Nimonic® – superligas para altas temperaturas

Características das ligas Nimonic®

Nimonic® é uma família de ligas de níquel para altas temperaturas, projetadas para operar sob condições de exposição simultânea a altas temperaturas, tensões mecânicas, fluência, oxidação e corrosão em altas temperaturas . Essas ligas estão entre os materiais mais importantes utilizados no desenvolvimento de turbinas a gás, geração de energia e equipamentos que operam sob condições térmicas extremas. Os componentes básicos da maioria das ligas Nimonic são níquel e cromo . Dependendo da classe, adições de cobalto , molibdênio , titânio , alumínio , ferro , carbono , boro e outros elementos também são utilizadas para controlar a estrutura e as propriedades do material. O alto teor de níquel garante a estabilidade da matriz austenítica γ em uma ampla faixa de temperatura, enquanto o cromo é o principal responsável pela resistência à oxidação e à corrosão em altas temperaturas. Em muitas ligas Nimonic, a adição de alumínio e titânio possibilita a formação da fase γ′ – Ni₃ ₍ Al,Ti) ₂ , responsável pela altíssima resistência mecânica e à fluência em temperaturas elevadas. No entanto, nem todas as ligas Nimonic são endurecidas da mesma maneira. Por exemplo, a Nimonic 75 é principalmente uma liga endurecida por solução sólida, enquanto as Nimonic 80A, 90, 105, 115 e 263 utilizam o mecanismo de endurecimento por precipitação em diferentes graus.

Por que o Nimonic mantém sua resistência em altas temperaturas?

Em materiais estruturais convencionais, o aumento da temperatura leva a uma rápida diminuição da resistência ao escoamento e da resistência mecânica, além de aumentar a suscetibilidade à fluência. As superligas Nimonic são projetadas para retardar significativamente esse processo. A matriz estável de níquel mantém sua estrutura austenítica em uma ampla faixa de temperatura. Em ligas com endurecimento por precipitação, os precipitados finos da fase γ′ dificultam o movimento de discordâncias e limitam a deformação do material. Cobalto e molibdênio podem fortalecer ainda mais a matriz e melhorar as propriedades em altas temperaturas, enquanto carbonetos controlados adequadamente influenciam o comportamento dos contornos de grão e a resistência à fluência. Como resultado, uma liga Nimonic selecionada corretamente pode suportar cargas por longos períodos em temperaturas nas quais os aços estruturais convencionais e muitos aços inoxidáveis perdem uma parte significativa de suas propriedades mecânicas.

Resistência à fluência

Uma das propriedades mais importantes das ligas Nimonic é a resistência à fluência e à ruptura por fluência . A fluência é a deformação lenta e permanente de um material sob carga constante a temperaturas elevadas. Esse fenômeno é de suma importância em turbinas a gás, motores de aeronaves, equipamentos de geração de energia e instalações industriais que operam continuamente por milhares de horas. Portanto, a adequação de uma liga Nimonic específica é determinada não apenas por sua resistência à tração medida à temperatura ambiente. Em muitas aplicações, a resistência à fluência, o tempo até a ruptura sob uma determinada tensão e temperatura, e a estabilidade estrutural após milhares de horas de exposição térmica são muito mais importantes.

Resistência à oxidação e à corrosão em altas temperaturas.

O cromo presente nas ligas Nimonic permite a formação de uma camada protetora de óxido que limita a oxidação adicional do material. O alumínio também desempenha um papel significativo em algumas classes. Isso permite que as ligas Nimonic sejam usadas em contato com gases e atmosferas quentes, como as encontradas em turbinas, motores, fornos e plantas de processo. No entanto, a temperatura máxima de resistência à oxidação não deve ser equiparada à temperatura máxima de operação de um componente que suporta cargas elevadas. O material pode manter uma boa resistência à oxidação superficial em temperaturas nas quais sua tensão de projeto admissível é significativamente menor. Portanto, a seleção da liga requer uma análise simultânea de temperatura, tensão, tempo de operação e ambiente.

