Desenvolvimento de ferros fundidos multicomponentes através da abordagem de ligas de alta entropia

O conceito de ligas de alta entropia (LAEs) expandiu os limites da metalurgia e instigou a exploração de uma nova gama de composições químicas para desenvolvimento de novos materiais. Atualmente, lingotes de LAEs já são obtidos através de processos de fusão convencionais, por outro lado, é necessário descobrir novas aplicações para esses materiais e reduzir custos de suas rotas de fabricação. Os Ferros Fundidos Branco Alto Cromo (FFBAC) provaram ser um material eficaz para aplicações em ambientes agressivos, onde a resistência `a abrasão, erosão, e corrosão são necessárias. Esta elevada resistência ao desgaste deve-se `a fração volumétrica de carbonetos duros nos FFBAC. Desta forma inspirado nos conceitos de LAE, o objetivo desta investigação é a modificação de um FFBAC, através da adição de outros elementos, em elevado percentual atômico, para formação de carbonetos (V, Mo) e elemento ligante a matriz (Ni), para desenvolver uma nova classe de ferro fundido branco, chamada de Ferro Fundido Branco de Alta Entropia (FFBAE) capaz de ser produzido sem o uso de atmosfera controlada, e que apresente elevada resistência ao desgaste. Avaliou-se o comportamento de solidificação, caracterização microestrutural e, características de desgaste destas novas ligas. Para compreender completamente os efeitos das adições de V, Mo, e Ni na sequência de solidificação, foram coletados Curvas de Resfriamento Contínuo/Assistidas por Computador (CRC/AC) para as ligas. A análise por difração de raios X e, técnicas de microscopia eletrônica de varredura foram utilizadas para caracterização química e cristalográfica das fases presentes. Para a avaliação da influência das adições de liga, e do tratamento térmico no comportamento de desgaste, realizaram-se testes de desgaste por deslizamento a seco nos FFBAE, configuração esfera-sob-plano, para determinar o volume desgastado, taxa de desgaste linear, taxa de desgaste específica (κ), e coeficiente de atrito como variáveis de resposta. Os resultados mostraram que entre as adições feitas (V, Ni e Mo) as adições de Mo apresentam influência mais significativa nas Tliquidus, TM7C3-eutetico, e Tsolidus. Quanto a microestrutura as adições dos elementos formadores de carbonetos levou um refino microestrutural e precipitação de novos carbonetos. Quanto ao desempenho em desgaste, as adições de conjuntas de V, Mo e Ni aumentaram a resistência ao desgaste das ligas, sendo a contribuição do V e Mo as mais significativas para a melhora no desempenho. No conjunto hipoeutético a adição do elementos acarretou em um redução média de 55% na κ, já para o conjunto hipereutético ocorreu uma redução de 39% na κ. Esses resultados indicam que é possível a utilização de conceitos de LAE para obtenção de novos materiais com composições químicas inéditas produzidas através de rotas de produção de fácil industrialização. Nesse contexto as adições de elementos formadores carbonetos `as ligas Fe-Cr-C juntamente com o refinamento de carbonetos, representam uma estratégia promissora para a melhora do desempenho de desgaste.The concept of High Entropy Alloys (HEAs) expanded the limits of metallurgy and instigated the exploration of a new range of chemical compositions for the development of new materials. Currently, HEAs ingots are already obtained through conventional melting processes, on the other hand, it is necessary to discover new applications for these materials and reduce the costs of their manufacturing routes. High Chromium Cast Iron (HCCI) has proven to be an effective material for applications in harsh environments, where resistance to abrasion, erosion, and corrosion is required. This high wear resistance is due to the carbide volumetric fraction in HCCI. Inspired by the concepts of HEAs, the objective of this research is the modification of an HCCI, through the addition of other elements, in high atomic percentage, for the formation of carbides (V, Mo) and metallic matrix alloying (Ni), to develop a new class of white cast iron, called High Entropy White Cast Iron (HEWCI) capable of being produced without the use of a controlled atmosphere, and which has high wear resistance. The solidification behavior, microstructural characterization, and wear characteristics of these new alloys were evaluated. To fully understand the effects of V, Mo, and Ni additions on the solidification sequence, Continuous Cooling/Computer-Aided Curves (CC/CCA) were collected for the alloys. X-ray diffraction analysis and scanning electron microscopy techniques were used for chemical and crystallographic characterization of the present phases. To evaluate the influence of alloy additions and heat treatment on wear behavior, dry sliding wear tests were carried out on HEWCI, ball-on-flat configuration, to determine the volume worn, linear wear rate, specific wear rate (κ), and coefficient of friction as response variables. The results showed that among the additions made (V, Ni, and Mo) the additions of Mo have a more significant influence on Tliquidus, TM7C3−eutectic, and Tsolidus . As for the microstructure, the additions of the carbide-forming elements led to a microstructural refinement and precipitation of new carbides. As for wear performance, the additions of V, Mo and Ni increased the wear resistance of the alloys, with the contribution of V and Mo being the most significant for the performance improvement. In the hypoeutectic alloys, the addition of the elements resulted in an average reduction of 55% in κ, while for the hypereutectic there was a reduction of 39% in κ. These finding results indicate that it is possible to use HEAs concepts to obtain new materials with unprecedented chemical compositions produced through production routes that are easy to industrialize. In this context, the additions of carbide-forming elements to Fe-Cr-C alloys together with microstructure refinement represent a promising strategy for improving wear performance

