido de alumínio protetor mais difícil.Aluminum oxide-forming nickel-based alloys are known to be difficult to manufacture, especially when hot processed. A factor that strongly contributes to this is the intermetallic phase Y' (NiβAl), which is formed at temperatures below approximately 900°C, during slow cooling and/or heating, such as, for example, during heat treatments or during processing at warm. This intermetallic phase makes the alloy hard and brittle, consequently difficult to process. The precipitation of y' also reduces the activity of aluminum in the alloy, thereby making the formation of protective aluminum oxide more difficult.
Um exemplo de uma liga à base de níquel formadora de óxido de alumínio é divulgado no documento de patente US 4.882.125. A liga compreende 27-35% de Cr, 2,55% de Al e 2,5-6% de Fe. É divulgado que altos teores de alumínio reduzem a tenacidade do material e que o teor de Al deve ser pelo menos 2,75%, a fim de gerar uma satisfatória proteção contra oxidação, mas, preferivelmente, não exceder a 4%, a fim de não deteriorar a ductilidade. A Patente ensina ainda que altos teores de Fe deterioram as propriedades de oxidação, por cuja razão o teor de fero não deve exceder a 6%.An example of an aluminum oxide-forming nickel-based alloy is disclosed in US patent document 4,882,125. The alloy comprises 27-35% Cr, 2.55% Al and 2.5-6% Fe. It is disclosed that high aluminum contents reduce the toughness of the material and that the Al content must be at least 2.75% in order to generate satisfactory oxidation protection, but preferably not to exceed 4% in order to not deteriorate ductility. The patent further teaches that high Fe contents deteriorate oxidation properties, for which reason the iron content must not exceed 6%.
Outro exemplo de uma liga à base de níquel formadora de óxido de alumínio é divulgado no documento de patente US 4.460.542. A liga compreende 14-18% de Cr, 4-6% de Al e 1,5-8% de Fe. Essa Patente ensina que adições de 46% de Al proporcionam superiores as propriedades de oxidação, se comparado com as liga à base de níquel que formam óxido de cromo sobre a superfície. Também, nessa Patente, é divulgado que o Fe apresenta um efeito negativo sobre as propriedades de oxidação, por cuja razão o teor de ferro deve ser no máximo de 8%.Another example of an aluminum oxide-forming nickel-based alloy is disclosed in US patent document 4,460,542. The alloy comprises 14-18% Cr, 4-6% Al and 1.5-8% Fe. That patent teaches that additions of 46% Al provide superior oxidation properties compared to nickel-based alloys that form chromium oxide on the surface. Also, in that patent, it is disclosed that Fe has a negative effect on the oxidation properties, for which reason the iron content must be at most 8%.
O documento de patente WO 2004/067788 A1 divulga ainda outro exemplo de uma liga à base de níquel formadora de óxido de alumínio. Nesse caso, a liga compreende 15-40% de Cr, 1,5-7% de Al e 0,5-13% de Fe. Melhores resultados são obtidos quando a liga compreende um máximo de 26,5% de Cr, máximo de 11% de Fe e 3-6% de Al.WO 2004/067788 A1 discloses yet another example of an aluminum oxide-forming nickel-based alloy. In this case, the alloy comprises 15-40% Cr, 1.5-7% Al and 0.5-13% Fe. Best results are obtained when the alloy comprises a maximum of 26.5% Cr, a maximum of 11% Fe and 3-6% Al.
O documento de patente WO 00/34541 A1 divulga uma liga à base de níquel compreendendo 19-23% de Cr, 3-4,4% de Al e 18-22% de Fe.
A liga é idealizada para uso em altas temperaturas. O documento de patente WO 00/34541 A1 divulga que a combinação de 19-23% de Cr e 3-4% de Al é crítica para a formação de escamas protetoras de Al2O3-Cr2O3. A liga à base de níquel é endurecida pela precipitação de 1 a 5% em mol de Cr7C3 granulado, que é obtido mediante tratamento térmico por 24 horas. A liga é produzida mediante fusão, por exemplo, mediante fusão a vácuo, fundição e processamento em formatos de construção padrões, tais como, varas, barras, etc. Essa liga mostra satisfatória resistência à oxidação até uma temperatura de 1000°C.The alloy is designed for use at high temperatures.
Também, jê é conhecido ligas formadoras de óxido de alumínio à base de ferro. Entretanto, esse tipo de liga, normalmente, apresenta baixa resistência mecânica sob altas temperaturas. Portanto, pequenas partículas são normalmente adicionadas para aumentar a resistência ao escoamento do material. Isso é descrito, por exemplo, na publicação “Metals Handbook”, 10a. edição, volume 2, página 943. Outro problema que esse tipo de liga apresenta é que a sua ductilidade à temperatura ambiente é, normalmente, muito baixa, o que torna a soldagem mais difícil. A fim de obter uma confiável solda em um material ferrítico, normalmente, é exigido um preaquecimento do material a ser soldado a uma temperatura de pelo menos 200°C. Em muitos casos, um recozimento para alívio de tensão à temperatura de 750850°C é também exigido após a soldagem.Also, iron-based aluminum oxide forming alloys are known. However, this type of alloy normally has low mechanical strength at high temperatures. Therefore, small particles are usually added to increase the flow resistance of the material. This is described, for example, in the publication “Metals Handbook”, 10a. edition,
O objetivo da presente invenção é obter uma liga com excelente resistência à oxidação, sob altas temperaturas, especificamente, de cerca de 900°C a pelo menos cerca de 1250°C, e que ainda tenha uma satisfatória usinabilidade a quente e, ainda, uma satisfatória resistência ao escoamento.The object of the present invention is to obtain an alloy with excellent oxidation resistance under high temperatures, specifically from about 900°C to at least about 1250°C, and which still has satisfactory hot machinability and, furthermore, a satisfactory flow resistance.
O objetivo mencionado é alcançado por meio de uma liga à base de níquel endurecível por precipitação, compreendendo em percentual em peso: - C: 0,05-0,2; - Si: máximo de 1,5; - Mn: máximo de 0,5; - Cr: 15-20; - Al: 4-6; - Fe: 15-25; - Co: máximo de 10; - N: 0,03-0,15; - O: máximo de 0,5; um ou mais elementos selecionados do grupo que consiste em Ta, Zr, Hf, Ti e Nb, em que a quantidade total desse grupo é 0,25-2,2; um ou mais elementos selecionados do grupo que consiste em metais de terra rara (REM), em que a quantidade total desse grupo é no máximo de 0,5; - saldo de Ni e impurezas de ocorrência normal.The aforementioned objective is achieved by means of a precipitation-hardening nickel-based alloy, comprising in percentage by weight: - C: 0.05-0.2; - Si: maximum of 1.5; - Mn: maximum of 0.5; - Cr: 15-20; - Al: 4-6; - Fe: 15-25; - Co: maximum of 10; - N: 0.03-0.15; - O: maximum of 0.5; one or more elements selected from the group consisting of Ta, Zr, Hf, Ti and Nb, wherein the total amount of that group is 0.25-2.2; one or more elements selected from the group consisting of rare earth metals (REM), wherein the total amount of this group is a maximum of 0.5; - balance of Ni and normally occurring impurities.
A liga à base de níquel de acordo com a presente invenção é austenítica e apresenta uma satisfatória resistência à oxidação, especialmente sob altas temperaturas, como, por exemplo, acima de 900°C. A resistência à oxidação é alta mesmo em temperaturas de cerca de 1100°C. Uma vez que a presente liga forma um óxido de alumínio estável sobre a superfície, a mesma pode ser usada ainda em temperaturas acima daquelas onde os materiais formadores de óxido de cromo sofrem de intensa oxidação, isto é, acima de aproximadamente 1150°C.The nickel-based alloy according to the present invention is austenitic and exhibits satisfactory oxidation resistance, especially at high temperatures, for example above 900°C. Oxidation resistance is high even at temperatures of around 1100°C. Since the present alloy forms a stable aluminum oxide on the surface, it can still be used at temperatures above those where chromium oxide forming materials undergo intense oxidation, i.e. above approximately 1150°C.
Foi descoberto que através da adição de teores relativamente altos de Fe a uma liga à base de níquel formadora de óxido de alumínio, é possível e reduzir a estabilidade da fase intermetálica y’, que, por sua vez, torna a liga mais fácil de fabricar e processar. Uma estabilidade reduzida de y’ proporciona uma formação mais lenta de tais precipitações em uma determinada velocidade de resfriamento, o que facilita o processamento a quente da liga. Isso também leva a um risco reduzido da redução de atividade do Al, que, por sua vez, garante que um óxido de alumínio estável e resistente à oxidação possa ser formado na superfície da liga.It has been found that by adding relatively high Fe contents to a nickel-based aluminum oxide-forming alloy, it is possible to reduce the stability of the y' intermetallic phase, which in turn makes the alloy easier to manufacture. and process. A reduced stability of y' provides for a slower formation of such precipitations at a given cooling rate, which facilitates hot processing of the alloy. This also leads to a reduced risk of reduced Al activity, which in turn ensures that a stable, oxidation-resistant aluminum oxide can be formed on the surface of the alloy.
A liga à base de níquel de acordo com a invenção é mais dúctil à temperatura ambiente do que as conhecidas ligas ferríticas formadoras de óxido de alumínio. Portanto, o preaquecimento ou manutenção da liga aquecida antes da soldagem é desnecessário e o subseqüente recozimento para alívio de tensão pode ser evitado. A liga à base de níquel de acordo com a invenção, conseqüentemente, possibilita um facilitado procedimento de soldagem, se comparado com as ligas ferríticas formadoras de óxido de alumínio.The nickel-based alloy according to the invention is more ductile at room temperature than known aluminum oxide-forming ferritic alloys. Therefore, preheating or holding the heated alloy prior to soldering is unnecessary and subsequent stress relief annealing can be avoided. The nickel-based alloy according to the invention, therefore, allows for an easier welding procedure, compared with ferritic aluminum oxide-forming alloys.
