Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Aluminetos de ferro pertencem a uma classe de materiais interessantes por combinarem excelente resistência à oxidação com boas propriedades mecânicas em temperaturas moderadas a altas (até 500°C). Estes materiais, contudo, em temperatura ambiente, possuem baixa ductilidade (menos de 5% de alongamento à tração), característica correlacionada a efeitos ambientais, o que dificulta seu processo de conformação. A fundição é uma via de processamento tradicionalmente aplicada às ligas frágeis (por exemplo, ferro fundido cinzento), sendo necessário conhecer as propriedades termoquímicas da liga para que as peças fundidas sejam livres de defeitos atribuídos ao processo, como a formação de poros e rechupes. Neste trabalho foram investigadas três ligas distintas de intermetálicos, Fe28Al, Fe28Al6Cr e Fe28Al6Cr1Ti, sob a influência de diferentes condições de solidificação. Para estas três composições de liga, observou-se a redução do tamanho de grão em até 60% pela adição de Al-5Ti-1B como inoculante ao metal fundido. As ligas foram produzidas em condições laboratorias (forno de indução com capacidade máxima de 2 kg e proteção sob fluxo de Ar), bem como em escala industrial (forno de indução com capacidade de 100 kg). O processo em escala industrial resultou em peças de fundição com pequena quantidade de defeitos, sendo este um indicativo da capacidade de produzir peças destes aluminetos de ferro diretamente pelo processo de fundição. A técnica de tomografia de raios X auxiliou na mensuração da contração linear (~6%) e tendência à formação de defeitos. Além da caracterização microestrutural das ligas produzidas, este trabalho, ao relatar processo de fundição em escala industrial, inclui uma discussão sobre a reatividade do metal fundido e o material refratário que reveste o forno de indução. Dessa forma, os dados obtidos permitem averiguar a fundibilidade de ligas da família FeAl pelo uso de forno de indução. / Iron aluminides are good candidates for applications at moderate to high temperatures (up to 500 °C) because they combine excellent oxidation resistance with good mechanical properties. However, these materials have low ductility at room temperature (less than 5% traction elongation), a characteristic correlated to environmental effects, which hinders their conformation process. Casting is a processing route traditionally applied to brittle alloys (eg, gray cast iron), it is necessary to know the thermochemical properties of the alloys to reduce the formation of defects attributed to the casting process, such as the formation of pores, scar and blows. In this work, three different alloys of intermetallic (Fe28Al, Fe28Al6Cr and Fe28Al6Cr1Ti) were investigated under the influence of different solidification conditions. For these three alloy compositions, grain size reduction by up to 60% was observed by the addition of Al-5Ti-1B as an inoculant to the molten metal. The alloys were produced under laboratory conditions (induction furnace with a maximum capacity of 2 kg and protection under Air flow), as well as industrial scale (induction furnace with capacity of 100 kg). The industrial scale process resulted in castings with a small number of defects, which is an indication of the ability to produce mechanical parts of these iron aluminides directly by the casting process. The X-ray tomography technique assisted in the measurement of linear contraction (~ 6%) and tendency to defect formation. In addition to the microstructural characterization of the alloys, this work includes a discussion about the reactivity of the molten metal and the refractory material coating the induction furnace. In this way, the obtained data allow to investigate the FeAl alloys castability by the use of induction furnace.