Analysis of carbides in multi-component cast iron design based on high entropy alloys concepts

Nowadays, the concept of high entropy alloys (HEAs) has expanded the limits of metallurgy and high-quality metallurgical HEAs ingots have already been successfully obtained on an industrial scale. High Chromium Cast Irons (HCCI) and Multi-Component Cast Irons (MCCI) are known to be a useful material for applications when abrasion resistance is required. Inspired by the concepts of high-entropy alloys, a base HCCI was modified, by adding other carbide-forming elements, at concentrations higher than what is currently used, in order to develop a new class of white cast iron, High Entropy White Cast Iron (HEWCI). The characterization of carbides precipitated during the HEWCI solidification was performed by scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, electron backscattered diffraction (SEM/EDS/EBSD) and X-ray diffraction (XRD). With the characterization techniques employed, the as-cast microstructure obtained of HEWCI is composed of approximately 50% of austenite matrix and 50% of different types of carbides, MC, M7 C3 and M2 C carbides

Austempering in Zamak bath : influence of austempering time and austenitizing temperature on ductile cast iron properties

The combination of the austempered ductile iron mechanical properties strongly depend on the parameters used on the austempering cycle. On this study, the influence of austempering time and austenitizing temperature on the properties of a ductile iron were evaluated. A metallic bath of Zamak at 380°C was used as an austempering mean. A set of ductile iron blocks were austenitized at 900°C for 90 minutes and submitted to different austempering times in order to determine the best combination of microstructural and mechanical properties. After the definition of the time of austempering, the reduction of the austenitizing temperature was evaluated. The best combination of properties was obtained with austenitizing at 860°C and austempering during 60 minutes

Desenvolvimento de aços ligados ao Cr-W-V, resistentes à fluência, para aplicações em usinas geradoras de energia

