Tese
Avaliação da resistência à cavitação de revestimentos depositados pelo processo de soldagem MIG com posterior nitretação por plasma.
Registration in:
HOLZMANN, Henrique Ajuz. Avaliação da resistência à cavitação de revestimentos depositados pelo processo de soldagem MIG com posterior nitretação por plasma. 2022. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciências dos Materiais) - Universidade Estadual de Ponta Grossa. Ponta Grossa. 2022.
Author
Holzmann, Henrique Ajuz
Institutions
Abstract
Erosion by cavitation is a phenomenon present in hydraulic components, where
pressure variation occurs inside the fluid, generating cyclical wear mechanisms and
promoting failure due to fatigue on the exposed surface. This wear is present in
hydraulic rotor blades, especially in power generation turbines, being responsible for
high maintenance costs and generation losses due to repair stops. As a material for
the recovery of cavitated areas, austenitic stainless alloys stand out, especially those
linked to Cobalt, however these alloys have high costs. In this way, studying wearresistant superalloys, as well as surface improvement processes, are presented as
high-cost solutions. This work sought to compare the wear behavior of austenitic
alloys, Inconel 625 and Cavitec, deposited by the MIG process with and without
subsequent plasma nitriding on a CA6NM steel substrate. Deposition processes were
carried out through MIG welding, followed by plasma nitriding, via PI3, and finally the
evaluation of wear by cavitation according to ASTM G 32 Standard. Microstructure
analyzes were carried out by optical microscopy and FEG, of chemical composition by
EDS, of the phases present by the XRD and EBSD analysis. Tribological tests were
carried out on the surfaces, and through FEG and EBSD monitoring and identification
of wear mechanisms, phase transformation and crystallographic orientations were
carried out during the cavitation test. The welded coatings showed low dilution, good
cohesion, small regions of ZPD and low porosity, and their microstructure was mostly
austenitic, organized in columnar grains with the presence of delta ferrite (δ) regions.
The nitrided layers presented a cohesive appearance with average thickness for the
Cavitec coating of 1.49 μm and for the Inconel 625 coating of 1.11 μm. Expanded
austenite (S) phase was obtained, in addition to chromium nitrides (CrN) and iron
nitrides (Fe4N), in small amounts. The nitriding process provided greater resistance to
cavitation, and the samples remained for a longer period in the incubation stage. The
nitrided layer acted to form a barrier to the premature onset of mass loss, presenting
an aspect of superficial fracture as the initial damage. In the non-nitrided samples, the
damage starts preferentially at the grain boundaries and slip bands, with the damage
occurring more intensely in the Inconel 625 sample. to the cavitation process, mainly
due to the energy expenditure during the martensitic transformation, presenting an
intermediate phase γ → ε + α'. The grains with orientation <001> Rotated cube suffered
greater wear, due to the direct passage γ → α', or to the wear directly in the austenitic
phase. In general, the Cavitec samples absorbed a greater amount of energy from the
cavitation process, characteristics are directly linked to the EFE of the material,
favoring a transformation sequence γ → ε + α'. Nitriding proved to be an excellent
alternative to increase the surface cavitation resistance. A erosão por cavitação, é um fenômeno presente em componentes hidráulicos, onde
ocorre a variação de pressão no interior do fluido, gerando mecanismos de desgaste
cíclicos e promovendo a falha por fadiga da superfície exposta. Este desgaste está
presente em pás de rotores hidráulicos, em especial, de turbinas de geração de
energia, sendo responsáveis por elevados custos de manutenção e perdas de
geração devido a paradas para reparo. Como material de recuperação das áreas
cavitadas, destacam-se as ligas inoxidáveis austeníticas, em especial ligados ao
Cobalto, no entanto estas ligas apresentam elevados custos. Desta forma estudar
superligas resistentes ao desgaste, bem como processos de melhoria da superfície,
se apresentam como saídas aos elevados custos. Este trabalho buscou comparar o
comportamento em desgaste de ligas austeníticas, Inconel 625 e Cavitec, depositados
pelo processo MIG com e sem posteriormente nitretação a plasma em substrato de
aço CA6NM. Foram efetuados processos de deposição através de soldagem MIG, na
sequência nitretação a plasma, via PI3, e por fim a avaliação do desgaste por
cavitação segundo a Norma ASTM G 32. Realizaram-se analises da microestrutura
por microscopia ótica e FEG, de composição química por EDS, das fases presentes
pela análise de DRX e EBSD. Efetuou-se ensaios tribológicos das superfícies, e
através de FEG e EBSD um acompanhamento e identificação dos mecanismos de
desgaste, transformação de fases e orientações cristalográficas, durante ensaio de
cavitação. Os revestimentos soldados apresentaram baixa diluição, boa coesão,
pequenas regiões de ZPD e baixa porosidade, sendo sua microestrutura
majoritariamente austeníticas, organizada em grãos colunares com a presença de
regiões de ferrita delta (δ). As camadas nitretadas apresentaram aspecto coeso com
espessuras média para o revestimento Cavitec de 1,49 μm e para o revestimento
Inconel 625 de 1,11 μm. Obteve-se fase de austenita expandida (S), além de nitretos
de cromo (CrN) e de nitretos de ferro (Fe4N), em pequena quantidade. O processo de
nitretação propiciou maior resistência a cavitação, sendo que a que as amostras
permaneceram por um maior período na etapa de incubação. A camada nitretada
atuou de maneira a formar uma barreira ao início prematuro da perda de massa,
apresentando aspecto de fratura superficial como dano inicial. Nas amostras não
nitretadas, o dano tem início preferencial nos contornos de grãos e bandas de
deslizamento, sendo que o dano ocorre de forma mais intensa na amostra de Inconel
625. As orientações <101>, textura Goss, no revestimento Cavitec, apresentaram
maior resistência ao processo de cavitação, principalmente pelo gasto energético
durante a transformação martensítica, apresentando fase intermediária γ → ε + α’. Os
grãos com orientação <001> Cubo rodado sofreram maior desgaste, devido a
passagem direta γ → α’, ou ao desgaste diretamente na fase austeníticas. De maneira
geral as amostras de Cavitec absorveram maior quantidade de energia proveniente
do processo de cavitação, características estão ligadas diretamente a EFE do
material, favorecendo uma sequência de transformação γ → ε + α’. Já a nitretação se
mostrou como uma excelente alternativa para um aumento a resistência a cavitação
da superfície.