O efeito da adição de nióbio na soldagem
1. O nióbio serve como elemento de liga para melhorar o desempenho da soldagem em aço inoxidável.
--Vamos aprender sobre o efeito.
Em determinados aços inoxidáveis austeníticos, como o aço inoxidável 347, o nióbio é adicionado como elemento de liga para aumentar a resistência à corrosão intergranular. Isso é particularmente importante durante a soldagem.
Isso ocorre porque o nióbio forma carbeto de nióbio (NbC) quando interage com o carbono, impedindo que o carbono sequestre o cromo e forme carbetos de cromo (Cr23C6). Os carbonetos de cromo são propensos a causar corrosão intergranular, o que pode comprometer seriamente a integridade do material.
Ao formar carboneto de nióbio, o nióbio evita efetivamente esse processo, melhorando assim a resistência à corrosão da solda e da zona afetada pelo calor (HAZ).
Dessa forma, os aços inoxidáveis com liga de nióbio são ideais para uso em ambientes de alto desempenho, como trocadores de calor, vasos de pressão e componentes expostos a altas temperaturas e condições químicas agressivas.
--Esse efeito foi comprovado por vários experimentos.
Vários estudos confirmaram os efeitos benéficos do nióbio em aplicações de soldagem. Por exemplo, a função do nióbio na zona afetada pelo calor (HAZ) foi analisada usando a difração de retroespalhamento de elétrons (EBSD) para estudar a estrutura de grãos em juntas soldadas. Esses estudos mostram que a adição de nióbio leva ao refinamento dos grãos na HAZ, reduzindo a extensão da zona afetada pelo calor de granulação grossa (CGHAZ). Grãos mais finos na HAZ resultam em melhor microestrutura e tenacidade, tornando o material soldado mais resistente a falhas sob tensão.
Fig. 1 Comparação da solda de aço inoxidável com diferentes adições de nióbio (a adição de nióbio da parte superior é menor do que a da outra).
Fonte:
"The State of the Art of Long Distance Gas Pipeline in China" (O estado da arte do gasoduto de longa distância na China). Chengjia Shang - IGRC - Rio 2017
Além disso, dados de pesquisa de projetos como a colaboração da CBMM em Moscou indicam que os aços com maior teor de nióbio apresentam maior tolerância ao aumento da entrada de calor durante a soldagem. Essa flexibilidade aumenta a capacidade do material de suportar ciclos térmicos de soldagem e garante a confiabilidade da junta soldada.
2. Tecnologia de soldagem de metais dissimilares em liga de nióbio e aço inoxidável
--Importância e desafios da soldagem de metais dissimilares
As ligas de nióbio e o aço inoxidável são frequentemente soldados juntos nos setores em que ambas as propriedades de alto desempenho são necessárias. A combinação do excepcional desempenho em alta temperatura, da resistência à corrosão e da supercondutividade do nióbio com a força e a relação custo-benefício do aço inoxidável torna essa soldagem de metal dissimilar particularmente atraente. No entanto, a soldagem desses dois materiais apresenta vários desafios devido às suas diferenças nas propriedades físicas, químicas e metalúrgicas.
- Diferenças de propriedades térmicas: O coeficiente de expansão térmica das ligas de nióbio (7,3×10-⁶/°C) difere significativamente do coeficiente do aço inoxidável (17,3×10-⁶/°C), o que leva a tensões residuais.
- Incompatibilidade metalúrgica: Há o risco de formação de compostos intermetálicos frágeis, como Fe₂Nb e Cr₂Nb.
- Sensibilidade à oxidação: O nióbio é altamente suscetível à oxidação em temperaturas elevadas, exigindo medidas de proteção rigorosas.
- Controle de diluição da solda: O controle da composição na poça de fusão é um desafio.
--Comparação e seleção de métodos de soldagem
--Métodos tradicionais de soldagem
Ao soldar ligas de nióbio em aço inoxidável, a seleção do método de soldagem adequado é fundamental. Aqui está uma lista dos métodos tradicionais de soldagem.
