Investigação da microestrutura da liga NI-SI-FE-WC produzida via processamento a laser utilizando o método de pó predepositado sobre substrato de aço 1020

Abstract

Os revestimentos à base de níquel (Ni) reforçados com carboneto de tungstênio (WC) têm ampla aplicação em setores industriais devido às suas propriedades diferenciadas, que incluem resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão, durabilidade contra desgaste e elevada dureza. O revestimento de substratos a laser apresenta diversas vantagens na manufatura de revestimentos de ligas WC-Ni, sendo objeto de extensas investigações ao longo dos últimos anos. Este estudo aborda experimentos associados à aplicação da tecnologia de laser para revestimento utilizando WC como material de reforço com fase ligante baseada em níquel (90%Ni+5,5%Fe+4,5%Si), onde o WC é usado na forma de pó com granulometria de 2µm, e Ni e Fe45Si com granulometria de 22µm, sendo utilizado um método de deposição prévia do pó. O trabalho explora as propriedades resultantes da combinação desses elementos, destacando a complexidade do processo de deposição, analisando a microdureza, os mecanismos de formação do cordão e, principalmente, a microestrutura formada. Cordões individuais foram aplicados com o auxílio de um laser de fibra, com experimentos feitos em faixas de potência de 0.5kW até 1.3kW, em modo contínuo sobre um substrato de Aço 1020. Outros parâmetros relevantes são a utilização de um diâmetro teórico de incidência do feixe de laser de 0,8mm, velocidade de avanço de 200-600mm/min, espessura de leito de pó de 0,3mm até 1mm, com as deposições feitas sem e com atmosfera controlada com Argônio. Não foi possível criar um cordão desprovido de defeitos devido à presença constatada de WO3 no pó utilizado, que causou remoção substancial de carbono do cordão pela formação de CO/CO2, resultando em elevada dissolução de ferro do substrato para o cordão, possibilitando a formação do composto intermetálico Ni-Fe, bem como a formação de poros e cavidades dentro do cordão, sendo este o principal fator na redução de qualidade do cordão consolidado. Cordões obtidos por processamento a laser com teor de WC inferior a 20% em peso apresentaram microestrutura nanocristalina, enquanto teores superiores a 30% em peso resultaram em microestrutura refinada, com tamanho de grão inferior a 2,5µm.

Abstract: Nickel (Ni)-based coatings reinforced with tungsten carbide (WC) have broad applications in industrial sectors due to their distinctive properties, which include high-temperature resistance, corrosion resistance, wear durability, and high hardness. Laser coating of substrates offers several advantages in the manufacturing of WC-Ni alloy coatings, and it has been the subject of extensive research in recent years. This study focuses on experiments related to the application of laser technology for coating using WC as the reinforcement material with a nickel-based binding phase (90%Ni + 5.5%Fe + 4.5%Si), where WC is used in powder form with a particle size of 2µm, and Ni and Fe45Si have a particle size of 22µm. A pre-deposition powder method is employed. The study explores the resulting properties of the combination of these elements, highlighting the complexity of the deposition process, analysing microhardness, weld bead formation mechanisms, and, most importantly, the resulting microstructure. Individual beads were applied with the aid of a fibre laser, with experiments conducted in power ranges of 0.5kW to 1.3kW, in continuous mode, on a 1020 steel substrate. Other relevant parameters include using a theoretical laser beam diameter of 0.8mm, a travel speed of 200-600mm/min, a powder bed thickness of 0.3mm to 1mm, with depositions made both with and without an argon-controlled atmosphere. It was not possible to create a defect-free bead due to the presence of WO3 in the powder used, which caused substantial carbon removal from the bead through the formation of CO/CO2, resulting in significant iron dissolution from the substrate into the bead, enabling the formation of the intermetallic compound Ni-Fe, as well as the formation of pores and cavities within the bead, which was the main factor in the reduced quality of the consolidated bead. Beads produced by laser cladding with WC content below 20 wt.% exhibited a nanocrystalline microstructure, whereas contents above 30 wt.% resulted in a refined microstructure with grain size below 2.5 µm.