Superaleaciones de Níquel

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(EC). ACTIVIDAD DE EVALUACIÓN E VALUACIÓN CONTINUA. CONTINUA. TRABAJO INDIVIDUAL

UNED 7 de Enero de 2013

CONSIDERACIONES GENERALES DEL COMPORTAMIENTO EN SERVICIO DE LAS SUPERALEACIONES CON BASE DE NÍQUEL.

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TRABAJO DESCRIPTIVO SOBRE EL COMPORTAMIENTO COMPORTAMIENTO Y DETERIORO EN SERVICIO QUE EXPERIMENTAN ESTOS MATERIALES.

Grado en Ingeniería Mecánica | Manuel Francisco Romero Calderón 1

Fundamentos de Ciencia Y Tecnología de Materiales II.

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2. Índice: 1. 2. 3. 4.

Portada.............................................................. .................................................................................... ................................ .......... 1 Índice .......................................... ................................................................ ............................................ ................................ .......... 2 Objetivos ............................................ .................................................................. ............................................ ......................... ... 3 Desarrollo ........................................... ................................................................. ............................................ ......................... ... 3 4.1. Introducción ............................................. ................................................................... .................................... .............. 3 4.2. Desarrollo Histórico........................................... .................................................................. ............................. ...... 5 4.3. Superaleaciones con Base de Níquel ........................................... ................................................. ...... 7 4.4. Tipos de Aleaciones Basadas en Níquel: características y aplicaciones ..13 5. Resumen de los aspectos más destacados............................................ .............................................. .. 18 6. Referencias bibliográficas, webgráficas y fotográficas............................... ...............................20 7. Datos Del Autor........................................... .................................................................. ....................................... ................20

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3. Objetivos. Como objetivos fundamentales de la actividad de evaluación continua tendremos el conocer el comportamiento y deterioro en servicio de las superaleaciones con base de Níquel, pero para ello propondremos un desarrollo desde el cual lleguemos a entender aspectos más técnicos de estos materiales desde un origen básico y fácilmente asimilable para el alumno hasta los caracteres mas técnicos que engloba está asignatura. Comenzaremos la actividad con una introducción de ámbito muy general de lo que son las superaleaciones pero siempre teniendo en cuenta que nuestro trabajo trata sobre las superaleaciones con base de Níquel. Esto servirá para orientar a la persona y que comprenda el tema nada más comenzar a leer el trabajo. También incluiremos una serie de imágenes cuya fuente estarán en nuestras referencias fotográficas y facilitarán al alumno la comprensión de los usos de estás superaleaciones tanto en complejos procesos industriales como en materiales que usamos en nuestra vida cotidiana. Continuaremos con un desarrollo histórico de estás superaleaciones que también nos ayudará a entender como dichas aleaciones han resuelto diferentes problemas que le han surgido al hombre a lo largo de su historia y que han formado parte importante del desarrollo de la civilización tal y como la conocemos, ayudando a mejorar diferentes aspectos de la vida pero fundamentalmente en medios de transporte e industriales. Como cuerpo del trabajo tendremos el tema en sí mismo, lo que son las superaleaciones con base de Níquel, sus características más importantes y los diferentes tipos que tenemos además de las diferentes designaciones comerciales, teniendo en cuenta las propiedades de cada tipo de superaleación así como su comportamiento en servicio. Además en este parte del trabajo describiremos las aplicaciones más comunes de las superaleaciones con base de Níquel explicando el porqué de este uso. Concluiremos el trabajo con un pequeño resumen de los aspectos más destacados así como incluyendo las diferentes fuentes tanto bibliográficas, como fotográficas, como webgráficas, además de exponer todos mis datos personales como autor de este trabajo.

4. Desarrollo. 4.1

Introducción.

Las superaleaciones se utilizan comúnmente en motores de turbinas de gas en regiones sujetas a altas temperaturas que requieren alta resistencia, excelente resistencia a la fluencia a alta temperatura, resistencia a la fatiga, estabilidad de fase, así como resistencia a la oxidación y corrosión. Las superaleaciones desarrollan resistencia a altas temperaturas a través de fortalecimiento de solución sólida. Con mucho, el mecanismo de refuerzo más importante es a través de la formación de precipitados de fase secundaria tales como gamma prima y carburos a través del envejecimiento térmico. La oxidación y resistencia a la corrosión es proporcionada por la formación de un recubrimiento de barrera térmica (TBC), que se forma cuando el metal está expuesto al oxígeno y recubre el material, y así proteger el resto del componente. La oxidación o resistencia a la corrosión la proporciona elementos tales como el aluminio y el cromo. El enfriamiento por aire (tales como los canales de aire de refrigeración que se ven en la imagen), además, puede enfriar los componentes y que éstas puedan operar bajo tales condiciones, la protección del material de base de los efectos térmicos así como la corrosión y la oxidación. En la mayoría de los motores de turbina de esto es en la turbina de Alabe de turbina de gas en una superaleación con base alta presión, donde los alabes son refrigerados por de Níquel aire se pueden utilizar a temperaturas 200 ° C por 3


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encima de la temperatura de fusión de la superaleación. La temperatura de entrada a la turbina (TIT), que es un parámetro particular en la eficiencia de un motor de turbina de gas, depende de la capacidad de temperatura de primera etapa alabes de alta presión. Estos componentes está hecho exclusivamente con superaleaciones de base níquel. Los turbocompresores de las turbinas también utilizan superaleaciones, generalmente soldada mediante haz de electrones al eje de acero. Las superaleaciones comunes en esta aplicación son, por ejemplo, Inconel 713 y Mar-M 247. Esto último es particularmente útil para motores de gasolina, ya que reduce la necesidad de enriquecimiento de combustible a altas cargas que mejoran la eficiencia del motor. También se utilizan en medios corrosivos en lugar de otros materiales metálicos (por ejemplo) en lugar de acero inoxidable en ambientes de agua salada o ácido. Las superaleaciones (tales como Nimonic 80A) también se utilizan en las válvulas de asiento en motores de émbolo, tanto motores diesel como gasolina. Esto es ya sea en forma de un sólido válvula única o como una válvula de dos metales. La resistencia a la corrosión es particularmente útil cuando se trata con las altas temperaturas y presiones que se encuentran en un motor diesel. Las superaleaciones resistan las picaduras y la degradación en las condiciones de operación cosa que no haría un acero inoxidable normal. Aplicaciones adicionales de superaleaciones son: las turbinas de gas (aviones comerciales y militares, la generación de energía y propulsión marina), vehículos espaciales; submarinos, reactores nucleares, motores eléctricos militares, vehículos de carreras y de alto rendimiento, plantas de procesamiento químico, carcasas de bombas y tubos de intercambiador de calor.