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Método de soldagem |
Vantagens |
Limitações |
Cenários aplicáveis |
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GTAW (gás inerte de tungstênio) |
Equipamento simples, operação flexível |
Alta entrada de calor, distorção significativa |
Juntas de topo de chapas finas, estruturas simples |
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EBW (soldagem por feixe de elétrons) |
Grande relação entre profundidade e largura, HAZ pequena |
Requer ambiente a vácuo, equipamento caro |
Componentes de alta precisão, aplicações aeroespaciais |
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LBW (soldagem por feixe de laser) |
Entrada de calor precisa, alta automação |
Requer alta precisão de montagem |
Placas finas, conexões precisas |
--Tecnologias avançadas de soldagem
Técnicas avançadas de soldagem, como Friction Welding (FW), Diffusion Welding (DFW) e Explosive Welding (EXW), também podem ser usadas para enfrentar os desafios exclusivos da soldagem de ligas de nióbio em aço inoxidável.
- Soldagem por fricção (FW)
- A união em estado sólido evita defeitos de soldagem.
- Particularmente adequada para juntas de tubulação.
- Requer um controle rigoroso dos parâmetros (velocidade, pressão, tempo).
- Soldagem por difusão (DFW)
- Uso de camadas intermediárias (Ti, Cu, Ni) para melhorar a união.
- Requer um controle rigoroso da temperatura (800-950°C) e da pressão.
- A resistência da junta pode chegar a 90% da resistência do material de base.
- Soldagem explosiva (EXW)
- Adequada para compostos de placas de grandes áreas.
- A interface de união tem um formato ondulado, mecanicamente intertravado.
- Requer tratamento térmico posterior para aliviar a tensão residual.
--Principais pontos de controle do processo
1. seleção do material da camada intermediária
A seleção de materiais intermediários desempenha um papel fundamental na melhoria da qualidade da solda e na redução da incompatibilidade de materiais entre as ligas de nióbio e o aço inoxidável. Camadas intermediárias, como níquel puro, compostos à base de cobre e camadas de transição de vanádio/titânio, ajudam a aliviar as tensões residuais e evitam a formação de fases frágeis.
Por exemplo, uma camada intermediária de níquel puro suprime efetivamente a formação de fases frágeis de Fe-Nb, enquanto as camadas à base de cobre podem aliviar as tensões térmicas e proporcionar boa condutividade elétrica. O uso de camadas de transição de vanádio ou titânio oferece excelente compatibilidade com nióbio e aço inoxidável, mas exige um controle cuidadoso das temperaturas de difusão.
2. controle da atmosfera de proteção
O controle do ambiente de soldagem é essencial ao soldar ligas de nióbio, que são altamente sensíveis à oxidação em temperaturas elevadas. Recomenda-se o uso de gases inertes, como argônio ou hélio, com pureza de pelo menos 99,999%. O teor de oxigênio deve ser cuidadosamente controlado para menos de 10 ppm, e sistemas de proteção de gás duplo devem ser usados para garantir a integridade da solda. Na soldagem a vácuo, a pressão deve ser mantida abaixo de 5×10-³Pa para evitar a oxidação.
Conclusão
A tecnologia de soldagem de ligas de nióbio e aço inoxidável teve um progresso significativo. A adição de nióbio ao aço inoxidável melhora significativamente o desempenho da soldagem ao aumentar a resistência à corrosão, refinar a estrutura do grão e aumentar a tenacidade. Espero que você possa entender melhor o efeito da adição de nióbio na soldagem. Para obter mais informações, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).
Referências:
[1] CHEN Guoqing, GAN Zhanhua, ZHANG Ge, LENG Xuesong (2023). Research Progress of Welding Technology Between Niobium Alloy and Stainless Steel Dissimilar Metal (Progresso da pesquisa da tecnologia de soldagem entre liga de nióbio e metal dissimilar de aço inoxidável). Aeronautical Manufacturing Technology. https://doi.org/http://www.amte.net.cn/CN/10.16080/j.issn1671-833x.2023.19.093
[2] Xingwen Zhou, Yuhua Chen, Yongde Huang, Yuqing Mao, Yangyang Yu, Efeitos da adição de nióbio na microestrutura e nas propriedades mecânicas de juntas soldadas a laser de ligas NiTiNb e Ti6Al4V, Journal of Alloys and Compounds, Volume 735, 2018, Páginas 2616-2624, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838817340896
