Influência dos parâmetros de aluminização em caixa na formação de [alfa] alumina em duas ligas de Ni

Abstract

Resumo: A alumina permite proteger componentes industriais expostos a ambientes oxidantes e também carburizantes. Este filme protetor pode ser desenvolvido através do processo de aluminização. Os parâmetros desse processo determinam o desempenho final em função da composição química do substrato, portanto seu impacto deve ser avaliado em cada liga para melhor entender o comportamento de componentes aluminizados. O objetivo deste trabalho foi determinar a influência da composição química da superliga à base de níquel e parâmetros de aluminização na subsequente formação do filme de [Alfa] alumina. Com este propósito, amostras de superligas à base de níquel comerciais (NI183 e NiCr2Nb) foram aluminizadas em duas etapas: tratamento termoquímico em caixa na faixa de temperatura de 850-1050°C e ao longo do intervalo de tempo 2-10h, na presença da mistura de pósreativos (22% de Al, 3% de NH4Cl e Al2O3 em balanço), seguido por uma etapa de préoxidação a 1100°C durante 1h. A avaliação das superfícies incluiu análise da composição química, microestrutura, fases formadas e resistência à oxidação. Os resultados mostram que a composição química do substrato influencia a morfologia e a espessura da camada aluminizada, bem como as suas fases e composição (microestrutura como tratado em caixa) após a primeira etapa do processo de aluminização. O efeito da microestrutura e dos elementos de liga do substrato, Cr, Mo, W e Ti, está relacionado com a variação da espessura da camada aluminizada e da capacidade de enriquecimento de Al. Assim sendo, camadas aluminizadas menos espessas e mais ricas em Al foram obtidas na superliga NI183. Foi estabelecido que a espessura da camada aluminizada apresentou tendência de crescimento parabólico em relação ao tempo de tratamento em caixa, por outro lado, a cinética de crescimento de camada aluminizada como função da temperatura foi mais complexa. Após a etapa de pré-oxidação, alumina [Alfa] foi identificada independente do substrato. Entretanto, para a liga NiCr2Nb o conjunto complexo de óxidos formado, com predominância de alumina e crômia, comprometeu a resistência à oxidação isotérmica no intervalo de 700-1200oC. O substrato NI183 permitiu a formação de um filme de alumina contínuo que foi responsável por um comportamento estável nas condições de teste avaliadas.

Abstract: A film of alumina can protect industrial parts operating in oxidizing and carburizing environments. This film can be obtained by aluminization procedures. Processing parameters determine the final behavior, depending on the chemical composition of the substrate. For each alloy the impact of these parameters needs to be evaluated to better understand the behavior of the parts. The aim of this work was to determine the influence of chemical composition of the nickel-based superalloy and parameters of aluminization on subsequent formation of [Alpha] alumina film. For this purpose, samples of commercial nickel-based superalloys (NI183 and NiCr2Nb) were aluminized using a two-step-process: thermochemical treatment in pack, under the temperature range of 850-1050°C and time range of 2-10h, in the presence of a reactive powder mixture (22%Al, 3%NH4Cl and Al2O3 in balance), followed by a pre-oxidation step at 1100°C for 1h. The evaluation of the aluminized surface included analyses of chemical composition, microstructure, formed phases and oxidation resistance. Results show that the chemical composition of the substrate influences the morphology and the thickness of the aluminized layer, as well as their phases and composition (as-coated microstructures) after the first step of the aluminization process carried out in pack. The effect of the microstructure and the alloying elements of the substrate, Cr, Mo, W and Ti, was related to the variation in thickness of the aluminized layer and the Al enrichment capacity. Therefore, a thinner and Al richer aluminized layer was obtained in the NI183 superalloy. It has been established that the growth of the aluminized layer thickness tends to a parabolic dependency on the time. On the other hand, the growth kinetics of the aluminized layer, as a function of the temperature, is more complex. After the pre-oxidation step, [Alpha] alumina has been identified independently of substrate. However, for NiCr2Nb alloy, the complex set of oxides identified, particularly alumina and chromia, compromised the short-term isothermal oxidation at range of 700-1200oC. NI183 alloy allowed the development of a continuous alumina film, which was responsible for a stable behavior at test conditions.