As ligas apresentadas aqui são difíceis de dividir em subcategorias, devido às propriedades únicas do níquel. As suas ligas são altamente universais e geralmente têm mais de uma aplicação.

Por exemplo, é difícil classificar essas ligas como resistentes à corrosão resultante de um ambiente agressivo ou resistentes ao aumento da oxidação em temperaturas mais altas.

A indústria química explora ambas as propriedades únicas acima mencionadas em acessórios e conexões à base de níquel.

Da mesma forma, não existem critérios rígidos que nos permitam classificar essas ligas como resistentes ao calor ou à deformação.

Como resultado, algumas ligas são por vezes classificadas em categorias diferentes, quando na verdade são muito semelhantes.

É claro que ligas específicas são frequentemente concebidas para atender a necessidades específicas.

Por exemplo, o Hastelloy N pode ser considerado uma liga resistente à corrosão, uma liga resistente ao calor ou uma superliga de alto desempenho resistente à deformação. No entanto, tem uma característica distintiva: uma excelente resistência a sais de fluoreto quentes.

Uma categoria distinta é a das superligas, cuja característica mais importante é a alta resistência à deformação.

Todas as ligas aqui descritas são resistentes à deformação, à corrosão aquosa e/ou à corrosão a altas temperaturas.

Ligas de níquel resistentes à deformação, corrosão e calor - Aplicações

As ligas de níquel listadas nesta categoria são usadas, entre outras, nas seguintes indústrias:

Na indústria de energia: pás, bicos, superaquecedores de turbinas a vapor
Na indústria automóvel: turbocompressores, velas de ignição e válvulas de escape de motores a pistão
Em fábricas de processamento de metais: muflas de fornos, correias transportadoras e outros equipamentos de tratamento térmico
Na aviação: elementos de turbinas a gás, incluindo bicos, câmaras de combustão, exaustores, lâminas, discos, pós-combustores e reversores de impulso
Na medicina dentária: dentaduras e ferramentas dentárias
Na cosmonáutica: componentes e tampas de motores de foguetes
Nas indústrias química, petroquímica e de fabricação de papel: tubos, bombas, tanques, ventiladores, conexões e acessórios

Aditivos para ligas de níquel resistentes ao calor e à deformação

As ligas de níquel têm composições bem diferentes. Esse grupo inclui também níqueis comercialmente puros, assim como ligas complexas feitas com 10 ou mais aditivos.

Como os aditivos individuais podem afetar a liga de níquel?

Titano - Estabiliza a fase γ. Forma a fase intermetálica γ’, mas também causa a formação de carbonetos, que são instáveis quando mantidos em alta temperatura. Componente de endurecimento por envelhecimento.
Tântalo - Estabiliza a fase γ. Forma a fase intermetálica γ’, mas também causa a formação de carbonetos, que são instáveis quando mantidos a altas temperaturas.
Ferro - É mais barato que o níquel e pode substituí-lo até certo ponto, mesmo em ligas resistentes à deformação, mas causa uma diminuição da resistência ao calor. Pode servir como uma adição de expansão térmica controlada. Tem solubilidade quase completa com o níquel.
Cobalto - Melhora a resistência à deformação, afeta positivamente a solução sólida γ. Reduz a solubilidade na matriz de alumínio e titânio. Pode servir como um aditivo de expansão térmica controlada.
Cromo - Fortalece a matriz, melhora a resistência à deformação e ao calor, aumentando as propriedades mecânicas e melhorando a resistência à oxidação e sulfidação. Em baixas concentrações, pode melhorar a resistência a halogéneos ou halogenetos de alta temperatura.
Alumínio - Melhora a resistência à oxidação e sulfidação e forma a fase intermetálica γ' de reforço (frequentemente em conjunto com o titânio). Componente de endurecimento por envelhecimento.
Cobre - Melhora a resistência ao ácido sulfúrico, bem como aos ácidos redutores e sais. Tem solubilidade completa com o níquel.
Molibdénio – Fortalece a solução sólida. Melhora a resistência aos ácidos redutores e à corrosão por pite. Por outro lado, pode reduzir a resistência à oxidação.
Tungsténio - Fortalece a solução sólida. Melhora a resistência à corrosão por pite.
Nióbio - Fortalece a solução, afeta positivamente a resistência à deformação, melhora a resistência à corrosão por pite. Componente de endurecimento por envelhecimento. Forma a fase intermetálica γ’, mas também causa a formação de carbonetos, que são instáveis quando mantidos a altas temperaturas.
Vanádio - Forma a fase intermetálica γ’, mas também causa a formação de carbonetos, que são instáveis quando mantidos a altas temperaturas.
Boro - Em baixas concentrações, melhora a resistência à deformação.
Hafnium - Em baixas concentrações, melhora a resistência à deformação e reduz a fragilidade a altas temperaturas.
Zircónio - Em baixas concentrações, melhora a resistência à deformação e reduz a fragilidade a altas temperaturas.
Cério - Em baixas concentrações, melhora a resistência ao calor, reduzindo a oxidação a altas temperaturas.
Enxofre - Melhora a maquinabilidade
Silício - Melhora a resistência à oxidação e à carburação
Azoto - Melhora a resistência à corrosão por pite. Pode servir como austenitizante.