Nimonic® 75 – liga clássica de níquel-cromo

Nimonic 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630, é uma das ligas básicas da família Nimonic. Trata-se de uma liga de níquel-cromo com adições controladas de titânio e carbono, destinada principalmente a aplicações que exigem boa resistência à oxidação, corrosão em altas temperaturas e propriedades mecânicas adequadas em temperaturas elevadas. Ao contrário do Nimonic 80A ou do Nimonic 90, a liga 75 não é uma superliga clássica de endurecimento por precipitação γ′. Suas propriedades derivam principalmente da composição da matriz e da microestrutura cuidadosamente controlada. O Nimonic 75 caracteriza-se por boa usinabilidade e soldabilidade, razão pela qual é amplamente utilizado em componentes fabricados com chapas metálicas, tiras metálicas e tubos. As aplicações típicas incluem componentes de turbinas a gás, câmaras de combustão, dutos de gases quentes, componentes de fornos industriais, equipamentos de tratamento térmico e componentes de instalações de alta temperatura.

Nimonic® 80A – liga de endurecimento por precipitação

Nimonic 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 , é uma superliga de níquel-cromo endurecida por precipitação com a adição de titânio e alumínio. O tratamento térmico adequado produz uma fase γ′, que aumenta significativamente a resistência mecânica e a resistência à fluência do material. O Nimonic 80A combina alta resistência a temperaturas elevadas com boa resistência à oxidação e à corrosão em altas temperaturas. O material é utilizado em aplicações como turbinas a gás, motores de combustão interna, componentes de válvulas, fixadores altamente solicitados e outros componentes que operam sob cargas de alta temperatura.

Nimonic® 81 – alta resistência à oxidação

Nimonic 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 é uma liga de níquel-cromo para altas temperaturas, baseada na Nimonic 80A, porém com maior teor de cromo. O maior teor de cromo proporciona uma resistência excepcionalmente alta à oxidação e à corrosão em altas temperaturas. A liga é projetada para aplicações onde a resistência superficial a gases quentes é tão importante quanto as propriedades mecânicas. É utilizada em componentes de fornos, turbinas a gás, equipamentos de tratamento térmico e instalações industriais que operam em altas temperaturas, entre outras aplicações.

Nimonic® 90 – alta resistência e resistência à fluência

Nimonic 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 é uma superliga de níquel-cromo-cobalto endurecida por precipitação. Contém uma quantidade significativa de cobalto, juntamente com adições de titânio e alumínio responsáveis pela formação da fase γ′. A combinação do endurecimento por precipitação e uma composição de matriz adequada proporciona alta resistência mecânica, resistência à fluência e resistência à oxidação em altas temperaturas. Nimonic 90 é utilizado em componentes que exigem alta resistência mecânica durante operação térmica prolongada, incluindo pás e componentes de turbinas, discos, anéis, fixadores e componentes de equipamentos de alta temperatura.

Nimonic® 105 – uma superliga para componentes de turbinas altamente solicitados.

Nimonic 105 – UNS N13021 é uma superliga de níquel de alta resistência contendo quantidades significativas de cobalto, cromo e molibdênio, com adições de alumínio e titânio. O material foi desenvolvido para apresentar elevadas propriedades mecânicas e resistência à fluência em altas temperaturas. O alto teor da fase γ′ proporciona um endurecimento por precipitação muito eficaz. O Nimonic 105 é utilizado principalmente em componentes de turbinas a gás altamente solicitados, particularmente onde são necessárias alta resistência à fluência e retenção de longo prazo das propriedades mecânicas.

Nimonic® 115 – uma liga de níquel de alta resistência

A liga Nimonic 115 é uma superliga de níquel-cromo-cobalto com adições de molibdênio, alumínio e titânio. Foi desenvolvida para proporcionar altíssima resistência à fluência em altas temperaturas. O alto teor de elementos formadores da fase γ′ proporciona forte endurecimento por precipitação e alta estabilidade mecânica sob carregamento térmico prolongado. A liga destina-se principalmente a componentes exigentes de turbinas a gás e outros componentes de alta temperatura e alta tensão.

Nimonic® 263 – resistência aliada a uma boa soldabilidade

Nimonic 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650, é uma superliga de níquel-cobalto-cromo endurecida por precipitação. Foi desenvolvida para proporcionar uma combinação favorável de alta resistência a altas temperaturas, resistência à oxidação, ductilidade e boa soldabilidade. Comparada a algumas superligas γ′ altamente reforçadas, a Nimonic 263 oferece soldabilidade aprimorada e a capacidade de fabricar componentes complexos de chapa metálica. Como resultado, é utilizada em câmaras de combustão, componentes de turbinas a gás, sistemas de exaustão, componentes de gases quentes e estruturas aeroespaciais e de energia, entre outras aplicações.

