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Caracterização microestrutural da soldagem TIG em varetas de combustível nuclear Research · May 2016 DOI: 10.13140/RG.2.1.1834.8409
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1 author: Alexandre Roberto Soares Centro Universitário de Volta Redonda 15 PUBLICATIONS 7 CITATIONS SEE PROFILE
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Caracterização microestrutural da soldagem TIG em varetas de combustível nuclear
Alexandre Roberto Soares (1) -
[email protected] Filipe Corrêa Pinto (2) –
[email protected] Henrique Varella Ribeiro (2) –
[email protected] Filipe Alves de Oliveira (2) –
[email protected]
(1) Industrias Nucleares do Brasil – Resende/RJ (2) Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca – Angra dos Reis/RJ
Resumo Um dos principais componentes na fabricação dos combustíveis nucleares utilizados em reatores PWR (Pressurized Water Reactor) são as varetas de combustível, pois devido às condições de trabalho algumas propriedades tais como baixa absorção de nêutrons, resistência a oxidação em altas temperaturas, resistência mecânica necessitam ser otimizadas. Este cenário cria um grande desafio tanto no campo de materiais para este tipo de aplicação quanto no desenvolvimento de processos para a fabricação destes componentes. Os materiais que possuem grande aplicação no setor nuclear e conseguem agregar de maneira eficiente todas as propriedades citadas acima são as ligas de zircônio, tais como Zircaloy-2, Zircaloy-4 e Zirlo®. Neste trabalho serão avaliadas as alterações microestruturais sofridas durante o processo de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) dos componentes tubo e tampão da vareta de combustível, fabricados pelas ligas de Zirlo® e Zircaloy-4, respectivamente. As análises microestruturais foram realizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e a análise da variação da composição química foi realizada na região fundida pela técnica de Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X (EDS). Os resultados indicaram uma extensa zona termicamente afetada (ZTA) com um acentuado crescimento de grão próximo à zona fundida (ZF), também foi possível observar a perda de estanho na ZF do material. Este trabalho servirá como base para o estudo da eficiência da soldagem por resistência (RPW) nestes mesmos componentes. Palavras-chave: Soldagem TIG varetas de combustível nuclear, zircaloy-4 e Zirlo
Microstructural Characterization of TIG welding in nuclear fuel rods Abstract A major component in the manufacture of nuclear fuels used in reactors PWR (Pressurized Water Reactor) are the fuel rods, because due to the working conditions some properties such as low neutron absorption, resistance to oxidation at high temperatures, mechanical strength need to be optimized. This scenario creates a great challenge in the field of materials for this type of application as the development of processes for manufacturing these components. The materials that have wide application in the nuclear industry and can effectively add all the properties mentioned above are the zirconium alloys such as zircaloy-2, zircaloy-4 and Zirlo®. This work will be evaluated microstructural alterations suffered during the TIG welding process (Tungsten Inert Gas) of the tube and end cap of the fuel rod, manufactured by alloy Zirconium Zirlo® and zircaloy-4, respectively. The microstructural analyzes were performed by scanning electron microscopy (SEM) and the analysis of the variation in chemical composition was performed in the molten region by spectroscopy technique of Energy Dispersive X-ray (EDS). The results indicated a wide heat affected zone (HAZ) with a strong grain growth near the molten zone. It was also possible to observe the tin loss in the molten material region. This work will serve as a comparative basis for the study of resistance welding efficiency (RPW) these same components. Keywords: TIG welding nuclear fuel rods, zircaloy-4 and Zirlo
1. Introdução Ligas de zircônio são muito utilizadas em aplicações nucleares pelo fato de sua seção de choque não afetar de maneira efetiva a absorção de nêutrons agregada à sua excelente resistência a corrosão e boas propriedades mecânicas a altas temperaturas. Dentre as principais ligas utilizadas em reatores PWR (Pressurized Water Reactor) estão Zircaloy-2 e Zircaloy-4 empregadas na fabricação na de varetas de combustível, tubos refrigerantes, grades espaçadoras, dentre outros produtos. As principais ligas de Zircônio desenvolvidas para aplicação nuclear no mundo são oriundas das empresas Westinghouse e Areva de origem Americana e Européia respectivamente. Sendo a empresa americana fabricante das ligas Zircaloy-2, Zircaloy-4 e Zirlo® enquanto a empresa europeia fabrica as ligas M5 e Q12. De acordo com Sabol [1] e Lobo [2] a liga Zirlo® apresenta dentre estas ligas maior resistência a corrosão e estabilidade dimensional a altas temperaturas. Tenckhoff [3] estudou outra característica importante dessas ligas que é a forte anisotropia apresentada devido à formação de textura cristalográfica durante o seu processamento.
