Influência da adição de partículas de carbetos de tungstênio na microestrutura de multicamadas de superligas de cobalto

Abstract

Resumo: A fabricação de componentes mecânicos por meio da metodologia aditiva, camada a camada, permite a obtenção de peças de geometria complexa e com gradiente de propriedades que permitem a construção de componentes com melhor desempenho e durabilidade. Dentre essas ligas com potencial uso nesse tipo de processo, destacam-se as superligas de cobalto que, por apresentarem elevada resistência ao desgaste e estabilidade em altas temperaturas, são aplicadas em diversos componentes para aplicações severas. Nesse contexto, os compósitos de matriz metálica com reforços cerâmicos, aplicados a multicamadas metálicas apresentam-se como excelente alternativa para aplicação em processo de manufatura aditiva. Esses reforços cerâmicos são comumente aplicados por meio da metalurgia do pó, com dimensões micrométricas. Todavia, estudos recentes têm demonstrado excelentes resultados referentes à adição de compostos cerâmicos nanométricos em ligas metálicas, verificando um refino da microestrutura e um aumento de dureza e de resistência ao desgaste. Tendo em vista esse cenário, o presente trabalho tem como objetivo avaliar a influência da adição de micro e nanopartículas cerâmicas de carboneto de tungstênio (WC) em uma superliga de cobalto, comercialmente denominada StelliteTM 6. As multicamadas foram processadas por plasma com arco transferido (PTA) e formadas por três camadas sobrepostas de material depositadas sobre um substrato de cobre. As partículas cerâmicas foram adicionadas na quantidade de 1% e 2% em peso e comparadas com a multicamada processada apenas com a liga atomizada de StelliteTM 6. O efeito das partículas cerâmicas foi avaliado utilizando DRX, MEV-EDS, EBSD, microscopia ótica e ensaios de dureza. Foi verificada que a adição de micropartículas promoveu um pequeno aumento na dureza da multicamada e um aumento do tamanho de grão. Já a adição de nanopartículas, além de proporcionar um pequeno aumento de dureza, apresentou um significativo refino da microestrutura que está associado aos fenômenos: (i) de nucleação heterogênea, baseado no mecanismo de adsorção promovido pela presença de uma interface de elevada energia; (ii) e ao efeito Zener pinning, que está relacionado à formação de uma segunda fase composta por carbetos de tungstênio que dificultam o processo de crescimento de grão. Palavras-chave: Manufatura aditiva. Nanocompósitos. Nanopartículas. Refino. Superligas de cobalto.

Abstract: The manufacture of mechanical components by the additive methodology, layer by layer, allows obtaining parts with complex geometry and gradient of properties that allows the construction of components with better performance and durability. Among these alloys with potential use in this type of process, it can be highlighted the cobalt superalloys that, due to their high wear resistance and stability at high temperatures, are applied to various components of several applications. In this context, metallic matrix composites with ceramic reinforcements applied to metallic multilayers are an excellent alternative for application in additive manufacturing process. These ceramic reinforcements are commonly applied through powder metallurgy with micrometer dimensions. However, recent studies have shown excellent results regarding the addition of nanometric ceramic compounds in metal alloys, verifying a microstructure refining and an increase in hardness and wear resistance. Given this scenario, the present work aims to evaluate the influence of the addition of ceramic tungsten carbide (WC) micro and nanoparticles in a cobalt superalloy, commercially called StelliteTM 6. The multilayers were processed by plasma transferred arc (PTA) and formed by three overlapping layers of material deposited on a copper substrate. The ceramic particles were added in the amount of 1%wt. and 2%wt. and compared with the multilayer processed with StelliteTM 6 alloy only. The effect of the ceramic particles was evaluated using DRX, MEV-EDS, EBSD, optical microscopy and hardness test. It was found that the addition of microparticles promoted a small increase in the multilayer hardness and an increase in the gran size. The addition of nanoparticles, besides providing a small increase in hardness, presented a significant microstructure refining that is associated with two phenomena: (i) heterogeneous nucleation, based on the adsorption mechanism promoted by the presence of a high energy interface; (ii) and the Zener pinning effect, which is related to the formation of a second phase composed of tungsten carbides that slow the grain growth process. Keywords: Additive manufacturing. Nanocomposites. Nanoparticles. Refining. Cobalt Superalloys.