A liga à base de níquel de acordo com a invenção é endurecível por precipitação. Isso á alcançado através da adição de um ou mais elementos selecionados do grupo que consiste de Ta, Zr, Hf, Ti e Nb. Esses elementos formam uma partículas endurecíveis por precipitação com C e/ou N e, opcionalmente, oxigênio adicionado. A dispersão contribui para a resistência mecânica e proporciona à liga excelente resistência ao escoamento, mesmo em altas temperaturas, sem prejudicar a usinabilidade a quente da liga.The nickel-based alloy according to the invention is precipitation hardenable. This is achieved by adding one or more elements selected from the group consisting of Ta, Zr, Hf, Ti and Nb. These elements form a precipitation hardenable particle with C and/or N and optionally added oxygen. The dispersion contributes to the mechanical strength and provides the alloy with excellent flow resistance, even at high temperatures, without impairing the hot machinability of the alloy.
A liga à base de níquel é produzida por meio de um processo de metalurgia do pó. O processo metalúrgico de fabricação do pó resulta em um material rapidamente solidificado, em que a fase frágil não tem tempo de se formar e não se desenvolvem grandes variações de composição por segregação. Uma mistura de pó rapidamente solidificada, portanto, irá proporcionar um corpo de material com uma composição essencialmente homogênea e uma distribuição essencialmente uniforme de partículas bastante pequenas de dispersão.The nickel-based alloy is produced using a powder metallurgy process. The metallurgical process of manufacturing the powder results in a material that quickly solidifies, in which the brittle phase does not have time to form and large variations in composition by segregation do not develop. A rapidly solidifying powder mixture will therefore provide a body of material with an essentially homogeneous composition and an essentially uniform distribution of very small particles of dispersion.
Um pó produzido a partir de uma liga à base de níquel irá compreender partículas endurecidas por precipitação, conforme descrito acima, que irá proporcionar um produto produzido de pó de excelentes propriedades mecânicas, especialmente, sob altas temperaturas. Além disso, um pó de liga à base de níquel possibilita, além da fabricação de formas tradicionais, tais como, tubos, varas, arame, placas e tiras, também, a fabricação de componentes sólidos com geometria complexa. Além disso, materiais de compostos em que a liga à base de níquel é incorporada podem ser facilmente fabricados, se desejado, por exemplo, a fim de produzir um produto final com um primeiro componente de carga de apoio e um segundo componente resistente à corrosão.A powder produced from a nickel-based alloy will comprise precipitation-hardened particles as described above, which will provide a powder-produced product of excellent mechanical properties, especially at high temperatures. Furthermore, a nickel-based alloy powder makes it possible not only to manufacture traditional shapes such as tubes, rods, wire, plates and strips, but also to manufacture solid components with complex geometry. In addition, composite materials in which the nickel-based alloy is incorporated can be readily manufactured, if desired, for example, to produce a final product with a first load bearing component and a second corrosion resistant component.
A liga à base de níquel de acordo com a invenção é especialmente adequada para uso em altas temperaturas, tais como, acima de 900°C e até pelo menos 1250°C, especialmente, em aplicações em que a carga mecânica sobre o material pode se tornar alta. Além disso, a liga de acordo com a invenção é adequada para uso em ambientes com altas exigências de satisfatória resistência à oxidação. Exemplos de adequadas aplicações incluem materiais de construção para fornos de tratamento térmico, em laminadores para fornos de soleira de laminação, em tubos de mufla para recozimento em atmosfera protetora, em material de construção para elementos de aquecimento, em material de câmara de combustão de turbinas a gás, em trocadores de calor do tipo gás-gás, por exemplo, na indústria de fabricação de vidro ou de turbinas a gás, em correias transportadoras tecidas de arame idealizadas para fornos de tratamento térmico, em tubos de radiação para aquecimento de fornos de tratamento térmico, ou em tubos de proteção para termopares.The nickel-based alloy according to the invention is especially suitable for use at high temperatures, such as above 900°C and up to at least 1250°C, especially in applications where the mechanical load on the material can be become high. Furthermore, the alloy according to the invention is suitable for use in environments with high requirements for satisfactory oxidation resistance. Examples of suitable applications include building materials for heat treatment furnaces, in rolling mills for rolling hearth furnaces, in muffle tubes for annealing in a protective atmosphere, in building material for heating elements, in turbine combustion chamber material. in gas-gas type heat exchangers, e.g. in the glass making industry or gas turbines, in woven wire conveyor belts designed for heat treatment furnaces, in radiation tubes for heating furnaces heat treatment, or in thermocouple protection tubes.
A figura 1a mostra o resultado de uma simulação do efeito do teor de Ni sobre a estabilidade de fase em diferentes temperaturas.Figure 1a shows the result of a simulation of the effect of Ni content on phase stability at different temperatures.
A figura 1b mostra a influência de teores variáveis de Al e Fe sobre a estabilidade mínima de y’•Figure 1b shows the influence of varying levels of Al and Fe on the minimum stability of y'•
A figura 1c mostra a influência de teores variáveis de Al e Cr sobre a estabilidade mínima de y’•Figure 1c shows the influence of varying levels of Al and Cr on the minimum stability of y'•
A figura 2 mostra o resultado de uma simulação do efeito do teor de Fe sobre a estabilidade de aluminetos de níquel•Figure 2 shows the result of a simulation of the effect of Fe content on the stability of nickel aluminides•
A figura 3 mostra o resultado de uma simulação do efeito do teor de Al sobre a estabilidade de aluminetos de níquel•Figure 3 shows the result of a simulation of the effect of Al content on the stability of nickel aluminides•
A figura 4 mostra o resultado de uma simulação do efeito do teor de Co sobre a estabilidade de aluminetos de níquel•Figure 4 shows the result of a simulation of the effect of the Co content on the stability of nickel aluminides•
A figura 5 mostra o resultado de testes de tração de exemplos de ligas de acordo com a invenção^Figure 5 shows the result of tensile tests of examples of alloys according to the invention.
A figura 6 mostra a resistência à deformação de seis diferentes corridas de processamentos, de acordo com a invenção, à temperatura ambiente, à temperatura de 500° e à temperatura de 600°•Figure 6 shows the deformation resistance of six different processing runs, according to the invention, at room temperature, at a temperature of 500° and at a temperature of 600°•
A figura 7 mostra a resistência à tração de seis diferentes corridas de processamentos de acordo com a invenção, à temperatura ambiente, à temperatura de 500° e à temperatura de 600°•Figure 7 shows the tensile strength of six different processing runs according to the invention, at room temperature, at 500° and at 600°•
A figura 8 mostra o alongamento à fratura de seis diferentes corridas de processamentos de acordo com a invenção, à temperatura ambiente, à temperatura de 500° e à temperatura de 600°•Figure 8 shows the elongation at fracture of six different processing runs according to the invention, at room temperature, at a temperature of 500° and at a temperature of 600°•
A figura 9 mostra o resultado de testes de oxidação ao ar, à temperatura de 1000°C, de oito diferentes corridas de processamentos de acordo com a invenção, e dois materiais comparativos.Figure 9 shows the results of oxidation tests in air, at a temperature of 1000°C, of eight different processing runs according to the invention, and two comparative materials.
A figura 10 mostra o resultado de testes de oxidação ao ar, à temperatura de 1100°C, de oito diferentes corridas de processamentos de acordo com a invenção, e dois materiais comparativos.Figure 10 shows the results of oxidation tests in air, at a temperature of 1100°C, of eight different processing runs according to the invention, and two comparative materials.
A figura 11 mostra uma fotografia da microestrutura da corrida de processamento (A) tomada em SEM.Figure 11 shows a photograph of the microstructure of the processing run (A) taken in SEM.
A figura 12a mostra a distribuição de tamanho de precipitados de carbonitretos na corrida de processamento (A).Figure 12a shows the size distribution of carbonitride precipitates in the processing run (A).
A figura 12b mostra a distribuição de tamanho de precipitados nas corridas de processamento (A-D).Figure 12b shows the size distribution of precipitates in the processing runs (A-D).
A figura 13 mostra o resultado de testes de escoamento das composições que não são endurecíveis por precipitação.Figure 13 shows the result of flow tests of compositions that are not precipitation hardenable.
A figura 14 mostra o resultado de testes de oxidação ao ar, à temperatura de 1100°C, de quatro composições que não são endurecíveis por precipitação. Descrição Detalhada da InvençãoFigure 14 shows the result of air oxidation tests at 1100°C of four compositions which are not precipitation hardenable. Detailed Description of the Invention
Conforme mencionado acima, as ligas à base de níquel ligadas com alumínio são geralmente consideradas de difícil processamento a quente. Um fator importante é que existe apenas um intervalo limitado de temperatura entre a fusão da liga e a precipitação de fases intermetálicas indesejadas, tais como, aluminetos de níquel. Os elementos formadores de liga Al e Cr são benéficos para resistência à oxidação, porém, tornam a liga à base de níquel difícil de processar, uma vez que aumenta a estabilidade dos aluminetos de níquel e, portanto, reduz o intervalo de temperatura para processamento a quente da liga. A usinabilidade a quente da liga é um fator bastante importante para possibilitar que produtos da mesma possam ser fácil e economicamente produzidos. Foi descoberto que a liga de acordo com a presente invenção apresenta um intervalo aumentado de temperatura para processamento a quente, em função de sua composição, o que proporciona à liga uma satisfatória usinabilidade a quente.As mentioned above, nickel-based alloys alloyed with aluminum are generally considered difficult to hot process. An important factor is that there is only a limited temperature interval between the melting of the alloy and the precipitation of unwanted intermetallic phases, such as nickel aluminides. Al and Cr alloying elements are beneficial for oxidation resistance, however, they make the nickel-based alloy difficult to process as it increases the stability of nickel aluminides and therefore reduces the temperature range for processing to league hot. The hot machinability of the alloy is a very important factor in enabling products from the alloy to be easily and economically produced. It has been found that the alloy of the present invention has an increased temperature range for hot processing, as a function of its composition, which provides the alloy with satisfactory hot machinability.