O níquel tem uma solubilidade extensa com outros elementos. Por exemplo, tem solubilidade completa com o cobre e muito boa com o ferro. Também pode dissolver quantidades notáveis de crómio, molibdénio e tungsténio, e muitas ligas contêm esses elementos. Também pode dissolver quantidades menores de alumínio, titânio, manganês e vanádio.

Superligas

SUPERLIGAS são ligas à base de níquel, ferro-níquel e cobalto feitas para ter uma alta resistência ao escoamento.

As ligas resistentes ao escoamento mantêm propriedades mecânicas muito boas em altas temperaturas. As superligas devem funcionar sob tensão, em condições severas, a temperaturas acima de aproximadamente 540 °C.

Algumas superligas podem funcionar a temperaturas superiores a 800 °C. A temperatura máxima de funcionamento não excede 1100 °C. Revestimentos protetores especiais melhoram o desempenho das superligas, permitindo um aumento adicional da temperatura.

As propriedades podem ser controladas através de ajustes na composição e no processamento (incluindo tratamento térmico), e os produtos acabados apresentam excelentes resistências a temperaturas elevadas.

Características básicas das superligas:

Resistência à deformação perfeita em altas temperaturas
Boa resistência
Boa resistência ao calor (resistência à corrosão devido à oxidação e sulfidação em altas temperaturas)

Por que essas características são tão importantes?

As superligas devem manter a sua resistência e resistência à corrosão na presença de produtos químicos agressivos quentes. Mais sobre este assunto na guia «superligas - aplicações».

Superligas – aplicações

As aplicações das superligas continuam a expandir-se, mas a taxas mais baixas do que nas décadas anteriores. Embora tenham sido desenvolvidas para utilização a altas temperaturas, também são utilizadas a temperaturas criogénicas e à temperatura corporal. A utilização aeroespacial continua a ser a aplicação predominante em termos de volume.

Superligas – aplicações:

Na indústria de energia: pás, bicos, turbinas a gás, superaquecedores de turbinas a vapor, componentes de reatores nucleares
Na aviação: elementos de turbinas a gás, incluindo bicos, câmaras de combustão, escapamentos, pás, discos, pós-combustores e reversores de impulso
Na medicina: próteses ortopédicas e dentárias
Na cosmonáutica: componentes de motores de foguetes e tampas
Nas indústrias química, petroquímica e de fabricação de papel: acessórios e fixações

Vale a pena discutir as condições de trabalho severas típicas das superligas. Isso ajuda a apreciar essas conquistas tecnológicas extraordinárias. As superligas devem suportar:

Cargas mecânicas
Altas temperaturas
Produtos químicos agressivos

Deve-se observar que esses fatores ocorrem todos ao mesmo tempo, o que intensifica ainda mais o seu impacto. As altas temperaturas amolecem o metal e aceleram a corrosão. Os produtos químicos agressivos deterioram ainda mais as propriedades mecânicas. A corrosão cria óxidos nas superfícies das superligas, enfraquece e, eventualmente, destrói o elemento atacado.