esforço em aumentar a eficiência na geração de energia, em centrais termelétricas, para redução das emissões de CO2 implica no desenvolvimento novas aços martensíticos alto cromo resistentes à fluência, estes novos aços necessitam apresentar desempenho superior ao aço fundido C12A (P91) comumente usados para esta finalidade. O desempenho de fluência à longo prazo dos aços com 9-12%Cr é limitado pela precipitação grosseira do nitreto Z, Cr(V,Nb)N, consumindo/substituindo carbonitretos MX, Nb(C,N) ou V(N,C) dispersos na matriz martensítica vitais para a resistência à fluência. Para o desenvolvimento de novos aços, novas composições químicas foram planejadas com o objetivo de suprimir ou retardar a formação do nitreto Z. As novas composições são baseadas em trabalhos publicados na literatura e complementados por cálculos termodinâmicos para otimizar as frações das fases existentes na liga, para produzir uma microestrutura totalmente martensítica e maximizar a precipitação de carbonitretos MX. Para isso, o teor de vanádio na composição química proposta neste trabalho foi intencionalmente aumentado e modelado termodinamicamente para avaliar os fases constituintes para a composição química sugerida. Posteriormente, um lingote de pequena escala foi fundido para avaliação de propriedades mecânicas e análise microestrutural.The effort to improve the efficiency in energy generation at thermoelectrical plants, in order to reduce CO2 emissions, implies on the development of new high-chromium creep resistant martensitic steels. These steels must have a superior performance than C12A (P91) cast steel, commonly used in this finality. The long-term creep performance of the 9-12% Cr steels is limited by the coarse precipitation of Z nitrate, Cr (V, Nb), consuming/ substituting MX carbonitrides, Nb (C, N) or V (C, N) disperse in the martensitic matrix, which are vital to creep resistance. For the development of these steels, new chemical compositions were planned in order to suppress or detain the Z nitride formation. Those new compositions are based on published articles and complemented by thermodynamic calculations with the view to optimize the fractions of the phases present in the alloy, therefore generating a fully martensitic microstructure and maximizing MX carbonitrides precipitation. For this, vanadium content in the chemical composition proposed in this work was intentionally increased and thermodynamically modeled to evaluate the constituent phases in this condition. Posteriorly, a small-scale ingot was cast for microstructural analysis and mechanical properties evaluation

Fenômenos de precipitação assistidos por irradiação nos aços inoxidáveis austeníticos AISI 348 e AISI 316L

Aços inoxidáveis austeníticos são classes de materiais normalmente utilizadas em núcleos de reatores nucleares, onde as condições de operação introduzem altos níveis de danos por irradiação nestes componentes. O uso de reatores de teste para entendimento do comportamento do material é uma técnica eficiente, porém de alto custo e demora, essas restrições são barreiras ao avanço do conhecimento de danos por radiação. Nesta pesquisa a estabilidade estrutural de aços austeníticos inoxidáveis será investigada, com a simulação das condições de danos semelhantes ao fluxo de nêutrons com o uso de íons acelerados em um intervalo de tempo significativamente menor. Aços AISI 316L e AISI 348 foram irradiados com íons pesados (Au - 5 MeV) até uma dose na ordem de 40 dpa em uma faixa de temperatura de 300-450oC para provocar alterações microestruturais. Após a irradiação as amostras foram caracterizadas e apresentaram alterações nas microestruturas, apresentando alterações nos fenômenos de precipitação. As microestruturas obtidas, assemelham-se às irradiadas com nêutrons em reatores reais, o que viabiliza o estudo de estabilidade com o feixe de íons.Austenitic Stainless Steels compose a class of materials usually used in nuclear reactors cores that work the operations conditions, where there is intense radiation damage upon the components due to exposure. The use of test reactors for understanding of the material behavior is an efficient technique; however it takes a lot of time and is expensive. These restrictions are barriers to the knowledge development of radiation damage. In this research, Stainless Steels structural stability will be investigated, creating similar damage conditions as the neutron flux using irradiated ions in a much shorter amount of time. AISI 316L and AISI 348 Steels were irradiated with heavy ions (Au – 5Mev) until a a dose at the order of 40 dpa, at 300-450 celsius to induce microstructural changes. After the irradiation, the samples were characterized and revealed modification in their microstructure and on the precipitation phenomenons. The obtained microstructures resemble to the ones irradiated with neutrons in real reactors, which enable the study about ion beam stability