A presente invenção é baseada na descoberta de que uma adição relativamente alta de Fe a uma liga à base de níquel com 4-6% de Al e alto teor de Cr reduz a estabilidade da fase intermetálica Y’ • Precipitações da fase Y’ melhoram a resistência ao escoamento a baixas temperaturas, mas, torna a produção mais difícil, uma vez que a liga se torna dura e frágil com teores demasiadamente altos de Y’ • Além disso, a fase Y’ reduz a atividade de Al na liga, o que torna a formação do óxido de alumínio protetor na superfície mais difícil. Para uma liga idealizada para uso em altas temperaturas, como, por exemplo, acima de 900°C, é importante, conseqüentemente, reduzir o teor da fase y’, que é obtida de acordo com a composição da liga da presente invenção.The present invention is based on the discovery that a relatively high addition of Fe to a nickel-based alloy with 4-6% Al and high Cr content reduces the stability of the intermetallic phase Y' • Precipitation of the Y' phase improves the low temperature yield strength, but makes production more difficult as the alloy becomes hard and brittle with too high Y' contents • In addition, the Y' phase reduces the Al activity in the alloy, which makes the formation of protective aluminum oxide on the surface more difficult. For an alloy designed for use at high temperatures, for example above 900°C, it is therefore important to reduce the content of the y' phase, which is obtained according to the alloy composition of the present invention.
Além disso, as precipitações da fase y’ em ligas à base de níquel formadoras de óxido de alumínio anteriormente conhecidas não são estáveis acima de temperaturas de cerca de 1000°, pelo que sua influência na resistência ao escoamento é interrompida durante o uso dessas ligas acima dessa temperatura. A liga de acordo com a presente invenção compreende um teor mínimo de fase y’ e ainda é principalmente idealizada para uso em altas temperaturas, onde, conseqüentemente, existe o risco de dissolução da fase y’. A fim de manter a resistência ao escoamento, a liga, portanto, é endurecível por precipitação. Isso é alcançado, principalmente, pelos teores selecionados de carbono e nitrogênio, e ainda possivelmente de oxigênio, em combinação com os teores selecionados de Ta, Zr, Hf, Ti e Nb. É possível se produzir a liga por meio de um processo convencional de produção por fusão, mas, nesse caso, o endurecimento por precipitação será insuficiente de ser obtido. Portanto, a liga é produzida mediante processo de metalurgia do pó. Os componentes sólidos, após isso, podem ser fabricados a partir do pó produzido por compactação, em conformidade com técnicas anteriormente conhecidas, tais como, prensagem isostática a quente (HIP) ou pressão isostática a frio (CIP). Se necessário, o componente sólido fabricado pode, após isso, ser ainda processado, por exemplo, mediante laminação, extrusão ou estiramento, a fim de obter a desejada forma de produto. Também, é possível se produzir geometrias complexas diretamente a partir do pó por meio de sinterização.Furthermore, y'-phase precipitations in previously known aluminum oxide-forming nickel-based alloys are not stable above temperatures of about 1000°, so their influence on yield strength is interrupted during the use of these above alloys. of that temperature. The alloy according to the present invention comprises a minimal content of y'-phase and is still primarily intended for use at high temperatures, where, consequently, there is a risk of dissolution of the y'-phase. In order to maintain yield strength, the alloy is therefore precipitation hardenable. This is mainly achieved by selected levels of carbon and nitrogen, and possibly even oxygen, in combination with selected levels of Ta, Zr, Hf, Ti and Nb. It is possible to produce the alloy using a conventional melt production process, but in this case precipitation hardening will be insufficient to obtain. Therefore, the alloy is produced using a powder metallurgy process. The solid components thereafter can be manufactured from the powder produced by compaction, in accordance with previously known techniques, such as hot isostatic pressing (HIP) or cold isostatic pressing (CIP). If necessary, the manufactured solid component can thereafter be further processed, for example by rolling, extrusion or drawing, in order to obtain the desired product shape. Also, it is possible to produce complex geometries directly from the powder through sintering.
A composição da presente liga e o fato de que a mesma é endurecível por precipitação, resultou em uma liga à base de níquel que apresenta uma excelente resistência à oxidação, mesmo em temperaturas elevadas, como, por exemplo, pelo menos 1100°C, sendo relativamente de fácil processamento a quente e tendo satisfatória resistência ao escoamento.The composition of the present alloy and the fact that it is precipitation hardenable resulted in a nickel-based alloy that has excellent oxidation resistance, even at high temperatures, such as at least 1100°C, being relatively easy to heat process and having satisfactory flow resistance.
De acordo com uma modalidade preferida da liga à base de níquel endurecível por precipitação conforme a invenção, as partículas dispersas apresentam um diâmetro médio de menos de 1 μm, preferivelmente, menos de 500 nm. Melhores resultados são obtidos quando as partículas dispersas apresentam um diâmetro médio de 50-200 nm.According to a preferred embodiment of the precipitation hardenable nickel-based alloy according to the invention, the dispersed particles have an average diameter of less than 1 µm, preferably less than 500 nm. Best results are obtained when the dispersed particles have an average diameter of 50-200 nm.
De acordo ainda com uma modalidade preferida da liga à base de níquel endurecível por precipitação conforme a invenção, mais de 85% das partículas dispersas devem ser de diâmetro igual a 300 nm ou de valor inferior a isso.According to a further preferred embodiment of the precipitation hardenable nickel-based alloy according to the invention, more than 85% of the dispersed particles must have a diameter of 300 nm or less.
O efeito dos diversos elementos sobre as propriedades da liga será discutido a seguir, em que todos os teores indicados são expressos em percentual em peso. CarbonoThe effect of the various elements on the properties of the alloy will be discussed below, where all grades indicated are expressed in percent by weight. Carbon
O carbono na forma livre irá tomar localizações intersticiais na estrutura cristalina e, desse modo, bloquear a mobilidade de discordâncias em temperaturas de até cerca de 400-500°C. O carbono também forma carbetos com outros elementos da liga, tais como, Ta, Ti, Hf, Zr e Nb. Em uma microestrutura de carbetos finamente dispersos, esses carbetos proporcionam obstáculos para o movimento de discordância e causam efeito mesmo em temperaturas mais elevadas. O carbono é um elemento essencial para melhorar a resistência ao escoamento da liga, uma vez que a mobilidade de discordância é o mecanismo que gera o alongamento por escoamento. Entretanto, teores muito altos de carbono fazem com que a liga tenha um difícil processamento a frio, devido à ductilidade deteriorada em temperaturas mais baixas, como, por exemplo, abaixo de 300°C. Assim, a liga compreende 0,05-0,2% de carbono.Free carbon will take up interstitial locations in the crystal structure and thereby block dislocation mobility at temperatures up to about 400-500°C. Carbon also forms carbides with other alloying elements such as Ta, Ti, Hf, Zr and Nb. In a microstructure of finely dispersed carbides, these carbides provide obstacles to dislocation motion and have an effect even at higher temperatures. Carbon is an essential element to improve the yield strength of the alloy, since dislocation mobility is the mechanism that generates yield elongation. However, very high carbon contents make the alloy difficult to cold process, due to the ductility deteriorated at lower temperatures, for example, below 300°C. Thus, the alloy comprises 0.05-0.2% carbon.
O silício pode estar presente na liga com teores de até 1,5%. O silício com teores excessivamente elevados nas ligas à base de níquel pode levar ao aumento de risco de precipitações de silicietos de níquel, que ocasiona o efeito do material se tornar frágil nesse tipo de liga. Resultados de testes de escoamento de ligas similares mostraram que o tempo de vida de escoamento, isto é, o tempo para fratura por escoamento, é reduzido com teores de silício próximo de 1,5%. Entretanto, a razão para isso não é conhecida. Devido a isso, o teor de Si deve, preferivelmente, ser no máximo de 1%. De acordo com uma modalidade preferida, a liga compreende somente teores de impureza de silício, isto é, até 0,3%.Silicon may be present in the alloy with contents of up to 1.5%. Silicon with excessively high contents in nickel-based alloys can lead to an increased risk of nickel silicide precipitation, which causes the material to become brittle in this type of alloy. Flow test results of similar alloys showed that the yield life, ie the time to yield fracture, is reduced with silicon contents close to 1.5%. However, the reason for this is not known. Because of this, the Si content should preferably be at most 1%. According to a preferred embodiment, the alloy comprises only silicon impurity contents, i.e. up to 0.3%.
O manganês está presente na liga como uma impureza. É provável que até 0,5% possa ser permitido sem influenciar negativamente as propriedades da liga, pelo que, então, a liga compreende um máximo de 0,5% de manganês. De acordo com uma modalidade preferida, a liga compreende somente teores de impureza de Mn, isto é, até 0,2%.Manganese is present in the alloy as an impurity. It is likely that up to 0.5% can be allowed without negatively influencing the properties of the alloy, so the alloy comprises a maximum of 0.5% manganese. According to a preferred embodiment, the alloy comprises only Mn impurity contents, i.e. up to 0.2%.
O cromo é um elemento que por um longo período de tempo tem sido o elemento principal quando se precisa criar uma escama de óxido densa e protetora. Uma quantidade inferior a 15% de Cr em uma estrutura austenítica tende a proporcionar um óxido que não cobre inteiramente a superfície e que não é denso, conseqüentemente, proporcionando uma insuficiente resistência à oxidação para a liga. Também, existe o risco de que o material mais próximo do óxido seja exaurido de Cr, de modo que possíveis danos ao óxido possam não ser recuperados, uma vez que não existe Cr suficiente para formação de novo óxido.Chromium is an element that for a long period of time has been the main element when creating a dense, protective oxide scale. Less than 15% Cr in an austenitic structure tends to provide an oxide that does not entirely cover the surface and is not dense, consequently providing insufficient oxidation resistance for the alloy. Also, there is a risk that the material closest to the oxide will be depleted of Cr, so that possible damage to the oxide may not be recovered, since there is not enough Cr to form a new oxide.