Tese de doutoramento. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cleber P Fenili.pdf: 5079728 bytes, checksum: e3ab5832297ac591534e15390527a095 (MD5) Previous issue date: 2013-02-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work is a study of the behavior of iron and nickel aluminides, since the high energy milling until the consolidation. Particle size and morphology of aluminides after milling and heat treatment were evaluated. A high energy milling with predetermined time and speed along with a defined stoichiometry of elemental powders were thus directed in order to obtain the intermetallic Fe3Al and Ni3Al. By obtaining the intermetallic was studied consolidation processes. The consolidation has great influence on the mechanical and microstructural properties of aluminides, motivating in recent years the study of consolidation as the density x porosity relationship. With the consolidation processes defined, which evaluates the influence of temperature, time, velocity, pressure and atmosphere. The sintering process, sintering and hot forming (S-HP) and hot pressing assisted field (FAHP) were used. The materials obtained after the consolidation processes were evaluated for density, hardness, formation of other phases and oxidation. These properties were evaluated by optical microscopy, scanning electron microscopy, vickers hardness, density, semiquantitative analysis (EDS) and X-ray diffraction. The results showed that the process FAHP is effective in consolidating the iron aluminides and nickel, for resulted in greater densification and therefore a good hardness confirming other studies using similar processes. The other cases in this study had less impressive results when compared to process FAHP, but compared to other references are considered suitable. / Neste trabalho foi realizado um estudo do comportamento dos aluminetos de ferro e níquel, desde a moagem de alta energia até a consolidação. Avaliou-se o tamanho das partículas e morfologia dos aluminetos após a moagem e tratamento térmico. A moagem de alta energia com tempo e velocidade pré determinados juntamente com uma estequiometria dos pós elementares definidos, foram assim direcionados com o intuito de obter os intermetálicos Fe3Al e Ni3Al. Com a obtenção dos intermetálicos estudou-se os processos de consolidação. A consolidação possui grande influência nas propriedades mecânicas e microestruturais dos aluminetos, motivando nos últimos anos o estudo dos processos de consolidação quanto a densidade x porosidade. Com os processos de consolidação definidos, avaliou-se a influência da temperatura, tempo, velocidade, atmosfera e pressão de compactação. Foram utilizados os processos de sinterização, sinterização e conformação a quente (S-HP) e prensagem a quente assistida por campo (FAHP). Os materiais obtidos após os processos de consolidação foram avaliados quanto a densidade, dureza, formação de outras fases e oxidação. Estas propriedades foram avaliadas através das metalografias mediante microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, microdureza vickers, densidade, análise semiquantitativa (EDS) e difratometria de raios-X. Os resultados mostraram que o processo FAHP é eficaz na consolidação dos aluminetos de ferro e níquel, pois resultou em maior densificação e, por conseguinte uma boa dureza comparando com outros estudos utilizando processos parecidos. Os outros processos deste estudo obtiveram resultados menos expressivos quando comparados ao processo FAHP, porém comparados a outras referências são considerados adequados.

O presente trabalho objetiva o desenvolvimento in situ por plasma por arco transferido (PTA) de aluminetos de Níquel resistentes à oxidação, baseados em uma liga NiCrAlC referência. Para tanto, foram depositadas misturas preliminares de pós elementares e também utilizando o pó atomizado, variando somente a intensidade de corrente (130 e 160 A) para se obter diferentes misturas com o substrato. Após as deposições, a incorporação de elementos do substrato nos cordões não permitiu a formação de aluminetos para os revestimentos processados com a mistura de pós elementares. Estes apresentaram valores de diluição consideravelmente maiores do que os cordões obtidos com pó atomizado, que resultaram em aluminetos de Níquel. Com base nos resultados preliminares, quatro novas composições com mistura de pós elementares foram estimadas e os cordões finais, processados com 100 ou 130 A, resultaram em aluminetos como esperado. Duas composições foram submetidas a ensaios em balança termo gravimétrica (TGA) e a ciclos isotérmicos em forno mufla para diferentes temperaturas (máximo de 1000 graus Celsius) e tempos de exposição (até 72 horas no máximo). Os resultados mostraram que a incorporação de Ferro nos revestimentos durante a deposição retardou a formação das camadas de óxidos, sendo que maiores teores deste elemento aceleraram a formação da camada de alumina alfa, o que propiciou uma redução nos valores de constante de oxidação parabólica a 1000 graus Celsius nos estágios iniciais da oxidação. Os revestimentos apresentaram melhores desempenhos à oxidação do que a liga NiAlCrC fundida, traduzido pelo menor ganho de massa. A exposição nas temperaturas de ensaio provocou uma queda de dureza e na evolução ou nucleação de uma provável fase sigma. / This research aimed at the development in situ by plasma transferred arc (PTA) of nickel aluminides resistant to the oxidation, based on a reference NiCrAlC alloy. For this purpose, preliminary mixtures of elemental powders were deposited, and also using the atomized powder, varying the current intensity (130 and 160 A) only to obtain different mixtures with substrate. After the depositions, the incorporation of substrate elements into the welds did not allow the formation of aluminides in the coatings processed with the elemental powder mixture. These coatings presented dilution values considerably higher than those obtained with atomized powder, which result in nickel aluminides. Based on the preliminary results, additional four compositions with elemental powders were estimated and the final welds, processed with 100 or 130 A, were composed by aluminides as expected. Two compositions were submitted to the thermogravimetry tests and isothermal cycles in an oven for different temperatures (1000 Celsius max) and exposure times (for 72 hours at maximum). The results showed that the iron incorporation in the coatings during depositions delayed the oxides scales formation, since higher contents of this element accelerated the formation of -alumina, which promoted a reduction in the parabolic constant of oxidation for 1000 Celsius in the earlier stages of oxidation. The coatings presented better oxidation resistance than that observed for as-cast NiCrAlC, observed by their smaller mass losses. The exposure to the testing temperatures resulted in a decrease of hardness and in the evolution or nucleation of sigma phase.

