Superaleación

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Paleta de turbina de motor a reacción de superaleación de níquel ( RB199 )

Una superaleación , o aleación de alto rendimiento , es una aleación con la capacidad de operar a una fracción alta de su punto de fusión. ^[1] Varias características clave de una superaleación son una excelente resistencia mecánica , resistencia a la deformación por fluencia térmica , buena estabilidad de la superficie y resistencia a la corrosión u oxidación .

La estructura cristalina es típicamente austenítica cúbica centrada en la cara (FCC) . Ejemplos de dichas aleaciones son las aleaciones Hastelloy , Inconel , Waspaloy , Rene , Incoloy , MP98T, TMS y aleaciones monocristalinas CMSX.

El desarrollo de superaleaciones se ha basado en gran medida en innovaciones químicas y de procesos. Las superaleaciones desarrollan resistencia a altas temperaturas a través del fortalecimiento de la solución sólida y el fortalecimiento de la precipitación a partir de precipitados de fase secundaria como gamma prima y carburos. La resistencia a la oxidación o corrosión la proporcionan elementos como el aluminio y el cromo . Las superaleaciones a menudo se moldean como un solo cristal, mientras que los límites de grano pueden proporcionar resistencia a bajas temperaturas, disminuyen la resistencia a la fluencia.

La aplicación principal de estas aleaciones es en motores de turbinas marinos y aeroespaciales . La fluencia suele ser el factor que limita la vida útil de las palas de las turbinas de gas. ^[2]

Las superaleaciones son los materiales que han hecho posible gran parte de la tecnología de ingeniería de muy alta temperatura. ^[3]

Desarrollo químico

Debido a que estas aleaciones están diseñadas para aplicaciones de alta temperatura (es decir, manteniendo su forma a temperaturas cercanas a su punto de fusión), su resistencia a la oxidación y la fluencia son de importancia primordial. Las superaleaciones basadas en níquel (Ni) han surgido como el material de elección para estas aplicaciones debido a sus precipitados γ 'únicos. ^{[1] [4] [ página necesaria ]} Las propiedades de estas superaleaciones basadas en Ni se pueden adaptar hasta cierto punto mediante la adición de muchos otros elementos, tanto comunes como exóticos, que incluyen no solo metales , sino también metaloides y no metales ; cromo , hierro ,cobalto , molibdeno , tungsteno , tantalio , aluminio , titanio , circonio , niobio , renio , itrio , vanadio , carbono , boro o hafnio son algunos ejemplos de las adiciones de aleación utilizadas. Cada una de estas adiciones ha sido elegida para cumplir un propósito particular en la optimización de las propiedades para aplicaciones de alta temperatura.

La resistencia a la fluencia depende, en parte, de la disminución de la velocidad del movimiento de dislocación dentro de una estructura cristalina. En superaleaciones base Ni modernos, el γ'-Ni ₃ (Al, Ti) fase presente actúa como una barrera para el movimiento de la dislocación. Por esta razón, esta fase intermetálica γ ' , cuando está presente en fracciones de alto volumen, aumenta drásticamente la resistencia de estas aleaciones debido a su naturaleza ordenada y alta coherencia con la matriz γ. Las adiciones químicas de aluminio y titanio.promover la creación de la fase γ '. El tamaño de la fase γ 'se puede controlar con precisión mediante cuidadosos tratamientos térmicos de fortalecimiento de la precipitación. Muchas superaleaciones se producen mediante un tratamiento térmico de dos fases que crea una dispersión de partículas cuboidales γ 'conocidas como fase primaria, con una fina dispersión entre estas conocidas como γ secundarias. Para mejorar la resistencia a la oxidación de estas aleaciones, se añaden Al, Cr, B e Y. El Al y el Cr forman capas de óxido que pasivan la superficie y protegen la superaleación de una mayor oxidación, mientras que B e Y se utilizan para mejorar la adhesión de esta incrustación de óxido al sustrato. ^[5]Cr, Fe, Co, Mo y Re se reparten preferentemente en la matriz γ mientras que Al, Ti, Nb, Ta y V se reparten preferentemente en los precipitados γ 'y la solución sólida fortalece la matriz y precipita, respectivamente. Además del fortalecimiento de la solución sólida, si existen límites de grano, se eligen ciertos elementos para el fortalecimiento de los límites de grano. B y Zr tienden a segregarse en los límites del grano, lo que reduce la energía del límite del grano y da como resultado una mejor cohesión y ductilidad del límite del grano. ^[6] Otra forma de fortalecimiento de los límites del grano se logra mediante la adición de C y un formador de carburo, como Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti o Hf, que impulsa la precipitación de carburos en los límites del grano y, por lo tanto, reduce el grano. deslizamiento de límites.

Composiciones de superaleaciones a base de Ni ^{[1] [7] [8]}

Elemento	Rango de composición (% en peso)	Propósito
Ni, Fe, Co	50-70%	Estos elementos forman la fase γ de la matriz base de la superaleación. El Ni es necesario porque también forma γ '(Ni 3 Al). El Fe y el Co tienen puntos de fusión más altos que el Ni y ofrecen un fortalecimiento de la solución sólida. Fe también es mucho más barato que Ni o Co.
Cr	5-20%	El Cr es necesario para la resistencia a la oxidación y la corrosión; forma un óxido protector Cr 2 O 3
Alabama	0,5-6%	Al es el principal formador de γ '. También forma un óxido protector Al 2 O 3 , que proporciona resistencia a la oxidación a temperaturas más altas que el Cr 2 O 3.
Ti	1-4%	Ti forma γ '
C	0,05-0,2%	Los  carburos M C y M 23 C 6 ( M ⁠ = carbmetal) son la fase de refuerzo en ausencia de γ '
B, Zr	0-0,1%	El boro y el circonio proporcionan resistencia a los límites de los granos. Esto no es esencial en las palas de turbina de cristal único, porque no hay límites de grano.
Nótese bien	0-5%	Nb puede formar γ '', una fase de fortalecimiento a temperaturas más bajas (por debajo de 700 ° C)
Re, W, Hf, Mo, Ta	1-10%	Metales refractarios, agregados en pequeñas cantidades para el fortalecimiento de la solución sólida (y la formación de carburo). Son pesados, pero tienen puntos de fusión extremadamente altos.

Investigación activa

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Si bien las superaleaciones a base de Ni son excelentes materiales para altas temperaturas y han demostrado ser muy útiles, las superaleaciones a base de Co poseen potencialmente una resistencia superior a la corrosión en caliente, la oxidación y el desgaste en comparación con las superaleaciones a base de Ni. Por esta razón, también se han realizado esfuerzos para desarrollar superaleaciones a base de Co durante los últimos años. A pesar de eso, las superaleaciones tradicionales a base de Co no han encontrado un uso generalizado porque tienen una resistencia más baja a alta temperatura que las superaleaciones a base de Ni. ^[9] La razón principal de esto es que, hasta hace poco, parecían carecer del fortalecimiento de la precipitación γ 'que es tan importante en la resistencia a altas temperaturas de las superaleaciones a base de Ni. Un informe de 2006 sobre el compuesto intermetálico γ'-Co ₃ (Al, W) metaestable con el L1 ₂La estructura sugiere las aleaciones a base de Co como alternativa a las superaleaciones tradicionales a base de Ni. Sin embargo, esta clase de aleaciones se informó en una tesis doctoral de CS Lee en 1971. ^[10] La microestructura de dos fases consiste en precipitados cuboidales γ 'incrustados en una matriz γ continua y, por lo tanto, es morfológicamente idéntica a la microestructura observada en superaleaciones basadas en Ni . Al igual que en el sistema a base de Ni, existe un alto grado de coherencia entre las dos fases, que es uno de los principales factores que dan como resultado una resistencia superior a altas temperaturas.