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Una superaleación, o aleación de alto rendimiento, es una aleación que exhibe una excelente resistencia mecánica y a la fluencia (tendencia de los sólidos a moverse lentamente o deformarse bajo tensión), resistencia a altas temperaturas, estabilidad y una gran resistencia a la corrosión y la oxidación. El comienzo de los estudios sistemáticos de aleaciones de alta temperatura se produce a finales de la década de 1930 ligado al desarrollo de aviones con motores de turbina de gas. El desarrollo se ha basado en gran medida en innovaciones químicas y de proceso y ha sido impulsado principalmente por las industrias aeroespaciales y de energía. Las aplicaciones típicas son en el sector aeroespacial, de turbinas de gas industrial y la industria de turbinas marinas, por ejemplo, alabes para las secciones calientes de los motores a reacción, y válvulas bi-metálicos de motor para su uso en motores diesel y aplicaciones de automoción. Las superaleaciones típicamente tienen una matriz con una austenítico cara cúbica centrada en la estructura cristalina. Un elemento de superaleación de base de aleación es generalmente níquel, cobalto o níquel-hierro. Ejemplos de superaleaciones son Hastelloy, Inconel (por ejemplo IN100, IN600, IN713), Waspaloy, aleaciones René (por ejemplo, René 41, René 80, 95 René, René N5), aleaciones de Haynes, Incoloy, MP98T, aleaciones de TMS, y CMSX (por ejemplo, CMSX -4) aleaciones monocristal.

4.2

Desarrollo Histórico

El devenir histórico en la elaboración de superaleaciones ha dado lugar a un aumento considerable de su temperatura de operación. Las superaleaciones fueron originalmente, antes de la década de 1940, de base hierro y forjadas en frío. En la década de 1940 fundición de aleaciones en base de cobalto aumento de manera considerable la temperatura de funcionamiento. El desarrollo de la fundición al vacío en la década de 1950 permitió el control muy fino de la composición química de superaleaciones y la reducción de contaminantes y, a su vez condujo a una revolución en las técnicas de procesamiento tales como la solidificación direccional de aleaciones y superaleaciones monocristalinas.

Inicios El primer acero resistente al calor para motores de turbina de gas se desarrollo en Alemania por la empresa Krupp en 1936-1938. Se trataba de un acero de alta aleación austenítica, llamado Tinidur. Se creó como material de trabajo de los álabes de una turbina de gas a una temperatura de trabajo de 600 a 700 º C. El Tinidur - acero austenítico con el endurecimiento por precipitación (Ni3Ti) y el endurecimiento de carburo. En 1943-1944 la producción anual fue de 1.850 toneladas Tinidur. El instituto de DVL y la empresa Heraeus Vacuumschmelze desarrolló de acero austenítico DVL42 DVL52 con temperaturas de funcionamiento más altas de 750-800 ° C. Las composiciones de aceros se dan en la tabla. Composición química de los aceros austeníticos alemanes resistentes al calor para motores de turbina de gas

Año s 40 del sig lo XX En Alemania de la década de 1940 entre los desarrolladores de motores de turbina de gas, existe el deseo de aumentar la temperatura la entrada de la turbina de gas a 900 ° C. Para este propósito, el instituto de DVL con un número de compañías experimentan con aleaciones austeníticas complejas. Durante la guerra se vio la imposibilidad de tal decisión, debido a la aguda escasez en Alemania de los elementos de aleación, especialmente el níquel y cobalto. El estudio se llevó a dos direcciones: 1. La creación de canales de refrigeración por aire en los alabes (de trabajo y la boquilla) con una disminución correspondiente en el dopaje de los materiales utilizados.

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2. El estudio de viabilidad de materiales cerámicos. Ambos casos fueron trabajos pioneros, cada uno de ellos obtuvo resultados significativos. El primer de motor a chorro producido en serie, Jumo-004, desde 1942 la parte monolítica y las palas de la boquilla de Tinidur. Posteriormente se sustituyeron por alabes huecos refrigeradas del mismo material, mejorando así la temperatura de entrada a la turbina de gas a 850 ° C (serie Jumo-004E). Desde 1944 el motor Jumo-004 usaba alabes enfriados del acero menos escaso Cromadur. En 1942 el Reino Unido creó la superaleación Nimonic-80, la primera de una serie de alta temperatura de precipitación aleaciones de endurecimiento de la base de níquel-cromo. La aleación la descubrió un equipo dirigido por Sir William Griffith. La base de la aleación Nimonic-80 es el nicrom (80% Ni - 20% de Cr), conocido desde el principio del siglo XX por su alta resistencia al calor. Los elementos clave de aleación de aleación Nimonic-80 eran el titanio (2,5%) y el aluminio (1,2%), formando una fase de refuerzo. El número de la fase de fortalecimiento de gamma prima en la aleación era aproximadamente el 25-35%. El Nimonic-80 fue utilizado en los álabes de la turbina de uno de los primeros motores de turbina de gas de Rolls-Royce el "Nene". Las pruebas en el banco de pruebas que comenzaron en octubre de 1944. La aleación de álabe de turbina Nimonic-80 tenía una alta resistencia ruptura por fluencia a temperaturas de 750-850 ° C. En la Unión Soviética se crearon superaleaciones de níquel similares al Nimonic-80 como son las: ЭИ437, ЭИ437А (ХН77ТЮ) y ЭИ437Б (ХН77ТЮР) para establecer con urgencia un personal IVAM 1948, y

la planta de TsNIIChermet "Electrostal" con la participación de F. F. Himushina. La base de las superaleaciones, como norma, son los elementos del Grupo VIIIB de la tabla periódica. Hasta los años 40 del siglo XX la base de aleaciones resistentes al calor eran el hierro o el níquel. Se añade una cantidad significativa de cromo para aumentar la resistencia a la corrosión. Las adiciones de aluminio, titanio o niobio aumenta la resistencia a la fluencia. En algunos casos, formando fases frágiles, tales como carburos M23C6. Al final de los años 40 terminó, básicamente, el empleo de hierro como una base para las aleaciones de alta temperatura, comenzó a dar preferencia a las aleaciones basadas en níquel y cobalto. Que permiten obtener una más sólida y estable matriz cristalina. A fines de los años 40, se descubrió la posibilidad de endurecer las superaleaciones con la adición de molibdeno.

Año s 50 de l sig lo XX En la década de los 50 del siglo XX, las compañías estadounidenses Pratt & Whitney y General Electric desarrollaron las aleaciones Waspaloy, y M-252 dopado con molibdeno. y están destinados a los álabes de los motores de avión. Entonces las aleaciones fueron desarrolladas, tales como Hastelloy aleación X, René 41, Inconel, incluyendo Inco 718, Incoloy 901, etc.

Año s 50 a 80 del sig lo XX Según los expertos, en el período de los años 50 a los 80 la química de las superaleaciones de níquel ha cambiado significativamente por la introducción del aluminio y la sustitución de elementos en la fase '. Lo que ha provocado un aumento de la fracción de volumen de la fase ' del 25 a 35% vol. en aleaciones como el Nimonic 80 y U-700 hasta 65 a 70% vol. en materiales de álabe modernos. Más tarde, para el mismo fin han comenzado a añadir elementos tales como wolframio, niobio, tántalo, renio y hafnio.

