A SUPERLIGA INCONEL 718 E SUA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA NUCLEAR

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UNIVERSIDADE SÃO JUDAS TADEU 
ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
ALIFE RIBEIRO; EDIS DOS SANTOS FERREIRA JUNIOR; GUILHERME SANTANA 
DA ROCHA; LEONARDO RIBEIRO DA SILVA SOUZA; LUCAS VINICIUS PEREIRA 
DO NASCIMENTO. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A SUPERLIGA INCONEL 718 E SUA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA NUCLEAR 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SÃO PAULO - SP 
2019 
2 
 
ALIFE RIBEIRO; EDIS DOS SANTOS FERREIRA JUNIOR; GUILHERME SANTANA 
DA ROCHA; LEONARDO RIBEIRO DA SILVA SOUZA; LUCAS VINICIUS PEREIRA 
DO NASCIMENTO; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A SUPERLIGA INCONEL 718 E SUA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA NUCLEAR 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Relatório científico apresentado como requisito parcial 
para aprovação na disciplina Materiais não ferrosos e 
Polímeros, no Curso de Engenharia Mecânica, na 
Universidade São Judas Tadeu – Campus Mooca. 
Orientador: Professor Me. Igor Colado Porto Martins 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SÃO PAULO - SP 
2019 
3 
 
Resumo 
 
Durante a segunda parte da revolução industrial, houve uma grande demanda por 
materiais que atendessem novas especificações das condições de trabalho, maior limite de 
resistência e durabilidade. As superligas foram criadas em meados dos anos de 1900 para suprir 
a demanda por novos materiais, aplicados na construção de turbinas a gás, que por sua vez eram 
utilizadas na geração de eletricidade. Atualmente as ligas de níquel são altamente empregadas 
em áreas como, aeroespacial, petróleo, gás natural e nuclear, pois apresentam alta resistência 
mecânica em altas temperaturas e grande capacidade anticorrosiva. 
O trabalho tem por objetivo avaliar e relacionar a superliga de níquel, inconel 718, com 
a aplicação em componentes nucleares, avaliando as propriedades mecânicas, químicas e 
estruturais, caracterizando as diferentes fases e os tipos de processamentos. 
 
Palavras-chave: Ligas de Níquel; Inconel 718; componentes nucleares; aplicação; propriedades. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Lista de Figuras 
 
Figura 1: Curvas de fluência obtidas para a liga Inconel 718 em temperaturas de 650ºC, e 
cargas de 700, 750 e 814 MPa [10] .......................................................................................... 11 
Figura 2: Curvas de fluência obtidas para a liga Inconel 718 em temperaturas de 700º C, e 
cargas de 625, 700 e 750 MPa [10] .......................................................................................... 12 
Figura 3: Microestrutura da liga de Inconel 718 com ampliação de 500x [9].......................... 13 
Figura 4: Microestrutura da liga de Inconel 718 com ampliação de 1000x [9]. ....................... 13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Lista de Tabelas 
 
Tabela 1: Dados da Composição química do Inconel 718 [11]. ................................................. 9 
Tabela 2: Dados de características moleculares [11].................................................................. 9 
Tabela 3: Dados de fluência a 650°C [10]. ............................................................................... 14 
Tabela 4: Dados de fluência a 700°C [10]. ............................................................................... 14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Sumário 
 
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 7 
2. OBJETIVO GERAL ............................................................................................................. 8 
3. Revisão Bibliográfica .................................................................................................. 8 
3.1 Superligas à base de Níquel ..................................................................................... 8 
3.2 Inconel 718 ............................................................................................................... 8 
3.3 Reator Nuclear........................................................................................................ 10 
4. Metodologia ........................................................................................................... 10 
4.1 Comportamento mecânico em temperaturas elevadas........................................ 10 
4.2 Ensaio de Fluência .............................................................................................. 11 
5. Resultados ........................................................................................................... 12 
5.1 Comportamento mecânico em temperaturas elevadas .................................... 12 
5.2 Ensaio de Fluência .......................................................................................... 13 
6. Conclusão ........................................................................................................ 15 
7. Referências .................................................................................................. 16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. Introdução 
 
