Nimonic 115
Introdução ao Nimonic 115
O Nimonic 115 é uma superliga de alta resistência à base de níquel-cromo-cobalto desenvolvida para aplicações em temperaturas extremas, especialmente nos setores aeroespacial e de geração de energia. Projetada para manter a integridade estrutural até 1050°C, essa liga se caracteriza por seu alto teor de gama-prima (γ′) e excelente resistência à fluência. É amplamente utilizada em pás de turbina, palhetas-guia de bocal (nozzle guide vanes) e componentes de disco, onde o carregamento térmico e mecânico de longo prazo é crítico.
Devido às exigências dessas aplicações, os componentes em Nimonic 115 são normalmente produzidos por meio de serviços de usinagem CNC para garantir tolerâncias rigorosas e repetibilidade. A usinagem CNC permite a conformação precisa de geometrias complexas nesse material de difícil usinagem, fornecendo o controle dimensional necessário para conjuntos críticos de desempenho.
Propriedades Químicas, Físicas e Mecânicas do Nimonic 115
O Nimonic 115 (UNS N19115 / W.Nr. 2.4639) é uma superliga endurecida por precipitação, fundida a vácuo, desenvolvida para resistência de longo prazo e resistência à oxidação sob serviço contínuo em ambientes de alta temperatura.
Composição Química (Típica)
Elemento | Faixa de Composição (wt.%) | Função Principal |
|---|---|---|
Níquel (Ni) | Balanço (≥50,0) | Estabilidade da matriz e resistência à corrosão |
Cromo (Cr) | 14,0–16,0 | Melhora a resistência à oxidação e à corrosão |
Cobalto (Co) | 14,0–16,0 | Aumenta a resistência e a resistência à fadiga térmica |
Molibdênio (Mo) | 3,0–5,0 | Reforço à fluência por endurecimento por solução sólida |
Alumínio (Al) | 5,0–6,0 | Forma a fase γ′ Ni₃Al para aumentar a resistência em alta temperatura |
Titânio (Ti) | 1,0–2,0 | Contribui para a formação de γ′ para endurecimento por precipitação |
Carbono (C) | ≤0,15 | Precipitação de carbonetos melhora a resistência à fluência e à ruptura |
Boro (B) | ≤0,015 | Reforço dos contornos de grão |
Zircônio (Zr) | ≤0,15 | Aumenta a vida em ruptura por fluência |
Ferro (Fe) | ≤1,0 | Elemento residual |
Manganês (Mn) | ≤1,0 | Melhora a trabalhabilidade a quente |
Silício (Si) | ≤1,0 | Auxílio à oxidação |
Propriedades Físicas
Propriedade | Valor (Típico) | Norma/Condição de Ensaio |
|---|---|---|
Densidade | 8,40 g/cm³ | ASTM B311 |
Faixa de Fusão | 1335–1385°C | ASTM E1268 |
Condutividade Térmica | 11,5 W/m·K a 100°C | ASTM E1225 |
Resistividade Elétrica | 1,12 µΩ·m a 20°C | ASTM B193 |
Expansão Térmica | 13,3 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Capacidade Térmica Específica | 440 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 | 1180–1350 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite de Escoamento (0,2%) | 880–960 MPa | ASTM E8/E8M |
Alongamento | ≥15% | ASTM E8/E8M |
Dureza | 280–310 HB | ASTM E10 |
Resistência à Ruptura por Fluência | 240 MPa a 950°C (1000 h) | ASTM E139 |
Resistência à Fadiga | Excelente | ASTM E466 |
Principais Características do Nimonic 115
Alta Resistência em Temperaturas Extremas Fornece resistência à tração acima de 1180 MPa e limite de escoamento superior a 880 MPa em temperaturas que atingem 950°C.
Reforço por Gama-Prima A alta fração volumétrica da fase γ′ oferece excelente retenção de resistência e resistência à degradação térmica ao longo do tempo.
