Superaleaciones

Superaleación

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.1

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 aeroespacial 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 dieseles 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.

Índice

• 1 Introducción

• 2 Desarrollo histórico

o 2.1 Inicios

o 2.2 Años 40 del siglo XX

• 3 Superaleaciones basadas en níquel

o 3.1 Dopaje

o 3.2 Composición de la fase

o 3.3 Tratamiento térmico

• 4 Superaleaciones basadas en cobalto

• 5 Resistencia al calor

o 5.1 Resistencia a largo plazo

 5.1.1 Niquel

 5.1.2 Cobalto

 5.1.3 Hierro

• 6 Superaleaciones monocristal

• 7 Metalurgia de las superaleaciones

• 8 Revestimiento de superaleaciones

o 8.1 Proceso de cementación en lotes

o 8.2 Revestimiento en fase gaseosa

o 8.3 Capa de unión

• 9 Investigación y desarrollo de nuevas superaleaciones

• 10 Referencias

Introducción [editar]

Alabe de turbina de gas en una superaleación de niquel

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 oxidacióny corrosión.

Las superaleaciones desarrollar 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 delenvejecimiento 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 alta presión, donde los alabes son refrigerados por aire se pueden utilizar a temperaturas 200 ° C por 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.

Desarrollo histórico [editar]

El devenir histórico en la elaboración de superaleaciones han 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.2

Inicios [editar]

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 aceros de alta aleación austenítica, llamado Tinidur. Se creo 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 gas3 4 5

Nombre %C %Mn %Si %Ni %Co %Cr %Mo %W %Ti %Al % Otros elementos

Tinidur

de 0,14 0,6-1,0 0,6-1,0 29,0-31,0 14,5-15,5 1,8-2,2 0,2 base de Fe

DVL42 de 0,1 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 1,5-2,0 base de Fe

DVL52 de 0,1 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 4-5 %Ta

Cromadur

0,9-0,12 17,5-18,5 0,55-0,7 11,0-14,0 0,7-0,8 V 0,60-0,70

0,18-0,23 N2

Años 40 del siglo XX [editar]

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 niquel 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, y 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.6 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%.7 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 purebas en el banco de pruebas que comenzaron en octubre de 1944. La aleación de álabe de turbina

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