As superligas foram desenvolvidas para a aplicação em temperaturas altas, onde 
apresentam elevadas capacidades de manter, resistência à tração, ruptura, elasticidade, 
ductilidade, fadiga térmica, oxidação e corrosão. Já a superliga Inconel 718 foi desenvolvida 
na década de 60 por H.L Eiselstein para ser utilizada na fabricação de componentes de 
motores aeronáuticos, pela empresa General Eletric e foi patenteada pela Internacional 
Nickel Corporation [5]. Possui estrutura cristalina CFC e tem como elementos de liga na 
composição o ferro, cromo cobalto, molibdênio e tungstênio [6]. 
Tem como uma das características a adição de nióbio para, junto ao molibdênio, 
endurecer a liga e proporcionar uma elevada resistência sem nenhum tratamento térmico e 
um ótimo desempenho para soldagem [5]. 
A superliga Inconel 718 possui como principal característica a alta resistência mecânica, 
e também é resistente a oxidação sendo assim a superliga mais adequada para a utilização em 
ambientes extremamente agressivos como reatores nucleares de água pressurizada, um exemplo 
é a usina nuclear Doel 3, localizada na Bélgica que atingiu um certo nível de degradação onde 
a substituição de seus componentes se fez necessária devido à sua perda de produção, pois tal 
substituição se tornou a alternativa mais viável devido à superliga possuir um melhor 
custo/benefício, pois ao avaliar foi constatado que a perda de produção custará mais caro do 
que substituir os geradores, esta substituição ocorreu no ano de 1993 [7]. 
Na década de 1990 as usinas nucleares belgas operam, com por volta de sete unidades 
de PWR (Reator de água pressurizada), que é um dos tipos de reatores nucleares que integram 
grande parte das usinas localizadas no ocidente, estes geradores de vapor normalmente são 
muito são muito submetidos a diversos ataques de corrosão [7]. 
 A partir do início das operações, as manutenções realizadas nos geradores levantaram 
diversos problemas com relação à corrosão nos tubos, o primeiro problema encontrado foi o 
chamado “PWSCC” (Primary water stress corrosion cracking), que são rachaduras ou 
craqueamentos que se iniciam no interior das soldas dos reatores nucleares gerando uma 
corrosão que são causadas por estresse hídrico [7]. 
Na época os geradores utilizavam as superligas a base de níquel 600, e nas diversas 
manutenções realizadas foi descoberto que as ligas de níquel são suscetíveis ao PWSCC [7]. 
 
8 
 
 
2. Objetivo Geral 
 
Avaliar a aplicabilidade da liga Inconel 718 para a componentes nucleares perante os 
requisitos que os componentes exigem e as propriedades pesquisadas e estudadas da superliga. 
3. Revisão Bibliográfica 
3.1 Superligas à base de Níquel 
 
 Superligas à base de níquel constituem uma importante classe de materiaisde 
engenharia, por combinarem elevada resistência mecânica à alta temperatura com excelente 
resistência a oxidação, o que as tornam especialmente destinadas a aplicações em alta 
temperatura, notadamente na construção de turbinas a jato. Posteriormente, outras importante 
propriedades, como sua elevada resistência à corrosão em diversos meios, as tornaram 
aplicáveis em vários outros setores industriais. Esta alta resistência a corrosão é alcançada 
similarmente aos aços inoxidáveis através da formação de uma camada de óxido de cromo sobre 
a superfície da liga, protegendo o material contra a ação do corrosivo. Outros elementos como 
Mo, Al e W também podem participar da formação da camada passivadora, contribuindo para 
o aumento da resistência à corrosão, especialmente corrosão localizada. No entanto, como o 
preço dessas ligas é elevado, o custo passa a ser um fator limitante para o uso destas ligas [1]. 
3.2 Inconel 718 
 
 A liga Inconel 718 é utilizada em ambientes onde temos como condições de operação a 
tendência da corrosão e oxidação do material, assim como da fadiga e o trabalho a temperaturas 
acima de 650ºC. A mais importante das ligas a base de níquel é a Inconel 718, e apresenta em 
sua estrutura cerca de 5 a 5,5% de nióbio, o Brasil detém cerca de 90% das jazidas mundiais do 
nióbio, que é um material nobre e é utilizado para melhorar as características de resistência a 
fratura da liga, e também ajuda no aspecto Inter granular, formando grãos menores e melhor 
distribuídos que são capazes de aumentar e capacidade de carga em utilização. A liga Inconel 
718 foi inicialmente desenvolvida com a finalidade de atender turbofans de aeronaves sendo 
estendida sua utilização para parafusos e eixos de rotor, formando atualmente a espinha dorsal 
de uma turbina de aeronave. Também tem sido utilizada para outros fins na indústria nuclear, 
criogênica e petroquímica e em turbinas para geração de energia [2-3]. 
9 
 