A segunda estrutura é denominada de Widmanstätten de placas paralelas, como mostrado na Figura 1(b), onde um grande número de placas α formam-se num mesmo plano dos grãos β primários. A diferença entre estas morfologia, referentes as estruturas de Widmanstätten é atribuída à presença de partículas de segunda fase dispersas que levam a nucleação da fase α resultando na estrutura Basketweave [5, 6]. Devido às condições severas nas quais estes materiais são submetidos, onde qualquer falha que ocorra durante a operação pode ocasionar em acidentes de grandes dimensões colocando em risco a vida de milhares de pessoas, a preocupação com os materiais e processos utilizados para a fabricação de componentes é fundamental. Neste trabalho será realizado um estudo sobre as alterações microestruturais ocorridas na soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) do tampão de uma vareta de combustível nuclear. A Figura 2 apresenta esquematicamente uma vareta de combustível onde podem ser observados o tubo e os tampões fabricados em Zirlo® e Zircaloy-4, respectivamente.
Um dos fenômenos mais importantes que ocorre durante o ciclo térmico de soldagem e é fundamental para a determinação das temperaturas de trabalho admissíveis para estas ligas é a transformação de fases. Este fenômeno está apresentado na Tabela 1 para as ligas Zircaloy4 e Zirlo®.
Tab. 1 – Temperaturas de transformação de fases α(CCC) – α(CCC)+β(HC) α(CCC)+β(HC) – α(CCC) Material Zircaloy-4 825ºC 950ºC Zirlo® 780ºC 940ºC
Fig. 1 - Microestruturas do Zircaloy-4, mostrando diferentes morfologias de Widmanstätten: (a) estrutura Basketweare; (b) estrutura de placas Em trabalho desenvolvido por Holt [5], a paralelas. transformação de fases de β para α em amostras similares de Zircaloy-4, submetidas a aquecimento a 1100ºC (β) e posteriormente resfriadas moderadamente ao ar traz consigo a formação de duas estruturas morfológicas do tipo Widmanstätten diferentes: A primeira denominada de Basketweave Fig. 2 – Diagrama esquemático apresentando os normal, como mostrado na Figura 1(a), típica de componentes de uma vareta de combustível nuclear. ligas de Zircônio e resultante da precipitação aleatória de placas α em vários planos de um mesmo grão da fase β.
2. Materiais e Métodos Os materiais utilizados neste estudo são as ligas Zicaloy-4 e Zirlo fabricadas pela Westinghouse cujas especificações de composição químicas estão apresentadas na Tabela 2. Corpos de prova do tampão (end cap) de Zircaloy-4 e do tubo de Zirlo® foram montados e posteriormente foram soldados pelo processo TIG automatizado. Após a soldagem os corpos de prova foram cortados, conforme apresentado na Figura 3, em uma cortadeira metalográfica de baixa velocidade, modelo ISOMET 1000 da Buehler.
3. Resultados e Discussões A Figura 3 apresenta a macrografia da região analisada do material, não foram verificados defeitos de soldagem nesta região, foi possível verificar também uma ZTA bastante extensa, principalmente no corpo do tubo.
Fig. 3 - Macrografias do tampão inferior e superior A micrografia apresentada na Figura 4 obtida por elétrons retroespalhados apresenta a junta soldada, nela é possível observar o GAP de montagem do tampão, também é possível verificar Fig. 3 - Corte descentralizado 1 mm para preparação por esta imagem o gradiente de crescimento de grão da amostra para análise microestrutural.
Após o corte as amostras foram submetidas a um embutimento a quente, em seguida as amostras foram lixadas utilizando-se as lixas 600, 800, 1200, 2400, 4000 e polidas com uma suspensão de sílica coloidal (Struers). Após o polimento as amostras foram atacadas quimicamente com uma solução composta por água destilada, ácido nítrico (HNO3)e ácido fluorídrico (HF) nas proporções de 46x46x8. Foram feitas macrografias da região soldada das amostras para verificar a presença de defeitos e descontinuidades no material. As microestruturas da zona fundida, ZTA e metal base foram analisadas utilizando-se microscopia eletrônica de varredura (MEV) e o perfil de composição química da região da zona fundida tanto no tubo quanto no tampão foi realizado utilizando-se a técnica EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X.
desta região conforme se caminha no sentido do tubo. Este mesmo comportamento foi observado por Perez [4] estudando a soldagem GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) também na liga Zircaloy-4.
Fig. 4 – Micrografia da junta soldada apresentando o perfil de crescimento de grão no material Tabela 2 – Especificação de composição química ligas de zircônio Elemento Sn Fe Cr Ni Fe+Cr+Ni Zircaloy-4 (% peso) 1,20–1,45 0,18–0,24 0,07–0,13 < 0,007 Zirlo® (% peso)
0,80–1,10
0,09–0,13
-
As micrografias apresentadas na Figura 5 apresenta a micrografia do metal base do tampão onde pode ser observada a presença de microestruturas do tipo Widmanstätten crescendo a partir do contorno de grão da fase β durante o resfriamento do material. Já a figura 6 apresenta o metal base do tubo, nesta micrografia é possível observar uma microestrutura bastante refinada. Este refinamento é obtido após as diversas etapas de recristalização ocorridas durante e após o processo de laminação peregrina.