Uma liga à base de níquel compreendendo 4% de Al deve, entretanto, não compreender mais de cerca de 20% de Cr, na medida em que teores mais elevados aumentam o risco de formação das fases y’ e β- Isso será mostrado, por exemplo, a seguir, com referência à figura 1c, calculado para uma liga compreendendo cerca de 19% de Fe.A nickel-based alloy comprising 4% Al should, however, comprise no more than about 20% Cr, as higher contents increase the risk of y' and β-phase formation. example, below, with reference to figure 1c, calculated for an alloy comprising about 19% Fe.
Portanto, a fim de minimizar a presença das fases y’ e β, a liga compreende um máximo de 20% de Cr. Também, pode ocorrer o risco de formação de outras fases indesejadas, tais como, ferrita rica em fase a e cromo, com teores demasiadamente altos de Cr. Além disso, o Cr pode também em altas temperaturas estabilizar os aluminetos de níquel.Therefore, in order to minimize the presence of y' and β phases, the alloy comprises a maximum of 20% Cr. Also, there may be the risk of formation of other undesired phases, such as ferrite rich in a and chromium phase, with excessively high levels of Cr. In addition, Cr can also stabilize nickel aluminides at high temperatures.
Portanto, a liga compreende 15-20% de Cr, preferivelmente, 17-20% de Cr. Melhores resultados são alcançados quando a liga compreende 17-19% de Cr.Therefore, the alloy comprises 15-20% Cr, preferably 17-20% Cr. Best results are achieved when the alloy comprises 17-19% Cr.
O alumínio é um elemento que gera uma escama de óxido mais densa e protetora se comparado ao cromo. Entretanto, o alumínio não pode substituir o Cr, uma vez que a formação do óxido de alumínio é mais lenta que a do óxido de cromo em temperaturas mais baixas. A liga compreende pelo menos 4% de Al, preferivelmente, mais de 4% de Al, o que garante uma suficiente resistência à oxidação em elevadas temperaturas e que o óxido cobre a superfície inteiramente. O teor relativamente alto de Al proporciona excelente resistência à oxidação, mesmo em temperaturas de cerca de 1100°C. Com teores de Al acima de 6%, existe o risco da formação de fases intermetálicas em uma matriz à base de níquel, pelo que a ductilidade do material é consideravelmente deteriorada (isso será também discutido abaixo com referência à figura 3). Portanto, a liga deve compreender 4-6% de Al, preferivelmente, >4-5,5%, mais preferivelmente, >4-5,2% de Al.Aluminum is an element that generates a denser and more protective oxide scale compared to chromium. However, aluminum cannot replace Cr, since the formation of aluminum oxide is slower than that of chromium oxide at lower temperatures. The alloy comprises at least 4% Al, preferably more than 4% Al, which guarantees sufficient resistance to oxidation at high temperatures and that the oxide covers the surface entirely. The relatively high Al content provides excellent oxidation resistance, even at temperatures of around 1100°C. With Al contents above 6%, there is a risk of the formation of intermetallic phases in a nickel-based matrix, whereby the ductility of the material is considerably deteriorated (this will also be discussed below with reference to Figure 3). Therefore, the alloy should comprise 4-6% Al, preferably >4-5.5%, more preferably >4-5.2% Al.
Foi demonstrado em conformidade com a presente invenção que teores relativamente altos de Fe em uma liga à base de níquel formadora de óxido de alumínio pode proporcionar efeitos positivos. As adições de Fe geram uma estrutura metálica que é energeticamente desfavorável para a formação da fase frágil y’, que, por sua vez, reduz consideravelmente o risco da liga se tornar dura e frágil. Conseqüentemente, a usinabilidade é aperfeiçoada. Portanto, a liga compreende pelo menos 15% de Fe. Entretanto, altos teores de Fe podem ocasionar a formação de fases indesejadas. Desse modo, a liga não deve compreender mais de 25% de Fe.It has been shown in accordance with the present invention that relatively high Fe contents in a nickel-based aluminum oxide-forming alloy can provide positive effects. The additions of Fe generate a metallic structure that is energetically unfavorable for the formation of the brittle phase y', which, in turn, considerably reduces the risk of the alloy becoming hard and brittle. Consequently, machinability is improved. Therefore, the alloy comprises at least 15% Fe. However, high Fe contents can lead to the formation of unwanted phases. Therefore, the alloy should not comprise more than 25% Fe.
Além disso, com teores de Fe de aproximadamente 21-22%, ocorre o risco da formação de uma fase β (NiAl), que, em alguns casos, pode aumentar a propriedade da mesma se tornar frágil. Isso, por exemplo, é mostrado abaixo com referência à figura 1b e figura 2.Furthermore, with Fe contents of approximately 21-22%, there is a risk of the formation of a β (NiAl) phase, which, in some cases, can increase the property of the same becoming brittle. This, for example, is shown below with reference to figure 1b and figure 2.
Preferivelmente, a liga deve compreender 16-21,5% de Fe. De acordo com uma modalidade preferida, a liga compreende 17-21% de Fe.Preferably, the alloy should comprise 16-21.5% Fe. According to a preferred embodiment, the alloy comprises 17-21% Fe.
A liga de acordo com a invenção é uma liga à base de níquel. O níquel é um elemento que estabiliza uma estrutura austenítica nas ligas e, desse modo, contrabalança a formação de algumas fases intermetálicas frágeis, como, por exemplo, a fase a. A estrutura austenítica da liga é benéfica, por exemplo, quando a mesma é usada em soldagem. A estrutura austenítica também contribui para uma satisfatória resistência ao escoamento da liga em altas temperaturas. Isso pode ser um resultado de que a velocidade de difusão é menor em uma estrutura austenítica do que em uma estrutura ferrítica.The alloy according to the invention is a nickel-based alloy. Nickel is an element that stabilizes an austenitic structure in alloys and, in this way, counterbalances the formation of some brittle intermetallic phases, such as the a-phase. The austenitic structure of the alloy is beneficial, for example, when it is used in welding. The austenitic structure also contributes to the satisfactory yield strength of the alloy at high temperatures. This could be a result that the diffusion rate is lower in an austenitic structure than in a ferritic structure.
De acordo com uma modalidade, a liga compreende 52-62% de Ni, preferivelmente, 52-60% de Ni.In one embodiment, the alloy comprises 52-62% Ni, preferably 52-60% Ni.
Em algumas ligas comerciais, uma parte do níquel é substituída por cobalto, a fim de aumentar a resistência mecânica da liga, o que pode ser feito na liga de acordo com a invenção. Uma parte do Ni da liga pode ser substituída por uma igual quantidade de Co. Isso aumenta a estabilidade do alumineto de BCC, NiAl, que depois cresce às custas da fase Y’, o que pode ser vantajoso em determinadas faixas de temperatura. Essa adição de Co, entretanto, deve ser balanceada contra as propriedades de oxidação, uma vez que a presença de NiAl irá reduzir a atividade do Al e, desse modo, deteriorar a capacidade de formar óxido de alumínio. A adição de Co irá também afetar o ponto de fusão da liga. Assim, por exemplo, uma adição de 10% de Co irá proporcionar uma liga com precipitações de NiAl, que são estáveis até a temperatura de 950°C, mas inferior ao ponto de fusão de aproximadamente 20°C. De acordo com uma modalidade da presente invenção, o níquel, portanto, é parcialmente substituído por cobalto. Entretanto, o teor de cobalto não deve exceder a 10%. NitrogênioIn some commercial alloys, a part of the nickel is replaced by cobalt, in order to increase the mechanical strength of the alloy, which can be done in the alloy according to the invention. A part of the Ni in the alloy can be replaced by an equal amount of Co. This increases the stability of the BCC aluminide, NiAl, which then grows at the expense of the Y' phase, which can be advantageous in certain temperature ranges. This addition of Co, however, must be balanced against the oxidation properties, since the presence of NiAl will reduce the activity of Al and thereby deteriorate the ability to form aluminum oxide. The addition of Co will also affect the melting point of the alloy. Thus, for example, an addition of 10% Co will provide an alloy with NiAl precipitations, which are stable up to a temperature of 950°C, but below the melting point of approximately 20°C. In accordance with one embodiment of the present invention, nickel is therefore partially replaced by cobalt. However, the cobalt content must not exceed 10%. Nitrogen
Do mesmo modo que o carbono, o nitrogênio livre toma localizações intersticiais na estrutura cristalina e, desse modo, bloqueia a mobilidade de discordância em temperaturas de até aproximadamente 400-500°C. O nitrogênio também forma nitretos e/ou carbonitretos com outros elementos da liga, tais como, Ta, Ti, Hf, Zr e Nb. Numa microestrutura em que essas partículas são finamente dispersas, elas podem conferir obstáculos para a mobilidade de discordância, especialmente, em temperaturas mais elevadas. Portanto, o nitrogênio é adicionado a fim de melhorar a resistência ao escoamento da liga. Entretanto, quando da adição de nitrogênio a ligas de alumínio, o risco de formação de nitretos de alumínio secundários é alto e, portanto, a presente liga à base de níquel apresenta um teor de nitrogênio bastante limitado. A liga compreende 0,03-0,15% de N, preferivelmente, 0,05-0,15% de N, mais preferivelmente, 0,05-0,10% de N. OxigênioLike carbon, free nitrogen takes up interstitial locations in the crystal structure and thereby blocks dislocation mobility at temperatures up to approximately 400-500°C. Nitrogen also forms nitrides and/or carbonitrides with other alloying elements such as Ta, Ti, Hf, Zr and Nb. In a microstructure where these particles are finely dispersed, they can provide obstacles to dislocation mobility, especially at higher temperatures. Therefore, nitrogen is added in order to improve the yield strength of the alloy. However, when nitrogen is added to aluminum alloys, the risk of secondary aluminum nitride formation is high and therefore the present nickel-based alloy has a very limited nitrogen content. The alloy comprises 0.03-0.15% N, preferably 0.05-0.15% N, more preferably 0.05-0.10% N. Oxygen