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4.3 Superaleaciones con Base de Níquel Definición y propiedades. Las superaleaciones contienen grandes cantidades de elementos de aleación con el fin de producir una combinación de alta resistencia a altas temperaturas, a la corrosión, a las vibraciones y a la termofluencia (alta resistencia mecánica a altas temperaturas) a temperaturas superiores a los 1000ºC. Una superaleación es una aleación metálica que se puede usar a altas temperaturas, a menudo en exceso de 0,7 de la temperatura de fusión absoluta. Fluencia y resistencia a la oxidación son los criterios de diseño principales. Superaleaciones puede estar basado en hierro, cobalto o níquel, siendo este último el más adecuado para aplicaciones de motor de avión. Las superaleaciones de base níquel se utilizan a temperaturas de 760-980ºC. Las superaleaciones de fundición tienen mayor resistencia a largo plazo a temperaturas más altas. Por ejemplo, la aleación MAR-M246 tiene una resistencia a largo plazo de 124 MPa después de 1000 horas de envejecimiento a 982ºC. Las superaleaciones de níquel presentan un buen comportamiento hasta los 1000ºC aproximadamente. Para temperaturas mayores se suelen emplear superaleaciones de cobalto.

Estructura cristalina. Las superaleaciones de níquel presentan una microestructura peculiar, causante de sus excelentes propiedades, con una distribución en dos fases, gamma (γ) y gamma prima (γ´). - Fase gamma: solución sólida centrada en las caras que actúa como matriz. La matriz continua (llamada gamma) tiene una estructura cúbica centrada en las caras (FCC) de níquel-fase austenítica, base que por lo general contiene un alto porcentaje de sólidos elementos de solución, tales como Co, Cr, Mo, y W. - Fase gamma prima: dispersión de precipitados ordenados intermetálicos, responsable de la gran resistencia de las superaleaciones. Las fórmulas estequiométricas de esta fase son: Ni3Al, Ni3Ti o Ni3(AlTi). La fase de fortalecimiento de primaria en base de níquel es superaleaciones de Ni3(Al, Ti), y se llama gamma de primer orden ('). Es una fase coherente precipitante (es decir, los planos de cristal del precipitado en el registro con la matriz de rayos gamma), con una ordenada L 1 2 (FCC) la estructura cristalina. El partido de cierre en la matriz del precipitado parámetro de la red (≈ 0-1%), combinado con la compatibilidad química permite la precipitación. Para precipitar de forma homogénea en toda la matriz y tener una estabilidad de largo plazo. Curiosamente, el esfuerzo de fluencia de la prima aumenta al aumentar la temperatura hasta aproximadamente 650ºC (1200ºF). Además, la fase gamma prima es muy dúctil y por lo tanto transmite la fuerza a la matriz sin reducir la resistencia a la fractura de la aleación. El aluminio y el titanio son los principales componentes y se añaden en las cantidades y proporciones mutuas para precipitar una fracción de alto volumen en la fase gamma prima. En algunas aleaciones modernas de la fracción de volumen de la gamma prima precipitada es alrededor del 70%. Hay muchos factores que contribuyen al endurecimiento impartido por el gamma prima y se debe incluir la energía de la gamma ', la fuerza de las cepas de coherencia, el volumen de fracción de gamma', y el tamaño de partícula de la gamma’ que es extremadamente pequeño. Los precipitados siempre ocurren como esferas. De hecho, para un determinado volumen de precipitado, una esfera tiene 1,24 menos superficie de un cubo, y por lo tanto es la forma preferida para minimizar la energía de la superficie.

Fase gamma

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Fase gamma prima


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Con una partícula coherente, sin embargo, la energía de la interfase se puede minimizar mediante la formación de cubos y permitir que los aviones de la matriz cristalográficas cúbicas y precipitar a permanecer constante. Así como la Crece, puede cambiar la morfología de las esferas a los cubos (como se muestra en esta figura) o las placas dependiendo del valor de la matriz / precipitado desajuste de celosía. Para mayor desfase de los valores de la dimensión de las partículas fundamentales en el cambio de las esferas a los cubos (o placas) se produce es reducido. La coherencia se puede perder por envejecimiento. Un signo de una pérdida de coherencia es brutalidad de dirección (relación de aspecto) y el redondeo de los bordes del cubo. El aumento de la brutalidad de dirección cada vez mayor (positivo o negativo) coinciden también se espera. Superaleaciones de níquel-basadas son utilizados en estructuras de carga a la temperatura más alta homólogos de cualquier sistema de aleación común (mT = 0,9, o 90% de su punto de fusión). Entre las aplicaciones más exigentes para un material estructural son aquellas en las secciones calientes de los motores de turbina. La preeminencia de superaleaciones se refleja en el hecho de que actualmente representan más del 50% del peso de los motores de aviones avanzados. El uso generalizado de superaleaciones en motores de turbina, junto con el hecho de que el rendimiento termodinámico de motores de turbina se incrementa con el aumento de las temperaturas de entrada de la turbina tiene, en parte, siempre que la motivación para el aumento de la temperatura máxima utilización de superaleaciones. De hecho, durante los últimos 30 años la capacidad de temperatura de superficie de sustentación de la turbina se ha incrementado en un promedio de alrededor de 4ºC por año. Dos factores principales que han hecho posible este aumento son Carburos: Carbono, añadido a los niveles de 0.05-0.2%, se combina con elementos reactivos y refractarios, tales como el titanio, el tántalo, el hafnio, y para formar carburos (por ejemplo, tic, tac, o HFC). Durante el tratamiento térmico y de servicio, éstos comienzan a descomponerse y la forma inferior carburos como M23C6 y M6C, que tienden a formar en los bordes de grano. Estos carburos común, todos tienen una estructura cristalina CCC. Los resultados varían si los carburos son perjudiciales o ventajosas a las propiedades de superaleaciones. La opinión general es que en superaleaciones con los límites de grano, carburos son beneficiosos aumentando la resistencia a la ruptura en temperatura alta. Topológicamente Planos Fases Bolsas: Estos son generalmente indeseables, fases frágiles que pueden formarse durante el tratamiento térmico o de servicio. La estructura de la célula de estas fases se han apretada átomos en capas separadas por distancias interatómicas relativamente grande. Las capas de átomos de Bolsas de cerca están desplazados entre sí por átomos más grandes insertado, el desarrollo de una característica "topología". Estos compuestos se han caracterizado por poseer una topológicamente apretada (PCT) de la estructura. Por el contrario, Ni3Al (gamma prima) es apretada en todas las direcciones y se llama geométricamente apretada (GCP). PCT (Μ, Laves, etc.) por lo general la forma como las placas (que aparecen como agujas en un solo plano micro.) La placa-como la estructura afecta negativamente a las propiedades mecánicas (ductilidad y la fluencia-rotura.) Sigma parece ser la más perjudicial, mientras que la retención de la fuerza se ha observado en algunas aleaciones que contengan mu y Laves. TCPs son potencialmente dañinos por dos razones: Atan y "El fortalecimiento de los elementos en una forma no útil, reduciendo así la resistencia a la fluencia, y pueden actuar como iniciadores de grietas debido a su naturaleza frágil.

