Superaleaciones de níquel

Superaleaciones de níquel.

Ana María Sequeiro Araújo.

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.

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.

- 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).

Aplicaciones de las superaleaciones de níquel.

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.

Recientemente ha aparecido una nueva técnica de fabricación, la solidificación rápida, gracias a la cual los metales fundidos se enfrían a velocidades de hasta un millón de grados por segundo. Estas aleaciones así formadas tienden a ser bastante homogéneas y presentan de salida alta resistencia mecánica y altos puntos de fusión.

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.

Una de las técnicas más importantes de procesado es la solidificación direccional. El concepto de solidificación direccional se inició con los trabajos realizados, en 1960, por técnicos de la General Electric. Con ellos demostraron que la resistencia a la termofluencia de ciertas aleaciones de níquel puede aumentar drásticamente si en el momento de la obtención de estas aleaciones, se opera de modo que los límites de los granos se orienten paralelamente a un esfuerzo aplicado uniaxialmente, tal como sería el caso de la fuerza centrífuga existente en los álabes de una turbina

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