O oxigênio pode estar presente na liga da invenção, tanto na forma de impureza como na forma de uma adição ativa de até 0,5%. O oxigênio pode contribuir para aumentar a resistência ao escoamento da liga, formando pequenas dispersões de óxido, juntamente com Zr, Hf, Ta e Ti, que quando são finamente distribuídos na liga, melhoram sua resistência ao escoamento. Essas dispersões de óxido apresentam uma temperatura de dissolução mais alta que a de correspondentes carbetos e nitretos, pelo que o oxigênio é uma adição preferida para uso em altas temperaturas. O oxigênio pode também formar dispersões com o Al, com os elementos do Grupo 3 da Tabela Periódica, Sc, Y e La, assim como, com os quatorze lantanídeos e da mesma maneira que os elementos mencionados acima, contribuir para uma maior resistência ao escoamento da liga. De acordo com uma modalidade preferida, a liga compreende 200-2000 ppm de oxigênio, preferivelmente, 400-1000 ppm de oxigênio. Tântalo, Háfnio, Zircônio, Titânio e NióbioOxygen may be present in the alloy of the invention, either as an impurity or as an active addition of up to 0.5%. Oxygen can contribute to increase the alloy's yield strength, forming small oxide dispersions, together with Zr, Hf, Ta and Ti, which when finely distributed in the alloy, improve its yield strength. These oxide dispersions have a higher dissolution temperature than the corresponding carbides and nitrides, so oxygen is a preferred addition for use at high temperatures. Oxygen can also form dispersions with Al, with the elements of Group 3 of the Periodic Table, Sc, Y and La, as well as with the fourteen lanthanides and in the same way as the elements mentioned above, contribute to a greater resistance to flow. of the league. According to a preferred embodiment, the alloy comprises 200-2000 ppm oxygen, preferably 400-1000 ppm oxygen. Tantalum, Hafnium, Zirconium, Titanium and Niobium
Os elementos do grupo que consiste de Ta, Hf e Zr formam partículas bastante pequenas e estáveis com carbono e nitrogênio. São essas partículas que se forem finamente dispersas na estrutura, ajudam a bloquear o movimento de discordância, desse modo, aumentando a resistência ao escoamento, isto é, proporcionando endurecimento por precipitação v. É também possível obter esse efeito com a adição de Ti. As adições de Ti, entretanto, podem algumas vezes acarretar problemas, especialmente durante a produção metalúrgica de pó da liga, uma vez que se formam carbetos e nitretos já na fusão, antes da atomização, que, por sua vez, pode obstruir o orifício durante a atomização.The elements of the group consisting of Ta, Hf and Zr form very small and stable particles with carbon and nitrogen. It is these particles that, if finely dispersed in the structure, help to block dislocation movement, thereby increasing the flow resistance, that is, providing precipitation hardening v. It is also possible to obtain this effect with the addition of Ti. Ti additions, however, can sometimes cause problems, especially during metallurgical production of alloy powder, as carbides and nitrides form already in the melt, prior to atomization, which in turn can clog the orifice during the atomization.
O nióbio também forma dispersões estáveis com C e/ou N, podendo, portanto, ser adequadamente adicionado à liga de acordo com a invenção.Niobium also forms stable dispersions with C and/or N and can therefore suitably be added to the alloy according to the invention.
A liga compreende um ou mais elementos selecionados do grupo que consiste de Ta, Zr, Hf, Ti e Nb, numa quantidade total desse grupo de 0,25-2,2%, preferivelmente, 0,3-1,5%, mais preferivelmente, 0,6-1,5%.The alloy comprises one or more elements selected from the group consisting of Ta, Zr, Hf, Ti and Nb, in a total amount from that group of 0.25-2.2%, preferably 0.3-1.5%, plus preferably 0.6-1.5%.
A liga, preferivelmente, compreende uma tal quantidade dos elementos Ta, Zr, Hf, Ti e Nb que, essencialmente, todo o carbono e nitrogênio são ligados a esses elementos. Isso garante, por exemplo, que o risco da formação de carbetos de cromo durante o uso em elevadas temperaturas da liga é significativamente reduzido.The alloy preferably comprises such an amount of the elements Ta, Zr, Hf, Ti and Nb that essentially all carbon and nitrogen are bonded to these elements. This ensures, for example, that the risk of the formation of chromium carbides during use at high temperatures of the alloy is significantly reduced.
De acordo com uma modalidade preferida, a liga compreende 0,1-0,5% de Hf. De acordo com outra modalidade, a liga compreende 0,05-0,35% de Zr. De acordo ainda com outra modalidade, a liga compreende 0,05-0,5% de Ta. De acordo com outra modalidade, a liga compreende 0,05-0,4% de Ti. De acordo ainda com outra modalidade, a liga compreende 0,1-0,8% de Nb.According to a preferred embodiment, the alloy comprises 0.1-0.5% Hf. According to another embodiment, the alloy comprises 0.05-0.35% Zr. In yet another embodiment, the alloy comprises 0.05-0.5% Ta. According to another embodiment, the alloy comprises 0.05-0.4% Ti. According to yet another embodiment, the alloy comprises 0.1-0.8% Nb.
Os metais de terra rara (REM) se referem no presente contexto aos elementos do Grupo 3 da Tabela Periódica, Sc, Y, e La, assim como, os quatorze lantanídeos. Os metais de terra rara afetam as propriedades de oxidação mediante dopagem do óxido formado. O excesso de formação de liga desses elementos pode proporcionar um óxido que tende a rachar a superfície e uma adição demasiadamente pequena desses elementos tende a proporcionar um óxido que enfraquece a adesão à superfície do metal. A liga pode compreender um ou mais elementos do grupo que consiste de REM, com um teor de até 0,5% no total, preferivelmente, 0,05-0,25%. De acordo com uma modalidade preferida, ítrio é adicionado à liga numa quantidade de 0,05-0,25%.Rare earth metals (REM) refer in the present context to the elements of Group 3 of the Periodic Table, Sc, Y, and La, as well as the fourteen lanthanides. Rare earth metals affect the oxidation properties by doping the oxide formed. Excess alloying of these elements can provide an oxide that tends to crack the surface and too little addition of these elements tends to provide an oxide that weakens adhesion to the metal surface. The alloy may comprise one or more elements from the group consisting of REM, with a content of up to 0.5% in total, preferably 0.05-0.25%. In a preferred embodiment, yttrium is added to the alloy in an amount of 0.05-0.25%.
A liga à base de níquel de acordo com a invenção pode também compreender impurezas de ocorrência normal, como resultado da matéria-prima usada ou do processo de fabricação selecionado. Exemplos de impurezas incluem Ca, S e P.The nickel-based alloy according to the invention may also comprise normally occurring impurities as a result of the raw material used or the selected manufacturing process. Examples of impurities include Ca, S and P.
A liga à base de níquel endurecível por precipitação apresenta uma satisfatória resistência à oxidação, entre outras coisas, como resultado dos teores de Al e Cr. Também, a dispersão apresenta satisfatórias propriedades mecânicas, como, por exemplo, rendimento e resistência à tração, assim como, ductilidade. A dispersão apresenta satisfatória usinabilidade, o que torna fácil a fabricação de produtos, por exemplo, mediante extrusão a quente ou laminação a quente.The precipitation hardenable nickel-based alloy exhibits satisfactory oxidation resistance, among other things, as a result of the Al and Cr contents. Also, the dispersion has satisfactory mechanical properties, such as yield and tensile strength, as well as ductility. The dispersion has satisfactory machinability, which makes it easy to manufacture products, for example, by hot extrusion or hot rolling.
A liga à base de níquel identificada acima é principalmente idealizada para uso em altas temperaturas. Exemplos de aplicações em que a liga é especialmente adequada incluem materiais de construção para fornos de tratamento térmico, laminadores para fornos de soleira de laminação, tubos de mufla para recozimento em atmosfera protetora, material de construção para elementos de aquecimento, em material de câmara de combustão de turbinas a gás, em trocadores de calor do tipo gás-gás, por exemplo, na indústria de fabricação de vidro ou de turbinas a gás, em reatores tubulares em processos de alta temperatura, em correias transportadoras tecidas de arame idealizadas para fornos de tratamento térmico, em tubos de radiação para aquecimento de fornos de tratamento térmico, ou em tubos de proteção para termopares.The nickel-based alloy identified above is primarily intended for use at high temperatures. Examples of applications where the alloy is especially suitable include building materials for heat treating furnaces, rolling mills for hearth rolling furnaces, muffle tubes for annealing in a protective atmosphere, building material for heating elements, in combustion of gas turbines, in gas-gas heat exchangers, e.g. in the glass making or gas turbine industry, in tubular reactors in high-temperature processes, in woven wire conveyor belts designed for heat treatment, in radiation tubes for heating heat treatment furnaces, or in protection tubes for thermocouples.