Nimonic 75, 80A, 90 e 263 – Diferenças básicas

A liga Nimonic 75 deve ser considerada principalmente para aplicações que exigem boa resistência à oxidação e à corrosão em altas temperaturas, além de boa processabilidade. A Nimonic 80A é uma liga de endurecimento por precipitação e oferece propriedades mecânicas e resistência à fluência significativamente aprimoradas. A Nimonic 90 também contém uma quantidade significativa de cobalto e foi desenvolvida para aplicações ainda mais exigentes em altas temperaturas. A Nimonic 263 combina alta resistência em temperaturas elevadas com boa ductilidade e soldabilidade, tornando-a particularmente adequada para estruturas soldadas complexas. Essas ligas não devem ser consideradas substitutas diretas. A seleção depende da temperatura, da tensão, da vida útil, da resistência à fluência necessária, do método de fabricação do componente e das condições ambientais.

Tratamento térmico de ligas Nimonic®

Para ligas Nimonic endurecidas por precipitação, o tratamento térmico é essencial para atingir as propriedades desejadas. O processo pode envolver tratamento térmico de solubilização e uma ou mais etapas de envelhecimento. Durante o envelhecimento, a formação e a distribuição da fase γ′ e de outros componentes microestruturais são controladas. A temperatura, o tempo e a taxa de resfriamento afetam o tamanho dos precipitados, a estrutura do contorno de grão, a resistência, a ductilidade e a resistência à fluência. Portanto, as propriedades mecânicas das ligas Nimonic não devem ser relatadas sem especificar o estado do tratamento térmico e a forma do produto.

Soldagem de ligas Nimonic®

A soldabilidade das ligas Nimonic depende da classe específica e do seu grau de endurecimento. A liga Nimonic 75 caracteriza-se por uma soldabilidade relativamente boa. Ligas com maiores teores de alumínio e titânio e alto teor da fase γ′ são tecnologicamente mais exigentes e podem apresentar maior suscetibilidade a fissuras durante a soldagem ou tratamento térmico subsequente. A liga Nimonic 263 foi desenvolvida, entre outros objetivos, para alcançar boa soldabilidade, mantendo elevadas propriedades mecânicas em altas temperaturas. Para estruturas críticas, a tecnologia de soldagem deve levar em consideração a condição do material antes da soldagem, os parâmetros do processo, o material de adição e o tratamento térmico pós-soldagem necessário.

Usinagem

Assim como outras superligas à base de níquel, os materiais Nimonic são ligas exigentes durante a usinagem. A alta resistência, a baixa condutividade térmica e a tendência ao endurecimento por deformação impõem uma tensão significativa na ponta da ferramenta. A usinagem de classes de materiais após o endurecimento por precipitação final pode ser particularmente desafiadora. Portanto, algumas operações mecânicas são realizadas em uma condição de material cuidadosamente selecionada antes do envelhecimento final. A usinagem requer uma configuração tecnológica rígida, ferramentas apropriadas, parâmetros de corte estáveis e remoção de calor eficaz.

Aplicações típicas das ligas Nimonic®

Aviação – pás e componentes de turbinas, anéis, discos, câmaras de combustão, componentes do sistema de exaustão e peças de motores de aeronaves altamente solicitadas. Energia – turbinas a gás industriais, partes quentes de equipamentos de geração de energia e componentes que operam sob cargas térmicas contínuas. Automotivo – válvulas de motor, componentes de turbocompressores e componentes que operam em fluxos de gases quentes. Indústria de fornos – componentes de fornos, equipamentos de tratamento térmico, suportes, tampas e componentes expostos à oxidação prolongada. Indústrias químicas e de processos – componentes de instalação que exigem resistência simultânea a altas temperaturas e ambientes agressivos. Tecnologia espacial – componentes de sistemas de propulsão e estruturas expostas a altas temperaturas e cargas mecânicas.

