Resumen De Superaleaciones

Introducción

El termino superaleaciones se refiere a aleaciones que son superiores en resistencia a la temperatura y corrosión y mantienen sus propiedades incluso a elevadas temperaturas. Así, las superaleaciones son sinónimos de “aleaciones de alta temperatura”. Tradicionalmente las aleaciones son clasificadas en 3 tipos de acuerdo al elemento base: aleaciones base Hierro, aleaciones base níquel y aleaciones base cobalto. Ahora, sin embargo, en un sentido más general, son aleaciones que tienen la capacidad de preservar sus estabilidades mecánicas, físicas y químicas ah altas temperaturas y en entornos altamente corrosivos. A temperatura ambiente, sin embargo, las propiedades mecánicas de las superaleaciones son similares a las del acero, que son mucho más baratas y fáciles de producir. Sin embargo, las superaleaciones destacan sobre otras aleaciones metálicas por su alta resistencia a la corrosión incluso en este rango de temperatura, haciéndolas candidatas ideales para uso en ambientes altamente corrosivos tales como plataformas petroleras.

La producción de superaleaciones es cara. Las superaleaciones independientemente del área de aplicación son a elevadas temperaturas a pesar de sorprendentes propiedades a temperatura ambiente. A altas temperaturas las superaleaciones son únicas con sus propiedades mecánicas y químicas. El gran salto de avance para las superaleaciones fue resultado de un intenso esfuerzo desarrollar partes de turbinas en sección de gas caliente que cumplieran con las necesidades de aeronaves militares. Hoy las turbinas de gas de aeronaves militares y civiles juegan un rol importante en el desarrollo de superaleaciones. Las turbinas de gas para aviación toman arriba del ¾ de todas las aplicaciones de superaleaciones, mientras el otro ¼ son para generadores de poder de turbinas de gas. Industria química, industria médica, equipo petroquímico, naves espaciales, motores de cuetes, reactores nucleares, submarinos, hornos industriales de alta temperatura, y otras varias aplicaciones que necesitan altas temperatura y/o resistencia química.

Hoy, la estrategia del sector energético juega un rol aún más crítico que antes por el escandaloso precio de combustible. El calentamiento global y el incremento en la contaminación ambiental necesitan el uso eficiente de productos del petróleo. La autorización bajo consumo de combustible y escape de emisiones de aviación y gas de turbinas industriales es claramente primordial. Estas dictan la clave de la colocación y dirección de nuevos desarrollos de todas las superaleaciones.

Tipos de superaleaciones

Como en otros materiales de ingeniería, la selección de superaleaciones va junto con algunos factores tales como condiciones de aplicación, facilidad de producción, precio, entre otros. El gran rango de variación en condiciones de servicio es causa de desarrollo de aleaciones con propiedades muy diferentes.

La eficiencia de las turbinas de gas depende en TIT. Por lo tanto alto TIT demanda mejorar en diseño en algunos parámetros críticos que reducen el consumo de combustible, reducir extensión, reducir salida de emisión, reducir capacidad de carga, y otras. Así, el diseño de turbina de gas apunta sucesivamente a altos TIT; y diseñadores de aleaciones tienen que diseñar nuevas aleaciones de alta resistencia de temperatura. La típica relación entre TIT y consumo de combustible se muestra en la figura 1.2.

Fuerza y mecanismos de fortalecimiento de superaleaciones.

La fuerza requerida de superaleaciones es considerablemente diferente a las aleaciones convencionales de ingeniería. Las fuerzas de las aleaciones metálicas convencionales usualmente implican fuerza de tensión, fuerza de cedencia, dureza y ductilidad. Los requerimientos para la fuerza independiente de las superaleaciones son definidas por:

• Propiedades de tensión: para superaleaciones, las propiedades de tensión son siempre mencionadas con respecto a la temperatura. Relacionando propiedades incluyendo fuerza de cedencia y fuerza de tensión, ductilidad y elasticidad (rigidez). Una de las formas especiales de propiedad de tensión de las superaleaciones es la fuerza de ruptura por stress (fuerza de ruptura por arrastre), o la falla de componentes bajo carga estática a temperaturas elevadas y en un entorno específico.

• Resistencia a la fluencia: Fluencia es una deformación plástica permanente bajo tiempo a alta temperatura y cargas normales y bajo punto de cedencia. La fluencia puede dañar e ir completamente a la separación y su efecto perjudicial es irreversible. Bajo estrés y alta temperatura, partes de la turbina de gas tales como discos, tornillos y aspas son sujetos a daños por fluencia, por lo tanto resistencia a la fluencia es un parámetro crítico para los diseñadores de turbinas. 3 parámetros son necesarios para que ocurra el daño por fluencia: tiempo, temperatura y estrés. Baja difusión de elementos mejora la resistencia a la fluencia en las superaleaciones. El daño por fluencia generalmente ocurre en los límites de grano especialmente en puntos triples. Así, las propiedades de los límites de granos son muy importantes.