Como mencionado, as turbinas a gás são uma das principais e mais exigentes aplicações das superligas. O que acelera a corrosão? Como evitá-la? Mais sobre este tópico na guia «Corrosão em turbinas a gás».

Corrosão de turbinas a gás

As turbinas a gás são uma parte essencial dos turbojatos, turbocompressores e outros equipamentos. A corrosão é a principal ameaça a esses dispositivos.

As turbinas a gás são afetadas por dois tipos básicos de corrosão:

Corrosão a quente
Oxidação a alta temperatura

Qual é a diferença?

A oxidação a alta temperatura é a oxidação acelerada pela alta temperatura. A corrosão a quente é a oxidação e sulfidação, que ocorre em temperaturas mais baixas e na presença de produtos químicos agressivos.

Corrosão a alta temperatura de superligas

Sem a presença de outros produtos químicos agressivos e em temperaturas que atingem aproximadamente 880 °C, as superligas geralmente mantêm alta resistência à oxidação. Em temperaturas mais altas, elas são atacadas pelo oxigénio. Adições adequadas de ligas (principalmente crómio e alumínio) podem aumentar a resistência à oxidação acima de 1000 °C. Quanto mais alta a temperatura, mais importante é o alumínio, que forma um óxido protetor importante, o Al2O3. O crómio também forma um óxido protetor, o Cr2O3, e reduz a quantidade de alumínio necessária para formar um óxido Al2O3.

No entanto, o nível de alumínio de muitas superligas é insuficiente para fornecer resistência à oxidação a longo prazo. Revestimentos protetores são aplicados para lidar com esse problema.

Corrosão a quente de superligas

A corrosão a quente resulta de vapores e gases quentes. É o método mais agressivo de degradação de metais, ligas e cerâmicas, especialmente quando operam a temperaturas muito altas. Os compostos de oxigénio misturados com enxofre são responsáveis pela maioria dos casos de corrosão a quente.

Corrosão a quente e produtos químicos reativos

A corrosão a quente pode ocorrer em condições de operação a temperaturas mais baixas, muito abaixo de 880 °C, e isso ocorre através da operação de agentes de fluxagem seletivos.

Numa turbina a gás, por exemplo, o cloreto de sódio do ar reage com o enxofre do combustível para formar sulfato de sódio. O sulfato entra então em contacto com secções quentes, como as pás do rotor, o que, por sua vez, resulta num ataque de oxidação acelerado. Este tipo de corrosão pode iniciar-se a temperaturas muito baixas, tão baixas quanto 620 °C.

O Na2SO4 é um dos principais fatores de corrosão. Embora o enxofre no combustível dos motores a jato comerciais e das turbinas a gás marítimas seja muito baixo em percentagem, ele é capaz de corroer uma boa parte da superfície metálica.

O cromo desempenha um papel importante no combate à corrosão a quente. Quando uma superliga é exposta a ela, primeiro corrói a camada externa de óxidos. Isso continua até que a camada externa fique sem crómio, o que resulta numa rápida aceleração da oxidação. Uma camada densa de incrustação forma-se na superfície de um elemento atacado.

O titânio e o alumínio também neutralizam a corrosão por gás. Mais informações sobre este tópico na guia aditivos de liga.

O uso de revestimentos protetores provou ser uma contramedida eficaz, reduzindo a corrosão e aumentando a resistência em altas temperaturas. Mais informações sobre este tópico na guia revestimentos protetores.

Base da liga e resistência

A maioria das superligas à base de ferro-níquel são reforçadas pela precipitação de compostos intermetálicos numa matriz fcc.