Esto proporciona un camino para el desarrollo de una nueva clase de superaleaciones a base de Co que soportan cargas para su aplicación en entornos severos. ^[11] En estas aleaciones, W es la adición crucial para formar el compuesto intermetálico γ '; esto las hace mucho más densas (> 9,6 g / cm ^{3) en} comparación con las superaleaciones a base de Ni. Recientemente, se ha desarrollado una nueva clase de superaleaciones basadas en cobalto γ - γ 'que no contienen W y tienen una densidad mucho menor comparable a las superaleaciones basadas en níquel. ^{[12] [13] [14] [15]}Además del hecho de que muchas de las propiedades de estas nuevas superaleaciones basadas en Co podrían ser mejores que las de las más tradicionales basadas en Ni, el Co también tiene una temperatura de fusión más alta que el Ni. Por lo tanto, si se pudiera mejorar la resistencia a altas temperaturas, el desarrollo de nuevas superaleaciones basadas en Co podría permitir un aumento en la temperatura de funcionamiento del motor a reacción, lo que resultaría en una mayor eficiencia.

Formación de fase

La adición de nuevos elementos suele ser buena debido al fortalecimiento de la solución sólida, pero los ingenieros deben tener cuidado con las fases que precipitan. Los precipitados se pueden clasificar como compactos geométricamente compactos (GCP), compactos topológicamente compactos (TCP) o carburos. Las fases de GCP suelen ser buenas para las propiedades mecánicas, pero las fases de TCP suelen ser perjudiciales. Debido a que las fases de TCP no están realmente empaquetadas, tienen pocos sistemas de deslizamiento y son muy frágiles. Además, son malos porque "eliminan" elementos de las fases de GCP. Muchos elementos que son buenos para formar γ 'o que tienen un gran fortalecimiento en solución sólida pueden precipitar los TCP. Los ingenieros deben encontrar el equilibrio que promueva los GCP y evite los TCP.

Un área de la aleación con formación de fase TCP será débil porque ^{[16] [17]}

• la fase TCP tiene propiedades mecánicas inherentemente pobres
• la fase TCP es incoherente con la matriz γ
• la fase TCP está rodeada por una "zona de agotamiento" donde no hay γ '
• la fase TCP suele formar placas afiladas o morfologías en forma de aguja que nuclean fácilmente las grietas

La fase principal de GCP es γ '. Casi todas las superaleaciones están basadas en Ni debido a esta fase. γ 'es un L1 ₂ ordenado (pronunciado L-uno-dos), lo que significa que tiene un cierto átomo en la cara de la celda unitaria y un cierto átomo en las esquinas de la celda unitaria. Para las superaleaciones a base de Ni, eso generalmente significa Ni en las caras y Ti o Al en las esquinas.

Otra fase "buena" de GCP es γ ''. También es coherente con γ, pero se disuelve a altas temperaturas.

Fases de superaleación ^{[16] [17]}

Fase	Clasificación	Estructura	Composición (s)	Apariencia	Efecto
γ	matriz	FCC desordenado	Ni, Co, Fe y otros elementos en solución sólida	El trasfondo de otros precipitados	La fase de matriz, proporciona ductilidad y estructura para los precipitados.
γ '	GCP	L1 2 (pedido FCC)	Ni 3 (Al, Ti)	cubos, cubos redondeados, esferas o plaquetas (según el desajuste de la red)	La principal fase de fortalecimiento. γ 'es coherente con γ, lo que permite la ductilidad.
Carburo	Carburo	FCC	m C, m 23 C 6 y m 6 C ( m  ⁠ = ⁠metal)	grupos en forma de hilo, como hilos de perlas	Hay muchos carburos, pero todos proporcionan fortalecimiento de la dispersión y estabilización de los límites de grano.
γ ''	GCP	D0 22 (BCT ordenado)	Ni 3 Nb	discos muy pequeños	Este precipitado es coherente con γ '. Es la principal fase de fortalecimiento en IN-718, pero γ '' se disuelve a altas temperaturas.
η	GCP	D0 24 (HCP ordenado)	Ni 3 Ti	puede formar patrones celulares o Widmanstätten	La fase no es la peor, pero no es tan buena como γ '. Puede ser útil para controlar los límites de los granos.
δ	no empaquetado	ortorrómbico	Ni 3 Nb	acicular (en forma de aguja)	El principal problema de esta fase es que no es coherente con γ, pero no es inherentemente débil. Por lo general, se forma a partir de la descomposición de γ '', pero a veces se agrega intencionalmente en pequeñas cantidades para el refinamiento de los límites del grano.
σ	TCP	tetraédrico	FeCr, FeCrMo, CrCo	glóbulos alargados	Se suele considerar que este TCP tiene las peores propiedades mecánicas. [18] Nunca es deseable por propiedades mecánicas.
μ	TCP	hexagonal	Fe 2 Nb, Co 2 Ti, Fe 2 Ti	glóbulos o plaquetas	Esta fase tiene problemas típicos de TCP. Nunca es deseable por propiedades mecánicas.
Laves	TCP	romboédrico	(Fe, Co) 7 (Mes, W) 6	plaquetas de Widmanstätten gruesas	Esta fase tiene problemas típicos de TCP. Nunca es deseable por propiedades mecánicas.

Familias de superaleaciones

Historia y desarrollo de las superaleaciones a base de Ni

Los Estados Unidos se interesaron en el desarrollo de turbinas de gas alrededor de 1905. ^[1] Desde 1910-1915, se desarrollaron aceros inoxidables austeníticos (fase γ) para las altas temperaturas en las turbinas de gas. En 1929, la aleación 80Ni-20Cr era la norma, con pequeñas adiciones de Ti y Al. Aunque los primeros metalúrgicos aún no lo sabían, estaban formando pequeños precipitados γ 'en superaleaciones a base de Ni. Estas aleaciones superaron rápidamente a las superaleaciones a base de Fe y Co, que fueron reforzadas por carburos y reforzamiento de solución sólida.

Aunque el Cr era excelente para proteger las aleaciones de la oxidación y la corrosión hasta 700 ° C, los metalúrgicos comenzaron a disminuir el Cr a favor del Al, que tenía resistencia a la oxidación (¡pero no a la corrosión!) A temperaturas mucho más altas. La falta de Cr provocó problemas con la corrosión en caliente, por lo que era necesario desarrollar recubrimientos.

Alrededor de 1950, se comercializó la fusión al vacío , lo que permitió a los metalúrgicos crear aleaciones de mayor pureza con una composición más precisa.

En los años 60 y 70, los metalúrgicos cambiaron el enfoque de la química de las aleaciones al procesamiento de las mismas. La solidificación direccional se desarrolló para permitir álabes de turbina columnares o incluso monocristalinos. El fortalecimiento de la dispersión de óxidos podría obtener granos muy finos y superplasticidad .