Resistência Superior à Oxidação As adições de cromo e alumínio formam uma camada de óxido estável que previne degradação superficial até 1050°C.
Desempenho em Fluência e Fadiga A resistência à ruptura por fluência de 240 MPa a 950°C por 1000 horas garante confiabilidade de longa vida em componentes rotativos de turbina.
Estabilidade Dimensional sob Ciclos Térmicos Com coeficiente de expansão térmica de 13,3 µm/m·°C, resiste a empenamento e deformação em ambientes de aquecimento cíclico.
Desafios e Soluções de Usinagem CNC para Nimonic 115
Desafios de Usinagem
Degradação Rápida de Ferramentas
A combinação de alta dureza e partículas da fase γ′ leva ao desgaste acelerado de ferramentas convencionais.
Baixa Condutividade Térmica
Retém calor na zona de corte, elevando a temperatura da aresta da ferramenta e aumentando o risco de imprecisão dimensional.
Encruamento
Exige engajamento consistente e ferramentas afiadas para evitar a formação de camadas endurecidas.
Estratégias de Usinagem Otimizadas
Seleção de Ferramentas
Parâmetro | Recomendação | Justificativa |
|---|---|---|
Material da Ferramenta | Metal duro (K30), insertos cerâmicos para acabamento | Mantém a dureza em altas temperaturas |
Revestimento | AlCrN ou TiSiN PVD (3–5 µm) | Proteção térmica e redução de desgaste |
Geometria | Ângulo positivo (6–10°), aresta brunida (~0,05 mm) | Controla forças e acabamento superficial |
Parâmetros de Corte (Conforme ISO 3685)
Operação | Velocidade (m/min) | Avanço (mm/rev) | Profundidade de Corte (mm) | Pressão do Fluido de Corte (bar) |
|---|---|---|---|---|
Desbaste | 10–15 | 0,15–0,25 | 1,5–2,5 | 100–120 |
Acabamento | 25–35 | 0,05–0,10 | 0,3–0,8 | 120–150 |
Tratamento de Superfície para Peças de Nimonic 115 Usinadas
Prensagem Isostática a Quente (HIP)
HIP reduz a porosidade interna e aumenta a resistência à fadiga em mais de 25%, especialmente em componentes rotativos.
Tratamento Térmico
Tratamento Térmico inclui recozimento de solução (~1145°C) seguido de envelhecimento controlado para maximizar a precipitação de γ′ e obter resistência ótima.
Soldagem de Superligas
Soldagem de Superligas com consumíveis ERNiCrCoMo garante juntas sem trincas, mantendo ≥90% das propriedades mecânicas do metal base.
Revestimento de Barreira Térmica (TBC)
Revestimento TBC reduz a temperatura do substrato em até 200°C em palhetas e pás de turbina.
Usinagem por Descarga Elétrica (EDM)
EDM é usada para criar furos de refrigeração com tolerância de ±0,005 mm, sem impacto de tensões térmicas.
Furação Profunda
Furação Profunda alcança acabamento Ra <1,6 µm e concentricidade dentro de 0,3 mm/m em peças com L/D >30:1.
Ensaios e Análises de Materiais
Ensaios de Materiais incluem testes de fluência, tração, DRX (XRD), MEV (SEM) e inspeção ultrassônica conforme normas ASME e ASTM.
Aplicações Industriais de Componentes em Nimonic 115
Motores de Turbina Aeroespaciais: pás de turbina, discos e hardware de combustão expostos a calor extremo.
Geração de Energia: palhetas e fixadores de turbinas a vapor em alta temperatura.
Sistemas Nucleares: componentes expostos simultaneamente a tensões térmicas e radiação.
Motores Automotivos de Competição: válvulas de escape, rodas de turbocompressor e guias de válvula.
Turbinas Industriais a Gás: rotores e palhetas-guia em zonas de combustão com ciclos térmicos.
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