Tabela 1: Dados da Composição química do Inconel 718 [11]. 
Liga Ni Co Cr Al Ti Mo Fe C Nb S Mn 
(%p) (%p) (%p) (%p) (%p) (%p) (%p) (%p) (%p) (%p) (%p) 
Inconel 718 52,97 0,02 18,56 0,07 1,95 2,63 Bal 0,04 5,61 0,003 0,01 
 
A demanda por sua utilização está garantida, visto que sua maior utilização está nos 
fabricantes de motores de aeronaves, e é previsto uma crescente produção dos mesmos, foi 
criada uma expectativa de produção para entrega de 6 mil jatos comerciais de grande porte para 
os próximos 10 anos, os fabricantes dos motores de aeronaves tem como meta o 
desenvolvimento de deficiências atuais que existem como ruído e consumo exagerado de 
combustível, fatores decisivos para a escolha de uma determinada aeronave, tais 
desenvolvimentos visam o aumento da velocidade de rotação, que acarreta também no aumento 
da temperatura de operação, e também no aumento do coeficiente by-pass. Tais progressos 
somente são possíveis com as melhorias que têm sido obtidas nas tecnologias de fabricação das 
ligas a base de níquel, especialmente a liga Inconel 718 [3-4]. 
 
 
Tabela 2: Dados de características moleculares [11]. 
Densidade 8.19g/cm³ 0.296 lb/in³ 
Ponto de fusão 1336°C 2437°F 
Coeficiente de expansão 13.0 μm/m (20°C – 100°C) 7.2 x 10-6 in/in °F (70 – 212°F) 
Módulo de rigidez 77.2 kN/mm² 11197 ksi 
Módulo de elasticidade 204.9 kN/mm² 29719 ksi 
 
Turbinas terrestres para geração de eletricidade estão em alta e se expandindo, sua 
eficiência é alta, cerca de 56 a 58%, e o aumento da temperatura de trabalho é propício para a 
utilização desta liga. A empresa “General Electric” recentemente solucionou problemas 
associados a materiais expostos a condições de altas temperaturas com a substituição desses 
10 
 
materiais por ligas a base de níquel do tipo Inconel 718. Outros grupos industriais tem tido 
iniciativas para projetar sistemas de resfriamentos mais eficientes, que sejam possíveis 
dispensar a utilização das superligas [2-3-4]. 
Deste modo, a liga Inconel 718 é operável em condições de altas temperaturas e baixa 
densidade, que são pré-requisitos básicos para sua utilização em motores de aeronaves, podendo 
trabalhar a temperaturas que chegam até a 85% da sua temperatura de fusão, temperatura na 
qual impõe um limitante natural para sua operação [3-4]. 
3.3 Reator Nuclear 
 
 O reator nuclear é um mecanismo utilizado para controlar a reação de fissão nuclear, este 
possui os meios para manter a reação em cadeia de forma controlada. A reação ocorre após a 
fissão do núcleo de isótopos de Urânio, essa divisão dos nêutrons, que contém energias 
determinadas, e este libera por sua vez altas energias [8]. O reator nuclear é remetido á produzir 
e controlar a liberação de energia, esta energia liberada tem com função produzir calor no 
núcleo do reator, com o objetivo de aquecer a água, que em forma de vapor será usada como 
propulsora das turbinas [13]. O calor gerado no interior do núcleo é proveniente do combustível 
nuclear, que é um material preparado para fissionar (dividir os núcleos) o suficiente para manter 
sua reação em forma de cadeia. Através desta reação é produzida a energia térmica [14]. 
As usinas utilizam materiais sólidos como combustível, estes sólidos são normalmente 
derivados de urânio, como por exemplo o dióxido de urânio [15]. 
A energia nuclear consiste no uso das reações nucleares para obtenção de energia, os 
núcleos, quando sofrem modificação, liberam uma quantidade alta de energia. Nos reatores 
nucleares, essa energia é aproveitada para gerar calor e posteriormente é gerado a energia 
elétrica pela movimentação dos turbo geradores [12]. 
4. Metodologia 
4.1 Comportamento mecânico em temperaturas elevadas 
 
