Avaliação de propriedades de juntas brasadas e de juntas envelhecidas de liga a base de Níquel utilizadas em grades espaçadoras de reatores nucleares do tipo PWR

Abstract

As grades espaçadoras fazem parte do conjunto do Elemento de Combustível (EC) do reator de água pressurizada - PWR (Pressurized Water Reactor). As grades são fabricadas a partir da união dos pontos de interseção de tiras estampadas de Inconel 718®, denominado por Inconel 718, por um processo de união denominado brasagem. Para esse processo, essas tiras são revestidas com uma fina camada de níquel, por meio de eletrodeposição com a finalidade de proteger contra oxidação e permitir uma melhor fluidez e molhabilidade do material de adição (MA) nas tiras durante a brasagem. O MA empregado era composto por níquel, fósforo e cromo. Neste trabalho, as juntas que compõem a grade espaçadora foram brasadas em diferentes condições de: temperatura, tempo e velocidade de resfriamento. Estas juntas brasadas foram comparadas com juntas brasadas e depois envelhecidas por 18 horas em forno a vácuo, usando pressão menor que 10-3 mbar. A fim de avaliar as propriedades mecânicas e microestruturais em diferentes condições de brasagem e de envelhecimento foram realizados ensaios de cisalhamento, fadiga e de dureza, além de utilizar diferentes técnicas para análise da microestrutura das juntas. A partir das imagens obtidas em Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) acoplado a técnica de Espectrometria de Energia Dispersiva (EDS) foram observadas regiões ricas em fósforo e difusão de elementos do material de base (MB) para a região do MA nas juntas brasadas e brasadas e submetidas ao envelhecimento. A região da junta brasada apresentou uma maior dissolução do MB quando exposta em temperaturas e tempo de brasagem maiores. A análise por Difração de Raios X (DRX) indicou a formação de solução sólida de níquel e cromo (SSNiCr) no MA brasado, no MA envelhecido, na interface MA-MB brasada e na interface MA-MB envelhecida. A fase (Ni, Cr)3P estava presente em todas as amostras, além da presença da fase Cr1.2Ni0.8P na interface MA-MB brasada e na interface MA-MB envelhecida. Os mapas de composição obtidos utilizando a técnica quantitativa por Wavelength-Dispersive Spectroscopy (WDS) indicaram a presença de elementos químicos provenientes do MB na interface MA-MB e na região brasada. Foi também possível verificar maior concentração de Nb em algumas regiões ricas em P e Cr na região brasada. No ensaio de cisalhamento foi observado um aumento da força de resistência, em relação ao aumento da temperatura e do tempo de brasagem. O tratamento térmico de envelhecimento não alterou significativamente as propriedades mecânicas e microestruturais da junta brasada, mas aumentou a resistência mecânica do MB. Os resultados do ensaio de microdureza indicaram regiões com dureza elevada na região brasada que estavam associadas a maior concentração de fósforo. O perfil de dureza se manteve similar para as juntas envelhecidas. O ensaio de fadiga realizado em juntas brasadas a 1060 °C e em juntas envelhecidas indicou tendência de aumento de ciclos à medida que reduzia a amplitude de tensão, no entanto, os resultados do número de ciclos apresentaram grande dispersão. Esta dispersão nos valores do número de ciclos está relacionada à heterogeneidade da microestrutura na região brasada corroborada pela diferença nos valores de dureza.