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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.97.2020.tde-25082021-133338
Documento
Autor
Nome completo
Luciano Braga Alkmin
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Lorena, 2020
Orientador
Banca examinadora
Nunes, Carlos Angelo (Presidente)
Almeida, Luiz Henrique de
Cormier, Jonathan
Eleno, Luiz Tadeu Fernandes
Título em português
Avaliação do comportamento mecânico em fluência e de oxidação da superliga MAR-M246 convencional e modificada pela substituição do Ta pelo Nb
Palavras-chave em português
Fluência
MAR-M246
Nióbio
Oxidação
Superligas à base de Ni
Resumo em português
MAR-M246 é uma superliga à base de Ni para uso em elevadas temperaturas em motores aeroespaciais e em aplicações de turbocompressores automotivos. Neste último, as temperaturas operacionais variam de 800ºC (motor diesel) a 1000°C (motor a gasolina), combinadas com altas cargas centrífugas. Assim, a resistência à fluência e a oxidação a longo prazo são os principais requisitos que a liga deve apresentar. Considerando o custo mais baixo de Nb e sua similaridade química com Ta, este trabalho investigou a substituição de Ta por Nb (em uma base de %at.) na superliga MAR-M246. A produção da liga MAR-M246 convencional com Ta e modificada com Nb foi realizada através de fusão por indução a vácuo (VIM) em moldes na forma de barras cilíndricas. Os testes de fluência foram realizados ao ar, a 800°C (475/500/550MPa), 900°C (300/350/400MPa) e 1000°C (150/200/225MPa). Testes adicionais de fluência sob alto vácuo foram realizados a 900°C/350MPa. Os ensaios de oxidação pseudo-isotérmicos foram realizados ao ar atmosférico a 800, 900°C/1000hs e 1000°C/600hs. O ganho de massa foi monitorado manualmente em uma balança analítica. As amostras foram testadas na condição "as-cast" porque rotores de turbocompressores automotivos são geralmente aplicados nessa condição. As alterações microestruturais ocorridas durante os testes foram caracterizadas através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e por Espectroscopia Dispersiva de Energia (EDS). A identificação dos óxidos foi realizada pela técnica de difratometria de raios X (DRX). A 800°C, ambas as ligas apresentaram comportamento em fluência muito semelhante. A 900°C e 1000°C, a liga convencional mostrou melhores propriedades associadas a menores danos no "bulk" e perto das regiões da superfície. Foi observado que a oxidação diminui a vida de ruptura por fluência de ambas as ligas, comparando os resultados ao ar com as amostras testadas a vácuo. Os produtos de oxidação foram Al2O3, Cr2O3, Espinélio (NiCr2O4 e CoCr2O4) e TiO2. A 1000°C, a liga modificada por Nb apresentou oxidação interna excessiva e destacamento da camada de óxidos como os principais mecanismos de danos. Do ponto de vista cinético, ambas as ligas exibem o mesmo comportamento a 800 e 900°C, com valores de kp típicos de ligas formadoras de alumina 10-12 a 10-14. No entanto, as ligas com Ta exibiu resistência superior à oxidação a 1000°C, devido à melhor aderência da escala de óxido protetor. As propriedades de fluência/oxidação inferiores na liga com Nb em T> 800°C devem estar associadas à maior difusividade de espécies nessa liga em comparação com a liga com Ta, levando a várias mudanças microestruturais e a danos maiores, e reduzindo a vida de ruptura por fluência.
Título em inglês
Evaluation of the mechanical behavior in creep and oxidation of the conventional and modified Superalloy MAR-M246 replacing Ta by Nb
Palavras-chave em inglês
Creep
MAR-M246
Ni superalloys
Niobium
Oxidation
Resumo em inglês
MAR-M246 is a well-known Ni-based superalloy for use at high temperatures in aerospace engines as well as in automotive turbochargers applications. In the latter, operating temperatures normally varies from 800oC (diesel engine) to 1000°C (gasoline engine), combined with high centrifugal loads. Thus, long term creep resistance and oxidation resistance are one of the main requirements the alloy must presents. Considering the lower cost of Nb and its chemical similarity to Ta, this work investigated the possible replacement of Ta by Nb (in basis at.%) in MAR-M246 Ni-based superalloy for use in automotive turbochargers. Conventional and Nb-modified polycrystalline MAR-M246 superalloys were prepared through vacuum induction melting (VIM) from commercial raw-materials into pre-heated ceramic molds in the form of cylindrical rods. Creep tests were performed in air, at 800°C(475/500/550MPa), 900°C(300/350/400MPa) and 1000°C(150/200/225MPa). Additional creep tests were carried out at 900°C/350MPa under high vacuum conditions. The alloys were oxidized pseudo-isothermally during 1000h in muffle furnace at 800,900°C/1000h and 1000°C/600h under lab air. The mass change was monitored manually using an analytical balance. As-cast specimens were tested because rotors of automotive turbo-chargers are usually applied in this condition. Microstructural changes were characterized with the aid of scanning electron microscopy (SEM) and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). The identification of oxides scales was performed using the X-ray diffraction technique (XRD). At 800°C, both alloys presented very similar creep behavior. At 900°C and 1000°C, the conventional alloy has shown better properties associated to lower damage in the bulk as well as near the surface regions. It has been observed that oxidation decreased the creep rupture life of both alloys by comparing results of air tested against vacuum tested specimens. Protective oxidation products growing on the surface of the oxidized samples were mainly Al2O3, Cr2O3, Spinels (NiCr2O4 and CoCr2O4) and TiO2. At 1000°C Nb modified alloy was particularly affected by excessive internal oxidation and oxide scale spalling as the main damage mechanisms. From a kinetic point of view, both alloys exhibit the same behavior at 800 and 900°C with kp values typical of alumina forming alloys 10-12 to 10-14. However, Ta modified alloys exhibited superior oxidation resistance at 1000°C when compared to the alloy containing Nb modified alloy due to the better adherence of the protective oxide scale. The lower creep/oxidation properties of Nbmodified alloy at T > 800oC should be primarily associated to higher species diffusivity in this alloy compared to the conventional one, leading to several microstructural changes and higher damage, finally conducting to lower creep rupture life.
 
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Data de Publicação
2021-08-25
 
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