Nimonic 105
Introdução ao Nimonic 105
O Nimonic 105 é uma superliga à base de níquel conhecida por sua excepcional resistência em alta temperatura, resistência à fadiga e estabilidade estrutural sob condições extremas de operação. Ele é reforçado por uma alta fração volumétrica de precipitados gama-prima (γ′) e por elementos de endurecimento por solução sólida, como cobalto e molibdênio. Essa liga apresenta desempenho confiável em temperaturas de até 1050°C, tornando-a ideal para discos de turbina a gás, componentes de motores a jato e fixadores expostos a tensões térmicas de longo prazo.
O Nimonic 105 é normalmente processado por meio de serviços de usinagem CNC para atingir as tolerâncias apertadas exigidas em sistemas aeroespaciais e de energia. A usinagem CNC oferece a precisão e a repetibilidade necessárias para fabricar geometrias complexas e peças críticas a partir desse material de alta resistência.
Propriedades Químicas, Físicas e Mecânicas do Nimonic 105
O Nimonic 105 (UNS N13021 / W.Nr. 2.4634 / BS HR6) é uma liga de níquel de alta resistência endurecida por precipitação, amplamente utilizada em peças rotativas de alta carga em temperaturas elevadas.
Composição Química (Típica)
Elemento | Faixa de Composição (wt.%) | Função Principal |
|---|---|---|
Níquel (Ni) | Balanço (≥50,0) | Fornece resistência à corrosão e estabilidade da matriz |
Cobalto (Co) | 19,0–21,0 | Melhora a resistência e a vida em fadiga |
Cromo (Cr) | 14,0–16,0 | Proporciona resistência à oxidação até 1050°C |
Molibdênio (Mo) | 4,5–5,5 | Reforço por solução sólida e resistência à fluência |
Titânio (Ti) | 1,0–1,5 | Reforço por precipitação de γ′ |
Alumínio (Al) | 4,5–5,5 | Formação da fase γ′, melhora a resistência em alta temperatura |
Carbono (C) | ≤0,12 | Forma carbonetos para resistir à fluência |
Ferro (Fe) | ≤1,0 | Elemento residual |
Manganês (Mn) | ≤1,0 | Melhora a trabalhabilidade a quente |
Silício (Si) | ≤1,0 | Auxilia na resistência à oxidação |
Boro (B) | ≤0,01 | Melhora a coesão nos contornos de grão |
Zircônio (Zr) | ≤0,15 | Refina contornos de grão e aumenta a resistência à fluência |
Propriedades Físicas
Propriedade | Valor (Típico) | Norma/Condição de Ensaio |
|---|---|---|
Densidade | 8,25 g/cm³ | ASTM B311 |
Faixa de Fusão | 1335–1380°C | ASTM E1268 |
Condutividade Térmica | 11,8 W/m·K a 100°C | ASTM E1225 |
Resistividade Elétrica | 1,10 µΩ·m a 20°C | ASTM B193 |
Expansão Térmica | 13,2 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Capacidade Térmica Específica | 435 J/kg·K a 20°C | ASTM E1269 |
Módulo de Elasticidade | 210 GPa a 20°C | ASTM E111 |
Propriedades Mecânicas (Tratamento de Solução + Envelhecido)
Propriedade | Valor (Típico) | Norma de Ensaio |
|---|---|---|
Resistência à Tração | 1100–1300 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite de Escoamento (0,2%) | 850–960 MPa | ASTM E8/E8M |
Alongamento | ≥15% | ASTM E8/E8M |
Dureza | 260–290 HB | ASTM E10 |
Resistência à Ruptura por Fluência | 230 MPa a 950°C (1000 h) | ASTM E139 |
Resistência à Fadiga | Excelente | ASTM E466 |
Principais Características do Nimonic 105
Resistência Excepcional em Alta Temperatura Mantém resistência à tração acima de 1100 MPa e limite de escoamento superior a 850 MPa em temperaturas de serviço de até 950°C.
Resistência à Fluência e à Fadiga A resistência à ruptura por fluência excede 230 MPa a 950°C por 1000 horas, garantindo estabilidade prolongada sob cargas térmicas e mecânicas.