A estabilidade das fases em diferentes composições e temperaturas de liga foi estudada por simulações termodinâmicas usando o software Thermo-Calc. Um banco de dados termodinâmico para ligas à base de níquel, chamado de “NiFe-Super, versão 4”, foi usado para as simulações. É normalmente conhecido que esse tipo de cálculo, na maioria dos casos, corresponde exatamente à realidade.The stability of the phases at different alloy compositions and temperatures was studied by thermodynamic simulations using Thermo-Calc software. A thermodynamic database for nickel-based alloys, called “NiFe-Super,
A influência do ferro sobre a estabilidade dos aluminetos de níquel β (NiAl) e y’ (NÍ3AI), e a estabilidade de α (ferrita rica em cromo) foi estudada. Os cálculos foram feitos para o teor de cromo de 18% em peso, e teor de alumínio de 4,5% em peso. O resultado para uma simulação em que a temperatura e o teor de níquel foram variados é mostrado na figura 1. Ao longo do eixo X, o ferro é substituído por níquel na liga.The influence of iron on the stability of nickel aluminides β (NiAl) and y' (NÍ3AI), and the stability of α (chromium-rich ferrite) was studied. Calculations were made for a chromium content of 18% by weight and aluminum content of 4.5% by weight. The result for a simulation in which the temperature and nickel content were varied is shown in figure 1. Along the X axis, iron is replaced by nickel in the alloy.
Essas simulações mostraram que existe uma área para uma liga com 4,5% em peso de Al e 18% em peso de Cr, onde a estabilidade da fase y’ apresenta um valor mínimo. Esse mínimo é 58% em peso de níquel e um teor de ferro de aproximadamente 19% em peso, sendo marcada na figura pelo círculo pontilhado. Teores mais baixos de Fe aumentam a estabilidade de y’, enquanto teores mais altos proporcionam a formação de alumineto de níquel de fase β (NiAl). As composições de valores próximos desse valor mínimo proporcionam um amplo intervalo de temperatura entre a fusão da liga e a precipitação dos aluminetos de níquel, portanto, facilitando a usinabilidade a quente, conforme explicado acima.These simulations showed that there is an area for an alloy with 4.5 wt% Al and 18 wt% Cr, where the stability of the y' phase has a minimum value. This minimum is 58% by weight of nickel and an iron content of approximately 19% by weight, being marked in the figure by the dotted circle. Lower levels of Fe increase the stability of y', while higher levels provide the formation of β-phase nickel aluminide (NiAl). Compositions close to this minimum value provide a wide temperature range between alloy melting and nickel aluminides precipitation, therefore facilitating hot machinability as explained above.
A influência das variações nos teores de Al e Cr sobre o valor mínimo identificado acima, foi também estudada. Ao variar o teor de Al entre 4 e 6% e, ao mesmo tempo, ajustar o teor de Fe de modo que o mínimo de estabilidade de y’ seja alcançado, pode ser calculada a figura 1b. A figura 1b mostra como o valor mínimo pode ser movimentado quando os teores de Fe e Al são variados. O valor mínimo é movimentado ao longo da linha na figura, ao mesmo tempo em que a temperatura é modificada. É evidente da figura que o aumento de teor de Al reduz a quantidade de Fe necessária para se obter o mínimo. Além disso, a temperatura se eleva para o mínimo, a partir de 814°C na marcação (1), para 953°C na marcação (9).The influence of variations in Al and Cr contents on the minimum value identified above was also studied. By varying the Al content between 4 and 6% and at the same time adjusting the Fe content so that the minimum y' stability is achieved, figure 1b can be calculated. Figure 1b shows how the minimum value can be moved when the Fe and Al contents are varied. The minimum value is moved along the line in the figure as the temperature changes. It is evident from the figure that increasing the Al content reduces the amount of Fe needed to obtain the minimum. Furthermore, the temperature rises to the minimum, from 814°C at marking (1) to 953°C at marking (9).
A figura 1c mostra o mesmo tipo de cálculo que da figura 1b, mas em que os teores de Cr e Al foram variados e o teor de Fe é mantido em aproximadamente 19%. É evidente da figura que o aumento do teor de Al reduz a quantidade de Cr necessária se obter o valor mínimo. Além disso, a temperatura se eleva de 815°C na marcação (1), para 951°C na marcação (10).Figure 1c shows the same type of calculation as Figure 1b, but where the Cr and Al contents were varied and the Fe content was maintained at approximately 19%. It is evident from the figure that increasing the Al content reduces the amount of Cr needed to obtain the minimum value. Furthermore, the temperature rises from 815°C at marking (1) to 951°C at marking (10).
Na figura 2, a influência de diferentes teores de fero sobre a estabilidade de aluminetos de níquel, ferrita e austenita é mostrada. A composição foi nesse caso de 18% em peso de Cr, 4,5% em peso de Al, saldo de Ni, com três diferentes teores de ferro, respectivamente, 16% em peso, 19% em peso e 22% em peso. A temperatura de dissolução mais baixa para os aluminetos de níquel foi obtida para o teor de Fe de 19%. Para o teor de Fe mais alto, a fase β é estável, enquanto o teor mais baixo de Fe aumenta a estabilidade da fase Y’ , que resulta em uma temperatura de dissolução mais alta.In figure 2, the influence of different iron contents on the stability of nickel aluminides, ferrite and austenite is shown. The composition was in that
Na figura 3, a influência de diferentes teores de Al sobre a estabilidade dos aluminetos de níquel e ferrita é mostrada. Nesse caso, a composição foi de 18% em peso de Cr, 19% em peso de Fe, saldo de Ni, com quatro diferentes teores de Al, respectivamente, 4% em peso, 4,5% em peso, 5% em peso e 6% em peso. O aumento dos teores de Al aumenta a temperatura de dissolução para os aluminetos de níquel. Quando o teor de Al for de 6%, a fase intermetálica β é estável, até temperaturas de cerca de 1100°C. O aumento dos teores de Al aumenta a estabilidade da ferrita em faixas de temperaturas mais baixas, abaixo de aproximadamente 800°C. Simulação do Efeito de Adição de CobaltoIn figure 3, the influence of different Al contents on the stability of nickel aluminides and ferrite is shown. In that case, the composition was 18% by weight of Cr, 19% by weight of Fe, balance of Ni, with four different contents of Al, respectively, 4% by weight, 4.5% by weight, 5% by weight and 6% by weight. The increase in Al contents increases the dissolution temperature for nickel aluminides. When the Al content is 6%, the β intermetallic phase is stable, up to temperatures of about 1100°C. The increase in Al contents increases the stability of the ferrite in lower temperature ranges, below approximately 800°C. Cobalt Addition Effect Simulation
A fim de investigar qual efeito o cobalto poderia ter sobre a liga, simulações foram feitas usando o software Thermo-Calc. Um banco de dados termodinâmico para ligas à base de níquel, chamado de “NiFe-Super, versão 4” foi usado para as simulações. Os cálculos foram feitos com a composição de partida, contendo 18% de Cr, 19% de Fe, 4,5% de Al, saldo de Ni. O níquel foi substituído por 5, 10 e 15% de Co na composição de partida e a fração de saldo das precipitações foi calculada como uma função da temperatura.In order to investigate what effect cobalt might have on the alloy, simulations were performed using Thermo-Calc software. A thermodynamic database for nickel-based alloys, called “NiFe-Super,
A influência do Co sobre a estabilidade dos aluminetos de níquel β (NiAl) e y’ (NÍ3AI), α (ferrita rica em cromo) assim como, a fase o, foram estudados. O resultado é mostrado na figura 4.The influence of Co on the stability of nickel aluminides β (NiAl) and y' (NÍ3AI), α (chromium-rich ferrite) as well as the o-phase were studied. The result is shown in figure 4.
Os cálculos mostram que as adições de Co aumentam a temperatura de dissolução para os aluminetos de níquel. As adições de Co também aumentam a estabilidade do alumineto de níquel β em relação à fase y’. Nos dois mais altos teores de Co, existe o risco de precipitações da fase o, nas temperaturas abaixo de aproximadamente 650°C. Até 10% em peso de Co pode ser usado n liga para uso em temperaturas acima de 950°C.Calculations show that additions of Co increase the dissolution temperature for nickel aluminides. Co additions also increase the stability of β nickel aluminide with respect to the y' phase. At the two highest levels of Co, there is a risk of o-phase precipitation at temperatures below approximately 650°C. Up to 10% by weight of Co can be used in the alloy for use at temperatures above 950°C.