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Microestructura

El calor de la solución temperatura de tratamiento determina no sólo la cantidad de γ 'que se disuelve, sino también el tamaño de grano de la γ. El tamaño se hace más grueso si todos los "γ se

disuelve, puesto que no hay entonces fijando efecto de las partículas de precipitado en el movimiento de las γ / γ límites. La imagen de la izquierda ha sido tratado con calor a una temperatura sub-solvus, la de la derecha a una temperatura super-solvus. (Imagen cortesía de RJ Mitchell). La forma de la tridimensional de los granos se ha determinado recientemente por Michael Uchic.

Difracción de electrones Las siguientes figuras muestran un patrón de difracción de electrones superpuesta de γ, γ 'y M 23 C 6 carburo. El γ y γ fases 'tienen sus cúbico-celosía bordes perfectamente alineados.

Difracción por rayos X Una comparación de los patrones de difracción se indica a continuación revela muchos picos más de la γ '. Las reflexiones adicionales son muy débiles en intensidad. Surgen porque el enrejado γ 'es primitivo cúbico , lo que significa que los aviones tales como {100} dar lugar a la intensidad difractada, mientras que las reflexiones desde las correspondientes {100} planos de γ tienen intensidad cero (interferencia destructiva con los planos {200} ). Las reflexiones adicionales desde el primer γ 'se denominan reflexiones superpuesta y son débiles porque dependen de la diferencia de poder de dispersión entre los átomos de Ni y Al. Difracción de rayos X patrón de γ, para un

conjunto particular de condiciones de difracción.

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Difracción de rayos X patrón de γ ', para un

conjunto particular de condiciones de difracción.

Dispersión de óxido de Fortalecimiento Superaleaciones Reforzado por dispersión de óxidos superaleaciones pueden ser producidos a partir de polvos de aleación y óxido de itrio, utilizando el proceso de aleación mecánica. La itria se convierte dispersa finamente en el producto final. También es un óxido muy estable, haciendo que el material particularmente adecuado para aplicaciones de temperatura elevada. Sin embargo, la aleación mecánica es un proceso muy difícil para tales aleaciones tienen aplicaciones limitadas. Una micrografía electrónica de transmisión que muestra la dispersión de óxido en un níquel mecánicamente aleado basado superaleación se muestra a continuación.

SAO aleación MA6000

Resistencia frente a la temperatura La fuerza de la mayoría de los metales disminuye a medida que se aumenta la temperatura, simplemente porque la ayuda de activación térmica hace que sea más fácil para dislocaciones para superar los obstáculos. Sin embargo, níquel superaleaciones basadas contienen γ ', que esencialmente es un compuesto intermetálico Ni basado en la fórmula 3(Al, Ti), son particularmente resistentes a la temperatura. Deslizamiento ordinaria en tanto γ y γ 'se produce en el {111} <110>. Si deslizamiento se limita a estos planos a todas las temperaturas a continuación, la fuerza disminuiría a medida que se eleva la temperatura. Sin embargo, hay una tendencia a que las dislocaciones en γ 'para cruzar de deslizamiento en los planos {100}, donde tienen un menor anti-fase de la energía límite de dominio. Esto es porque la energía disminuye con la temperatura. Surgen situaciones donde la dislocación extendida es luego parcialmente en el plano de empaquetamiento compacto y en parte en el plano del cubo. Tal dislocación se bloquea, dando lugar a un aumento de la fuerza. La fuerza sólo disminuye más allá de aproximadamente 600ºC donde la activación térmica es suficientemente violenta para permitir que las dislocaciones para superar los obstáculos. En resumen, es la presencia de γ ', que es responsable del hecho de que la fuerza de níquel

superaleaciones basadas es relativamente insensible a la temperatura. El límite de elasticidad de una superaleación particular, contiene sólo aproximadamente 20% de γ '. Los puntos son medidos y la curva es una predicción teórica. Observe cómo la fuerza es al principio insensible a la temperatura.

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Cuando se requiere una mayor resistencia a temperaturas más bajas ( por ejemplo, discos de turbina), aleaciones pueden reforzarse mediante otra fase conocida como γ''. Esta fase tiene lugar en superaleaciones de níquel con adiciones significativas de niobio (Inconel 718) o vanadio; la composición de la γ'' es entonces Ni 3 Nb o Ni 3 V. Las partículas de γ'' son en forma de discos con (001) γ'' | | {001} γ y [100] γ'' | | <100>γ La estructura cristalina de γ'' se basa en una red tetragonal centrado en el cuerpo con una disposición ordenada de átomos de níquel y niobio. Fortalecimiento ocurre tanto en tanto un endurecimiento coherencia y orden mecanismo de endurecimiento. Los parámetros de red de γ'' son aproximadamente a = 0,362 nm y c = 0,741 nm

Apli cac io ne s de las su pe ra lea cio nes de ní quel. Debido a sus propiedades, estas aleaciones son empleadas para la construcción de turbinas de gas (álabes), turborreactores de avión, toberas y cámaras de combustión, reactores químicos, generadores y prensas de extrusión.

Procesado de superaleaciones de níquel. Una superaleación de níquel, normalmente se fabrica fundiendo una pieza de níquel y agregando cromo y pequeñas cantidades de otros elementos, como el aluminio o el titanio, para formar la fase gamma prima. El cromo protege el producto final de la corrosión, mientras que otros metales como titanio y wolframio, incrementan la dureza. Después la mezcla liquida se enfría, apareciendo una masa de fase gamma de níquel-aluminio. Cuando la aleación experimenta un enfriamiento posterior ya en estado sólido, se precipitan pequeños cubos de fase gamma prima dentro de la matriz de fase gamma. El tamaño final de las partículas de gamma prima se controla variando la velocidad de enfriamiento del material. La primera superaleación de níquel fue la Nimonic 80, endurecible por precipitación, desarrollada en el año 1941 en Gran Bretaña. Es una solución sólida de níquel con 20% Cr, 2.25 % Ti, y 1% de Al; siendo estos dos últimos metales útiles para la formación de precipitados de gamma prima. A principios de los años sesenta, se descubrió también otra nueva técnica de fabricación de piezas metálicas; por medio del efecto superplástico. Ciertos metales son susceptibles de experimentar deformaciones de su longitud inicial del orden del mil por ciento sin romperse, después de haber conseguido afinar mucho el tamaño de grano. La razón de este comportamiento radica en que los granos muy pequeños se deforman lentamente y deslizan unos respecto a otros sin perder su mutua cohesión. Así, los materiales superplásticos se pueden forjar en formas complejas, eliminando muchas etapas de mecanizado y de terminación. Después, las piezas así deformadas se tratan térmicamente, se enfrían rápidamente y se envejecen, para conseguir una microestructura más resistente y estable a elevada temperatura que la ofrecida por granos pequeños de la estructura superplástica. Los materiales fabricados superplásticamente son menos costosos de mecanizar. Tan importantes como las propias aleaciones son las nuevas técnicas de procesado de metales. Las técnicas de procesado posibilitan que la metalurgia saque el máximo provecho de los nuevos conocimientos microestructurales. Estas técnicas permiten fabricar las aleaciones tradicionales de maneras hasta ahora desconocidas, y facilitan la creación de nuevos metales que jamás se hubieran obtenido con las técnicas históricas. Procesos de endurecimiento: - Endurecimiento por solución sólida: Grandes adiciones de Cr, Mo y W, pequeñas adiciones de Ta, Zr, Nb y B proporcionan el endurecimiento por solución sólida. Estos efectos son bastante estables, actuando los bordes de grano como frenos en el avance de las dislocaciones, lo que provoca la resistencia a la termofluencia. - Endurecimiento por dispersión de carburos: Todas las superaleaciones contienen pequeñas cantidades de carbono, que en combinación con otros elementos aleantes produce una red de finas partículas de carburo muy estables. Estos carburos, tales como TiC, BC, ZrC, TaC, etc., poseen una extraordinaria dureza. 11


