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Alguns materiais da família dos metais são conhecidos como supermateriais ou superligas. Estes materiais apresentam normalmente propriedades avançadas. Por exemplo, podem manter as suas propriedades físicas a temperaturas mais elevadas e sob tensões específicas.
Um dos melhores exemplos de superligas no mundo dos materiais são as superligas à base de níquel. Esta liga possui caraterísticas excepcionais que a tornam melhor do que outros materiais e superligas, como as superligas à base de ferro e cobalto. Para além da resistência a altas temperaturas, estas ligas de níquel podem também suportar uma elevada corrosão e condições de trabalho difíceis.
No entanto, é frequente as pessoas necessitarem de esclarecimentos sobre a razão pela qual as ligas à base de níquel são designadas por superligas. A resposta reside simplesmente nas propriedades notáveis das ligas de níquel. Ainda assim, este artigo ajudá-lo-á a construir conceitos claros relativamente a esta questão.
Então, sem mais demoras, vamos mergulhar no post!
O que são ligas à base de níquel?
Como o nome indica, as ligas à base de níquel são constituídas principalmente por níquel e algumas outras ligas. São famosas pela sua elevada resistência à corrosão e excelente resistência a altas temperaturas. Além disso, estas ligas podem suportar a fadiga, a fluência e a resistência à tração. Devido às caraterísticas acima mencionadas, são normalmente designadas por superligas à base de níquel.
Além disso, são considerados perfeitos para aplicações em turbinas, permutadores de calor e motores aeronáuticos.
Fonte: Youtube
Produção e processamento de superligas à base de níquel
A produção e o processamento de superligas de níquel dependem geralmente das suas composições. No entanto, a composição depende da quantidade de material utilizado. Geralmente, podem ser utilizados dois ou até dez elementos de liga para formar superligas à base de níquel. Estes elementos representam quase metade do peso total da superliga.
Normalmente, quando o níquel se combina com solutos como o alumínio ou o titânio, resulta na formação de uma microestrutura de equilíbrio composta por gama-prime e gama. Isto garante a resistência da superliga sob a influência de temperaturas elevadas.
As superligas de níquel podem ser fabricadas de várias formas, tais como em pó, fundidas ou forjadas. Estas superligas absorvem a resistência do material através do reforço por precipitação ou do tratamento de soluções sólidas. O crómio, o molibdénio, o cobalto, o nióbio, o ferro, o tungsténio e o tântalo são normalmente utilizados para reforçar soluções sólidas.
Quais são as caraterísticas das superligas à base de níquel?
Seguem-se algumas caraterísticas que se enquadram tanto nas superligas como nas ligas de níquel. É por isso que estas ligas são consideradas superligas. Vejamos em pormenor!
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Alta resistência ao calor
Normalmente, os metais estão sujeitos a perder a sua resistência quando expostos a temperaturas elevadas. No entanto, as superligas de níquel têm a capacidade de suportar temperaturas elevadas, o que faz com que sejam atualmente as superligas mais utilizadas. A razão subjacente a este facto é que o níquel consegue manter a mesma estrutura (cúbica de face centrada) desde a temperatura ambiente até à temperatura de fusão. A proteção térmica inerente das superligas preserva a integridade do material.
Normalmente, a resistência ao calor elevado depende de várias composições de níquel misturadas com ligas à base de níquel. Por exemplo, a liga de níquel Inconel 718 é composta por 55% de níquel, 6% de ferro, 21% de crómio e uma pequena percentagem de manganês, carbono e cobre. Proporciona uma resistência excecional a altas temperaturas e proteção contra a oxidação e a corrosão. Além disso, a liga de níquel Duranickel tem um teor de níquel superior a 94%. Tem excelentes propriedades de mola até 316°C e torna-se muito mais robusta quando tratada termicamente.
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Força excecional
A carga externa determina a resistência de um material que lhe é aplicada sem qualquer deformação do material. As superligas à base de níquel podem apresentar uma resistência à tração superior a 700 MPa e uma resistência ao escoamento de 275 MPa. Mais comummente, estas ligas podem apresentar uma elevada resistência mesmo a temperaturas extremas que variam entre 650 e 1000°C.