Fases de superaleaciones a base de Ni

• Gamma (γ): esta fase compone la matriz de superaleación a base de Ni. Es una solución sólida fcc fase austenítica de los elementos de aleación. ^{[18] [19] Los} elementos de aleación que se encuentran en la mayoría de las aleaciones comerciales basadas en Ni son, C, Cr, Mo, W, Nb, Fe, Ti, Al, V y Ta. Durante la formación de estos materiales, a medida que las aleaciones de Ni se enfrían de la masa fundida, los carburos comienzan a precipitar, incluso a temperaturas más bajas precipita la fase γ '. ^{[19] [20]}
• Gamma prima (γ '): esta fase constituye el precipitado utilizado para fortalecer la aleación. Es una fase intermetálica basada en Ni ₃ (Ti, Al) que tiene una estructura FCC L1 ₂ ordenada . ^[18] La fase γ 'es coherente con la matriz de la superaleación que tiene un parámetro de celosía que varía alrededor del 0,5%. Ni ₃ (Ti, Al) son sistemas ordenados con átomos de Ni en las caras del cubo y átomos de Al o Ti en las aristas del cubo. A medida que las partículas de precipitados γ 'se agregan, disminuyen sus estados de energía alineándose a lo largo de las direcciones <100> formando estructuras cuboidales. ^[19]Esta fase tiene una ventana de inestabilidad entre 600 ° C y 850 ° C, dentro de la cual γ 'se transformará en la fase HCP η. Para aplicaciones a temperaturas por debajo de 650 ° C, la fase γ "se puede utilizar para fortalecer. ^[21]

Estructura cristalina para γ "(Ni ₃ Nb) (Tetragonal centrada en el cuerpo)

• Gamma doble prima (γ "): esta fase típicamente posee la composición de Ni ₃ Nb o Ni ₃ V y se utiliza para fortalecer las superaleaciones a base de Ni a temperaturas más bajas (<650 ° C) en relación con γ '. La estructura cristalina de γ "es tetragonal centrada en el cuerpo (BCT), y la fase se precipita como discos de 60 nm por 10 nm con los planos (001) en γ" paralelos a la familia {001} en γ. Estos discos anisotrópicos se forman como resultado de un desajuste de la red entre el precipitado de BCT y la matriz de FCC . Este desajuste de la red conduce a deformaciones de alta coherencia que, junto con el endurecimiento del orden, comprenden los principales mecanismos de fortalecimiento. La fase γ "es inestable por encima de aproximadamente 650 ° C. ^[21]
• Fases de carburo: la formación de carburo suele considerarse perjudicial, aunque en las superaleaciones a base de Ni se utilizan para estabilizar la estructura del material frente a la deformación a altas temperaturas. Los carburos se forman en los límites del grano que inhiben el movimiento del límite del grano. ^{[18] [19]}
• Fases topológicamente empaquetadas (TCP): el término "fase TCP" se refiere a cualquier miembro de una familia de fases (incluida la fase σ, la fase χ, la fase μ y la fase de Laves ) que no están empaquetadas atómicamente pero poseen algunos planos compactos con apilamiento HCP . Las fases de TCP se caracterizan por su tendencia a ser muy frágiles y agotar la matriz γ de los elementos refractarios de solución sólida de refuerzo (incluidos Cr, Co, W y Mo). Estas fases se forman como resultado de la cinética después de largos períodos de tiempo (miles de horas) a altas temperaturas (> 750 ° C). ^[21]

La superaleación a base de níquel MAR-M 247 tuvo muy buen comportamiento a la fatiga a temperaturas de 800 y 900 ° C. ^[22]

Historia y desarrollo de las superaleaciones a base de Co

Históricamente, las superaleaciones a base de Co han dependido de la precipitación de carburo y del fortalecimiento de la solución sólida para sus propiedades mecánicas. Si bien estos mecanismos de fortalecimiento son inferiores al fortalecimiento por precipitación de gamma prime (γ '), ^{[1] el} cobalto tiene un punto de fusión más alto que las superaleaciones a base de níquel actualmente ubicuas y tiene una resistencia superior a la corrosión en caliente y fatiga térmica. Como resultado, las superaleaciones a base de Co reforzadas con carburo se utilizan en aplicaciones de menor tensión y temperaturas más altas, como paletas estacionarias en turbinas de gas. ^[23]

Sin embargo, investigaciones recientes han demostrado que el cobalto puede exhibir la fase γ '. En realidad, la primera existencia reportada de γ 'ocurrió en una disertación de doctorado de 1971, ^[10] pero nunca fue publicada. La microestructura γ / γ 'fue redescubierta y publicada por primera vez en 2006 por Sato et al. ^[9] Esa fase γ 'era Co ₃ (Al, W). Además, se encontró que Mo, Ti, Nb, V y Ta se dividen en la fase γ ', mientras que Fe, Mn y Cr se dividen en la matriz γ.

La siguiente familia de superaleaciones a base de Co fue descubierta en 2015 por Makineni et al. Esta familia tiene una microestructura γ / γ 'similar, pero no tiene tungsteno y tiene una fase γ' de Co ₃ (Al, Mo, Nb). ^[12] Dado que el tungsteno es un elemento muy pesado, la eliminación del tungsteno hace que las aleaciones a base de Co sean cada vez más viables en turbinas para aviones, donde la baja densidad es especialmente importante.

La familia de superaleaciones descubierta más recientemente se predijo computacionalmente en un estudio de alto rendimiento realizado por Nyshadham et al. ^[24] en 2017, y demostrado en el laboratorio por Reyes Tirado et al. en 2018. ^[15] Esta fase γ 'está nuevamente libre de tungsteno y tiene la composición Co ₃ (Nb, V) y Co ₃ (Ta, V).

Fases de superaleaciones de base conjunta

• Gamma (γ): similar a las superaleaciones a base de Ni, esta es la fase de la matriz de la superaleación. Aunque no se utilizan comercialmente en la medida de las superaleaciones a base de Ni, los elementos de aleación que se encuentran en las aleaciones a base de Co para la investigación son C, Cr, W, Ni, Ti, Al, Ir y Ta. ^{[9] [25]} El cromo también se usa en superaleaciones a base de cobalto (ocasionalmente hasta 20% en peso) ya que proporciona resistencia a la oxidación y corrosión, fundamental para el uso de materiales en turbinas de gas. ^[26]
• Gamma Prime (γ '): Al igual que en las superaleaciones a base de Ni, esta fase constituye el precipitado utilizado para fortalecer la aleación. En este caso, generalmente se estrecha lleno de una L1 ₂ estructura de Co ₃ Ti o fcc Co ₃ Ta, aunque ambos W y Al se ha encontrado que integrar en estos precipitados cúbicas bastante bien. Los elementos Ta, Nb y Ti se integran en la fase γ 'y son bastante efectivos para estabilizarla a altas temperaturas. Esta estabilización es bastante importante ya que la falta de estabilidad es uno de los factores clave que hace que las superaleaciones a base de Co sean más débiles que sus primos a base de Ni a temperaturas elevadas. ^{[9] [27]}
• Fases de carburo: como es común con la formación de carburo, su aparición en superaleaciones a base de Co proporciona endurecimiento por precipitación, pero disminuye la ductilidad a baja temperatura. ^[25]
• Las fases de empaquetado topológicamente cerrado (TCP) también pueden aparecer en algunas superaleaciones de desarrollo basadas en Co, pero un punto importante de la ingeniería de estas aleaciones es evitar los TCP.

Fases de superaleaciones basadas en Fe

El uso de aceros en aplicaciones de superaleaciones es de interés porque ciertas aleaciones de acero han mostrado una resistencia a la oxidación y a la fluencia similar a la de las superaleaciones a base de Ni, aunque su producción es mucho menos costosa.

Gamma (γ): al igual que las fases que se encuentran en las superaleaciones a base de Ni, las aleaciones a base de Fe presentan una fase de matriz de hierro austenítico (FCC). Los elementos de aleación que se encuentran comúnmente en estas aleaciones de acero inoxidable incluyen: Al, B, C, Co, Cr, Mo, Ni, Nb, Si, Ti, W e Y. ^[28] Mientras que el Al se introduce por sus beneficios de oxidación, Las adiciones de Al deben mantenerse en fracciones de bajo peso (% en peso) porque el Al estabiliza una matriz de fase primaria ferrítica (BCC), que es una fase indeseable en las microestructuras de superaleaciones, ya que es inferior a la resistencia a altas temperaturas que presenta un austenítico (FCC). ) matriz de fase primaria. ^[29]

Gamma-prima (γ '): esta fase se introduce en forma de precipitados para fortalecer la aleación. Como en las aleaciones a base de Ni, los precipitados de γ'-Ni3Al pueden introducirse con el equilibrio adecuado de adiciones de Al, Ni, Nb y Ti.

