Estudo das propriedades térmicas e mecânicas de superfícies da liga Hastelloy X modificadas por plasma

Abstract

A superliga de níquel Hastelloy X, desenvolvida pela Haynes Internacional, é empregada na área aeroespacial há várias décadas. Devido às condições extremas de trabalho em turbinas de aeronaves, peças produzidas com esse material demandam de revestimentos que ofereçam proteção tribológica e anti-corrosiva, auxiliem na dissipação de calor e ainda apresentem algum grau de capacidade autolimpante. Os estudos desta tese se inserem nesse contexto, visando-se contribuir para o entendimento de modificações de superfície realizadas no material. O substrato de Hastelloy X foi nitretado por plasma de descarga luminosa em temperaturas de 400 °C a 700 °C. As propriedades mecânicas do material foram avaliadas por meio de ensaios de nanoindentação; a estrutura e microestrutura foram analisadas por meio de difração de raios X, espectroscopia micro-Raman, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de energia dispersiva. A difusividade térmica foi determinada pelo método fotoacústico de dependência do sinal traseiro. Sempre que necessário, a avaliação das superfícies nitretadas levou em consideração as alterações térmicas produzidas nos respectivos substratos. A nitretação em 400°C produz camadas ricas na fase austenita expandida – fase S; em temperaturas mais elevadas (600-700°C) ocorre também formação) de nitretos metálicos, como Cr2N. A difusão do nitrogênio na matriz obedece a uma correlação complexa e dinâmica com a temperatura devido ao efeito competitivo de retenção de nitrogênio em precipitados. Por essa razão, a camada mais espessa (6,5 μm) e com maior teor de nitrogênio (22% na superfície) é alcançada na nitretação realizada na temperatura intermediária de 600 °C. No tratamento em 400 °C, com predominância da fase S, a dureza H é de 15 GPa, que representa um incremento de 6,2 vezes em relação ao substrato; o módulo de elasticidade E se eleva em 21% após o processo de nitretação. Esses resultados levam à melhor correlação H/E, que é um indicativo da resistência ao desgaste da superfície. A difusividade térmica da liga é alterada pela nitretação a plasma; as mudanças na composição e na estrutura da camada superficial aparentam impactar mais essa propriedade do que a formação de carbetos na matriz. Em comparação com o Hastelloy X não tratado (2,7×10⁻⁵ m²/s), os valores de difusividade aumentaram em mais de 100% (entre 400 ºC e 600 ºC) e em até 2,4 vezes a 700 ºC. Esses resultados são de importância intrínseca para a capacidade de sustentação de carga e de dissipação de calor das superfícies modificadas.

The nickel-based superalloy Hastelloy X, developed by Haynes International, has been used in the aerospace industry for several decades. Due to the extreme operating conditions in aircraft turbines, components manufactured from this material require coatings that provide tribological and anticorrosive protection, assist in heat dissipation, and also exhibit some degree of self-cleaning capability. The studies presented in this thesis are framed within this context, aiming to contribute to the understanding of surface modifications applied to this material. Hastelloy X substrates were plasma nitrided by glow discharge at temperatures ranging from 400 °C to 700 °C. The mechanical properties of the material were evaluated by nanoindentation tests; the structure and microstructure were analyzed by X-ray diffraction, micro-Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, and energy-dispersive spectroscopy. Thermal diffusivity was determined by the photoacoustic rear-signal dependence method. Whenever necessary, the evaluation of nitrided surfaces took into account the thermal changes produced in the respective substrates. Nitriding at 400 °C produces layers rich in the expanded austenite phase - S phase; at higher temperatures (600– 700 °C), the formation of metallic nitrides, such as Cr₂N, also occurs. Nitrogen diffusion in the matrix follows a complex and dynamic correlation with temperature due to the competitive effect of nitrogen retention in precipitates. For this reason, the thickest layer (6.5 µm) with the highest nitrogen content (22% at the surface) is achieved in nitriding performed at the intermediate temperature of 600 °C. In the treatment at 400 °C, with predominance of the S phase, the hardness H reaches 15 GPa, representing a 6.2-fold increase relative to the substrate; the elastic modulus E increases by 21% after the nitriding process. These results lead to the best H/E correlation, which is an indicator of surface wear resistance. The thermal diffusivity of the alloy is altered by plasma nitriding; changes in the composition and structure of the surface layer appear to impact this property more strongly than the formation of carbides in the matrix. Compared with untreated Hastelloy X (2.7 × 10⁻⁵ m²/s), the values increased by more than 100% (between 400 °C and 600 °C) and by up to 2.4 times at 700 °C. These findings are intrinsically important for the load-bearing capacity and heat dissipation performance of the modified surfaces.