718 vs 718H – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
A liga 718 e sua variante intimamente relacionada 718H são amplamente utilizadas em componentes de alto desempenho para as indústrias aeroespacial, de geração de energia e petroquímica. Engenheiros e profissionais de compras enfrentam rotineiramente trade-offs ao selecionar entre elas: otimizar a resistência e a resistência ao fluência em altas temperaturas versus maximizar a soldabilidade, tenacidade e custo-efetividade. Os contextos típicos de decisão incluem peças rotativas que requerem resistência à fadiga, parafusos e fixadores expostos a altas temperaturas, e montagens soldadas onde o tratamento térmico pós-solda é restrito.
A principal distinção prática entre 718 e 718H reside em sua condição metalúrgica pretendida e janela de tratamento térmico: 718H é especificada para oferecer estabilidade aprimorada e desempenho de fluência sob exposição prolongada a altas temperaturas por meio de química controlada e prática de tratamento térmico, enquanto a 718 padrão é otimizada para endurecimento por envelhecimento máximo e um equilíbrio de propriedades mecânicas à temperatura ambiente e fabricabilidade. Como ambas as ligas compartilham o mesmo sistema de liga base (Ni–Cr–Fe com Nb/Ta, Mo, Ti e Al), elas são comumente comparadas quando um projeto requer julgamento sobre resistência a altas temperaturas a longo prazo, reparo de solda e estratégias de pós-processamento.
1. Normas e Designações
Especificações comuns e designações da indústria para produtos da família da Liga 718 incluem documentos internacionais e nacionais utilizados por fabricantes e compradores:
- Especificações no estilo AMS/SAE/ASTM (usadas em cadeias de suprimento aeroespacial e industrial).
- Equivalentes EN/DIN para ligas de níquel na Europa.
- Normas JIS para fornecedores japoneses.
- Série GB/T para produção e aquisição chinesas.
Classificação: A liga 718 e 718H são superligas de endurecimento por precipitação à base de níquel (não aços carbono, aços para ferramentas ou HSLA). Elas são tipicamente especificadas para formas de produtos em barra, chapa, forjamento e soldagem.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A família da Liga 718 é uma matriz Ni–Cr–Fe reforçada principalmente pela precipitação de fases intermetálicas ordenadas ($\gamma''$ e $\gamma'$) e carbonetos/boretos microaleatórios controlados. Uma química típica (intervalos nominais, wt%) da Liga 718 padrão é mostrada abaixo; observe que os limites exatos dependem da especificação controladora.
| Elemento | Composição típica (Liga 718, wt%) | Notas sobre 718H |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | 718H geralmente tem controle mais rigoroso; pequeno aumento em C pode ser permitido para melhorar a estabilidade de fluência/carbeto |
| Mn | ≤ 0.35 | Baixo para minimizar fases deletérias |
| Si | ≤ 0.35 | Desoxidação; limitado para controlar fusão e inclusões |
| P | ≤ 0.015 | Mantido baixo para manter ductilidade e resistência à corrosão |
| S | ≤ 0.015 | Mantido baixo para evitar trincas a quente |
| Cr | 17.0 – 21.0 | Proporciona resistência à oxidação e corrosão |
| Ni | 50.0 – 55.0 | Elemento principal da matriz |
| Mo | 2.8 – 3.3 | Reforço por solução sólida |
| V | traço | Não é uma adição deliberada na 718 padrão |
| Nb (+Ta) | 4.75 – 5.5 (Nb+Ta) | Chave para o reforço por precipitação de $\gamma''$ |
| Ti | 0.65 – 1.15 | Contribui para a formação de $\gamma'$ e $\gamma''$ |
| B | ≤ 0.006 | Adições de traço melhoram a resistência à fratura nas fronteiras de grão; 718H pode controlar B para fluência |
| N | traço | Níveis controlados baixos |
Estratégia de liga: Alto Ni proporciona uma matriz dúctil com resistência à corrosão; Cr, Mo e Fe equilibram oxidação e resistência; Nb/Ta, Ti e Al possibilitam endurecimento por precipitação ($\gamma''$ Ni3Nb é a fase de endurecimento principal). O B e C de traço se ligam nas fronteiras de grão para influenciar o comportamento de fluência e ruptura. A variante 718H não é uma liga fundamentalmente diferente, mas uma variante especificada com química e prática de tratamento térmico otimizadas para estabilidade a longo prazo em altas temperaturas e fluência.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestrutura típica (processada) - Matriz: cúbica de face centrada (FCC) $\gamma$ (solução sólida Ni–Fe–Cr). - Precipitantes de reforço: plaquetas coerentes de $\gamma''$ (Ni3Nb) e partículas esféricas/ordenadas de $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)). - Fases secundárias: carbonetos MC (carbonetos de Nb/Ti), fases de fronteira de grão (boretos, carbonetos) e possíveis precipitados de $\delta$ (Ni3Nb) sob certas histórias térmicas.