Um determinado número de composições da liga de acordo com a invenção foi produzido, por meio de metalurgia do pó, sendo depois compactado por prensagem isostática, seguido de extrusão a quente e subseqüente têmpera com água. As composições de diferentes corridas de processamento são apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 A number of alloy compositions according to the invention were produced by powder metallurgy, then compacted by isostatic pressing, followed by hot extrusion and subsequent water quenching. The compositions of different processing runs are shown in Table 1. Table 1
Os testes de tração das composições foram realizados de acordo com a Norma SS-EN 10002-1, à temperatura ambiente. Três amostras de cada composição foram testadas e os resultados dos testes de tração, na 5 forma de média das três amostras, são mostrados na Tabela 2. Entretanto, a corrida de processamento 1 também foi testada diretamente após o procedimento de HIP (isto é,antes do procedimento de extrusão). Tabela 2
The tensile tests of the compositions were carried out in accordance with the SS-EN 10002-1 Standard, at room temperature. Three samples of each composition were tested and the tensile test results, in the form of the average of the three samples, are shown in Table 2. However, processing
Os resultados mostram que a liga de acordo com a invenção apresenta um satisfatório alongamento à fratura à temperatura ambiente durante o processamento a frio. Além disso, a liga apresenta uma resistência à deformação que é maior do que em muitos aços austeníticos e ligas à base de níquel, que, geralmente, apresentam uma resistência à deformação de aproximadamente 200-300 Mpa. Os resultados podem, por exemplo, ser comparados com um aço de cromo- níquel austenítico, com uma composição nominal de 0.07% em peso de C, 1,6% em peso de Si, 1,5% em peso de Mn, 25% em peso de Cr, 35% em peso de Ni, 0,16% em peso de N, 0,05% em peso de Ce e saldo de Fe (correspondente a UNS S35315), que apresenta uma resistência à deformação Rp0,2 de cerca de 260 MPa, uma resistência à tração Rm de cerca de 600 Mpa e um alongamento à fratura de cerca de 35%. Os resultados podem ser comparados com aço ferrítico formador de óxido de alumínio endurecível por precipitação, conhecido pela marca comercial KANTHAL APMT®, que apresenta uma composição nominal compreendendo 21% em peso de Cr, 5% em peso de Al, 3% em peso de Mo, máximo de 0,7% em peso de Si, máximo de 0,4% em peso de Mn, máximo de 0,08% em peso de C, e que apresenta uma resistência à deformação Rp0,2 de cerca de 550 MPa, uma resistência à tração Rm de cerca de 750 Mpa e um alongamento à fratura de cerca de 25%.The results show that the alloy according to the invention shows satisfactory elongation at fracture at room temperature during cold processing. In addition, the alloy has a yield strength that is greater than that of many austenitic steels and nickel-based alloys, which generally have a yield strength of approximately 200-300 MPa. The results can, for example, be compared with an austenitic chromium-nickel steel, with a nominal composition of 0.07 wt% C, 1.6 wt% Si, 1.5 wt% Mn, 25 wt%. by weight of Cr, 35% by weight of Ni, 0.16% by weight of N, 0.05% by weight of Ce and balance of Fe (corresponding to UNS S35315), which has a deformation resistance Rp0.2 of about 260 MPa, a tensile strength Rm of about 600 MPa and an elongation at fracture of about 35%. The results can be compared with precipitation hardenable aluminum oxide forming ferritic steel, known by the trade name KANTHAL APMT®, which has a nominal composition comprising 21 wt% Cr, 5 wt% Al, 3 wt% Al. Mo, maximum 0.7% by weight of Si, maximum of 0.4% by weight of Mn, maximum of 0.08% by weight of C, and which has a deformation resistance Rp0.2 of about 550 MPa , a tensile strength Rm of about 750 MPa and an elongation at fracture of about 25%.
Além disso, foram feitos testes de tração sob temperaturas de 500°C e 600°C, respectivamente, das corridas de processamento A-F apresentadas na Tabela 1, em conformidade com a Norma SS-EN 10002-5. Três amostras de cada composição foram testadas, e o resultado dos testes de tração na forma de média das três amostras é mostrado na Tabela 3. Os resultados do teste de tração sob temperaturas de 500°C e 600°C indicam que a liga de acordo com a invenção apresenta satisfatórias propriedades mecânicas em altas temperaturas, e satisfatório alongamento à fratura nessas temperaturas. Isso, juntamente com os resultados bem sucedidos da extrusão a quente e laminação a quente, indica que a liga apresenta uma satisfatória usinabilidade a quente.In addition, tensile tests were carried out at temperatures of 500°C and 600°C, respectively, of the A-F processing runs shown in Table 1, in accordance with Standard SS-EN 10002-5. Three samples of each composition were tested, and the result of the tensile tests as an average of the three samples is shown in Table 3. The results of the tensile test at temperatures of 500°C and 600°C indicate that the alloy according to with the invention exhibits satisfactory mechanical properties at high temperatures, and satisfactory elongation at fracture at these temperatures. This, together with the successful results of hot extrusion and hot rolling, indicates that the alloy has satisfactory hot machinability.
Os resultados do teste de tração das corridas de processamento 1 e 2 são mostrados na figura 5 e os resultados do teste de tração das corridas de processamento A-F são mostrados nas figuras 6 a 8.Tabela 3 The tensile test results of processing runs 1 and 2 are shown in figure 5 and the tensile test results of processing runs AF are shown in figures 6 to 8.Table 3
Testes de impacto foram realizados no material produzido a partir dos pós metálicos das corridas de processamento apresentadas na Tabela 1. As amostras foram produzidas através de prensagem isostática a quente (HIP) e, depois, extrusão a quente e têmpera com água. Os testes foram realizados de acordo com a Norma SS-EN 10045-1, à temperatura ambiente, e foram feitos em cada das três amostras das composições. Os resultados são apresentados na Tabela 4.Tabela 4 Impact tests were performed on the material produced from the metal powders from the processing runs shown in Table 1. The samples were produced by hot isostatic pressing (HIP) and then hot extrusion and water quenching. The tests were carried out in accordance with the SS-EN 10045-1 Standard, at room temperature, and were carried out on each of the three samples of the compositions. The results are shown in Table 4.Table 4
A resistência ao impacto para todas as corridas é bem acima de 27 Joule, que é o valor geralmente usado como limite entre material dúctil e material frágil.The impact strength for all runs is well above 27 Joule, which is the value commonly used as a boundary between ductile material and brittle material.
As amostras na forma de tiras foram produzidas a partir das corridas de processamento mostradas na Tabela 1. As tiras foram submetidas a um procedimento de separação com papel de 220 μ m. Além disso, uma amostra de uma liga à base de níquel conhecida sob a marca comercial SANDVIK SANICRO® 80 (correspondente ao UNS N06003) e uma amostra de aço ferrítico formador de óxido de alumínio endurecível por precipitação, conhecido pela marca comercial KANTHAL APMT (que apresenta uma composição nominal compreendendo 21% em peso de Cr, 5% em peso de Al, 3% em peso de Mo, máximo de 0,7% em peso de Si, máximo de 0,4% em peso de Mn, máximo de 0,08% em peso de C), foram produzidas para comparação.Samples in the form of strips were produced from the processing runs shown in Table 1. The strips were subjected to a separation procedure with 220 µm paper. In addition, a sample of a nickel-based alloy known under the trademark SANDVIK SANICRO® 80 (corresponding to UNS N06003) and a sample of precipitation hardening aluminum oxide forming ferritic steel known under the trademark KANTHAL APMT (which has a nominal composition comprising 21% by weight Cr, 5% by weight Al, 3% by weight Mo, maximum 0.7% by weight Si, maximum 0.4% by weight Mn, maximum 0.08% by weight of C), were produced for comparison.
O teste de oxidação foi realizado à temperatura de 1000°C ao ar livre. As amostras foram removidas do forno e resfriadas à temperatura ambiente, após 24, 48, 95, 186, 500 e 1005 horas, respectivamente, e pesadas. Após a pesagem, as amostras foram inseridas dentro do forno para continuar o aquecimento e oxidação. Os resultados do teste de oxidação são apresentados na figura 9.The oxidation test was carried out at a temperature of 1000°C in the open air. The samples were removed from the oven and cooled to room temperature, after 24, 48, 95, 186, 500 and 1005 hours, respectively, and weighed. After weighing, the samples were inserted into the oven to continue heating and oxidation. The results of the oxidation test are shown in figure 9.
Os resultados mostram que a liga de acordo com a invenção apresenta uma satisfatória resistência à oxidação, à temperatura de 1000°C. Todas as corridas de processamento, exceto a corrida D, apresentaram uma resistência à oxidação consideravelmente melhor do que o produto SANDVIK SANICRO 80. Além disso, as ligas de acordo com a invenção apresentam uma resistência à oxidação nessa temperatura que se compara com aquela do produto KANTHAL APMT, que é uma liga considerada como tendo uma excelente resistência à oxidação.The results show that the alloy according to the invention has satisfactory oxidation resistance at a temperature of 1000°C. All processing runs, except run D, showed considerably better oxidation resistance than the
As ligas de acordo com a presente invenção rapidamente formam um óxido protetor, que após a formação, apresenta uma velocidade de crescimento bastante baixa. Efeitos negativos devido ao alto teor de ferro, que haviam sido anteriormente relatados nas Patentes US 4.882.125 e US 4.460.542, não foram observados. Pode ser observado que a maioria das ligas austeníticas formadoras de óxido de cromo comumente usadas em altas temperaturas, apresentam uma velocidade de crescimento de óxido que é 4-8 vezes maior nessa temperatura.The alloys according to the present invention quickly form a protective oxide, which after formation has a very low growth rate. Negative effects due to the high iron content, which had previously been reported in US Patents 4,882,125 and US 4,460,542, were not observed. It can be seen that most austenitic chromium oxide-forming alloys commonly used at high temperatures exhibit an oxide growth rate that is 4-8 times higher at this temperature.
As amostras foram produzidas a partir das mesmas composições e da mesma maneira que no caso do teste de oxidação à temperatura de 1000°C. O teste de oxidação, nesse caso, foi realizado à temperatura de 1100°C ao ar livre. As amostras foram removidas após 24, 48, 95, 186, 500 e 1005 horas, respectivamente, e depois pesadas. Os resultados do teste de oxidação são mostrados na figura 10.The samples were produced from the same compositions and in the same manner as in the case of the oxidation test at 1000°C. The oxidation test, in this case, was carried out at a temperature of 1100°C in the open air. Samples were removed after 24, 48, 95, 186, 500 and 1005 hours, respectively, and then weighed. The results of the oxidation test are shown in figure 10.