Da mesma forma, as superligas à base de níquel mais importantes são reforçadas pela precipitação de compostos intermetálicos numa matriz. Para as ligas de níquel-titânio/alumínio, o precipitado de reforço é γ ′.

As superligas à base de cobalto são reforçadas por uma combinação de carbonetos e endurecedores de solução sólida.

Propriedades mecânicas e resistência à corrosão

Uma maior proporção de cromo, titânio e alumínio melhora a resistência das superligas não revestidas à oxidação e sulfidação. No entanto, otimizar a composição de uma liga para resistência à corrosão pode reduzir a sua resistência.

Portanto, muitas vezes a melhor solução é revestir superligas duráveis com camadas protetoras. Mais informações sobre este tópico na guia “revestimentos protetores”.

Classes de superligas por metal base

As superligas podem ser divididas em três categorias de acordo com o seu metal base:

Qual é a diferença?

Primeiro, elas têm diferentes resistências à temperatura. As temperaturas de fusão dos elementos puros são: níquel 1453 °C, ferro 1537 °C, cobalto 1495 °C. Geralmente, as superligas de cobalto podem operar em temperaturas mais altas do que as outras, mas algumas superligas avançadas de níquel superam as superligas de cobalto nesse aspecto.

As superligas à base de níquel e ferro-níquel são notavelmente menos soldáveis do que as superligas à base de cobalto.

Superligas à base de ferro-níquel
Superligas à base de níquel
Superligas à base de cobalto

Todas as superligas são relativamente dúcteis, embora a ductilidade das superligas à base de cobalto seja geralmente menor do que a das superligas à base de ferro-níquel e níquel.

A resistência à oxidação a altas temperaturas nem sempre acompanha a resistência a outros tipos de corrosão. Por exemplo, algumas superligas à base de níquel com alto teor de alumínio e teor relativamente baixo de crómio são fortes e resistentes à oxidação a altas temperaturas, mas muito fracas em termos de resistência à corrosão a quente.

Além disso, otimizar a composição de uma liga para resistência à corrosão pode reduzir a sua resistência.

Vários revestimentos protetores provaram ser a solução:

Os TBC protegem contra altas temperaturas

TBC (revestimentos de barreira térmica) são cerâmicas. Isolam eficazmente as superligas, o que lhes permite operar em temperaturas muito mais elevadas, mais de 150 °C acima do seu nível habitual, no caso de alguns TBC.

Os revestimentos de barreira térmica não protegem contra a oxidação, pelo que são frequentemente utilizados em conjunto com um dos revestimentos abaixo:

Revestimentos resistentes à corrosão

Existem dois tipos de revestimentos resistentes à corrosão:

Revestimentos de difusão - É o tipo mais comum de revestimentos protetores. Uma camada externa de alumineto altamente resistente à oxidação (geralmente CoAl ou NiAl) é difundida sobre o elemento.
Revestimentos de sobreposição - Os revestimentos de sobreposição McrAlY são mais espessos do que os revestimentos de difusão e podem ser personalizados para equilibrar o desempenho ideal em determinadas circunstâncias. Mais informações sobre este tópico na guia ”corrosão”.

Revestimentos protetores de sobreposição por composição:

FeCrAlY - Ferro, cromo, alumínio, ítrio
NiCrAlY - Níquel, cromo, alumínio, ítrio
NiCoCrAlY - Níquel, cobalto, cromo, alumínio, ítrio (mais níquel)
CoNiCrAlY - Cobalto, níquel, crómio, alumínio, ítrio (mais cobalto)

Vantagens dos revestimentos de sobreposição - Os revestimentos de sobreposição podem ser personalizados para lidar com o ambiente corrosivo previsto. Portanto, podem ser utilizadas superligas com melhores propriedades mecânicas ou simplesmente mais baratas. Além disso, os revestimentos podem ser aplicados pararenovarsuperfícies desgastadas de peças de superliga.