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- Endurecimiento por precipitación: Algunas superaleaciones de níquel que contienen Al y Ti forman precipitados endurecedores, coherentes con la matriz, del tipo gamma prima (Ni3Al, Ni3Ti, Ni3(AlTi) ) durante el envejecimiento, que aumentan la resistencia de la aleación, sobre todo a altas temperaturas.

Dopaje La resistencia a la fluencia depende de disminuir la velocidad de las dislocaciones en la estructura cristalina. En las superaleaciones con base Ni una fase gamma prima de [Ni3(Al, Ti)] presente actúa como barrera al movimiento coherente de la dislocación y es un precipitado fortalecedor. La adición de sustancias tales como aluminio y titanio promueven la creación de la fase gamma prima. El tamaño de gamma fase principal se puede controlar con precisión mediante cuidadosos tratamientos térmicos para precipitar el fortalecedor. Muchas superaleaciones sufren dos tratamiento térmicos uno crea una dispersión de partículas gamma cuadrados prima conocidos como la fase primaria y el otro una dispersión fina entre estas conocida como gamma prima secundaria. Muchos otros elementos, tanto comunes como extraños, (no sólo metales, sino también metaloides y no metales) puede ser cromo, cobalto, molibdeno, wolframio, tántalo, aluminio, titanio, circonio, niobio, renio, carbono, boro o hafnio sólo unos pocos ejemplos. Las superaleaciones basadas en níquel, como regla general, poseen una composición química compleja. Incluye de 12 a 13 componentes cuidadosamente equilibrados para obtener las propiedades requeridas. El contenido de impurezas tales como silicio (Si), fósforo (P), azufre (S), oxígeno (O) y nitrógeno (N) también está controlado. El contenido de elementos tales como selenio (Se), teluro (Te), plomo (Pb) y bismuto (Bi), debe ser insignificante, siempre que la selección de materias primas con un contenido bajo de estos elementos, pues no es posible deshacerse de ellos durante la fusión. Estas aleaciones contienen normalmente de un 10 a 12% de cromo (Cr), hasta un 8% de aluminio (Al) y titanio (Ti), de 5 a 10% de cobalto (Co), así como pequeñas cantidades de boro (B), circonio (Zr) y carbono (C). A veces, el agregado de molibdeno (Mo), wolframio (W), niobio (Nb), tántalo (Ta) y hafnio (Hf). Los elementos de aleación en estas aleaciones se pueden agrupar de la siguiente manera: 1. Elementos que forman con el Ni una matriz cristalina austenítica - Co, Fe, Cr, Mo y W 2. Elementos que ayudan al endurecimiento de fase ´ (Ni3 X) - Al, Ti, Nb, Ta, Hf. En este caso del Ti, Nb y Ta son parte de la fase y la refuerzan. 3. Elementos que forman la segregación en los límites de grano - B, C, y Zr Elementos que forman carburo son Cr, Mo, W, Nb, Ta y Ti. El Al y Cr formar una película resistente de óxido que proteger de la corrosión.

Revestimiento de superaleaciones Las piezas de superaleación sometidas a altas temperaturas de trabajo y una atmósfera corrosiva (como en la región de alta presión de la turbina de motores a reacción) se recubren con diversos tipos de revestimiento. Principalmente dos tipos de proceso de recubrimiento se aplican: proceso de cementación en paquete y el recubrimiento en fase gaseosa. Ambos son un tipo de deposición química de vapor. En la mayoría de los casos, después del proceso de recubrimiento cerca de la superficie de las regiones partes están enriquecidas con aluminio, la matriz del recubrimiento ser aluminuro de níquel.

Proceso de cementación en lotes El proceso de cementación en lotes se realiza a temperaturas más bajas, alrededor de 750ºC. Las piezas se colocan en cajas que contienen una mezcla de polvos: material de revestimiento activo, que contiene aluminio, un activador (cloruro o fluoruro), y un lastre térmico, como óxido de aluminio. A altas temperaturas el haluro de aluminio gaseoso se transfiere a la superficie de la pieza y se difunde dentro de difusión (principalmente hacia adentro). Tras el final del proceso se produce la llamada "capa verde", que es demasiado delgada y frágil para su uso directo. Un tratamiento térmico de difusión posterior conduce a una mayor difusión hacia el interior y la formación del revestimiento deseado.

Revestimiento en fase gaseosa Este proceso se lleva a cabo a temperaturas más altas, alrededor de 1080ºC. El material de revestimiento está normalmente sitúa en bandejas especiales sin contacto físico con las partes a recubrir. La mezcla de revestimiento contiene material de revestimiento activo y activador, pero generalmente no contiene lastre térmico. Como en el proceso de cementación en lotes, el cloruro de aluminio gaseoso (o fluoruro) se transfiere a la superficie de la pieza. Sin embargo, en este caso, la difusión es hacia el exterior. Este tipo de recubrimiento también requiere un tratamiento de difusión de calor.

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Capa de unión La capa de unión se adhiere el recubrimiento de barrera térmica al sustrato, la superaleación. Además, la capa de unión proporciona protección contra la oxidación y funciona como una barrera de difusión contra el movimiento de los átomos del substrato hacia el medio ambiente. Hay tres principales tipos de capas de bonos, aluminuros, aluminuros con platino y MCrAlY. • Para los revestimientos de unión de aluminuro, la composición final y estructura del

recubrimiento depende de la composición del sustrato. Los aluminuros también carece de ductilidad por debajo de 750ºC, y exhiben una limitada resistencia a la fatiga termomecánica. • El aluminuros con platino son muy similares a las capas de unión con aluminuro a excepción de

una capa de Pt (micras 5-10) depositados a la superficie. Se cree que el platino ayuda a la adhesión del óxido y mejora la corrosión en caliente. El costo de la chapa platino se compensa por el lapso de vida mayor. • El MCrAlY es la última generación de la capa de adherencia y no interactúan fuertemente con el

sustrato. El cromo proporciona resistencia a la oxidación y la corrosión en caliente. El aluminio controla los mecanismos de oxidación al limitar el crecimiento de óxido. El itrio mejora la adherencia de óxido al substrato. Investigación han ensayado la adición de renio y tántalo para aumentar la resistencia a la oxidación.