O presente trabalho objetiva o desenvolvimento in situ por plasma por arco transferido (PTA) de aluminetos de Níquel resistentes à oxidação, baseados em uma liga NiCrAlC referência. Para tanto, foram depositadas misturas preliminares de pós elementares e também utilizando o pó atomizado, variando somente a intensidade de corrente (130 e 160 A) para se obter diferentes misturas com o substrato. Após as deposições, a incorporação de elementos do substrato nos cordões não permitiu a formação de aluminetos para os revestimentos processados com a mistura de pós elementares. Estes apresentaram valores de diluição consideravelmente maiores do que os cordões obtidos com pó atomizado, que resultaram em aluminetos de Níquel. Com base nos resultados preliminares, quatro novas composições com mistura de pós elementares foram estimadas e os cordões finais, processados com 100 ou 130 A, resultaram em aluminetos como esperado. Duas composições foram submetidas a ensaios em balança termo gravimétrica (TGA) e a ciclos isotérmicos em forno mufla para diferentes temperaturas (máximo de 1000 graus Celsius) e tempos de exposição (até 72 horas no máximo). Os resultados mostraram que a incorporação de Ferro nos revestimentos durante a deposição retardou a formação das camadas de óxidos, sendo que maiores teores deste elemento aceleraram a formação da camada de alumina alfa, o que propiciou uma redução nos valores de constante de oxidação parabólica a 1000 graus Celsius nos estágios iniciais da oxidação. Os revestimentos apresentaram melhores desempenhos à oxidação do que a liga NiAlCrC fundida, traduzido pelo menor ganho de massa. A exposição nas temperaturas de ensaio provocou uma queda de dureza e na evolução ou nucleação de uma provável fase sigma. / This research aimed at the development in situ by plasma transferred arc (PTA) of nickel aluminides resistant to the oxidation, based on a reference NiCrAlC alloy. For this purpose, preliminary mixtures of elemental powders were deposited, and also using the atomized powder, varying the current intensity (130 and 160 A) only to obtain different mixtures with substrate. After the depositions, the incorporation of substrate elements into the welds did not allow the formation of aluminides in the coatings processed with the elemental powder mixture. These coatings presented dilution values considerably higher than those obtained with atomized powder, which result in nickel aluminides. Based on the preliminary results, additional four compositions with elemental powders were estimated and the final welds, processed with 100 or 130 A, were composed by aluminides as expected. Two compositions were submitted to the thermogravimetry tests and isothermal cycles in an oven for different temperatures (1000 Celsius max) and exposure times (for 72 hours at maximum). The results showed that the iron incorporation in the coatings during depositions delayed the oxides scales formation, since higher contents of this element accelerated the formation of -alumina, which promoted a reduction in the parabolic constant of oxidation for 1000 Celsius in the earlier stages of oxidation. The coatings presented better oxidation resistance than that observed for as-cast NiCrAlC, observed by their smaller mass losses. The exposure to the testing temperatures resulted in a decrease of hardness and in the evolution or nucleation of sigma phase.