Microestructura de las superaleaciones a base de Fe

Existen dos tipos principales de aceros inoxidables austeníticos y se caracterizan por la capa de óxido que se forma en la superficie del acero: acero inoxidable que forma cromo o que forma alúmina. El acero inoxidable cromado es el tipo más común de acero inoxidable producido. Sin embargo, los aceros formadores de cromo no exhiben una alta resistencia a la fluencia a altas temperaturas de funcionamiento, especialmente en entornos con vapor de agua, en comparación con las superaleaciones a base de Ni. La exposición al vapor de agua a altas temperaturas de funcionamiento puede provocar un aumento de la oxidación interna en las aleaciones que forman cromo y la formación rápida de hidróxidos de Cr (oxi) volátiles, los cuales pueden reducir la durabilidad y la vida útil de la aleación. ^[29]

Los aceros inoxidables austeníticos formadores de alúmina presentan una matriz monofásica de hierro austenítico (FCC) con un óxido de alúmina en la superficie del acero. La alúmina es termodinámicamente más estable en oxígeno que la cromia. Sin embargo, más comúnmente, se introducen fases de precipitado para aumentar la resistencia y la resistencia a la fluencia. En los aceros formadores de alúmina, los precipitados de NiAl se introducen para actuar como depósitos de Al para mantener la capa protectora de alúmina. Además, las adiciones de Nb y Cr ayudan a formar y estabilizar la alúmina aumentando las fracciones de volumen de precipitado de NiAl. ^[29]

Los esfuerzos de investigación para el desarrollo de superaleaciones a base de Fe formadoras de alúmina han demostrado al menos 5 grados de aleaciones austeníticas formadoras de alúmina (AFA), con diferentes temperaturas de funcionamiento en la oxidación en aire + 10% de vapor de agua: ^[30]

• Grado AFA: (50-60) Fe- (20-25) Ni- (14-15) Cr- (2.5-3.5) Al- (1-3) Nb% en peso base
  • Temperaturas de funcionamiento de 750-800 ° C a oxidación en el aire + 10% de vapor de agua
• Grado AFA bajo en níquel: 63Fe-12Ni-14Cr-2.5Al-0.6Nb-5Mn3Cu% en peso base
  • Temperaturas de funcionamiento de 650 ° C a oxidación en el aire + 10% de vapor de agua
• Grado AFA de alto rendimiento: (45-55) Fe- (25-30) Ni- (14-15) Cr (3,5-4,5) Al- (1-3) Nb- (0,02-0,1) Hf / Y% en peso base
  • Temperaturas de funcionamiento de 850-900 ° C a oxidación en el aire + 10% de vapor de agua
• Grado AFA fundido: (35-50) Fe- (25-35) Ni-14Cr- (3,5-4) Al-1Nb% en peso base
  • Temperaturas de funcionamiento de 750-1100 ° C a oxidación en el aire + 10% de vapor de agua, dependiendo del% en peso de Ni
• Superaleación AFA (40-50) Fe- (30-35) Ni- (14-19) Cr- (2.5-3.5) Al-3Nb
  • Temperaturas de funcionamiento de 750-850 ° C a oxidación en el aire + 10% de vapor de agua

Se espera que las temperaturas de funcionamiento con oxidación en el aire y sin vapor de agua sean más altas. Además, se demostró que un grado de superaleación AFA exhibe una resistencia a la fluencia cercana a la de la aleación a base de níquel UNS N06617.

Microestructura de las superaleaciones

En la fase de Ni ₃ Al puro , los átomos de aluminio se colocan en los vértices de la celda cúbica y forman la subrrejilla A. Los átomos de níquel se encuentran en el centro de las caras y forman la subrejilla B. La fase no es estrictamente estequiométrica . Puede existir un exceso de vacantes en una de las subredes, lo que conduce a desviaciones de la estequiometría. Las sub-redes A y B de la fase γ 'pueden soldar una proporción considerable de otros elementos. Los elementos de aleación también se disuelven en la fase γ. La fase γ 'endurece la aleación a través de un mecanismo inusual llamado anomalía del límite elástico . Las dislocaciones se disocian en la fase γ ', lo que lleva a la formación de un límite antifase. A temperatura elevada, la energía libre asociada con el límite de antifase (APB) se reduce considerablemente si se encuentra en un plano particular, que por coincidencia no es un plano de deslizamiento permitido. Un conjunto de dislocaciones parciales que delimitan el APB se desliza de manera que el APB se encuentra en el plano de baja energía y, dado que este plano de baja energía no es un plano de deslizamiento permitido, la dislocación disociada está ahora bloqueada de manera efectiva. Mediante este mecanismo, el límite elástico del Ni ₃ Al en la fase γ 'en realidad aumenta con la temperatura hasta aproximadamente 1000 ° C, lo que da a las superaleaciones su resistencia a altas temperaturas actualmente inigualable.

La selección inicial de material para aplicaciones de palas en motores de turbina de gas incluyó aleaciones como las aleaciones de la serie Nimonic en la década de 1940. ^{[4] [ página necesaria ]} La primera serie de Nimonic incorporó precipitados de γ 'Ni ₃ (Al, Ti) en una matriz γ, así como varios carburos de metal-carbono (por ejemplo, Cr ₂₃ C ₆ ) en los límites de grano ^[31] para resistencia adicional del límite de grano. Los componentes de las palas de la turbina se forjaron hasta que se introdujeron las tecnologías de fundición por inducción al vacío en la década de 1950. ^{[4] [ página necesaria ]}Este proceso mejoró significativamente la limpieza, redujo los defectos y aumentó la resistencia y la capacidad de temperatura del material.

Las superaleaciones modernas se desarrollaron en la década de 1980. Las superaleaciones de primera generación incorporaron un mayor contenido de aluminio , titanio , tántalo y niobio para aumentar la fracción de volumen γ 'en estas aleaciones. Ejemplos de superaleaciones de primera generación incluyen: PWA1480, René N4 y SRR99. Además, la fracción de volumen de los precipitados γ 'aumentó a aproximadamente 50-70% con el advenimiento de las técnicas de solidificación monocristalina o monocristalina (ver técnica de Bridgman) para superaleaciones que permiten eliminar por completo los límites de grano de una fundición. Debido a que el material no contenía límites de grano, los carburos eran innecesarios como reforzadores de los límites de grano y por lo tanto se eliminaron. ^{[4] [ página necesaria ]}

Las superaleaciones de segunda y tercera generación introdujeron entre un 3 y un 6 por ciento en peso de renio , para aumentar la capacidad de temperatura. Re es un difusor lento y típicamente se divide en la matriz γ, disminuyendo la velocidad de difusión (y por lo tanto la fluencia de alta temperatura ) y mejorando el rendimiento a alta temperatura y aumentando las temperaturas de servicio en 30 ° C y 60 ° C en superaleaciones de segunda y tercera generación, respectivamente. . ^[32] También se ha demostrado que Re promueve la formación de balsas de la fase γ '(a diferencia de los precipitados cuboidales). La presencia de balsas puede disminuir la tasa de fluencia en el régimen de ley de potencia.(controlado por el ascenso por dislocación), pero también puede aumentar potencialmente la tasa de fluencia si el mecanismo dominante es el cizallamiento de partículas. Además, Re tiende a promover la formación de fases de TCP frágiles , lo que ha llevado a la estrategia de reducir Co, W, Mo y particularmente Cr. Las generaciones más jóvenes de superaleaciones a base de Ni han reducido significativamente el contenido de Cr por esta razón, sin embargo, con la reducción de Cr viene una reducción en la resistencia a la oxidación . Ahora se utilizan técnicas de recubrimiento avanzadas para compensar la pérdida de resistencia a la oxidación que acompaña a la disminución del contenido de Cr. ^{[21] [33]}Ejemplos de superaleaciones de segunda generación incluyen PWA1484, CMSX-4 y René N5. Las aleaciones de tercera generación incluyen CMSX-10 y René N6. Se han desarrollado superaleaciones de cuarta, quinta e incluso sexta generación que incorporan adiciones de rutenio , lo que las hace aún más caras que las aleaciones Re-conteniendo de la generación anterior. El efecto de Ru en la promoción de las fases del TCP no está bien determinado. Los primeros informes determinaron que Ru disminuyó la sobresaturación de Re en la matriz y, por lo tanto, disminuyó la susceptibilidad a la formación de la fase de TCP. ^[34]Estudios más recientes han observado el efecto contrario. Chen, et al., Encontraron que en dos aleaciones que difieren significativamente solo en el contenido de Ru (USTB-F3 y USTB-F6) que la adición de Ru aumentó tanto la relación de partición como la sobresaturación en la matriz γ de Cr y Re, y de ese modo promovió la formación de fases de TCP. ^[35]