4.4

Tipos de Aleaciones Basadas en Níquel: características y aplicaciones

Superaleaciones de níquel más empleadas: 

Hastelloy D (Ni, 10% Si, 3% Cu).

Es una aleación para moldeo, fuerte, tenaz y extremadamente dura. Tiene una excelente resistencia a la corrosión al acido sulfúrico. Difícil mecanización. Se emplea para evaporadores, reactores, canalizaciones y accesorios en la industria química. 

Hastelloy A (57% Ni, 20% Mo, 20% Fe) y Hastel loy B (62% Ni, 28% Mo, 5% Fe).

Forman carburos globulares en una matriz de solución sólida. Ninguna responde al proceso de envejecimiento. Gran resistencia a la corrosión por ácido clorhídrico, fosforito y otros ácidos no oxidantes. Se emplean en la industria química para manejar, transportar y almacenar ácidos y otros materiales corrosivos. 

Inconel (76% Ni, 16% Cr, 8% Fe).

Combina la resistencia a la corrosión, resistencia mecánica y tenacidad características del Ni, con la resistencia a la oxidación a altas temperaturas, típica del Cr. Resiste la fatiga térmica sin hacerse frágil. Se utiliza en escapes y calentadores de motores de avión, en hornos y recipientes para tratamientos de nitruración y en tubos de protección de termopares. 

Chromel A (80% Ni, 20% Cr).

Se emplea como elemento eléctrico de calefacción para aparatos caseros y hornos industriales. 

Nichrome (60% Ni, 16% Cr, 24% Fe)

Se emplea para resistencias de tostadores, cafeteras, planchas, secadores de pelo, calentadores eléctricos y reóstatos para equipos electrónicos. 

Illium B (50%Ni, 28%Cr, 8.5%Mo, 5.5%Cu) y el Illium G (56%Ni, 22.5 %C r, 6.5 %Mo , 6.5% Cu) .

Proporcionan superior resistencia a la corrosión en aleaciones de fundición maquinables de alta resistencia. Se utilizan en cojinetes de impulso y rotatorios y las piezas de bombas y válvulas en las que se requiere alta dureza a medios corrosivos. Fueron diseñados principalmente como materiales resistentes a los ácidos sulfúricos y nítricos. 13


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Nimonic 90 (53%Ni, 20%Cr, 18%Co, 2.5%Ti, 1.5%Al, 1.5%Fe).

Principalmente utilizada por su resistencia a la fluencia (creep), su alta tenacidad y estabilidad a temperaturas elevadas. Es la aleación básica para los motores a reacción. 

Incoloy.

Se caracterizan por una buena resistencia a la corrosión en ambientes acuosos y por su excelente resistencia a la oxidación en atmósferas a altas temperaturas. Sus aplicaciones incluyen hornos y equipos de tratamiento térmico, generadores de vapor, etc. 

Níquel Puro.

El níquel comercialmente puro o con baja aleación es resistente a varios productos químicos reductores y no tiene rival en la resistencia a álcalis cáusticos. Debido a su resistencia a la corrosión permite mantener la pureza del producto en el procesamiento de alimentos y es utilizado para la producción de soda cáustica y fibras sintéticas. Por sus propiedades eléctricas se utiliza en la industria electrónica. Es empleado frecuentemente en intercambiadores de calor por su alta conductividad térmica. 

Monel® (Aleaciones Níquel - Cobre).

La primera aleación de níquel (inventada en 1905) contenía aproximadamente dos tercios de níquel y un tercio de cobre. El actual equivalente, el MONEL® 400, continúa siendo una de las aleaciones de níquel más utilizadas. El MONEL® posee mejor resistencia que el níquel al ácido sulfúrico, ácido fluorhídrico, salmueras y agua. Esta aleación es utilizada en el decapado del acero, en alquilación fluorhídrica en la refinación de petróleo, en el manipuleo de salmuera para la producción de cloruro de sodio, y en varios usos marinos y de otros tipos que implican contacto con agua marina y dulce. Debido a su buena conductividad térmica y resistencia a la corrosión, el MONEL® se utiliza frecuentemente en intercambiadores de calor. 

Hastelloy® B.

Esta aleación a base de níquel se destaca por su resistencia al ataque del ácido clorhídrico a diversas concentraciones y temperaturas. La aleación B-2 ha sido utilizada exitosamente en plantas de procesos químicos, especialmente cuando la resistencia al ácido clorhídrico es fundamental, a cualquier concentración y a temperaturas de hasta 538°C. Además de la resistencia al ácido clorhídrico, la aleación B-2 soporta ácido sulfúrico, ácido acético, ácido fosfórico y cloruro de hidrógeno. 

Hastelloy® C.

La aleación C-276 (Níquel-Cromo-Molibdeno-Hierro) es una de las aleaciones resistentes a la corrosión con mayor cantidad de aplicaciones. Es uno de los pocos materiales que soporta gas cloro húmedo y soluciones de hipoclorito y de dióxido de cloro. Su resistencia a soluciones concentradas de sales oxidantes, como las de cloruro férrico y cúprico, es excepcional, siendo particularmente indicado donde se presentan mezclas de químicos corrosivos. Esta aleación tiene muy buena resistencia a la corrosión por picaduras y a corrosión bajo tensión y resiste atmósferas oxidantes a temperaturas de hasta 1038°C. La aleación C-276 es ampliamente utilizada en las industrias de procesos químicos, y es recomendada para intercambiadores de calor, tuberías de transferencia, evaporadores, etc., donde es necesaria la resistencia a una amplia variedad de agentes corrosivos. Esta aleación de alto contenido de níquel tiene también una excelente posibilidad de aplicación en fábricas de pulpa y papel, plantas para el tratamiento de desperdicios, industrias petroquímicas y aeronáuticas. La aleación C-22 tiene excelente resistencia a la corrosión de agentes fuertemente oxidantes (tales como cloruro ferroso y férrico, cloro, ácido fórmico y ácido acético, agua marina y salmuera). También tiene óptima resistencia a ambientes que contengan condiciones reductoras y oxidantes en el flujo de proceso. Esto permite su utilización en procesos que puedan tener condiciones cambiantes y en plantas multipropósito.

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Inconel® / Nimonic® (Aleaciones Níquel-Cromo).

Bajo estas marcas se designan un conjunto de aleaciones a base de Níquel-Cromo, cubriendo un amplio espectro de composiciones y de propiedades. La combinación de níquel y cromo en estas aleaciones provee resistencia tanto a soluciones corrosivas reductoras como oxidantes. El Níquel y el cromo actúan también en conjunto para resistir oxidación, carburización y otras formas de deterioro a altas temperaturas. Estas aleaciones no se tornan quebradizas a temperaturas criogénicas, poseen buena resistencia a la tracción y a la fatiga a temperaturas moderadas, y presentan excelentes propiedades de resistencia a la ruptura a altas temperaturas. Las aplicaciones de estas aleaciones son muy amplias: recipientes para tratamiento térmico, turbinas, aviación, plantas nucleares generadoras de energía, etc. 