Os resultados mostram que a liga de acordo com a invenção apresentam satisfatória resistência à oxidação à temperatura de 1100°C. As ligas de referência usadas nesse trabalho, SANDVIK SANICRO 80 e KANTHAL APMT, são conhecidas como tendo excelente resistência à oxidação para compostos formadores de óxido de cromo e formadores de alumina ferrítica, respectivamente. O teste de oxidação das ligas de acordo com a presente invenção, mostra, em geral, uma melhor resistência à oxidação do que aquela do produto SANDVIK SANICRO 80 e ainda um pouco melhor do que a do produto KANTHAL APMT. Todas as ligas testadas apresentam uma resistência à oxidação substancialmente melhor que aquela da liga divulgada pelo documento de patente WO 00/34541. Estudos tentativos de oxidação à temperatura de 1200°C indicam que a liga de acordo com a presente invenção mostra um superior grau de resistência à oxidação, se comparado com as ligas formadoras de óxido de cromo SANDVIK SANICRO 80 e a anteriormente mencionada UNS S35315. Isso demonstra que a adição de alumínio na liga desenvolvida aumenta a resistência à oxidação, especialmente, em temperaturas acima de 1100°C. MicroestruturaThe results show that the alloy according to the invention has satisfactory oxidation resistance at a temperature of 1100°C. The reference alloys used in this work,
Um exemplo da microestrutura em um material com a composição de acordo com a corrida de processamento (A), produzida a partir de pó metálico compactado de acordo com o procedimento HIP, extrudado a quente e submetido à têmpera com água, é mostrado na figura 11. A fotografia foi tirada em um microscópio de varredura de elétrons (SEM) com amplitude de 30.000 vezes. Os precipitados luminosos vistos na microestrutura são carbonitretos, contendo principalmente Hf, Ta e Zr.An example of the microstructure in a material with the composition according to the processing run (A), produced from metal powder compacted according to the HIP procedure, hot extruded and subjected to quenching with water, is shown in figure 11. The photograph was taken on a scanning electron microscope (SEM) with an amplitude of 30,000 times. The luminous precipitates seen in the microstructure are carbonitrides, containing mainly Hf, Ta and Zr.
Uma análise de imagem de cerca de 10.000 precipitados de carbonitreto do material mostrado na figura 11 foi realizada usando o procedimento SEM. O diâmetro médio dos precipitados foi de cerca de 130 nm. A freqüência dos precipitados de carbonitreto em diferentes faixas de tamanho relativa à análise de imagem é mostrada na figura 12a.An image analysis of about 10,000 carbonitride precipitates from the material shown in Figure 11 was performed using the SEM procedure. The mean diameter of the precipitates was about 130 nm. The frequency of carbonitride precipitates in different size ranges relative to image analysis is shown in figure 12a.
Além disso, o tamanho dos precipitados endurecíveis por precipitação nas corridas de processamento (B) a (D) foi pesquisado. A figura 12b mostra a freqüência relativa do diâmetro de partícula das corridas de processamento (A) a (D). É evidente que as dispersões em todas as corridas, geralmente, apresentam um diâmetro inferior a 300 nm.In addition, the size of precipitation hardenable precipitates in processing runs (B) to (D) was investigated. Figure 12b shows the relative frequency of particle diameter from processing runs (A) to (D). It is evident that the dispersions in all runs generally have a diameter of less than 300 nm.
Os testes de resistência ao escoamento para as corridas de processamento 1 e 2 foram realizados, conforme mostrado na Tabela 1. As amostras de teste foram produzidas a partir de pó metálico, que foi compactado pelo procedimento de HIP. Durante o teste de escoamento, foram usadas amostras rosqueadas com um comprimento de 35 mm, e diâmetro de 5 mm na parte mais fina. Os testes foram realizados à temperatura de 1200°C e carga de 4 MPa. O teste foi realizado para amostras duplas. A corrida de processamento 1, que compreende somente um pequeno teor de partículas endurecíveis por precipitação, devido ao baixo teor de C (0,05%) e somente 0,395% de Hf (sem adições de Nb, Ti, Zr e Ta), mostrou um tempo para fratura de 358 e 387 horas, respectivamente, para as amostras. Entretanto, a corrida de processamento 2, a qual apresenta um teor relativamente alto de partículas endurecíveis por precipitação devido ao teor relativamente alto de C (0,14%) e um total de 1,148% de Zr, Ta e Hf, mostrou um tempo para fratura de 3064 e 4576 horas, respectivamente. O efeito benéfico do endurecimento por precipitação, desse modo, se torna claro pelos resultados apresentados.Flow resistance tests for processing runs 1 and 2 were performed as shown in Table 1. Test samples were produced from metallic powder, which was compacted by the HIP procedure. During the flow test, threaded samples with a length of 35 mm and a diameter of 5 mm at the thinnest part were used. The tests were carried out at a temperature of 1200°C and a load of 4 MPa. The test was performed for double samples. Processing
As amostras de teste para os testes de escoamento foram produzidas de pó metálico, que foi compactado pelo procedimento de HIP, com posterior extrusão a quente, de diâmetro de 77 mm a 25 mm, seguido de têmpera com água. Durante o teste de escoamento, foram usadas amostras rosqueadas com um comprimento de 35 mm e diâmetro de 5 mm na parte mais fina. Os testes foram realizados à temperatura de 1200°C, com carga de 5 MPa, e temperatura de 1000°C com carga de 15 MPa. O tempo para ruptura para os diferentes materiais é mostrado na Tabela 5.Tabela 5 The test samples for the flow tests were produced from metallic powder, which was compacted by the HIP procedure, with subsequent hot extrusion, from 77 mm to 25 mm in diameter, followed by quenching with water. During the flow test, threaded samples with a length of 35 mm and a diameter of 5 mm at the thinnest part were used. The tests were carried out at a temperature of 1200°C, with a load of 5 MPa, and a temperature of 1000°C with a load of 15 MPa. Breakthrough time for different materials is shown in Table 5.Table 5
Os resultados mostram como o material de acordo com a invenção apresenta uma mais alta resistência à escoamento, comparado com as ligas fabricadas à base de níquel comercialmente disponíveis. Também, é mostrado como o material de acordo com a invenção apresenta suficiente resistência ao escoamento e resistência à oxidação para uso prático, sob temperaturas que excedem 1200°C, ao contrário da grande maioria de ligas à base de níquel comercialmente disponíveis.The results show how the material according to the invention has a higher yield strength compared to commercially available nickel-based alloys. Also, it is shown how the material according to the invention exhibits sufficient yield strength and oxidation resistance for practical use at temperatures exceeding 1200°C, unlike the vast majority of commercially available nickel-based alloys.
A alta resistência ao escoamento da corrida de processamento (D) é acreditada como sendo um resultado do alto teor de carbono, assim como, dos altos teores de Ti, Nb, Ta, HF e Zr.The high yield strength of the processing run (D) is believed to be a result of the high carbon content, as well as the high levels of Ti, Nb, Ta, HF and Zr.
Um determinado número de corridas de amostras experimentais de tamanho de aproximadamente 1 kg foi produzido mediante fusão e fundição por indução, sob uma atmosfera protetora de argônio, para efeito de comparação. As corridas de processamento não foram endurecíveis por precipitação, uma vez que não foram produzidas a partir de procedimento metalúrgico do pó. As composições são apresentadas na Tabela 6.A number of runs of experimental samples of approximately 1 kg size were produced by induction melting and casting under a protective argon atmosphere for comparison purposes. The processing runs were not precipitation hardenable as they were not produced using a powder metallurgical procedure. The compositions are shown in Table 6.
Os materiais produzidos foram depois transformados em hastes, com um diâmetro de 15 mm e, após isso, laminados à temperatura de 1200°C. As amostras para os testes de escoamento foram produzidas a partir de peças brutas que haviam sido laminadas com seção transversal de 10 mm2. Durante o teste de escoamento, foram usadas amostras rosqueadas com um comprimento de 35 mm e um diâmetro de 5 mm na parte mais fina. Tabela 6 The materials produced were then transformed into rods, with a diameter of 15 mm and, after that, laminated at a temperature of 1200°C. The samples for the flow tests were produced from blanks that had been rolled with a cross section of 10 mm2. During the flow test, threaded samples with a length of 35 mm and a diameter of 5 mm at the thinnest part were used. Table 6
O teste de escoamento foi realizado à temperature de 1200°C e carga de 4 MPa. O resultado é mostrado na figura 13.The flow test was carried out at a temperature of 1200°C and a load of 4 MPa. The result is shown in figure 13.
Uma comparação dos tempos para fratura, conforme mostrado na figura 13, com aqueles dos testes da corrida de processamento 2 acima, mostra o efeito benéfico sobre a resistência ao escoamento, quando o material foi produzido por procedimento de metalurgia do pó. A corrida 2 foi testada sob a mesma carga e temperatura que das fornadas comparativas apresentadas na Tabela 6, tendo mostrado tempos para fratura acima de 3.000 horas, enquanto as fornadas comparativas foram todas fraturadas em tempos bem abaixo de 500 horas.A comparison of the times to fracture, as shown in Figure 13, with those of the
A corrida de processamento 4249, que apresentou um alto teor de C (0,13%) e um teor relativamente alto de Ta+Zr+Hf (0,96%), ainda apresenta uma resistência ao escoamento para fraturas abaixo de 500 horas, enquanto a corrida 2, compreendendo aproximadamente a mesma quantidade de C (0,14%) e um teor ligeiramente superior dos elementos endurecíveis por precipitação (1,148%) mostrou um tempo para fratura mais de 6 vezes maior.
As amostras na forma de tiras foram produzidas a partir de corridas 4249, 4251, 4257, e 4258 e submetidas à separação com papel de 220 μm. As amostras foram testadas quanto à oxidação, à temperatura de 1100°C, ao ar livre. As amostras foram removidas após 24, 48, 96, 186, 500 e 1000 horas, respectivamente, e depois pesadas. Os resultados dos testes de oxidação são mostrados na figura 14.Samples in the form of strips were produced from
Os resultados mostram que a liga apresenta uma satisfatória resistência à oxidação, à temperatura de 1100°C. Uma vez que as propriedades de oxidação do material devem ser independentes do endurecimento por precipitação, os resultados indicam que as ligas endurecíveis por precipitação produzidas pelo procedimento de metalurgia do pó com as mesmas composições, isto é, com a composição da liga de acordo com a presente invenção, devem exibir uma resistência à oxidação igualmente satisfatória sob essa temperatura.The results show that the alloy has a satisfactory oxidation resistance at a temperature of 1100°C. Since the oxidation properties of the material must be independent of precipitation hardening, the results indicate that precipitation hardenable alloys produced by the powder metallurgy procedure have the same compositions, i.e. with the alloy composition according to the present invention, should exhibit equally satisfactory oxidation resistance at that temperature.
Claims (19)
Applications Claiming Priority (3)
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