La tendencia actual es evitar elementos muy costosos y muy pesados. Un ejemplo es el acero Eglin , un material económico con un rango de temperatura y resistencia química comprometidos. No contiene renio ni rutenio y su contenido de níquel es limitado. Para reducir los costos de fabricación, fue diseñado químicamente para fundirse en una cuchara (aunque con propiedades mejoradas en un crisol de vacío). Además, la soldadura y la fundición convencionales son posibles antes del tratamiento térmico. El propósito original era producir carcasas de bombas económicas y de alto rendimiento, pero el material ha demostrado ser ampliamente aplicable a aplicaciones estructurales, incluida la armadura.

Superaleaciones monocristalinas

Las superaleaciones monocristalinas (superaleaciones SX o SC) se forman como un solo cristal utilizando una versión modificada de la técnica de solidificación direccional, por lo que no hay límites de grano en el material. Las propiedades mecánicas de la mayoría de las otras aleaciones dependen de la presencia de límites de grano, pero a altas temperaturas, participarían en la fluencia y deben ser reemplazadas por otros mecanismos. En muchas de estas aleaciones, las islas de una fase intermetálica ordenada se asientan en una matriz de fase desordenada, todas con la misma red cristalina. Esto se aproxima al comportamiento de hilatura de dislocación de los límites de grano, sin introducir ningún sólido amorfo en la estructura.

Las superaleaciones monocristalinas (SX) tienen una amplia aplicación en la sección de turbinas de alta presión de los motores de turbinas de gas industriales y aeronáuticas debido a la combinación única de propiedades y rendimiento. Desde la introducción de la tecnología de fundición monocristalina, el desarrollo de la aleación SX se ha centrado en una mayor capacidad de temperatura, y las principales mejoras en el rendimiento de la aleación se han asociado con la introducción de nuevos elementos de aleación, incluidos el renio (Re) y el rutenio (Ru). ^[36]

Con el aumento de la temperatura de entrada de la turbina, es importante obtener una comprensión fundamental de los fenómenos físicos que ocurren durante la deformación por fluencia de las superaleaciones monocristalinas en condiciones tan extremas (es decir, alta temperatura y alta tensión). El comportamiento de deformación por fluencia del monocristal de superaleación depende en gran medida de la temperatura, la tensión, la orientación y la aleación. Para una superaleación monocristalina, existen 3 modos diferentes de deformación por fluencia bajo regímenes de temperatura y tensión diferentes: Rafting, Terciario y Primario. ^{[37] [ página necesaria ]}A baja temperatura (~ 750 ° C), las aleaciones SX exhiben principalmente un comportamiento de fluencia primaria. Matan y col. concluyó que la extensión de la deformación por fluencia primaria depende en gran medida del ángulo entre el eje de tracción y el límite de simetría <001> / <011>. ^[38] A temperaturas superiores a 850 ° C, la fluencia terciaria domina y promueve el comportamiento de ablandamiento por deformación. ^{[4] [ página necesaria ]} Cuando la temperatura supera los 1000 ° C, el efecto de rafting prevalece cuando las partículas cúbicas se transforman en formas planas bajo tensión de tracción ^[39]Las balsas también se formarían perpendiculares al eje de tracción, ya que la fase γ se transportaba fuera de los canales verticales hacia los horizontales. Después de realizar la deformación por fluencia no axial de superaleación monocristalina CMSX-4 orientada con <001> a 1105 ° C y 100 MPa, Reed et al. ha establecido que el rafting es beneficioso para la vida de la fluencia ya que retrasa la evolución de la tensión de fluencia. Además, el rafting se produciría rápidamente y suprimiría la acumulación de deformación por fluencia hasta que se alcance una deformación crítica. ^[40]

Oxidación en superaleaciones

Para las superaleaciones que operan a altas temperaturas y están expuestas a ambientes corrosivos , el comportamiento de oxidación es de suma importancia. La oxidación implica reacciones químicas de los elementos de aleación con oxígeno para formar nuevas fases de óxido , generalmente en la superficie del metal. Si no se mitiga, la oxidación puede degradar la aleación con el tiempo de diversas formas, que incluyen: ^{[41] [42]}

• oxidación secuencial, agrietamiento y desconchado de la superficie, lo que lleva a la erosión de la aleación con el tiempo.
• fragilización de la superficie a través de la introducción de fases de óxido, promoviendo la formación de grietas y fallas por fatiga
• el agotamiento de los elementos clave de la aleación, lo que afecta las propiedades mecánicas de la superaleación y posiblemente comprometa su rendimiento.

La estrategia principal utilizada para limitar estos procesos deletéreos se llama oxidación selectiva. Simplemente, la aleación está diseñada de tal manera que la proporción de elementos de aleación promueve la formación de una fase de óxido específica que luego puede actuar como una barrera para una mayor oxidación. Con mayor frecuencia, el aluminio y el cromo se utilizan en esta función, porque forman capas de óxido relativamente delgadas y continuas de alúmina (Al2O3) y cromo (Cr2O3), respectivamente. Además, poseen bajas difusividades de oxígeno., deteniendo efectivamente la oxidación adicional debajo de esta capa. En el caso ideal, la oxidación pasa por 2 etapas. Primero, la oxidación transitoria implica la conversión de varios elementos, especialmente los elementos mayoritarios (por ejemplo, níquel o cobalto). La oxidación transitoria procede hasta que la oxidación selectiva del elemento sacrificatorio forma una capa de barrera completa. ^[41]

El efecto protector de la oxidación selectiva puede verse socavado por numerosos mecanismos. La continuidad de la fina capa de óxido de sacrificio puede verse comprometida por la rotura mecánica debida al estrés o puede interrumpirse como resultado de la cinética de oxidación (por ejemplo, si la difusión de oxígeno es demasiado rápida). Si la capa no es continua, su eficacia como barrera de difusión del oxígeno se reduce significativamente. La estabilidad de la capa de óxido también está fuertemente influenciada por la presencia de otros elementos minoritarios. Por ejemplo, la adición de boro , silicio e itrio a las superaleaciones promueve la adhesión de la capa de óxido., reduciendo el desconchado y manteniendo la integridad de la capa protectora de óxido. ^[43]

La oxidación es solo la forma más básica de degradación química que pueden experimentar las superaleaciones. Los procesos de corrosión más complejos son comunes cuando los entornos operativos incluyen sales y compuestos de azufre, o bajo condiciones químicas que cambian drásticamente con el tiempo. Estos problemas y los de la oxidación básica a menudo también se abordan mediante recubrimientos delgados.

Procesamiento de superaleaciones

Los desarrollos históricos en el procesamiento de superaleaciones han provocado aumentos considerables en las temperaturas de funcionamiento de las superaleaciones . Las superaleaciones eran originalmente a base de hierro y trabajadas en frío antes de la década de 1940. En la década de 1940 , la fundición por inversión de aleaciones a base de cobalto elevó significativamente las temperaturas de funcionamiento. El desarrollo de la fusión al vacío en la década de 1950 permitió un control muy fino de la composición química de las superaleaciones y la reducción de la contaminación y, a su vez, dio lugar a una revolución en las técnicas de procesamiento como la solidificación direccional de aleaciones y superaleaciones monocristalinas. ^{[44] [ página necesaria ]}

Hay muchas formas de superaleaciones presentes dentro de un motor de turbina de gas y los métodos de procesamiento varían ampliamente dependiendo de las propiedades necesarias de cada parte específica.