-
-
Fe+Cr
Nb
O
0,28–0,37
-
0,10– 0,15
-
0,80–1,20
0,105-0,145
As micrografias apresentadas na Figura 7 apresentam maiores ampliações das regiões assinaladas na Figura 4 onde os pontos 2, 3, 4 e 5 representam as Figuras 7 (a), (b), (c) e (d) respectivamente. Nas figuras 7(a) e (b) é possível verificar com clareza que nestas regiões houve transformação de fases de α + β e no resfriamento ocorreu a formação de estruturas do tipo Widmanstätten não existentes previamente. Já na micrografia da Figura 7 (c) observou-se somente o crescimento de grão caracterizando que a temperatura atingida nesta região foi inferior à temperatura de transformação de fases do material. A Figura 7(d) apresenta a região onde não houve alteração microestrutural do material, continuando com a mesma microestrutura do processo de fabricação no qual este material foi submetido.
Fig. 5 – Micrografia do MB da tampa Fig. 8 – Micrografias das regiões onde foram realizadas as medições de EDS. Tabela 3 – Resultados de EDS nos pontos indicados Elemen t
Zr Sn
Fig. 6 – Micrografia do MB do tubo
Fig. 9 – Espectros de EDS das regiões analisadas
% Peso 1 98.1 4 1.86
2 98.5 5 1.45
3 100.0 0 0
4 100.0 0 0
5 98.3 0 1.70
6 98.4 0 1.60
Foram realizadas medidas de EDS ao longo da região soldada e ZTA para a vcerificação da variação da composição química do material após o ciclo térmico de soldagem. Os pontos onde foram realizadas as medidas estão apresentados na Figura 8. Conforme pode ser observado tanto pela Tabela 3 quanto pelos espectros obtidos apresentados na Figura 9, houve perda acentuada de estanho no material após a soldagem do material. Acredita-se que esta perda esta relacionada com as elevadas temperaturas nas quais esta região experimentou que pode ter gerado a ebulição deste elemento, uma vez que sua temperatura de ebulição é relativamente baixa (em torno de 2603ºC).
4. Conclusões Analisando a mudança de microestrutura para solda TIG verificou-se que os grãos cresceram notoriamente, formando-se uma estrutura de Widmanstätten. Houve uma significativa alteração microestrutural tanto no tubo quanto no tampão, esta alteração está correlacionada com o alto aporte de calor no qual estas regiões experimentaram após o processo de soldagem. Nas regiões do tubo onde durante a soldagem não atingiram temperaturas superiores às de transformação de fases, houve somente um aumento no tamanho médio dos grãos, não sendo evidenciadas as agulhas da estrutura de Widmanstätten. O alto aporte de calor do processo de soldagem TIG abre a possibilidade da aplicação de outros processos de união com menor aporte de calor garantindo ainda mais a segurança operacional destes produtos. Estudos em andamento apontam a aplicabilidade da soldagem por resistência RPW na soldagem destes componentes A análise por EDS evidenciou que durante a solda TIG houve perda de estanho nas regiões próximas à periferia dos materiais e zona fundida.
6. Bibliografia [1] LOBO, R. M., ANDRADE, A. H. P. 2010, NOVAS LIGAS DE ZIRCÔNIO PARA APLICAÇÃO NUCLEAR, 19º Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos
Materiais-Campos do Jordão, SP, Brasil CBECiMat, 21 a 25 de novembro de 2010. [2] SABOL, G. P. ZIRLOT™ - An Alloy Development Success. RPS2 - Zirconium Production and Technology: The Kroll Medal Papers 1975–2010. Editor Adamson Ronald. ASTM International, 2010. [3] TENCKHOFF, E. Review of Deformation Mechanisms, Texture, and Mechanical Anisotropy in Zirconium and Zirconium Base Alloys. RPS2 Zirconium Production and Technology: The Kroll Medal Papers 1975–2010. Editor Adamson Ronald. ASTM International, Jan-2010. [4] PEREZ, T.E., SAGGESE,M.A. Welding Structures in Gas Tungsten Arc-Welded Zircaloy-4, METALLOGRAPHY, 15:43-52 (1982) [5] HOLT, R. A. The Beta to alpha phase transformation in Zircaloy-4. Journal of Nuclear Materials. 35, 1970, 322-334 [6] PEREIRA, Luiz Alberto Tavares, Desenvolvimento de Processos de Reciclagem de Cavacos de Zircaloy via Refusão em Forno Elétrico a Arco e Metalurgia do Pó, Tese de Doutorado, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, São Paulo/Brasil, 2014.
5. Agradecimentos À Escola de Engenharia de Lorena pela estrutura disponibilizada para a realização deste trabalho. A empresa INB pela doação dos materiais para a execução e soldagem dos corpos deprova. Ao professor Durval Rodrigues Junior pelos ensinamentos que foram de grande importância para o desenvolvimento deste trabalho. Aos funcionários da EEL, Sérgio e Bento pelo auxílio na preparação e análise das amostras. Aos colegas de classe pelo apoio e incentivo.
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