Incoloy® (Aleaciones Níquel-Hierro-Cromo).

Las aleaciones de Níquel-Hierro-Cromo se caracterizan por una buena resistencia a la corrosión en ambientes acuosos y por su excelente resistencia a la oxidación en atmósferas a altas temperaturas. El contenido de níquel logra que la aleación sea superior al acero inoxidable en resistencia a la corrosión, especialmente la originada por iones cloruros y a la corrosión bajo tensión. A altas temperaturas, el contenido significativo de cromo provee resistencia a ambientes oxidantes, y la combinación de níquel, hierro y cromo brinda buena resistencia a la ruptura. Las aplicaciones incluyen hornos y equipos de tratamiento térmico, generadores de vapor, etc. 

Alloy 20 – Carpenter® 20Cb-3.

El acero inoxidable 20Cb-3 posee buena resistencia a la corrosión bajo tensión en ácido sulfúrico en ebullición para concentraciones de 20 a 40%, así como también en otros medios. El 20Cb-3 se utiliza ampliamente en los procesamientos de goma sintética, naftas de alto octanaje, solventes, explosivos, plásticos, fibras sintéticas, químicos pesados, productos farmacéuticos y agroquímicos. Este acero inoxidable se ha aplicado con ventajas económicas en muchos casos donde otros materiales podrían haber provisto la necesaria resistencia a la corrosión, pero que hubieran provocado un mayor costo inicial, o un mayor costo de instalación y mantenimiento.

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Las aplicaciones de las superaleaciones de níquel basados en: 

Álab es de la tu rb in a

Un uso importante de níquel superaleaciones a base es en la fabricación de álabes de turbina Aeroengine. Una sola hoja de cristal está libre de γ / γ límites de grano. Los límites son caminos fáciles de difusión y por lo tanto reducir la resistencia del material a la fluencia deformación. La solidificación dirigida estructura columnar de grano tiene muchos granos γ, pero los límites son principalmente

paralela al eje mayor estrés, y el cumplimiento de tales hojas no es tan buena como las cuchillas de cristal único. Sin embargo, son mucho mejores que la cuchilla con la estructura de grano equiaxial que tiene la peor vida de fluencia. Una gran ventaja de las aleaciones de cristal único sobre superaleaciones policristalinas convencionalmente emitidos es que muchos de los solutos de fortalecimiento de límite de grano se eliminan. Esto resulta en un aumento en la temperatura de fusión incipiente (es decir, la fusión localizada debido a la segregación química). Las aleaciones de cristal único por lo tanto puede ser tratado con calor a temperaturas en el rango de 1240-1330 ºC, lo que permite la disolución de γ gruesa ", que es un remanente del proceso de solidificación. Tratamiento térmico posterior por lo tanto se puede utilizar para lograr una precipitación controlada y fina escala de γ'. La razón principal por la que podría ser la primera generación de superaleaciones monocristalinas utilizado a temperaturas más altas que las que solidificadas direccionalmente, fue debido a la capacidad de tratamiento térmico de las aleaciones a una temperatura superior en lugar de cualquier ventaja debido a la eliminación de los límites de grano. A mayor temperatura de tratamiento térmico permite que toda la "γ que deben tenerse en solución y luego por el envejecimiento, a precipitar en una forma más fina. Cuchillas de superaleación se utilizan en aeromotores y turbinas de gas en las regiones donde la temperatura es de más de aproximadamente 400ºC, con cuchillas de titanio en las regiones más frías. Esto es porque existe el peligro de ignición de titanio en circunstancias especiales si su temperatura excede 400ºC.

Monocristal

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Solidificación dirigida granos columnares

Policristalino equiaxiales

Materiales del motor (fuente: Michael Cervenka)

Los discos de turbina. Las palas de la turbina están unidos a un disco que a su vez está conectado al eje de turbina. Las propiedades requeridas para un motor de avión discos son diferentes de la de una turbina, ya que el metal experimenta una temperatura más baja. Los discos deberán resistir la rotura por fatiga. Los discos se suelen emitir a continuación, forjado en forma. Son policristalino. Una dificultad es que aleaciones de fundición tienen una gran estructura de grano columnar y contienen segregación química significativa, esta última no se elimina completamente en el producto final. Esto puede conducir a la dispersión en las propiedades mecánicas. Una forma de superar esto es comenzar con

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polvo fino, limpio, que es entonces consolidada. El polvo se hace por atomización en un gas inerte, el grado de segregación química no puede exceder el tamaño del polvo. Después de la atomización, algunos discos están hechos de polvo, que es en caliente isostáticamente, extruye y luego se forjaron en la forma requerida. El proceso es difícil debido a la necesidad de evitar que las partículas no deseadas introducidas, por ejemplo, de los materiales refractarios utilizados en el proceso de atomización, o impurezas recogidas durante la solidificación. Tales partículas iniciar la fatiga, el fracaso de un disco de turbina de motor de avión pueden ser catastróficas. Polvo metalúrgico disco motor de avión. Imagen cedida por M. Hardy, de Rolls-Royce. 

Turbocompresores

Un motor de combustión interna generalmente usa una relación estequiométrica de airecombustible. Un turbocompresor es un dispositivo para forzar más aire en el motor, permitiendo que una cantidad proporcionalmente mayor de combustible para ser quemado en cada golpe. Esto aumenta la potencia de salida del motor. El turbocompresor consta de dos componentes, una turbina que es impulsada por los gases de escape del motor. Este a su vez acciona una bomba de aire que fuerza más aire en el motor. La tasa típica de espín es 100-150,000 rotaciones por minuto. Debido a que el turbocompresor es impulsado por los gases de escape, que se pone muy caliente y debe ser resistente a la oxidación y fuerte.

Turbocompresor de níquel superaleación base Inconel 713c, Ni-2NB12.5Cr-4.2Mo-0.8Ti-6.1Al-0.12C-0.012B-0.1Zr% en peso.

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Procesamiento en estado fundido

Las superaleaciones que contienen elementos reactivos tales como aluminio y titanio. Es necesario por lo tanto, para fundir las aleaciones de bajo vacío, con la ventaja añadida de que elementos perjudiciales trazas se eliminan por evaporación. Fusión de inducción de vacío se utiliza comúnmente porque las inductivo de agitación favorece la homogeneización y la ayuda a exponer más del líquido a la interfase de fusión-vacío. Esto a su vez optimiza la eliminación de gases indeseables e impurezas volátiles. Muchas aleaciones son luego fundirse de arco de vacío con el fin de conseguir una pureza más alta y mejor microestructura de solidificación. El lingote se hizo un electrodo (a). Un arco se quema en el vacío, calentando de ese modo el extremo delantero del electrodo. Se forman gotitas que luego gotear a través del vacío y se purifican. El metal fundido está contenido en un molde de cobre refrigerado por agua. Hay una piscina de líquido (b) donde se produce una purificación adicional por la flotación de las impurezas sólidas. El metal solidificado (c) tiene una deseable direccional-microestructura. El diagrama de electroescoria de refinación es similar a la de la refusión por arco en vacío, excepto que el baño de fusión está cubierto por una capa de 10 cm de espesor de escoria (cal, alúmina y fluorita). El lingote es de nuevo un electrodo en contacto con la escoria. La escoria tiene una alta resistividad eléctrica y por lo tanto se funde, siendo la temperatura en exceso del punto de fusión del electrodo de metal. La punta del electrodo se funde, permitiendo de metal a fluir a través de la escoria en el sumidero de líquido en la parte inferior. Esto refina la aleación. 17


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Es común para las aleaciones destinadas para aplicaciones críticas para ir a través de dos o más de estos procesos de fusión. 