Fundición y forja

La fundición y la forja son técnicas tradicionales de procesamiento metalúrgico que se pueden utilizar para generar productos tanto policristalinos como monocristalinos. Los modelos policristalinos tienden a tener una mayor resistencia a la fractura, mientras que los modelos monocristalinos tienen una mayor resistencia a la fluencia.

Los motores de turbina a reacción emplean componentes policristalinos y monocristalinos para aprovechar sus puntos fuertes individuales. Los discos de la turbina de alta presión, que se encuentran cerca del buje central del motor, son policristalinos. Las palas de la turbina, que se extienden radialmente hacia la carcasa del motor, experimentan una fuerza centrípeta mucho mayor, lo que requiere una resistencia a la fluencia. Como resultado, las palas de la turbina son típicamente monocristalinas o policristalinas con una orientación de cristal preferida.

Fundición de inversión

La fundición por inversión es una técnica de procesamiento metalúrgico en la que se fabrica una forma de cera y se utiliza como plantilla para un molde de cerámica. Brevemente, se vierte un molde de cerámica alrededor de la forma de cera, la forma de cera se derrite del molde de cerámica y el metal fundido se vierte en el vacío dejado por la cera. Esto conduce a una forma de metal con la misma forma que la forma de cera original. La fundición por inversión conduce a un producto final policristalino, ya que la nucleación y el crecimiento de los granos de cristal se producen en numerosos lugares a lo largo de la matriz sólida. Generalmente, el producto policristalino no tiene una orientación de grano preferida.

Solidificación direccional

Esquema de solidificación direccional

La solidificación direccional utiliza un gradiente térmico para promover la nucleación de los granos de metal en una superficie a baja temperatura, así como para promover su crecimiento a lo largo del gradiente de temperatura. Esto conduce a granos alargados a lo largo del gradiente de temperatura y una resistencia a la fluencia significativamente mayor paralela a la dirección del grano largo. En palas de turbinas policristalinas, la solidificación direccional se utiliza para orientar los granos en paralelo a la fuerza centrípeta. También se conoce como solidificación dendrítica.

Crecimiento de un solo cristal

El crecimiento de un solo cristal comienza con un cristal semilla que se utiliza para moldear el crecimiento de un cristal más grande. El proceso general es largo y es necesario un procesamiento adicional mediante mecanizado después de que el monocristal ha crecido.

Metalurgia de polvos

La pulvimetalurgia es una clase de técnicas de procesamiento modernas en las que los metales se convierten primero en una forma de polvo y luego se les da la forma deseada mediante el calentamiento por debajo del punto de fusión. Esto contrasta con la fundición, que ocurre con el metal fundido. La fabricación de superaleaciones a menudo emplea pulvimetalurgia debido a la eficiencia del material (por lo general, se debe mecanizar mucho menos metal de desecho del producto final) y su capacidad para facilitar la aleación mecánica. La aleación mecánica es un proceso mediante el cual las partículas de refuerzo se incorporan al material de la matriz de superaleación mediante fracturas y soldaduras repetidas. ^{[45] [ verificación fallida ]}

Sinterización y prensado isostático en caliente

La sinterización y el prensado isostático en caliente son técnicas de procesamiento que se utilizan para densificar materiales de un " cuerpo verde " suelto en un objeto sólido con granos fusionados físicamente. La sinterización se produce por debajo del punto de fusión y hace que las partículas adyacentes se fusionen en sus límites, lo que genera una fuerte unión entre ellas. En el prensado isostático en caliente, un material sinterizado se coloca en un recipiente a presión y se comprime desde todas las direcciones (isostáticamente) en una atmósfera inerte para afectar la densificación. ^[46]

Fabricación aditiva

La fusión selectiva por láser (también conocida como fusión en lecho de polvo ) es un procedimiento de fabricación aditiva que se utiliza para crear formas intrincadamente detalladas a partir de un archivo CAD. En CAD, se diseña una forma y luego se convierte en cortes. Estos cortes se envían a una grabadora láser para imprimir el producto final. En resumen, se prepara un lecho de polvo metálico y la primera porción del diseño CAD se forma en el lecho de polvo mediante un láser de alta energía que sinteriza las partículas juntas. Después de que se genera esta primera rebanada, el lecho de polvo se mueve hacia abajo y se pasa un nuevo lote de polvo metálico sobre la parte superior de la rebanada. Luego, la segunda capa se sinteriza con el láser y el proceso se repite hasta que se hayan procesado todos los cortes del archivo CAD. ^[47]Debido a la naturaleza de muchos procesos de fabricación aditiva, la porosidad puede estar presente en productos fabricados mediante fusión selectiva con láser. Muchos productos a menudo se someten a un tratamiento térmico o un procedimiento de prensado isostático en caliente para densificar el producto y reducir la porosidad que puede resultar en agrietamiento. ^[48]

Recubrimiento de superaleaciones

En las turbinas de gas modernas, la temperatura de entrada de la turbina (~ 1750 K) ha superado la temperatura de fusión incipiente de las superaleaciones (~ 1600 K), con la ayuda de la ingeniería de superficies. En condiciones de trabajo tan extremas, la calificación del recubrimiento se vuelve vital. ^{[49] [ página necesaria ]}

Diferentes tipos de revestimiento

Históricamente, se han desarrollado tres "generaciones" de recubrimientos: recubrimientos de difusión, recubrimientos de superposición y recubrimientos de barrera térmica. Los recubrimientos por difusión, constituidos principalmente con aluminuro o aluminuro de platino, siguen siendo la forma más común de protección de superficies. Para mejorar aún más la resistencia a la corrosión y la oxidación, los recubrimientos superpuestos basados ​​en MCrAlX (M = Ni o Co, X = Y, Hf, Si) se depositan en la superficie de las superaleaciones. En comparación con los recubrimientos por difusión, los recubrimientos superpuestos dependen menos de la composición del sustrato, pero también son más costosos, ya que deben realizarse mediante pulverización de plasma al vacío o aire (APS / VPS) ^{[50] [ página necesaria ]} o bien haz de electrones deposición física de vapor (EB-PVD). ^[51]Los recubrimientos de barrera térmica proporcionan, con mucho, la mejor mejora en la temperatura de trabajo y la vida útil del recubrimiento. Se estima que el TBC moderno de 300 μm de espesor, si se utiliza junto con un componente hueco y aire de refrigeración, tiene el potencial de reducir la temperatura de la superficie del metal en unos pocos cientos de grados. ^[52]

Recubrimientos de barrera térmica

Los recubrimientos de barrera térmica (TBC) se utilizan ampliamente en la superficie de superaleaciones en motores de turbinas de gas comerciales y militares para aumentar la vida útil de los componentes y el rendimiento del motor. ^[53]Un recubrimiento de aproximadamente 1-200 µm puede reducir la temperatura en la superficie de la superaleación hasta en 200K. Los TBC son en realidad un sistema de recubrimientos que consta de una capa adhesiva, un óxido de crecimiento térmico (TGO) y una capa superior de cerámica aislante térmicamente. En la mayoría de las aplicaciones, la capa de unión es una MCrAlY (donde M = Ni o NiCo) o una capa de aluminuro modificado con Pt. Se requiere una capa de unión densa para proteger el sustrato de superaleación contra la oxidación y el ataque de corrosión en caliente y para formar un TGO adherente de crecimiento lento en su superficie. El TGO se forma por oxidación del aluminio que está contenido en la capa de unión. La capa de aislamiento térmico actual (primera generación) está compuesta de circonio estabilizado con itrio al 7% en peso(7YSZ) con un espesor típico de 100 a 300 µm. La circonia estabilizada con itria se utiliza debido a su baja conductividad térmica (2.6W / mK para material completamente denso), coeficiente de expansión térmica relativamente alto y buena estabilidad a altas temperaturas. El proceso de deposición de vapor dirigido por haz de electrones (EB-DVD) utilizado para aplicar el TBC a las superficies aerodinámicas de la turbina produce una microestructura columnar con varios niveles de porosidad. La porosidad entre las columnas es fundamental para proporcionar tolerancia a la deformación (a través de un módulo en el plano muy bajo), ya que de otro modo se descascarillaría en los ciclos térmicos debido al desajuste de la expansión térmica con el sustrato de superaleación. La porosidad dentro de las columnas reduce la conductividad térmica del revestimiento.

