As ligas à base de níquel são uma classe de ligas que possuem alta resistência e certa resistência à oxidação e corrosão em altas temperaturas de 650–1000°C. Com base em suas propriedades principais, as ligas à base de níquel podem ser subdivididas em ligas à base de níquel resistentes ao calor, ligas à base de níquel resistentes à corrosão, ligas à base de níquel resistentes ao desgaste, ligas à base de níquel de precisão e ligas à base de níquel com memória de forma. As ligas de alta temperatura são classificadas de acordo com seus materiais de matriz em ligas de alta temperatura à base de ferro, ligas de alta temperatura à base de níquel e ligas de alta temperatura à base de cobalto. As ligas de alta temperatura à base de níquel são geralmente chamadas simplesmente de ligas à base de níquel.
Origem e Desenvolvimento
A pesquisa e o desenvolvimento de ligas à base de níquel começaram no final da década de 1930. O Reino Unido produziu pela primeira vez Nimonic 75 (Ni-20Cr-0.4Ti) em 1941. Para melhorar a resistência à fluência, foi adicionado alumínio, resultando na liga à base de níquel Nimonic 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al). Os Estados Unidos em meados da década de 1940, a União Soviética no final da década de 1940 e a China em meados da década de 1950 também desenvolveram sucessivamente ligas à base de níquel. O desenvolvimento de ligas à base de níquel abrange dois aspectos: melhorias na composição da liga e inovações na tecnologia de produção. Por exemplo, o desenvolvimento da tecnologia de fusão a vácuo no início da década de 1950 criou condições para purificar ligas à base de níquel com alto teor de alumínio e titânio, melhorando significativamente a sua resistência e temperatura de operação. No final da década de 1950, o aumento da temperatura operacional das pás das turbinas impôs maiores demandas à resistência das ligas em altas temperaturas. No entanto, a alta resistência tornou a deformação difícil ou mesmo impossível, levando ao desenvolvimento de uma série de ligas de fundição com boa resistência a altas temperaturas usando tecnologia de fundição de precisão. Em meados da década de 1960, o desempenho de ligas de alta temperatura solidificadas direcionalmente e monocristalinas, bem como de ligas de alta temperatura de metalurgia do pó, foi melhorado. Para atender às necessidades das turbinas a gás marítimas e industriais, desde a década de 1960, foi desenvolvida uma série de ligas à base de níquel com alto teor de cromo, boa resistência à corrosão em altas temperaturas e microestruturas estáveis. Do início da década de 1940 ao final da década de 1970, ao longo de aproximadamente 40 anos, a temperatura operacional das ligas à base de níquel aumentou de 700°C para 1100°C, um aumento médio de cerca de 10°C por ano. Hoje, a temperatura operacional das ligas à base de níquel excede 1100°C. Desde a liga Nimonic 75 inicialmente simples até a liga MA6000 recentemente desenvolvida, que possui uma resistência à tração de 2.220 MPa e um limite de escoamento de 192 MPa a 1.100°C, sua resistência à fluência a 1.100°C/137 MPa é de aproximadamente 1.000 horas, tornando-a adequada para pás de motores aeronáuticos.
O papel de vários metais nas ligas à base de níquel
Para uma liga específica à base de níquel, existem inúmeras variáveis em um ambiente específico, incluindo: concentração, temperatura, ventilação, vazão de líquido (gás), impurezas, desgaste e condições do processo de circulação. Essas variáveis podem levar a vários problemas de corrosão. O níquel e outros elementos de liga podem resolver esses problemas. O níquel metálico mantém uma estrutura cúbica austenítica de face centrada antes de atingir seu ponto de fusão. Isto proporciona liberdade para a transição dúctil-frágil e reduz significativamente os problemas de fabricação causados pela coexistência de outros metais. Na sequência eletroquímica, o níquel é mais inerte que o ferro, mas mais reativo que o cobre. Portanto, em ambientes redutores, o níquel é mais resistente à corrosão que o ferro, mas menos resistente à corrosão que o cobre. A adição de cromo ao níquel confere resistência à oxidação à liga, resultando em uma variedade de ligas com excelente resistência à corrosão em ambientes redutores e oxidantes. Em comparação com o aço inoxidável e outras ligas à base de ferro, as ligas à base de níquel podem acomodar uma maior variedade de elementos de liga no estado de solução sólida, mantendo uma boa estabilidade metalúrgica. Essas propriedades permitem a adição de vários elementos de liga às ligas à base de níquel, possibilitando sua ampla aplicação em diversos ambientes corrosivos.
Os elementos comuns em ligas à base de níquel incluem:
Níquel (Ni): Fornece estabilidade metalúrgica, melhora a estabilidade térmica e a soldabilidade, aumenta a resistência a ácidos redutores e sodas cáusticas e melhora a resistência à fissuração por corrosão sob tensão, especialmente em ambientes de cloreto e soda cáustica.
Cromo (Cr): Melhora a resistência à oxidação, resistência à oxidação em alta temperatura, resistência à sulfetação e resistência à corrosão por picadas e frestas.
Molibdênio (Mo): Melhora a resistência à redução da corrosão ácida, aumenta a resistência à corrosão por pites e frestas em soluções aquosas contendo cloreto e aumenta a resistência a altas temperaturas.
Ferro (Fe): Melhora a resistência à cementação em altas temperaturas, reduz os custos de liga e controla a expansão térmica. Cobre (Cu): Melhora a resistência à redução da corrosão ácida (especialmente ácido sulfúrico).