• Resistencia a la fatiga: la fatiga es otra importante tipo de falla causando propagación de grietas o completamente una ruptura de componentes bajo tensión cíclica debajo de la resistencia final.

• Resistencia a la corrosión: la resistencia a la corrosión refleja una característica de los materiales a resistir degradación química en ambientes específicamente corrosivos. La corrosión se vuelve un fenómeno complejo en las superaleaciones. Muchos mecanismos de falla relacionados con la corrosión existen en las superaleaciones, incluyendo agrietamiento por tensión bajo corrosión (SCC), oxidación intergranular (IGO), ataque intergranular (AIG), oxidación a altas temperaturas, oxidación en límite de grano por tensión (SAGBO), etc.

La resistencia contra estos mecanismos depende de la química de la aleación, diseño microestructural, y tratamiento térmico, y técnica de producción. Todo esto afecta la resistencia de las aleaciones y requiere un cuidadoso equilibrio entre propiedades y condiciones de aplicación para una aleación particular. Todo lo anterior, los principales factores que limitan la resistencia de una superaleación son la fusión incipiente y la disolución de las fases útiles bajo la temperatura de servicio. Hay 3 principales mecanismos de endurecimiento de las superaleaciones: endurecimiento por solución sólida, endurecimiento por precipitación de compuestos intermetálicos, y precipitación de carburos. Además de estos mecanismos, el control de la orientación del cristal, tamaño del límite de grano, aspecto del radio del grano (GAR), y la orientación, mejoran la calidad mediante la reducción de elementos, el control de la microestructura por tratamiento térmico y cuidando el proceso de producción añaden aún más dureza.

Los principales mecanismos de endurecimiento de las superaleaciones se dan en la tabla 1.1.

Las superaleaciones tienen una matriz austenítica FCC llamada fase gamma (Ƴ). Esta fase es muy dúctil y apropiada para solución sólida y endurecimiento por dispersión. El hierro tiene una estructura BCC y el cobalto HCP a temperatura ambiente. Ambos elementos sufren transformaciones alotrópicas de fase a FCC a altas temperaturas. Las superaleaciones base hierro y base cobalto se estabilizan en sus estructuras FCC por medio de elementos de aleación estabilizadores de austenita. Debido a una alta movilidad atómica, la estructura de red FCC tiene mayor resistencia a la deformación que la estructura BCC. Además, la estructura FCC tiene mayor resistencia a altas temperaturas que la BCC por que los átomos están más densamente empaquetados en la estructura FCC. Para obtener la resistencia a la cedencia y oxidación es necesario añadir elementos de endurecimiento en la matriz para formar una solución sólida. La matriz de FCC tiene mucho más solubilidad de elementos de endurecimiento que la BCC como los átomos de Mo, Co y W. La figura 1.3 ilustra la resistencia a la ruptura bajo condiciones a temperatura constante durante 100h.

Endurecimiento por solución sólida.

Todas las matrices de las superaleaciones tienen algo de solubilidad en los elementos de aleación. Estos elementos de aleación son introducidos como átomos sustitucionales en la red original y la distorsionan debido a la diferencia de radios atómicos. Esta situación es ilustrada en la figura 1.4. Por lo tanto, el endurecimiento por solubilización de sólido se logra por la distorsión de la red que produce el área de la tensión que sirve como obstáculo para el movimiento de dislocaciones. El endurecimiento por solución sólida disminuye la energía de falla de apilamiento de la estructura FCC. Este cambio de energía es particularmente importante para inhibir el deslizamiento transversal de dislocaciones (que es el principal mecanismo de deformación a alta temperatura). La Solubilización del sólido aumenta el rendimiento de la resistencia a temperatura ambiente y resistencia a la tracción de superaleaciones a un cierto grado, pero mejora críticamente a altas temperaturas. A diferencia de endurecimiento por dispersión, la matriz no sufre cambio catastrófico a temperaturas elevadas; por lo tanto, la resistencia a la fluencia se mejora y la pérdida de fuerza se ve obstaculizada. Aunque el endurecimiento por solución sólida aumenta la resistencia a la fluencia, resistencia a la tracción y la dureza, ductilidad, que es una propiedad crítica deseada de superaleaciones, se reduce. La eficacia del endurecimiento por solución sólida en superaleaciones es directamente

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