Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Estudo do equilíbrio de fases no sistema Al-Fe-Nb pelo processo de mechanical alloying
Autor(es): LAMOGLIA, Marcela Silva
Primeiro Orientador: SILVA, Antônio Augusto Araújo Pinto da
metadata.dc.contributor.advisor-co1: SILVA, Gilbert
Resumo: O conhecimento das fases de equilíbrio do sistema Al-Fe-Nb, e o entendimento de suas microestruturas, são importantes para o desenvolvimento de diversas famílias de ligas, como as superligas à base de nióbio para aplicações a altas temperaturas, as ligas de metais leves empregadas principalmente em carrocerias de automóveis e aços com adições de alumínio, as quais requerem materiais com baixa densidade e alta resistência a corrosão para aplicações aeroespaciais e aeronáuticas. Entretanto, os processos de fusão a arco e indução, utilizados comumente para fabricação dessas ligas apresentam algumas restrições, como por exemplo, as elevadas temperaturas e longos tempos de processo, altas pressões de vapor que geram significativas perdas de massa por evaporação, assim como diferenças significativas entre as temperaturas de fusão dos elementos e a impossibilidade de se obter materiais em escala nanométrica. Portanto, o processo de Mechanical Alloying (MA) torna-se uma alternativa viável, que permite sintetizar diferentes tipos de fases, como soluções sólidas supersaturadas, e fases intermetálicas, a partir dos pós elementares, numa reação em estado sólido, em um moinho de bolas de alta energia, que propicia tempos mais curtos de processo quando comparados aos convencionais para obtenção de fases em ligas com materiais refratários. E consequentemente, os tratamentos térmicos (TT) subsequentes a MA, para formação e/ou estabilização de fases, em temperaturas bem menores aos empregados a estabilização de fases após fusão. Com isso, é possível viabilizar o estudo do equilíbrio de fases em regiões pouco ou ainda não exploradas do diagrama, como a região rica em Nb, em temperaturas abaixo de 1000 °C. Baseado nessa premissa, nesse estudo, foram produzidas amostras nos sistemas binários Fe-Nb e Nb-Al em composições estabelecidas nos campos bifásicos e no sistema ternário Al-Fe-Nb em regiões de alta concentração de Nb com composições que apresentam seções isotérmicas com equilíbrio de três fases distintas. Nos experimentos iniciais, para definição dos parâmetros de Mechanical Alloying, utilizou-se pós elementares de Al (min. 99,9%), Fe (min. 99,8%) e Nb (min. 99,8%), com três diferentes agentes controladores de processo (Metanol, Hexano e Ácido Esteárico), em quatro diferentes tempos de moagem (20, 40, 60 e 80 horas). A MA foi realizada em um moinho planetário de alta energia, com atmosfera inerte de gás argônio, a uma rotação de 350 rpm. Foram analisadas as morfologias dos pós, a distribuição de tamanho de partícula, a formação de fase, as reduções do tamanho de cristalito e os parâmetros de rede. Após realizada as definições dos parâmetros de processo, aplicou-se as para todas as composições estudas. Os tratamentos térmicos após MA, foram realizados nas temperaturas de 600 °C, 800 °C e 1000 °C por 48 horas. Analizou-se à morfologia por Microscopia Eletrônica de Varredura modo Elétrons Secundários (MEV/ES). E identificou-se as fases por difratometria de raios X, assim como a fração volumétrica das fases por refinamento Rietveld. Obteve-se a formação de fases em alguns sistemas a partir da MA, como para a amostra Nb-60Al (%at.), que apresentou 33,0 %v. da fase NbAl3 na condição moída e 40,3%v. após TT a 1000 °C. Já para o sistema ternário, na amostra Nb-55Al-5Fe (%at.) foi possível alcançar o equilíbrio de fases esperado para sua seção isotérmica. Ademais, foi possível observar que em todos estudos, fases intermetálicas foram obtidas, como exemplos, a Laves (Fe2Nb) a partir do TT a 600 °C para composição Fe-15Nb (%at.), as fases Nb2Al e Nb3Al para TT a 800 °C na composição Nb-23Al (%at.), e as fases Nb3Al, Nb2Al e NbAl3 após TT a 600 °C para composição Nb-17Al-3Fe (%at.).
Abstract: The knowledge regarding balance phases of Al-Fe-Nb system, and the understanding of its microstructures, are important for development of several families of alloys, such as niobium-based super-alloys for use in high temperatures, light metal alloys used mainly in vehicles bolide, and aluminum added steels, which request low density and high-resistance to corrosion materials, used in aerospace and aeronautic applications. Although, arc fusion and induction processes commonly used for manufacturing of these alloys present some restrictions, such as high temperatures, lengthy times of process, high steam pressure that cause severe mass loss by evaporation, significant fusion temperatures of elements and the impossibility to obtain materials in nanometric scale. Thus, the Mechanical Alloying (MA) process becomes a viable alternative, which allows to synthesize different phase types, as well as supersaturated solid solutions, and intermetallic phases, from elementary powders, in a solid state reaction, into high-energy ball milling that offers shorter process time when compared to conventional methods for obtaining of phases in alloys with refractory materials. Consequently, heat treatments subsequent to MA for phase formation and/or stabilization, in significant lower temperatures than those used for phase stabilization after fusion are reached. Thereby, it is possible to makes viable the study of phase balance in regions yet or few explored in diagram, such as Nb rich region, in temperatures under 1000 °C. Based on this premise, in this study there were produced samples in Fe-Nb and Nb-Al samples, with compositions that present isothermal sections with balance of three distinctive phases. In initial experiments, in order to define Mechanical Alloying parameters, powders of Al (min. 99.9%), Fe (min. 99.8%) and Nb (min. 99.8%) were used, with three different process control agents (methanol, hexane and stearic acid), under four milling times (20, 40, 60 and 80 hours). The MA was conducted in a high-energy planetary mill, under inert atmosphere of argon gas, in a rotation of 350 rpm. The analysis focused on powder morphology, distribution of particle size, phase formation, reductions of crystallite sizes and lattice parameter. After set the process parameters, these were applied to all studied compositions. Heat treatment after MA were developed for 600 °C, 800 °C and 1000 °C temperatures for 48 hours. The morphology analysis was made with Scanning Electron Microscopy, in Secondary Electron mode (SEM/SE). The phases were obtained by X-ray diffractometry, and phase volumetric fractions by Rietveld refining. Phase formation was reached in some systems just after MA, such as for Nb-60Al (%at.) alloy, which presented 33.0 %v. of NbAl3 phase for milled condition, and 40.3 %v. after heat treatment at 1000 °C. For ternary system, in Nb-55Al-5Fe (%at.) sample, it was possible to reach the expected phase balance for its isothermal section. Furthermore, it was possible to observe that for all studies, intermetallic phases were obtained, e.g. Laves from heat treatment at 600 °C for Fe-15Nb (%at.) composition, the phases Nb2Al and Nb3Al in heat treatment at 800 °C for Nb-23Al (%at.) composition, and phases Nb3Al, Nb2Al and NbAl3 after heat treatment at 600 °C for Nb-17Al-3Fe (%at.) composition.
Palavras-chave: Mechanical alloying
Sistema Al-Fe-Nb
Equilíbrio de fases
Baixas temperaturas de tratamento térmico
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Mecânica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3486
Data do documento: 21-Out-2022
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