Capa Bond

La capa de unión adhiere la capa de barrera térmica al sustrato de 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 sustrato hacia el medio ambiente. Hay cinco tipos principales de capas adhesivas, los aluminuros, los aluminuros de platino, MCrAlY, cobalto-cermet y níquel-cromo. Para los revestimientos de enlace de aluminuro, la composición y estructura final del revestimiento depende de la composición del sustrato. Los aluminuros también carecen de ductilidad por debajo de 750 ° C y exhiben una resistencia a la fatiga termomecánica limitada. Los aluminuros de Pt son muy similares a las capas de unión de aluminuro excepto por una capa de Pt (5—10 µm) depositada en la hoja. Se cree que el Pt ayuda a la adhesión del óxido y contribuye a la corrosión en caliente.El costo del revestimiento de Pt se justifica por la mayor vida útil de la hoja. MCrAlY es la última generación de capa adhesiva y no interactúa fuertemente con el sustrato. Los recubrimientos MCrAlY, que se aplican normalmente mediante pulverización de plasma, son formadores secundarios de óxido de aluminio. Esto significa que los recubrimientos forman una capa externa de óxido de cromo (cromia) y una capa secundaria de óxido de aluminio (alúmina) debajo. Estas formaciones de óxidos se producen a altas temperaturas en el rango de las que suelen encontrar las superaleaciones.Estas formaciones de óxidos se producen a altas temperaturas en el rango de las que suelen encontrar las superaleaciones.Estas formaciones de óxidos se producen a altas temperaturas en el rango de las que suelen encontrar las superaleaciones.^[54] La cromia proporciona resistencia a la oxidación y la corrosión en caliente. La alúmina controla los mecanismos de oxidación limitando el crecimiento de óxido por autopasivación. El itrio mejora la adherencia del óxido al sustrato y limita el crecimiento de los bordes de los granos (lo que puede provocar la descamación del revestimiento). ^{[55] La} investigación indica que la adición de renio y tantalio aumenta la resistencia a la oxidación.Pueden usarse recubrimientos a base de cermet de cobalto que consisten en materiales como carburo de tungsteno / cobalto debido a su excelente resistencia a la abrasión, corrosión, erosión y calor. ^{[56] [ se necesita cita completa ]} Estos cermetlos recubrimientos funcionan bien en situaciones donde la temperatura y el daño por oxidación son preocupaciones importantes, como las calderas. Una de las ventajas únicas de los recubrimientos de cermet de cobalto es una pérdida mínima de masa de recubrimiento con el tiempo, debido a la resistencia de los carburos dentro de la mezcla. En general, los recubrimientos de cermet son útiles en situaciones donde las demandas mecánicas son iguales a las demandas químicas de las superaleaciones. Los recubrimientos de níquel-cromo se utilizan con mayor frecuencia en calderas alimentadas con combustibles fósiles , hornos eléctricos y hornos de incineración de desechos, donde se debe lidiar con el peligro de agentes oxidantes y compuestos corrosivos en el vapor. ^[57]El método específico de recubrimiento por pulverización depende de la composición de los recubrimientos. Los recubrimientos de níquel-cromo que también contienen hierro o aluminio funcionan mucho mejor (en términos de resistencia a la corrosión) cuando se rocían y se vidrizan con láser, mientras que los recubrimientos de níquel-cromo puro se desempeñan mejor cuando se rocían exclusivamente térmicamente. ^[58]

Métodos de proceso de recubrimiento

Los productos de superaleación que están sujetos a altas temperaturas de trabajo y atmósferas corrosivas (como la región de turbinas de alta presión de los motores a reacción) están recubiertos con varios tipos de recubrimiento . Se aplican varios tipos de procesos de recubrimiento: proceso de cementación en paquete, recubrimiento en fase gaseosa (ambos son un tipo de deposición química de vapor (CVD)), pulverización térmica y deposición física de vapor . En la mayoría de los casos, después del proceso de recubrimiento, las regiones cercanas a la superficie de las piezas se enriquecen con aluminio, siendo la matriz del recubrimiento aluminuro de níquel .

Proceso de cementación del paquete

La cementación en paquete es una técnica de deposición química en fase vapor muy utilizada que consiste en sumergir los componentes a recubrir en una mezcla de polvo metálico y activadores de haluro de amonio y sellarlos en una retorta. Todo el aparato se coloca dentro de un horno y se calienta en una atmósfera protectora a una temperatura inferior a la normal para que tenga lugar la difusión, debido a la reacción química de las sales de haluro que provoca un enlace eutéctico entre los dos metales. La nueva aleación de superficie que se forma debido a la migración de iones por difusión térmica tiene una unión metalúrgica con el sustrato de la superficie y una verdadera capa intermetálica que se encuentra en la capa gamma de las nuevas aleaciones de superficie.

El paquete tradicional consta de cuatro componentes:

Sustrato o partes- Ferrosos y no ferrosos Aleación en polvo- (Ti y / o Al, Si y / o Zn, B y / o Cr) Activador de sal de haluro- Sales de haluro de amonio Polvo de relleno relativamente inerte (Al2O3, SiO2 o SiC) Temperaturas inferiores a (750 ° C) Este proceso incluye, entre otros:

Aluminizado Cromado Siliconizado Sherardizado Boronizado Titanizado

Pack Cementation ha tenido un renacimiento en los últimos 10 años, ya que se está combinando con otros procesos químicos para reducir aún más las temperaturas de las combinaciones de metales y dar propiedades intermetálicas a diferentes combinaciones de aleaciones para tratamientos superficiales.

Pulverización térmica

La pulverización térmica es un proceso de aplicación de revestimientos calentando una materia prima de material precursor y pulverizándola sobre una superficie. Se utilizan diferentes técnicas específicas según el tamaño de partícula deseado, el espesor de la capa, la velocidad de pulverización, el área deseada, etc. ^{[59] [ cita completa necesaria ]} Los revestimientos aplicados por pulverización térmica de cualquier tipo, sin embargo, dependen de la adhesión a la superficie. Como resultado, la superficie de la superaleación debe limpiarse y prepararse, generalmente pulida, antes de la aplicación del revestimiento térmico. ^[60]

Pulverización de plasma

De los diversos métodos de pulverización térmica, una de las técnicas más ideales y comúnmente utilizadas para revestir superaleaciones es la pulverización con plasma. Esto se debe a la versatilidad de los recubrimientos utilizables y al rendimiento a altas temperaturas de los recubrimientos pulverizados con plasma. ^[61] La pulverización de plasma puede adaptarse a una amplia gama de materiales, mucho más que otras técnicas. Siempre que la diferencia entre las temperaturas de fusión y descomposición sea superior a 300 Kelvin, un material se puede fundir y aplicar como recubrimiento mediante pulverización de plasma. ^{[62] [ página necesaria ]}

Recubrimiento en fase gaseosa

Este proceso se lleva a cabo a temperaturas más altas, alrededor de 1080 ° C. El material de recubrimiento generalmente se carga en bandejas especiales sin contacto físico con las piezas a recubrir. La mezcla de revestimiento contiene material de revestimiento activo y activador, pero normalmente no contiene lastre térmico. Al igual que en el proceso de cementación del paquete, 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 térmico por difusión.