Selecionando a liga Nimonic® correta

Ao selecionar um tipo de Nimonic, é importante determinar não apenas a temperatura máxima de operação, mas também a natureza da carga e a vida útil necessária. Um componente que opera por alguns minutos a temperaturas muito altas requer propriedades diferentes de um componente de turbina que opera por dezenas de milhares de horas sob tensão constante. É preciso considerar a resistência à fluência, fadiga térmica e mecânica, oxidação, corrosão em alta temperatura, ciclos térmicos e a capacidade de soldagem das juntas. O tratamento térmico e os requisitos de usinagem subsequentes também são importantes. Portanto, não existe um único "melhor Nimonic". Tipos específicos foram desenvolvidos para diferentes combinações de temperatura, tensão, ambiente e tecnologia de fabricação de componentes.

Métodos de entrega para ligas Nimonic®

Dependendo da qualidade e da especificação, as ligas Nimonic estão disponíveis, entre outras, nas seguintes formas:

folhas e placas,
fitas,
barras redondas,
fios,
canos,
forjados,
anéis,
materiais destinados a posterior forjamento e processamento,
Produtos semiacabados fabricados de acordo com especificações industriais e aeroespaciais específicas.

A disponibilidade de um formato específico de produto depende da qualidade, tamanho, condição do tratamento térmico e do padrão de fabricação exigido.

graus de liga Nimonic®

Nimonic 75 / Liga 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630 – Liga de Ni-Cr com excelente resistência à oxidação e à corrosão em altas temperaturas, utilizada, entre outras aplicações, em câmaras de combustão e equipamentos de tratamento térmico.
Nimonic 80A / Liga 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – liga Ni-Cr-Ti-Al endurecida por precipitação com alta resistência e resistência à fluência.
Nimonic 81 / Liga 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 – uma liga de níquel com alto teor de cromo, projetada para aplicações que exigem altíssima resistência à oxidação e à corrosão em altas temperaturas.
Nimonic 90 / Liga 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 – liga Ni-Cr-Co-Ti-Al endurecida por precipitação com alta resistência à fluência e à oxidação.
Nimonic 105 / Liga 105 – UNS N13021 – uma superliga de Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti de alta resistência, projetada principalmente para componentes de turbinas altamente solicitados.
Nimonic 115 / Liga 115 – Superliga Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti de alta resistência com alto teor de fase γ′, projetada para operação sob altas cargas em temperaturas elevadas.
Nimonic 263 / Liga 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650 – uma liga de Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al endurecida por precipitação, que combina alta resistência a altas temperaturas com boa soldabilidade e adequação tecnológica.

Veja também

Ligas de níquel

Inconel® – superligas de níquel e cromo

Ligas com altíssima resistência à oxidação e à fluência em altas temperaturas. Utilizadas nas indústrias de energia, aviação e química.
Classes: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.

Incoloy® – ligas de níquel, ferro e cromo

Eles combinam resistência à corrosão com boa estabilidade estrutural. São particularmente valorizados nas indústrias química e petroquímica.
Espécies: Incoloy 800 H/HT, Incoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.

Nimonic® – superligas para altas temperaturas

Os materiais reforçados por precipitação utilizados na aviação e em turbinas a gás caracterizam-se por uma elevada resistência à fluência e à fadiga térmica.
Tipos: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.

Udimet® / Waspaloy® – superligas para cargas extremas

Utilizado em motores de aeronaves e na indústria de energia, onde é necessária a mais alta resistência à fluência e à fadiga térmica.
Espécies: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.

Monel® e níquel puro – resistência química e marinha

O monel (liga de níquel-cobre) e o níquel puro são materiais resistentes à água do mar, ácidos e álcalis. São frequentemente utilizados nas indústrias naval, química e de equipamentos especializados.
Graus: Monel 400, Monel K-500, Níquel 200, Níquel 201.

Ligas especiais – Invar®, Kovar®, Permalloy

Materiais com propriedades físicas únicas — baixo coeficiente de expansão térmica, estabilidade dimensional ou permeabilidade magnética controlada. Utilizados em eletrônica, óptica e instrumentos de precisão.
Espécies: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.

Hastelloy® / Haynes® – ligas resistentes à corrosão e a altas temperaturas

Ligas com alta resistência a ambientes químicos agressivos, oxidação e fluência. Utilizadas nas indústrias química, energética e aeroespacial.
Graus: Hastelloy B-2, B-3, C-276, C-22, C-4, C-2000, G-30, G-35, X, N; Haynes 214, 230, 242, 282, HR-160.