Usinagem em torneamento da liga NIMONIC 80A utilizando ferramentas cerâmicas experimentais

Abstract

A liga VAT 80A®, denominação comercial da superliga Nimonic 80A produzida pela Villares Metals, é uma superliga de níquel-cromo endurecível por precipitação, empregada em aplicações de alta temperatura (até 815 °C), como componentes de turbinas a gás, válvulas de exaustão e sistemas nucleares. As superligas como a VAT 80A® têm evoluído continuamente para atender às demandas de maior eficiência térmica, durabilidade e resistência à corrosão, sendo essenciais em setores aeronáutico, automobilístico, energia, petróleo e gás. Devido às elevadas exigências de desempenho mecânico, resistência à fluência, fadiga e corrosão, sua usinagem requer ferramentas com alta dureza, resistência ao desgaste, estabilidade térmica e baixa afinidade química com o material a ser usinado. Neste trabalho, foi analisado o torneamento sem fluido de corte da liga VAT 80A® utilizando ferramenta cerâmica experimental à base de Al₂O₃-MgO, desenvolvida em escala laboratorial, com densidade relativa de 98,25 +/- 0,11%, dureza de 14,16 GPa e tenacidade à fratura (KIC) de 2,13 ± 0,25MPa.m¹ᐟ². Durante os ensaios, foram monitoradas potência de usinagem, vibração e emissão acústica por sistema de aquisição de dados, enquanto as rugosidades da superfície foram avaliadas por rugosímetro. O desgaste da ferramenta VBC foi analisado por um microscópio. As variáveis de entrada investigadas foram velocidade de corte (Vc), avanço (f) e profundidade de usinagem (ap), e as respostas analisadas incluíram potência, vibração, emissão acústica, desgaste de flanco (VBC) e rugosidades (Ra, Rt e Rz). A metodologia de Superfície de Resposta (MSR) foi empregada para análise estatística dos resultados. De modo geral, não foram observadas influências estatisticamente significativas dos parâmetros de usinagem sobre potência, vibração e emissão acústica. Para a rugosidade Ra, observou-se significância do avanço (f) e do termo quadrático da profundidade de usinagem (ap²), enquanto para Rt e Rz destacou-se a influência do termo quadrático de ap, indicando comportamento não linear dessas respostas. No caso de Rz, o modelo apresentou significância estatística global. Para o desgaste de flanco (VBC), verificou-se que apenas o avanço (f), no termo linear, apresentou influência estatisticamente significativa, conclui-se que o avanço exerce papel relevante tanto no acabamento superficial quanto no desgaste da ferramenta, enquanto a profundidade de usinagem influencia a rugosidade por meio de efeitos de segunda ordem. Apesar das limitações estatísticas observadas nos modelos, os resultados permitiram identificar tendências importantes para a otimização do processo de usinagem da liga VAT 80A®.

The VAT 80A® alloy, the commercial name for the Nimonic 80A superalloy produced by Villares Metals, is a precipitation-hardenable nickel-chromium superalloy used in high-temperature applications (up to 815 °C), such as gas turbine components, exhaust valves, and nuclear systems. Superalloys like VAT 80A® have continuously evolved to meet the demands for greater thermal efficiency, durability, and corrosion resistance, being essential in the aeronautical, automotive, energy, oil, and gas sectors. Due to the high demands for mechanical performance, creep resistance, fatigue, and corrosion, its machining requires tools with high hardness, wear resistance, thermal stability, and low chemical affinity with the material to be machined. This work analyzed the fluid-free turning of VAT 80A® alloy using an experimental Al₂O₃-MgO-based ceramic tool, developed on a laboratory scale, with a relative density of 98.25 +/- 0.11%, a hardness of 14.16 GPa, and a fracture toughness (KIC) of 2.13 ± 0.25 MPa.m⁻¹⁴. During the tests, machining power, vibration, and acoustic emission were monitored by a data acquisition system, while surface roughness was evaluated using a profilometer. VBC tool wear was analyzed using a microscope. The input variables investigated were cutting speed (Vc), feed (f), and depth of cut (ap), and the analyzed responses included power, vibration, acoustic emission, flank wear (VBC), and roughness (Ra, Rt, and Rz). Response Surface Methodology (RSM) was employed for statistical analysis of the results. In general, no statistically significant influences of machining parameters on power, vibration, and acoustic emission were observed. For roughness Ra, significance was observed for feed (f) and the quadratic term of the depth of cut (ap²), while for Rt and Rz, the influence of the quadratic term of ap stood out, indicating non-linear behavior of these responses. In the case of Rz, the model showed overall statistical significance. For flank wear (VBC), it was found that only the feed (f), in the linear term, showed a statistically significant influence. It is concluded that the feed plays a relevant role in both surface finish and tool wear, while the depth of cut influences roughness through second-order effects. Despite the statistical limitations observed in the models, the results allowed the identification of important trends for optimizing the machining process of the VAT 80A® alloy