Surpreendentemente, algumas superligas à base de níquel apresentam uma resistência ao escoamento de até 1125 MPa, que é superior à resistência do diamante. Sem dúvida, esta resistência excecional só pode ser esperada das superligas.
Na aplicação de discos e turbinas, a fase desta superliga contém nióbio ou vanádio. Ao utilizar esta fase, os fabricantes podem aumentar eficazmente a resistência do material.
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Resistência à corrosão
Em ambientes como o marinho ou químico, a corrosão e a oxidação ocorrem rapidamente e danificam a maquinaria metálica. Felizmente, as ligas de níquel têm uma excelente resistência a um ambiente ácido corrosivo e complexo, o que constitui, mais uma vez, uma das caraterísticas notáveis das superligas. Para resistir à corrosão nestes ambientes, estas ligas contêm principalmente até dez tipos de elementos de liga.
Além disso, o próprio elemento de níquel tem uma excelente resistência à corrosão alcalina cáustica e à corrosão sob tensão de iões Cl. No entanto, a adição de elementos de passivação em ligas à base de níquel forma soluções sólidas com uma fase de substrato que ajuda a melhorar o potencial de corrosão e a estabilidade termodinâmica dos materiais. Por exemplo, pode adicionar cobre (Cu), crómio (Cr) e molibdénio (Mo) para aumentar a resistência da liga à corrosão.
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Maquinabilidade
Os engenheiros precisam de procurar materiais que possam ser fáceis de maquinar. A este respeito, as ligas à base de níquel têm melhor limite de elasticidade, tensão de corte e resistência a altas temperaturas. Como resultado, superam os outros metais em termos de soldabilidade.
Alguns exemplos famosos de ligas à base de níquel disponíveis no mercado são os seguintes:
- Ligas para a indústria química: Inconel, Monel e Incoloy.
- Para ligas de resistência eléctrica: Liga Incoloy 800, Resistohm e Brightray.
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Resistente a ambientes de trabalho agressivos
As ligas de níquel podem suportar condições de trabalho severas, como câmaras de gás aeroespaciais, ambientes ácidos, componentes estruturais de energia nuclear, petróleo e indústrias marítimas. Além disso, não são afectadas pela água, ar quente e soluções aquosas específicas devido à sua elevada estabilidade química.
Em suma, o fabrico de superligas pode resistir eficazmente a condições de alta pressão, alta temperatura e corrosão.
Alguns tipos de ligas à base de níquel normalmente utilizados
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Tipos de ligas à base de níquel |
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Tipos |
Definição | Aplicações |
Exemplos |
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Ligas de níquel-ferro |
A mistura de níquel com alguma quantidade de ferro dá origem a uma liga de níquel-ferro que apresenta uma expansão térmica muito baixa em condições extremas. | Equipamento de medição de precisão
Hastes do termóstato Transformers Dispositivos de armazenamento de memória ● Indutores |
● Invar 36
● Invar 42 |
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Ligas de níquel-cobre |
Como a liga de níquel-cobre constitui cobre, são materiais altamente resistentes à corrosão e a ausência de propriedades magnéticas torna-os aplicáveis a várias aplicações. | Aplicações marítimas
Sistemas de tubagem Válvulas de água do mar ● Eixos da bomba |
● Monel 400
● Monel R405 ● Monel K500
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Ligas de níquel-crómio |
As ligas de níquel-crómio caracterizam-se por uma resistência a altas temperaturas, uma boa resistência eléctrica e uma excelente resistência à corrosão a todas as temperaturas. | Aquecedores de resistência eléctrica
Torradeiras ● Outros elementos de aquecimento |
Rene 41
● Ni70Cr30 |
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Ligas de níquel-titânio |
As ligas de níquel-titânio são famosas pela sua qualidade de resistência à forma. Quando se deforma a forma original da peça, esta recorda a sua forma inicial e pode ser convertida de novo na mesma sempre que necessário. | ● Recipientes sob pressão
Produtos de tubagem Bombas e válvulas ● Permutadores de calor ● Válvulas |
● Liga B-2 |
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Ligas de níquel-molibdénio |
A presença de molibdénio na liga de níquel-molibdénio assegura uma elevada resistência química aos ácidos redutores, como o ácido sulfúrico, o ácido clorídrico e o ácido fosfórico. | ● Amortecedores de choque na construção | ● Nitinol |
Aplicações das superligas à base de níquel
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Aeroespacial
As ligas à base de níquel com elevado teor de Cr, com boa resistência à corrosão térmica e estrutura estável, são consideradas as melhores para o fabrico de navios e turbinas de gás industriais. As aeronaves, em particular, são máquinas complexas que exigem muitas especificações em condições severas. Os engenheiros aeroespaciais dependem principalmente das ligas à base de níquel para conceber peças que possam enfrentar condições ambientais adversas. Estas ligas têm a capacidade de resistir a condições climatéricas extremas para garantir uma utilização segura.