Fundición de Cuchillas

Palas a base de níquel superaleación generalmente se realiza mediante un proceso de fundición de precisión. Un modelo de cera se hace, alrededor de la cual se vierte un material cerámico para hacer el molde. La cera se elimina de la cerámica y de metal sólido fundido vertido para llenar el molde. El proceso real es más complicado debido a la forma compleja de la hoja, con sus canales de refrigeración y otras características.

5. Resumen de los aspectos más destacados. Un superaleación, o aleación de alto rendimiento, es una aleación que presenta una excelente resistencia mecánica y resistencia a la fluencia a altas temperaturas, buena estabilidad de la superficie, y la corrosión y resistencia a la oxidación. Superaleaciones suelen tener una matriz con una cara austeníticos centrado en la estructura cristalina cúbica. Una base de superaleación elemento de aleación es generalmente de níquel, cobalto o níquel-hierro. Superaleación desarrollo ha dependido en gran medida en las industrias de químicos y la innovación de procesos y ha sido impulsado principalmente por las industrias aeroespacial y de poder. Las aplicaciones típicas se encuentran en la industria aeroespacial, de la turbina de gas industriales y de la industria de turbinas marinas, por ejemplo, palas de la turbina para las secciones calientes de los motores a reacción. Ejemplos de superaleaciones  Hastelloy,  Inconel,  Waspaloy,  aleaciones de René (por ejemplo, Rene 41, René 80, René 95, René 104), aleaciones de Haynes, Incoloy, MP98T, aleaciones de TMS, y aleaciones de cristal CMSX único. Las Superaleaciones son materiales metálicos para el uso a altas temperaturas, especialmente en las zonas calientes de las turbinas de gas. Estos materiales permiten la turbina para operar más eficientemente por soportar temperaturas más altas. Temperatura de entrada de la turbina (TIT), que es un indicador directo de la eficiencia de un motor de turbina de gas, depende de la capacidad de temperatura de 1 ª etapa de la hoja de la turbina de alta presión hechos de superaleaciones de base Ni exclusivamente. Una de las propiedades superaleación más importante es la alta resistencia a la pérdida de temperatura. Otras propiedades de los materiales fundamentales son la fatiga, la estabilidad de f ase, así como la oxidación y la resistencia a la corrosión. Superaleaciones desarrollan la fuerza de alta temperatura mediante el fortalecimiento de solución sólida. La oxidación y la resistencia a la corrosión es proporcionada por la formación de una c apa de óxido que se forma cuando el metal está expuesta al oxígeno y encapsula el material, y así proteger el resto de los componentes. La oxidación o la resistencia a la corrosión es proporcionada por elementos tales como aluminio y cromo. Mediante un mecanismo de fortalecimiento de la medida más importante es a través de la formación de la fase secundaria se precipita como el primer gamma y los carburos mediante el fortalecimiento de la precipitación. Aplicaciones Superaleaciones se utilizan comúnmente en los motores de turbina de gas en las regiones que están sujetas a las altas temperaturas que requieren de alta resistencia, excelente resistencia a la fluencia, así como la corrosión y resistencia a la oxidación. En la mayoría de los motores de turbina de esto está en la turbina de alta presión, hojas de aquí puede enfrentar temperaturas que se acercan, si no más allá de su temperatura de fusión. Recubrimientos de barrera térmica (TBCs) desempeñan un papel importante en las hojas que les permite operar en tales condiciones, la protección del material de la base de los efectos térmicos, así como la corrosión y oxidación. Aplicaciones adicionales de superaleaciones se incluyen los siguientes: turbinas de gas (aviones comerciales y militares, generación 

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de energía y propulsión marina); vehículos espaciales, los submarinos, los reactores nucleares, militares motores eléctricos, los buques de transformación química, y los tubos de intercambiador de calor. Revestimiento de superaleaciones Superaleación los productos que son sometidos a altas temperaturas y atmósferas corrosivas (tales como región de alta presión de la turbina de motores de avión) están cubiertas con diferentes tipos de recubrimiento. Principalmente dos tipos de proceso de recubrimiento se aplican: el proceso de cementación en paquetes y revestimiento de fase gaseosa. Ambos son un tipo de enfermedad cardiovascular. En la mayoría de los casos, después de que el proceso de revestimiento cerca de las regiones de la superficie de las piezas se enriquecen con el aluminio, la matriz de la capa que se aluminuro níquel. Investigación y el desarrollo de nuevos superaleaciones La disponibilidad de superaleaciones durante las últimas décadas ha dado lugar a un aumento constante de las temperaturas de la turbina de entrada y la tendencia se espera que continúe. El Laboratorio Nacional Sandia está estudiando un nuevo método para la fabricación de superaleaciones, conocido como radiólisis. Presenta un área completamente nueva de la investigación en la creación de aleaciones y superaleaciones a través de nanopartículas de síntesis. Este proceso es prometedor como un método universal de nanopartículas de formación. Mediante el desarrollo de una comprensión básica de la ciencia de los materiales detrás de estas formaciones de nanopartículas, se especula que podría ser posible para ampliar la investigación sobre otros aspectos de superaleaciones. Puede haber desventajas considerables en la fabricación de aleaciones por este método. Aproximadamente la mitad de la utilización de superaleaciones está en aplicaciones donde la temperatura de servicio es cercana a la temperatura de fusión de la aleación. Es común que por lo tanto el uso de cristales individuales. El método anterior produce aleaciones policristalinas que sufren de un nivel inaceptable de la fluencia. El futuro desarrollo se centra en la reducción de peso, la mejora de la resistencia a la oxidación y a la corrosión mientras se mantiene la resistencia de la aleación. Además, con la creciente demanda de álabes de turbina para la generación de energía, otro enfoque de diseño de aleación es reducir el costo de superaleaciones. 

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Referencias Bibliográficas, Webgrafícas y Fotográficas.            

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Datos del Autor.     

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Nombre y apellidos: Manuel Francisco Romero Calderón (53574491-Q). Correo electrónico: [email protected] Centro Asociado: Mérida. Grado en Ingeniería Mecánica. Fundamento de Ciencia y Tecnología de Materiales II.


Superaleaciones de Níquel

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