Orientador: Noé Cheung

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica

Resumo: O reforço promovido pela interação entre a matriz rica em Al e os compostos intermetálicos tornam as ligas Al-Cu-Ni de interesse científico e tecnológico para aplicações que demandam alta resistência e alta temperatura. As propriedades mecânicas e químicas resultam da natureza, morfologia,...

Resumo: O reforço promovido pela interação entre a matriz rica em Al e os compostos intermetálicos tornam as ligas Al-Cu-Ni de interesse científico e tecnológico para aplicações que demandam alta resistência e alta temperatura. As propriedades mecânicas e químicas resultam da natureza, morfologia, tamanho, fração volumétrica e dispersão das partículas de intermetálicos por toda a matriz rica em Al. O presente trabalho objetiva avaliar a influência da adição de 1%Ni sobre os parâmetros térmicos, macrossegregação e microestrutura de ligas binárias Al-5%Cu e Al-15%Cu e estabelecer correlações entre tais características e as resistências mecânica e à corrosão. Para tanto, foi utilizada a técnica de solidificação unidirecional vertical ascendente em regime transitório de fluxo de calor permitindo a obtenção de uma ampla faixa de escalas microestruturais a serem examinadas. Foram estabelecidas correlações experimentais relacionando a evolução dos parâmetros microestruturais (espaçamentos dendríticos primários e secundários) com parâmetros térmicos de solidificação (taxa de resfriamento - e velocidade de avanço da isoterma liquidus - VL). Também foram propostas equações do tipo Hall-Petch relacionando propriedades de tração com o espaçamento dendrítico primário. Amostras com microestruturas representativas foram extraídas do lingote e submetidas a ensaios de corrosão em uma solução 0,06M de NaCl. Os resultados obtidos indicaram faixas de variação similares para os parâmetros térmicos de solidificação (VL, e gradiente térmico à frente da isoterma liquidus - GL) independente da composição da liga. Embora ambas as ligas sejam caracterizadas por microestruturas essencialmente dendríticas ao longo do comprimento dos lingotes, a liga Al-15%Cu-1%Ni apresentou microestrutura mais refinada e, em uma análise qualitativa, maior fração volumétrica de compostos intermetálicos quando comparada à liga Al-5%Cu-1%Ni. Maiores taxas de resfriamento implicaram na formação de intermetálicos grosseiros ricos em Ni e uma mistura eutética não-lamelar ?-Al/Al2Cu, enquanto taxas menores sugeriram a formação do intermetálico ternário Al7Cu4Ni com morfologia de escrita chinesa. O comportamento mecânico das ligas mostrou-se diretamente influenciado pela segregação positiva do Cu e pela morfologia das fases. Os resultados dos ensaios mecânicos de tração evidenciaram maiores valores de alongamento específico e limite de resistência à tração com a diminuição do espaçamento dendrítico primário, atingindo níveis superiores aos resultados apresentados por ligas binárias hipoeutéticas Al-Cu disponíveis na literatura. A melhor relação entre resistência mecânica e resistência à corrosão foi apresentada pelas amostras de microestrutura mais refinada de ambas as ligas, com valores de limite de resistência à tração (?U) de 180MPa e 318MPa, e resistência à corrosão (CR) de 6,66 cm²/?A e 1,13 cm²/?A, respectivamente para as ligas Al-5%Cu-1%Ni e Al-15%Cu-1%Ni

Abstract: Al-Cu-Ni alloys are of scientific and technological interest due to high strength/high temperature applications, based on the reinforcement originated from the interaction between the Al-rich phase and intermetallic composites. The nature, morphology, size, volume fraction and dispersion...

Abstract: Al-Cu-Ni alloys are of scientific and technological interest due to high strength/high temperature applications, based on the reinforcement originated from the interaction between the Al-rich phase and intermetallic composites. The nature, morphology, size, volume fraction and dispersion of IMCs particles throughout the Al-rich matrix are important factors determining the resulting mechanical and chemical properties. The present work aims to evaluate the effect of the addition of 1wt%Ni into Al-5wt%Cu and Al-15wt%Cu alloys on the solidification rate, macrosegregation, microstructure features and the interrelations of such characteristics on tensile and corrosion properties. Therefore, upward transient directional solidification experiments were carried out permitting a wide range of microstructural scales to be examined. Experimental laws relating the evolution of microstructural parameters (primary and secondary dendritic spacings) with solidification thermal parameters (cooling rate - and growth rate - VL) were established. Hall-Petch type experimental laws relating tensile properties with primary dendritic spacing were proposed. Representative samples from the as-cast ingot were submitted to corrosion tests in a 0.06M NaCl solution. The results indicated similar variation of solidification thermal parameters (VL, and thermal gradient - GL) independent of the alloy composition. Although both alloys were characterized essentially by dendritic microstructure along the entire ingots lengths, the Al-15wt%Cu-1wt%Ni alloy showed a more refined microstructure and through a qualitative analysis, higher volumetric fraction of intermetallic composites when compared to the Al-5wt%Cu-1wt%Ni alloy. Higher solidification rates resulted in a non-lamellar eutectic mixture of ?-Al/Al2Cu and coarse Ni-rich IMC while lower cooling rates indicated the formation of the Al7Cu4Ni IMC with Chinese Script morphology. It is shown that the mechanical response of the alloys is directly influenced by both the positive Cu segregation and by the morphologies of the phases. The results of the mechanical tensile tests have evidenced higher values of specific elongation and ultimate tensile strength with the primary dendritic spacing decrease achieving higher values when compared to the hypoeutectic Al-Cu binary alloys available in literature. Considering a compromise between ultimate tensile strength - ?U and corrosion resistance - CR of the alloys samples examined from both alloys castings, it is shown that the samples attaining more refined microstructures are associated with best properties such as ?U achieving values of 180MPa and 318MPa and CR, values of 6,66 cm²/?A and 1,13 cm²/?A respectively for Al-5wt%Cu-1wt%Ni and Al-15wt%Cu-1wt%Ni alloys

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