Superaleaciones

SUPERALEACIONES.
Superaleaciones base níquel. Microestructura y propiedades. Superaleaciones monocristalinas y reforzadas
por dispersión de óxidos. Superaleaciones base cobalto. Microestructura y propiedades. Aplicaciones en los
sistemas propulsivos aerospaciales
Superaleaciones
Se denominan superaleaciones a un grupo de
Materiales de base níquel, hierro y cobalto que son
utilizados a temperaturas de 540 °C y superiores. Las
superaleaciones poseen elevada resistencia a altas
temperaturas, resistencia al ataque del medio ambiente
(incluyendo nitruración, carbonización, oxidación y
sulfuración), excelente resistencia al creep, resistencia
a la ruptura por estrés, estabilidad metalúrgica,
características de expansión térmica muy útiles y
resistencia a la fatiga térmica y a la corrosión [1].
En los últimos diez años se han realizado avances
tecnológicos en el desarrollo de modernos motores de
turbinas para aeroplanos y dirigibles y componentes
de
generación
de
energía
coincidiendo
con
significativos logros de ingeniería en el área de la
metalurgia de superaleaciones de base níquel. Para
ello se han incrementado los niveles de elementos
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aleantes de tipo refractarios en las superaleaciones de
base níquel, logrando incrementar sus propiedades
mecánicas a elevadas temperaturas, sin embargo, esto
produjo un importante problema que es la formación
de defectos de granos y particularmente el desarrollo
de cadenas de freckles durante la solidificación
direccional [4].
Los freckles (pecas) son defectos macroscópicos que
ocurren en varios sistemas de aleaciones bajo ciertas
condiciones de solidificación [1−5]. Este tipo de
defectos se distribuyen usualmente en un modo
específico en la fundición. En monocristales (SX) o
fundiciones solidificadas direccionalmente (DS), los
freckles se encuentran en su mayoría en la superficie
de la fundición [1], sin embargo, también se forman
dentro de la misma. El examen metalúrgico muestra
que los freckles se componen de granos equiaxiales y
constituyentes eutécticos [1,3]. Varios autores han
considerado que a formación de freckles en sistemas
metálicos es debida a un problema de inestabilidad
convectiva hidrodinámica [5−9].
Debido a que metalúrgicamente es muy importante
obtener cristales de superaleaciones base níquel sin
formación de freckles, y además, comprender en qué
condiciones es posible su formación; en el presente
trabajo se analiza la tendencia a la formación de
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freckles de diferentes superaleaciones de base níquel
solidificadas
direccionalmente,
utilizando
como
material de carga la aleación CMSX−4 y como
material de semilla las aleaciones PWA 1483,
PWA1484 y René 5. La macroestructura y la
microestructura obtenida después de la solidificación
direccional fue caracterizada mediante observación
visual (OV), utilizando microscopía óptica (MO) y
microscopía electrónica de barrido (SEM). Se analiza
la tendencia a la formación y distribución de líneas de
freckles en función del diámetro de las probetas, con
la velocidad de crecimiento y la composición de la
aleación.
superaleaciones base cobalto
mantienen su resistencia a
temperaturas elevadas. Su resistencia en estas condiciones se debe
principalmente, a la distribución de carburos refractarios (combinaciones
de metales tales como el wolframio y el molibdeno con el carbono), que
tienden a precipitar en los límites de los granos de matriz austenítica. La
mejora de las propiedades de la aleación con la red de carburos se
mantiene hasta temperaturas próximas a su punto de fusión.
Generalmente, las aleaciones de cobalto, además de llevar metales
refractarios y carburos metálicos, contienen niveles elevados de cromo,
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lo que aumenta la resistencia a la corrosión provocada por la presencia
de los gases de combustión calientes. Las aleaciones de cobalto son
más fáciles de soldar que otras superaleaciones y se forjan con más
facilidad. Por estas razones, se aplican para fabricar la intrincada
estructura de la cámara de combustión de las turbinas de gas, donde los
componentes deben ser hechurables y soldables.
Los elementos de adición más utilizados, cromo, tántalo, wolframio,
molibdeno y níquel, entran en solución sólida en la matriz cúbica
centrada en las caras y contribuyen al reforzamiento a través de los
efectos normales de endurecimiento por solución sólida. El efecto
endurecedor relativo dependerá de los diámetros atómicos. Cuanto
superaleaciones base níquel
son la y .icroestructura de la superaleación son microcristales
casi−cúbicos de fase éatriz de fase . En cierto modo se puede considerar como un
material compuesto formado por micropartículas metálicas dispersadas en una matriz metálica.
Ambas fases presentan una estequiometría Ni
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Al, pero la estructura cristalina de la fase c
átomos de Ni y Al ordenados en la celda unidad mientras que en la fase éstos átomos están
desordenados. La gran dureza que presentan las superaleaciones se debe a que las dislocaciones se
anclan en la interfase de los dos constituyentes (se pueden mover a través de la fase , pero se
anclan cuando llegan a un microcristal de fase )ente además de Ni y Al, se añade Cr
para proteger la pieza de la corrosión y Ti y W para aumentar más la dureza. Al enfriar la mezcla
líquida, primero solidifica la fase (P
F
mayor) y al enfriar la fase sólida aparece la s
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dentro de la matriz metálica. El tamaño final de los microcristales de fase d de la
velocidad de enfriamiento y puede llega a ser el 60 % del volumen de la aleación. A elevada
temperatura, los cristales de la fase tás alta que la de
operación y se envejecen a una temperatura inferior. Cuando estas superaleaciones son muy duras,
también son bastante frágiles. Esto significa que al hechurar estos materiales se separan las fases ya
que las fuerzas de cohesión no son muy altas. Un 0.02 % de B en las superaleaciones de Ni mejora
mucho la mecanización y se pasa de frágil a dúctil. La resistencia máxima se consigue a 850
o
C, y
la resistencia mecánica es útil hasta " 1000
o
C. Los álabes cercanos a la cámara de combustión se
fabrican de esta superaleación.
superaleaciones base titanio
En este caso se describen como una fase precipitada dentro
de una matriz de fase . La densidad es mucho menor que las superaleaciones basadas en Co y Ni,
sin embargo la resistencia a elevadas temperaturas es bastante menor. Solo se pueden emplear con
garantías de buenas propiedades mecánicas hasta T=½ del P
F
(temperaturas en grados K), mientras
que las de Ni y Co se pueden utilizar hasta T=7−8/10 del P
F
. Hay materiales intermetálicos del tipo
TiAl y Ti
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Al que prometen buenas prestaciones mecánicas a temperaturas elevadas. Tan importante
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como las fases presentes en los materiales y su estequiometría es el procesado del material ya que
altera la microestructura y por tanto las prestaciones.
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