Mecanismos de falla en sistemas de revestimiento de barrera térmica

La falla del recubrimiento de barrera térmica generalmente se manifiesta como delaminación, que surge del gradiente de temperatura durante el ciclo térmico entre la temperatura ambiente y las condiciones de trabajo, junto con la diferencia en el coeficiente de expansión térmica del sustrato y el recubrimiento. Es raro que el recubrimiento falle por completo: algunas piezas permanecen intactas y se observa una dispersión significativa en el tiempo hasta la falla si la prueba se repite en condiciones idénticas. ^{[4] [ página necesaria ]} Existen varios mecanismos de degradación para el revestimiento de barrera térmica, ^{[63] [64]} y algunos o todos deben funcionar antes de que finalmente ocurra la falla:

• Oxidación en la interfaz del revestimiento de barrera térmica y el revestimiento de unión subyacente; ^{[sesenta y cinco]}
• El agotamiento del aluminio en la capa adhesiva debido a la oxidación ^[66] y la difusión con el sustrato; ^[67]
• Tensiones térmicas por desajuste en el coeficiente de expansión térmica y tensión de crecimiento debido a la formación de una capa de óxido crecida térmicamente; ^[68]
• Imperfecciones cerca de la capa de óxido crecida térmicamente; ^{[69] [70] [71]}
• Varios otros factores que complican el funcionamiento del motor. ^{[72] [73] [74] [75] [76]}

Además, la vida útil del TBC depende en gran medida de la combinación de materiales (sustrato, capa de unión, cerámica) y procesos (EB-PVD, pulverización de plasma) utilizados.

Aplicaciones

Las superaleaciones a base de níquel se utilizan en estructuras que soportan cargas a la temperatura homóloga más alta de cualquier sistema de aleación común (Tm = 0,9, o el 90% de su punto de fusión). Entre las aplicaciones más exigentes para un material estructural se encuentran las de las secciones calientes de los motores de turbina. La preeminencia de las superaleaciones se refleja en el hecho de que actualmente comprenden 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 la eficiencia termodinámica de los motores de turbina aumenta con el aumento de las temperaturas de entrada de la turbina, ha proporcionado, en parte, la motivación para aumentar la temperatura máxima de uso de las superaleaciones. De hecho, durante los últimos 30 años, la capacidad de temperatura del perfil aerodinámico de la turbina ha aumentado en promedio alrededor de 4 ° F (2,2 ° C) por año.Dos factores importantes que han hecho posible este aumento son

1. Técnicas de procesamiento avanzadas, que mejoraron la limpieza de la aleación (mejorando así la confiabilidad) y / o permitieron la producción de microestructuras a medida, como material solidificado direccionalmente o monocristalino.
2. El desarrollo de aleaciones da como resultado materiales de mayor temperatura de uso principalmente a través de la adición de elementos refractarios como Re, W, Ta y Mo.

Aproximadamente el 60% de los aumentos de temperatura de uso se han producido debido a conceptos de refrigeración avanzados; El 40% ha sido el resultado de mejoras materiales. Las temperaturas de la superficie de las palas de las turbinas de última generación están cerca de los 2.100 ° F (1.150 ° C); las combinaciones más severas de tensión y temperatura corresponden a una temperatura promedio del metal a granel que se acerca a los 1.830 ° F (1,000 ° C).

Aunque las superaleaciones a base de níquel conservan una resistencia significativa a temperaturas cercanas a los 1.800 ° F (980 ° C), tienden a ser susceptibles al ataque ambiental debido a la presencia de elementos de aleación reactivos (que proporcionan su resistencia a altas temperaturas). El ataque superficial incluye oxidación, corrosión en caliente y fatiga térmica. En las aplicaciones más exigentes, como álabes y álabes de turbinas, las superaleaciones a menudo se recubren para mejorar la resistencia ambiental. ^[18]

En general, se necesitan materiales de alta temperatura para aplicaciones de conversión y producción de energía. Se desea la máxima eficiencia de conversión de energía en estas aplicaciones de energía, que se puede lograr aumentando las temperaturas de funcionamiento, como se describe en el ciclo de Carnot. Debido a que la eficiencia de Carnot está limitada por la diferencia de temperatura entre los depósitos fríos y calientes, las temperaturas de funcionamiento más altas dan como resultado una mayor eficiencia de conversión de energía. Las temperaturas de funcionamiento están limitadas por el rendimiento de las superaleaciones actuales y, en la actualidad, la mayoría de las aplicaciones funcionan entre 1000 ° C y 1400 ° C. Las aplicaciones energéticas y sus componentes de superaleaciones incluyen: ^[77]

• Turbinas de gas (álabes de turbina)
• Plantas de energía solar térmica (varillas de acero inoxidable que contienen agua caliente)
• Turbinas de vapor (álabes de turbina y carcasa de caldera)
• Intercambiadores de calor para sistemas de reactores nucleares

Los aceros inoxidables formadores de alúmina se pueden procesar mediante fusión y colada en cuchara, de manera similar a la producción de aceros más comunes. En comparación con los procesos de colada al vacío, la colada con cuchara es mucho menos costosa. Además, se ha demostrado que el acero inoxidable que forma alúmina es soldable y tiene potencial para su uso en aplicaciones automotrices de alto rendimiento, como tuberías de escape de alta temperatura y captura y reutilización de calor.

Investigación y desarrollo de nuevas superaleaciones

La disponibilidad de superaleaciones durante las últimas décadas ha provocado un aumento constante de las temperaturas de entrada a la turbina, y se espera que la tendencia continúe. Sandia National Laboratories está estudiando un nuevo método para hacer superaleaciones, conocido como radiolisis . Introduce un área de investigación completamente nueva en la creación de aleaciones y superaleaciones a través de la síntesis de nanopartículas . Este proceso es prometedor como método universal de formación de nanopartículas . Al desarrollar una comprensión de la ciencia de los materiales básicos detrás de estas formaciones de nanopartículas, se especula que podría ser posible expandir la investigación a otros aspectos de las superaleaciones.

Puede haber considerables desventajas en la fabricación de aleaciones mediante este método. Aproximadamente la mitad del uso de superaleaciones es en aplicaciones donde la temperatura de servicio está cerca de la temperatura de fusión de la aleación. Por tanto, es habitual utilizar monocristales. El método anterior produce aleaciones policristalinas, que sufren de un nivel inaceptable de fluencia.

Se espera que los futuros paradigmas en el desarrollo de aleaciones se centren en la reducción de peso y en la mejora de la resistencia a la oxidación y 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 del diseño de aleaciones es reducir el costo de las superaleaciones.

Ha habido investigación y desarrollo en curso de nuevas aleaciones de acero inoxidable debido a los costos más bajos en la producción de tales aleaciones, así como a la necesidad de un acero inoxidable austenítico con resistencia a la corrosión a alta temperatura en ambientes con vapor de agua. La investigación se centra en aumentar la resistencia a la tracción a alta temperatura, la tenacidad y la resistencia a la fluencia para competir con las superaleaciones a base de Ni. ^[30]

Oak Ridge National Laboratory está desarrollando activamente una nueva clase de acero inoxidable austenítico formador de alúmina para su uso en aplicaciones de alta temperatura. La investigación inicial mostró una resistencia a la corrosión y a la fluencia a 800 ° C similar a la de otras aleaciones austeníticas, incluidas las superaleaciones a base de Ni. ^[30]

El desarrollo de superaleaciones AFA con una base de Ni al 35% en peso ha mostrado potencial para su uso en temperaturas de funcionamiento superiores a 1.100 ° C. ^[30]

Ver también

• Aleación reforzada con dispersión de óxido
• Aluminuro de titanio

Referencias

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Enlaces externos

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