Caracterização de diferentes acabamentos de superfície de chapas de aço inoxidável 316L e sua influência na união por difusão

Abstract

O processo de união de materiais denominado união por difusão é baseado na difusão atômica no estado sólido, que por meio do contato atômico entre duas superfícies e a aplicação de pressão a altas temperaturas, torna possível a junção de dois materiais. Quando esta técnica é otimizada, forma juntas microestruturalmente indistinguíveis e com as mesmas propriedades mecânicas do material de base. Além disso, utilizando a soldagem por difusão é possível fabricar dispositivos por manufatura aditiva por meio do empilhamento de chapas, o que permite obter geometrias complexas com canais internos. Por isso, esta técnica de fabricação é utilizada na manufatura de dispositivos compactos e que necessitem apresentar elevada integridade microestrutural, como os trocadores de calor compactos desenvolvidos pelo LABTUCAL utilizados em plataformas offshore que exigem altas solicitações térmicas e mecânicas. Por essa razão, torna-se importante compreender todos os aspectos relacionados com a fabricação destes trocadores que podem interferir na qualidade final da união e, portanto, no desempenho mecânico final destes dispositivos. Assim, para estudar parâmetros que afetam a qualidade final de união, foram produzidos blocos multicamadas formados de chapas de aço inoxidável 316L em três configurações distintas, variando-se a espessura e o acabamento de superfície das chapas. Todos os blocos passaram pelo processo de fabricação já padronizado, de modo a evidenciar apenas as diferentes configurações de espessura e acabamento de superfície na variação experimental. Para compreender as variações de acabamento de superfície, as chapas utilizadas na montagem dos blocos foram caracterizadas por interferometria de luz branca, obtendo-se resultados quantitativos dos parâmetros topográficos e as projeções axonométricas para avaliação qualitativa. Após a fabricação destes blocos, amostras foram retiradas perpendicularmente às linhas de união para caracterizações mecânicas e microestruturais. Os corpos de prova, devidamente preparados, foram submetidos a ensaios de tração uniaxial para avaliar as diferenças de ductilidade e resistência entre os blocos, bem como as respectivas superfícies de fratura. As amostras de caracterização microestrutural passaram por procedimentos padronizados de preparação metalográfica para a aquisição de imagens com microscópio óptico, sendo submetidas posteriormente a tratamentos de imagem para descrição e quantificação das descontinuidades presentes nas interfaces de união. A partir das caracterizações mecânicas e microestruturais, correlacionou-se as diferentes espessuras, combinadas com diferentes acabamentos de superfície, com os resultados resistência mecânica e ductilidade obtidos nos ensaios de tração e a quantificação dos vazios presentes na interface. A caracterização das chapas mostrou um acabamento mais grosseiro para a chapa apenas laminada de 3 mm, e acabamentos mais refinados para das chapas de 1 mm, laminadas e polidas. Dessa maneira, foi possível observar que a chapas de 3 mm com acabamento de superfície mais grosseiro, apresentaram propriedades mecânicas menos reprodutíveis, com menor ductilidade, com uma média de alongamento de 30%, além da superfície de fratura com diversos pontos sem evidência de união com alvéolos heterogêneos e de maior tamanho. Por outro lado, os blocos fabricados com chapas com espessura de 1 mm e com acabamento de superfície laminado e polido apresentaram resultados de propriedades mecânicas mais elevados, apresentando alongamento médio 95% superior ao do bloco anterior, de 58,6%, e com melhor reprodutibilidade. Além disso, o bloco de 1 mm com acabamento polido, apresentou as superfícies de fratura com características semelhantes à fraturas dúcteis, com planos de cisalhamento, e alvéolos bastante homogêneos e bem distribuídos e um alongamento médio de 67,4%. Dessa forma, os blocos fabricados com as chapas de 1 mm, que demonstraram características de superfície mais refinadas, tiveram resultados superiores tanto nas propriedades mecânicas e superfícies de fratura, quanto na quantificação dos vazios da linha de união, especialmente o bloco de chapas de 1 mm polidas.

Abstract: The process of materials joining called diffusion bonding is based on atomic diffusion in the solid state, which, through the atomic contact between two surfaces and the application of temperature and pressure, it is possible the bonding of two materials. When this technique is optimized, it forms microstructurally indistinguishable joints with the same mechanical properties as the base material. In addition, using diffusion welding, it is possible to manufacture devices by additive manufacturing by stacking sheets, which allows obtaining complex geometries with internal channels. Therefore, this fabrication technique is used in the manufacture of compact devices that need to present high microstructural integrity, such as the compact heat exchangers developed by LABTUCAL, that are used in offshore platforms, subjected to high thermal and mechanical requests. For this reason, it is important to understand all aspects related to the manufacture of these heat exchangers that can interfere on the joint final quality and the final mechanical performance of these devices. Thus, in order to study parameters that affect the final quality of the joint, multilayer block test samples made of 316L stainless steel plates are produced in three different configurations, varying the sheets thickness and finishing surface. All sample blocks were manufactured by the already standardized fabrication process, in order to evidence only the different configurations of thickness and surface finish in the designed experiment. To understand surface finish differences, the plates used in the stacking sample blocks were characterized by white light interferometry, obtaining quantitative results of topographic parameters and axonometric projections for qualitative evaluation. After fabrication, test samples were removed in the perpendicular to the joining lines direction, for mechanical and microstructural characterizations. The specimens for mechanical characterization were machining to carry out uniaxial tensile tests, to evaluate the differences in ductility and resistance between the block samples, also evaluating the fracture surfaces after the tests, relating them to the initial characteristics of the finishing of the sheets. The microstructural characterization samples underwent standardized metallographic preparation procedures for the images acquisition, using an optical microscope. The resulting images were subjected to treatments, to allow for the description and quantification of the discontinuities observed at the bonding interfaces. From the mechanical and microstructural characterizations, the different thicknesses, combined with different surface finishes, were correlated with the mechanical strength and ductility results, obtained in the tensile tests and the quantification of voids present at the bond interface. A rough finish for the rolled 3 mm plate and a more refined finishing s for the 1 mm rolled and polished plates were observed. Thus, the union resulted from 3 mm sheets, with coarse surface finish, presented mechanical properties less reproducible, with lower ductility, with an average elongation of 30%, beyond a fracture surface showing several points without evidence of diffusion bonding, with heterogeneous and larger dimples. Meanwhile, the sample blocks manufactured with sheets of 1 mm with laminated and polished surfaces finishes, presented better mechanical properties, with a elongation 95% higher of the previous block, of 58,6%, and better reproducibility. In addition, block samples with the 1 mm polished finish plates, presented fracture surfaces with characteristics similar to ductile fractures, with shear planes and an average elongation of 67,4%. The dimples were also homogeneous and well distributed. The same result was observed in the image analysis of the three sample blocks: the one with a coarser surface finish showed a higher number and more elongated voids, with larger dimensions. Sample blocks of refined finish plates showed interface voids with rounder shape, smaller dimensions and in less number, in general. Therefore, the influence of the initial characteristics of the topography of the stainless steel sheets is quite evident for the diffusion bonding quality, as the presence of punctual defects and coarser characteristics on the surface led to worse mechanical properties and worse characteristics of the voids, in the join interface. Thus, sample blocks manufactured with 1 mm plates, showed more refined surface characteristics, with superior results both in terms of mechanical properties and fracture surfaces. The number of voids in the joint line is also smaller, especially the sample block made of 1 mm polished plate.