Reforço por Gama-Prima Uma alta fração volumétrica da fase γ′ Ni₃(Al,Ti) melhora a retenção de resistência em temperaturas elevadas e resiste à degradação microestrutural.
Resistência à Oxidação A camada protetora de óxido Cr₂O₃ permite resistência de longo prazo à oxidação e à formação de carepa em ambientes de turbina até 1050°C.
Estabilidade Dimensional O baixo coeficiente de expansão térmica (13,2 µm/m·°C) minimiza a distorção térmica durante aquecimento cíclico.
Desafios e Soluções de Usinagem CNC para Nimonic 105
Desafios de Usinagem
Desgaste e Fratura da Ferramenta
Precipitados γ′ e fases ricas em Mo causam desgaste intenso de flanco e formação de cratera em ferramentas sem revestimento.
Retenção de Calor
A baixa condutividade térmica resulta em temperaturas elevadas na ferramenta e falha rápida da aresta sob corte agressivo.
Encruamento por Deformação
A dureza superficial aumenta significativamente durante a usinagem, complicando operações de acabamento em múltiplas passagens.
Estratégias de Usinagem Otimizadas
Seleção de Ferramentas
Parâmetro | Recomendação | Justificativa |
|---|---|---|
Material da Ferramenta | Metal duro (K20-K30), cerâmica ou CBN para acabamento | Alta dureza a quente e tenacidade |
Revestimento | TiAlN ou AlCrN (3–5 µm) | Reduz desgaste e penetração de calor |
Geometria | Ângulo positivo (6–8°), aresta brunida (~0,05 mm) | Controla a carga de cavaco e a deflexão |
Parâmetros de Corte (Conforme ISO 3685)
Operação | Velocidade (m/min) | Avanço (mm/rev) | Profundidade de Corte (mm) | Pressão do Fluido de Corte (bar) |
|---|---|---|---|---|
Desbaste | 12–18 | 0,15–0,25 | 2,0–3,0 | 100–120 |
Acabamento | 25–35 | 0,05–0,10 | 0,5–1,0 | 120–150 |
Tratamento de Superfície para Peças de Nimonic 105 Usinadas
Prensagem Isostática a Quente (HIP)
HIP elimina porosidade e melhora a vida em fadiga em >20%, especialmente crítico para discos de turbina e peças de combustor.
Tratamento Térmico
Tratamento Térmico envolve recozimento de solução a ~1140°C seguido de envelhecimento a 850°C para promover a precipitação ótima de γ′.
Soldagem de Superligas
Soldagem de Superligas com metal de adição ERNiCrCoMo-1 fornece juntas com >90% da resistência do metal base e microsegregação mínima.
Revestimento de Barreira Térmica (TBC)
Revestimento TBC aplica uma camada de 100–300 µm de YSZ para reduzir a absorção de calor em perfis aerodinâmicos de turbina.
Usinagem por Descarga Elétrica (EDM)
EDM permite resolução de microcaracterísticas até ±0,005 mm sem danificar termicamente zonas endurecidas.
Furação Profunda
Furação Profunda alcança L/D >30:1 com desvio de concentricidade <0,3 mm/m para passagens de refrigeração e linhas de combustível.
Ensaios e Análises de Materiais
Ensaios de Materiais incluem ensaios de ruptura por fluência a 950°C, validação microestrutural por MEV (SEM) e detecção ultrassônica de descontinuidades para garantir componentes críticos livres de defeitos.
Aplicações Industriais de Componentes em Nimonic 105
Motores de Turbina Aeroespaciais: discos de turbina, bocais de exaustão e raízes de pás em sistemas de propulsão a jato.
Geração de Energia: eixos de turbina, parafusos e vedações para ciclos de vapor de alta temperatura.
Reatores Nucleares: sistemas de fixação resistentes à radiação e alta pressão, além de suportes estruturais.
Desempenho Automotivo: componentes de turbocompressor, escudos térmicos e sedes de válvula do motor.
Turbinas Industriais a Gás: componentes rotativos de alta velocidade expostos a ciclos térmicos e vibração.
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