As turbinas a gás são uma das melhores aplicações da indústria aeroespacial. Uma turbina é um ventilador que gira e utiliza uma fonte de energia para gerar, como uma turbina eólica. O gás pressurizado gera a energia necessária para fazer girar a turbina.
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Câmaras de combustão
Os materiais para câmaras de combustão têm requisitos de resistência relativamente baixos. No entanto, a resistência deve ser mantida até temperaturas de funcionamento de 1100 °C ou superiores. Além disso, a resistência à oxidação, juntamente com a resistência à fadiga térmica e à flambagem, é a necessidade mais crítica.
Para tornar o fabrico mais acessível, o material deve também ter uma boa formabilidade e soldabilidade. É por isso que as superligas à base de níquel são a melhor escolha para as câmaras de combustão.
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Lâminas de turbina
A secção do aerofólio da lâmina da turbina sofre uma variação de temperatura de 650-980 °C e uma pressão de 138 MPa. A 760 °C, a raiz da pá ligada ao disco sofre tensões de tração de 276 a 552 MPa fora do percurso do gás quente. É por isso que os materiais da turbina devem ter ductilidade suficiente para suportar a deformação por fluência. Assim, as ligas à base de níquel são utilizadas no fabrico de pás de turbinas, uma vez que as suas propriedades mecânicas podem ser mantidas durante um período prolongado.
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Turbinas a vapor
As superligas à base de níquel são utilizadas para fabricar discos de turbinas a vapor. Os discos de turbina necessitam de uma elevada resistência à fluência e à tração para proteção contra a rutura a temperaturas de funcionamento do cubo. As temperaturas de funcionamento de um disco de turbina a vapor atingem os 760 °C. Esta temperatura ocorre apenas na borda externa, perto de onde a lâmina é fixada. Além disso, as tensões de funcionamento causadas por cargas centrífugas são elevadas na jante. Tornam-se mais elevadas em direção ao centro destes componentes rotativos, excedendo 483MPa.
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Aplicações nucleares
As altas temperaturas e os elevados níveis de corrosão caracterizam os ambientes das centrais nucleares. As barras de controlo, os núcleos dos reactores e outros componentes são produzidos utilizando ligas à base de níquel. Como resultado, a indústria nuclear pode beneficiar significativamente desta superliga.
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Peças para motores
Devido à sua excelente resistência ao calor, as superligas são ideais para aplicações geradoras de calor, como os permutadores de calor. Isto deve-se ao facto de as superligas serem utilizadas no fabrico de peças de motores. Além disso, os acessórios para aviões e equipamento aeroespacial também utilizam superligas à base de ni.
Conclusão
Finalmente, encontrou uma resposta lógica para a sua pergunta: porque é que as ligas à base de níquel são superligas? As caraterísticas e aplicações excepcionais da superliga fazem dela uma superliga perfeita. Em poucas palavras, pode utilizar superligas à base de níquel quando é necessária uma elevada resistência à temperatura, à corrosão e à força. A utilização destas ligas como material de fabrico para os seus produtos terá, de facto, um efeito positivo nos mesmos.