 De acordo com o teste realizado pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica com o 
Inconel 718, o mesmo foi preparado por meio de procedimentos convencionais. No caso do 
embutimento a quente, foi utilizado uma resina fenólica fornecida pela empresa “Struers”. Em 
seguida, as amostras foram lixadas de acordo com a sequência de gramas: 220, 500, 800 e 1200. 
O polimento final foi realizado com OP-S e para revelação da microestrutura, a amostra foi 
11 
 
atacada com uma solução (reagente Glycerégia) na proporção de 3: HCL, 2:Glicerol e 1:HNO3, 
com tempo de imersão em torno de 15 segundos. 
E também de acordo com o estudo a superliga Inconel 718 foi analisada sob condições 
de fluência em temperaturas de 650°C, a carga de 700, 750 e 814 MPa [9]. 
4.2 Ensaio de Fluência 
 
A Figura 1 apresenta as curvas de fluência obtidas em um teste realizado pelo Instituto 
Tecnológico de Aeronáutica (ITA) com a superliga Inconel 718, não houve tratamento nas 
condições de 650ºC, para cargas de 700, 750 e 814 MPa [10]. 
 
Figura 1: Curvas de fluência obtidas para a liga Inconel 718 em temperaturas de 650ºC, e 
cargas de 700, 750 e 814 MPa [10] 
 
A Figura 2 apresenta as curvas de fluência obtidas em um teste realizado pelo ITA com 
a superliga Inconel 718, não houve tratamento nas condições de 700ºC, para cargas de 625, 700 
e 750 Mpa [10]. 
12 
 
 
Figura 2: Curvas de fluência obtidas para a liga Inconel 718 em temperaturas de 700º C, e 
cargas de 625, 700 e 750 MPa [10] 
5. Resultados 
5.1 Comportamento mecânico em temperaturas elevadas 
 
Nas Figuras 1 e 2 é possível observar que a microestrutura da liga é uma estrutura de 
grãos heterogêneos. Além disso, também é possível notar que há uma pequena fração de 
partículas de carbonetos distribuídas de maneira não uniforme pela matriz. A fase γ aparece 
mais clara nas micrografias em relação a fase γ’ [9]. 
 
13 
 
 
Figura 3: Microestrutura da liga de Inconel 718 com ampliação de 500x [9]. 
 
 
 
 
Figura 4: Microestrutura da liga de Inconel 718 com ampliação de 1000x [9]. 
5.2 Ensaio de Fluência 
 
 As tabelas 1 e 2 mostram a relação dos principais parâmetros obtidos com base em 
experimentos realizados pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica á 650ºCe 700ºC, a partir 
das curvas experimentais, em que o σ é a tensão aplicada, ε·s corresponde a taxa de fluência 
estacionária, que foi obtida a partir da inclinação da região linear na curva de fluência. O valor 
de tp corresponde ao constante tempo relativo a tempo primário, ele é obtido no final do estágio 
14 
 
primário e/ou início do estágio secundário. O valor tf é o tempo final de fratura, εf corresponde 
a deformação de fratura e AR é a redução percentual em área na fratura [10]. 
 
 
Tabela 3: Dados de fluência a 650°C [10]. 
σ (MPa) tp (h) ε·s (1/h) tf (h) εf (mm/mm) AR (%) 
700 16 0,00013 ------- ------- ------- 
750 6 0,00032 92,7 0,06036 5,57 
814 0,25 0,00616 4 0,06120 6,23 
 
 
Tabela 4: Dados de fluência a 700°C [10]. 
σ (MPa) tp (h) ε·s (1/h) tf (h) εf (mm/mm) AR (%) 
625 1,50 0,0002 15,0 0,0511 7,23 
700 0,33 0,0009 5,1 0,0314 3,80 
750 0,05 0,0016 1,7 0,0258 4,23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
6. Conclusão 
 