Resposta ao tratamento térmico - Tratamento de solução e envelhecimento: A 718 padrão é recozida em solução (tipicamente 980–1066 °C dependendo da forma do produto) para dissolver precipitados existentes, seguida de um envelhecimento duplo controlado para precipitar $\gamma''$ e $\gamma'$, produzindo resistência máxima. O envelhecimento máximo produz a máxima resistência ao escoamento e à tração, mas pode deixar alguma suscetibilidade a precipitados de fronteira de grão dependendo da história térmica. - Prática 718H: A 718H enfatiza o recozimento em solução e cronogramas de envelhecimento que minimizam a formação de fases $\delta$ grosseiras e quebradiças ou intergranulares, enquanto promovem uma distribuição estável de finos precipitados de reforço para fluência a longo prazo. A variante H pode usar diferentes temperaturas de solução ou tempos de espera e controle químico mais rigoroso (C, B) para mudar o equilíbrio em favor da estabilidade a longo prazo em vez de apenas dureza máxima. - Processamento termo-mecânico: O forjamento e o resfriamento controlado influenciam o tamanho do grão e a distribuição de carbonetos/boretos; a 718H frequentemente se beneficia de um processamento que reduz precipitados prejudiciais nas fronteiras de grão para melhorar a vida útil sob fluência.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas da família 718 são altamente dependentes do tratamento térmico e da forma do produto. A tabela abaixo compara tendências funcionais em vez de números fixos únicos.
| Propriedade | Liga 718 (condição típica de envelhecimento máximo) | Liga 718H (condição H para estabilidade em altas temperaturas) |
|---|---|---|
| Resistência à tração | Muito alta após envelhecimento máximo (otimizada para carregamento estático e de fadiga em temperaturas moderadas) | Comparável ou superior em altas temperaturas; projetada para resistência à tração/fluência a longo prazo superior |
| Resistência ao escoamento | Alta na condição de envelhecimento máximo | Semelhante ou ligeiramente superior para temperaturas de serviço a longo prazo devido à estabilidade da microestrutura |
| Alongamento (ductilidade) | Boa ductilidade à temperatura ambiente | Ductilidade à temperatura ambiente ligeiramente reduzida em algumas especificações H devido ao controle de carbonetos/precipitados |
| Tenacidade ao impacto | Geralmente boa quando devidamente envelhecida e tratada termicamente | Pode ser ligeiramente inferior se a microestrutura for otimizada para fluência (trade-off) |
| Dureza | Alta (endurecida por envelhecimento) | Semelhante ou ligeiramente superior dependendo do cronograma de envelhecimento; projetada para estabilidade sob exposição térmica |
Por que surgem diferenças: 718 alcança alta resistência por meio da precipitação de finas partículas de $\gamma''$ e $\gamma'$. As tolerâncias de tratamento térmico e composição da 718H priorizam a estabilidade dos precipitados e a química da fronteira de grão, de modo que a resistência e a ductilidade sejam mantidas durante longas exposições a altas temperaturas, o que pode afetar modestamente as métricas mecânicas de pico a curto prazo.
5. Soldabilidade
A soldabilidade depende da composição, ciclos térmicos e suscetibilidade a trincas.
- Equivalente de carbono e efeitos de liga: As ligas à base de níquel são mais soldáveis do que muitos aços de alta resistência, mas a Liga 718 pode ser suscetível a trincas de liquefação na zona afetada pelo calor e a trincas por envelhecimento de deformação se não for devidamente tratada após a solda.
- Ao avaliar a soldabilidade para ligas de níquel, fórmulas como o equivalente de carbono IIW e $P_{cm}$ são adaptadas para aços; no entanto, as seguintes são úteis na interpretação qualitativa e em contextos de metais mistos: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretação: Altos níveis de Nb, Ti e elementos menores aumentam a endurecibilidade da liga e a propensão a trincas de solidificação ou envelhecimento por deformação sob ciclos térmicos rápidos. Portanto:
- Pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e correspondência da metalurgia do material de enchimento são práticas padrão.
- O recozimento em solução pós-solda e o envelhecimento são comumente exigidos para restaurar a integridade mecânica e à corrosão.
- A 718H, porque é especificada para serviço a longo prazo em altas temperaturas, frequentemente requer procedimentos de solda mais rigorosos e tratamento térmico completo pós-solda para alcançar as propriedades de fluência e ruptura projetadas.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- A Liga 718 é inerentemente resistente à corrosão e oxidação em muitos ambientes devido ao seu alto teor de Ni e Cr. Para aplicações não corrosivas ou serviço em ambientes agressivos, tratamentos de superfície adicionais podem ser aplicados.
