Revestimentos compósitos reforçados com NbC : estratégias de deposição a laser e seu impacto na incidência de defeitos e propriedades finais

Abstract

Resumo: As ligas de níquel, como a Hastelloy® C276, são amplamente usadas em componentes que operam em condições extremas, como altas temperaturas e pressões e ambientes corrosivos, especialmente em unidades off-shore para exploração no pré-sal. A Hastelloy® C276 é conhecida por sua a ta resist ncia corros o, decorrente do e evado teor de cromo e mo ibd nio. o entanto, esfor os t m sido feitos para me horar sua resist ncia ao desgaste, inc uindo o uso de part cu as de refor o como o carboneto de i bio bC , com potencia interesse em ap ica es como v vulas-gaveta de oleodutos. O processo de Laser Cladding, ou deposição a laser, apresenta vantagens sobre as técnicas convencionais de soldagem, como a baixa diluição do substrato que permite a preservação da composição química original da liga. Contudo, a adição de NbC a revestimentos formando compósitos pode elevar a diluição, reduzindo a dureza e a resistência ao desgaste. A presente investigação tem como objetivo avaliar o efeito da potência do laser e da refusão de revestimentos, sobre o percentual de porosidade, diluição, microestrutura, resistência ao risco e ao desgaste de revestimentos compósitos reforçados com 25 e 50% de NbC. Os resultados das macrografias revelaram que a altura dos cordões diminui e a largura aumenta com o aumento da potência do laser, mantendo-se fatores que se mantiveram estáveis após a refusão dos revestimentos. O aumento da potência de laser promove a elevação da diluição, enquanto a refusão apresenta o mesmo efeito para a potência de 3,0 kW e não parece influenciar a diluição para 1,5 kW. A microestrutura dos revestimentos é composta por partículas não fundidas de NbC, carbonetos primários com morfologia tipo petaloide (NbC), carbonetos interdendríticos (Cr7C3, Mo2C, contendo ferro na composição), em uma matriz dendrítica de solução sólida em níquel. As fases presentes foram identificadas e confirmadas a partir da associação de diversas técnicas de caracterização, que envolveram análises de EDS, EBSD e difração de raios X. Tanto a adição de reforço (NbC) quanto o aumento da diluição promovem a elevação da fração de carbonetos e, como consequência, uma maior dureza dos revestimentos. Os microconstituintes, em especial o carboneto de nióbio (NbC), apresentam influência direta na resistência ao risco localizada. Os ensaios de desgaste por deslizamento linear recíproco nas condições com deposição direta evidenciaram que a adição de NbC contribui para a redução do coeficiente de atrito e da taxa de desgaste, em comparação à condição sem reforço. O comportamento resulta da adição de NbC à matriz metálica, com destaque às amostras depositadas na potência de laser de 3,0 kW. A refusão dos revestimentos mostrou que não são formadas novas fases nos compósitos, havendo alteração apenas na proporção de alguns constituintes, principalmente uma redução de partículas de NbC não fundidas e uma elevação na fração de carbonetos NbC tipo petaloide. A dureza e a resistência ao risco dos revestimentos refundidos se mantiveram bastante similares às condições depositadas de forma direta. Apesar disso, a refusão de cordões se mostrou efetiva na redução da porosidade dos revestimentos. As condições submetidas à refusão a laser apresentaram comportamento tribo gico vari ve . Para 1,5 kW, houve redu o no coeficiente de atrito e na taxa de desgaste, enquanto para 3,0 kW a refus o n o trouxe benefício sobre o desempenho em desgaste

Abstract: Nickel alloys, such as Hastelloy® C276, are widely used in components that operate in harsh conditions, including high temperatures and pressures and corrosive environments, especially in offshore units for pre-salt exploration. Hastelloy® C276 is known for its high corrosion resistance, resulting from the chromium and molybdenum content. However, efforts have been made to improve their wear resistance, including the use of reinforcing particles such as Niobium carbide (NbC), with potential interest in applications such as pipeline gate valves. The Laser Cladding process, or laser deposition, has advantages over conventional welding techniques, such as the low dilution of the substrate, which allows the original chemical composition of the alloy to be preserved. However, the addition of NbC to coatings forming composites can increase dilution, reducing hardness and wear resistance. The present investigation aims to evaluate the effect of laser power and coating remelting on the percentage of porosity, dilution, microstructure, scratch, and wear resistance of Hastelloy® C276 composite coatings reinforced with 25 and 50% NbC. The results of the macrographs revealed that the bead height decreased and the width increased with the increase in laser power, factors that remained stable after coatings remelting. Increasing the laser power promotes an increase in dilution, while the remelting has the same effect at a power of 3.0 kW and does not seem to influence the dilution at 1.5 kW. The microstructure of the coatings is comprised of unmelted NbC particles, primary carbides with petaloid-like morphology (NbC), interdendritic carbides (Cr7C3, Mo2C, containing iron in the composition), in a dendritic matrix of nickel solid solution. The phases present were identified and confirmed through the association of several characterization techniques, which involved EDS, EBSD, and X-ray diffraction analyses. The addition of NbC reinforcement and the increase in dilution promote an increase in the fraction of carbides and, as a consequence, higher hardness of the coatings. Microconstituents, especially niobium carbide (NbC), have a direct influence on localized scratch resistance. Reciprocal linear sliding wear tests under direct deposition conditions showed that the addition of NbC contributes to a reduction in the friction coefficient and wear rate compared to the non-reinforced condition. The behavior is the direct effect of the addition of NbC to the metallic matrix, with the most pronounced effect on samples deposited at 3.0kW laser power. The remelting of the coatings showed that no new phase is formed in the composites, with changes only in the proportion of some constituents, mainly a reduction in unmelted NbC particles and an increase in the fraction of petaloid-type NbC carbides. The hardness and scratch resistance of the remelted coatings remained similar to the directly deposited ones, although the coatings' remelting proved to be effective in reducing the porosity. The laser remelting showed a variable effect on the wear behavior. On the one hand, remelting promotes a reduction in the friction coefficient and wear rate at 1.5kW laser power, while at 3.0kW, it didn't show a benefit on the wear performance