 Neste trabalho buscamos através de pesquisas e estudos, nos embasar em artigos de 
pesquisa nucleares e similares, para a obtenção de informação e formação intelectual em 
materiais não ferrosos. Sendo assim sanar dúvidas e nos conceituar, sobre a superliga ‘’Inconel 
718”, buscamos resultados de pesquisas e artigos, onde observamos que através de 
necessidades extremas se fez necessário o desenvolvimento de ligas com alta taxa de resistência 
e durabilidade em diversas aplicações, uma delas voltada para reatores nucleares, a superliga 
Inconel 718 desenvolvida por H.L Eiselstein na década de 60, tendo como objetivo principal 
aplicar em componentes para motores aeronáutico, tendo uma alta resistência ao calor, corrosão 
e tendo uma ótima resistência mecânica, sendo assim podendo ser aplicada a ambientes de 
extrema agressividade a qualquer material ferroso. 
 De acordo com ensaios de fluência realizados pelo Instituto de Tecnologia Aeronáutica 
(ITA), não houve qualquer tipo de tratamento nas condições de 650ºC, para cargas de 700, 750 
e 814 Mpa (Figura 1). Também podendo observar que sua microestrutura e de grãos 
heterogêneos onde possui pequenas frações de carbonetos, lhe dando uma alta resistência 
mecânica, sendo assim, possibilitando na utilização em reatores nucleares. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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7. Referências 
 
1. Capitanescu, D. (1991). Alloy 625 Weld Overlays for Offshore and Onshore Projects. 
Superalloys 718, 625 and Various Derivatives (1991); 
 
2. Thomas, A., El-Wahabi, M., Cabrera, J. M., & Prado, J. M. High temperature 
deformation of Inconel 718. Journal of Materials Processing Technology, 177 (1-3), 
469-472, 2006; 
 
3. SOUZA, T, F. Usinagem da liga de níquel inconel 718 com pastilhas de cerâmica. 2012. 
1 CD-ROM. Trabalho de conclusão de curso (bacharelado - Engenharia Mecânica) – 
Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Faculdade de Engenharia de 
Guaratinguetá, 2012; 
 
4. Kose, E., Kurt, A., & Seker, U. The effects of the feed rate on the cutting tool stresses 
in machining of Inconel 718. Journal of Materials Processing Technology, 196(1-3), 
165–173, 2008; 
 
5. Campbell, F.C. MANUFACTURING TECHNOLOGY FOR AEROSPACE 
STRUCTURAL MATERIALS. Elsevier Science & technology. 600p. ISBN 
9781856174954, 2006; 
 
6. Martinsson, A; Ageing Influence on Nickel-based Superalloys at Intermediate 
Temperatures (400-600°C) Department of Applied Physics and Mechanical 
Engineering Division of Engineering Materials. Luleâ University os Technology, 2006; 
 
7. Malinowski, D. D., Wilson, R. M., & Wootten, M. J. Operating experience with 
Westinghouse model F steam generators (NEA-CSNI-R--1991-17). Nuclear Energy 
Agency of the OECD (NEA), 1991. 
 
 
8. Perrotta, J, A. Curso de Introdução à engenharia do núcleo de reatores. São Paulo. IPEN 
- Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, 1999. 
 
17 
 
9. Resende, D.L.; Neto, C.M.; Reis D. A. P.; Hirschmann, A. C. O. O Estudo do 
comportamento mecânico da superliga inconel 718 em temperaturas elevadas S. 
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, 2009; 
 
10. Sugahara, T.; Neto, C. M.; Reis, D, A, P.; Hirschmann, A, C, O; Neto, F, P. Estudo do 
Comportamento em fluência da superliga inconel 718. Instituto Tecnológico de 
Aeronáutica, São José dos Campos, Outubro, 2009; 
 
11. Inconel® 718. ALLOY WARE INTERNATIONAL, 2019. Disponível em 
<https://www.alloywire.com.br/products/inconel-718/>. Acesso em 12/11/2019. 
 
12. Cerconi, C; Melquiades, L, F; Tominaga,T,T; ENERGIA NUCLEAR, O QUE É 
NECESSÁRIO SABER. Universidade Estadual do Centro-Oeste-UNICENTRO. 2009 
 
13. Alex P. Meshik, The Workings of an Ancient Nuclear Reactor, Scientific American (26 
January 2009; originally published in the October 2005 edition of Scientific American) 
 
14. Wilson, P.D., The Nuclear Fuel Cycle, OUP (1996) 
 
15. Thomas B. Cochran. Natural Resources Defense Council. (12 de junho de 1997). 
https://www.alloywire.com.br/products/inconel-718/