- Para análogos de índice inoxidável, as ligas são avaliadas com medidas como PREN para aços inoxidáveis: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ mas o PREN não é significativo para superligas à base de níquel onde o Ni domina e Nb/Ti/Mo têm papéis diferentes.
- Proteção de superfície: Para peças da família 718, as práticas comuns incluem revestimentos protetores (revestimentos de barreira térmica para alta temperatura), jateamento para melhoria da vida útil sob fadiga e controle rigoroso do acabamento da superfície; galvanização ou pintura simples é incomum para ligas de níquel em altas temperaturas.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade: A Liga 718 é moderadamente difícil de usinar devido à tendência de endurecimento por trabalho e alta resistência; ferramentas de carboneto, ângulos de corte positivos e alimentações controladas são recomendados. A 718H, com química semelhante, tem demandas de usinagem semelhantes; os parâmetros de usinagem podem ser apertados para evitar têmpera ou amolecimento parcial.
- Formabilidade: A conformação a frio é limitada; o forjamento a quente e o trabalho a quente controlado são a norma para componentes grandes. A 718H pode exigir uma história térmica específica para evitar embrittlement devido a precipitados grosseiros.
- Acabamento: Moagem, EDM e técnicas de alívio de tensão de superfície são comuns. O tratamento térmico pós-processamento (solução + envelhecimento) é frequentemente obrigatório após processamento térmico ou mecânico significativo, especialmente para peças 718H destinadas ao serviço de fluência.
8. Aplicações Típicas
| Liga 718 | Liga 718H |
|---|---|
| Eixos de turbina, discos e fixadores onde alta resistência e resistência à fadiga são necessárias | Parafusos de alta temperatura, válvulas e componentes de turbinas a gás projetados para longa vida útil sob fluência |
| Componentes de motores a jato e carcaças de rotores (onde as propriedades de envelhecimento máximo são exploradas) | Componentes destinados a exposição prolongada perto dos limites de temperatura da liga onde a microestrutura estável é crítica |
| Peças estruturais criogênicas e à temperatura ambiente onde são necessárias resistência combinada e tenacidade | Peças que contêm pressão em usinas de geração de energia e plantas petroquímicas onde a vida útil de ruptura por fluência é a prioridade |
Racional de seleção: Escolha a 718 padrão quando o endurecimento por envelhecimento máximo, a tenacidade à temperatura ambiente e a fabricabilidade forem primordiais. Escolha a 718H quando a vida útil do projeto em altas temperaturas, a minimização da degradação das propriedades sob exposição térmica e a garantia de resistência à fluência a longo prazo forem os fatores determinantes.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: Ambas as variantes são baseadas na mesma liga base e usam as mesmas rotas de processamento; as diferenças de custo são tipicamente modestas e impulsionadas pela rigidez da especificação, forma do produto e requisitos de tratamento térmico/inspeção. As peças 718H podem custar mais devido a tolerâncias químicas mais rigorosas e tratamento térmico e testes mais exigentes.
- Disponibilidade: A Liga 718 é uma das superligas de níquel mais amplamente disponíveis em todo o mundo; a 718H também é comum, mas pode exigir pedido contra uma especificação H específica ou através de fornecedores especializados para componentes críticos.
10. Resumo e Recomendação
| Critérios | Liga 718 | Liga 718H |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa com procedimento adequado; tratamento térmico pós-solda geralmente necessário | Requer controle de solda mais rigoroso e tratamento térmico completo pós-solda para atender aos requisitos de fluência |
| Resistência–Tenacidade | Excelente resistência máxima e boa tenacidade após envelhecimento padrão | Otimizada para resistência a longo prazo em temperatura; pode trocar alguma tenacidade a curto prazo |
| Custo | Amplamente disponível; custo base | Pequeno prêmio por química/processamento mais rigorosos para estabilidade de fluência |
Recomendação - Escolha a Liga 718 se as necessidades primárias forem alta resistência estática e à fadiga, boa tenacidade à temperatura ambiente e resposta padrão ao endurecimento por envelhecimento—com soldagem convencional e tratamento térmico pós-solda permitidos. - Escolha a Liga 718H se o componente deve manter a resistência e resistir à fluência/ruptura durante longas exposições a altas temperaturas e onde o controle em nível de especificação (química, ciclos de solução/envelhecimento) é necessário para garantir a estabilidade microestrutural ao longo da vida útil.
Nota final: Como a família 718 é altamente sensível ao processo, as especificações de aquisição devem indicar a forma exata do produto, ciclos de solução/envelhecimento e critérios de aceitação (por exemplo, tração, ruptura por fluência, dureza, microestrutura) necessários para o serviço pretendido. Consulte a especificação de material controladora e o metalurgista do fornecedor ao selecionar entre 718 e 718H para componentes críticos.