3.1. Aspectos generales
Un superaleación, o aleación de alto rendimiento, es una aleación que presenta una
excelente resistencia
mecánica y resistencia a la fluencia a altas temperaturas, buena estabilidad de la superficie, y la corrosión y resistencia a la oxidación. Superaleaciones suelen tener una matriz con una cara austeníticos
centrado en la estructura
cristalina cúbicos. Una base de superaleación elemento de aleación es generalmente
de níquel, cobalto o níquel-hierro. Superaleación desarrollo ha dependido en gran medida en lasindustrias de químicos y la innovación de procesos y ha sido impulsado principalmente por
las industrias
aeroespacial y de poder. Las aplicaciones
típicas se encuentran en la industria aeroespacial, de la turbina de gas industriales
y de la industria de turbinas marinas, por ejemplo, palas de la turbina para las secciones calientes de los motores areacción.
Una de las propiedades superaleación más importante es la alta resistencia a la pérdida
de temperatura. Otras propiedades de los materiales fundamentales son la fatiga, la estabilidad de fase, así como la oxidación y la resistencia a la corrosión.
Aplicaciones
Superaleaciones se utilizan comúnmente en los motores de turbina de gas en las regiones
que están sujetas a las altas temperaturas que requieren de alta resistencia, excelente resistencia a la fluencia, así como la corrosión y resistencia a la oxidación. En la mayoría de los motores de turbina de esto está en la turbina de alta presión, hojas de aquí puede enfrentar temperaturas
que se acercan, si no más allá de su temperatura
de fusión. Recubrimientos de barrera térmica (TBCs) desempeñan un papel importante en las hojas que les permite operar en tales condiciones, la protección del material de la base de los efectos térmicos, así como la corrosión y oxidación.
3.1.1 Superaleaciones base Níquel
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. Fase gamma: solución sólida centrada en las caras que actúa como matriz.(γ´).
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.
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.
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.
Procesos de endurecimiento empleados en estas aleaciones:
Endurecimiento por solución sólida: Grandes adiciones de Cr, Mo y W, pequeñas adiciones de Ta, Zr, Nb y B proporcionan el endurecimiento por solución sólida. Estos efectos son bastante estables, actuando los bordes de grano como
frenos en el avance de las dislocaciones, lo que provoca la resistencia
a la termofluencia.
Endurecimiento por dispersión de carburos: Todas las superaleaciones
contienen pequeñas cantidades de carbono, que en combinación
con otros elementos aleantes produce una red de finas partículas de carburo muy estables. Estos carburos, tales como TiC, BC, ZrC, TaC, etc., poseen una extraordinaria dureza.
Hastelloy D (Ni, 10% Si, 3% Cu). Es una aleación para moldeo, fuerte, tenaz y extremadamente dura. Tiene una excelente resistencia a la corrosión al acido sulfúrico. Difícil mecanización. Se emplea para evaporadores, reactores, canalizaciones y accesorios en la industria química.
3.1.2 Base Cobalto
Base Cobalto
- Mantienen su resistencia a temperaturas elevadas.
- Además de llevar metales refractarios y carburos metálicos, contienen niveles elevados de cromo, lo que aumenta la resistencia a la corrosión.
- Son más fáciles de soldar que otras superaleaciones y se forjan con más facilidad.
Se aplican para fabricar la laboriosa estructura de la cámara de combustión de las
turbinas de gas.
Otras aplicaciones
Industria aeroespacial.
Cuchillas de las turbinas y motor de Cohetes.
Industria marina
Submarinos
Industria de Procesos químicos.
Reactores Nucleares.
Tubos de intercambiadores de calor.
Turbinas de gas industrial
Industria aeroespacial.
Cuchillas de las turbinas y motor de Cohetes.
Industria marina
Submarinos
Industria de Procesos químicos.
Reactores Nucleares.
Tubos de intercambiadores de calor.
Turbinas de gas industrial.
3.1.3 Base titanio
- La densidad es mucho menor que las superaleaciones basadas en Co y Ni, sin embargo la resistencia a elevadas temperaturas es bastante menor.
- Hay materiales intermetálicos del tipo TiAl y Ti3Al, que prometen buenas prestaciones mecánicas a temperaturas elevadas.
Aplicaciones
En los últimos diez años se han realizado avances tecnológicos en el desarrollo de modernos motores de turbinas para aeroplanos, dirigibles y componentes de superaleaciones de base níquel.
3.2 Diagramas de equilibrio, microestructura y cristalografía
Tipos de reacciones
Diagrama Cobre-Niquel
Tipos de reacciones
3.3 métodos de elaboración
3.3.1 Fusión
Para incrementar progresivamente la ley o contenido de las superaleaciones sometidas a fundición, el proceso pirometalúrgico considera fases consecutivas de Fusión, Conversión y Refinación.
Así se logra que la pureza inicial de 30% a 40% contenida inicialmente en el concentrado, se incremente progresivamente hasta 99,5% en el ánodo. De las fases consecutivas, la fusión y la conversión son las más importantes por lo determinantes que resultan en el proceso general.
La fusión tiene por objetivo concentrar el metal a recuperar, mediante una separación de fases de alta temperatura: una sulfurada rica en el metal y otra oxidada o pobre en él. La conversión
elimina el azufre y el hierro presentes en la fase sulfurada, mediante oxidaciones del baño fundido para obtener un cobre final relativamente puro.
Hoy en día el proceso de fundición once etapas:
1. Recepción y manejo de materias primas e insumos.
2. Secado de concentrados.
3. Tostación parcial de concentrados.
4. Alimentación de concentrados al horno de fusión.
5. Fusión de concentrados.
6. Limpieza de escorias.
7. Granallado de eje alta ley y escorias.
8. Preparación y manejo de eje de alta ley.
9. Conversión de eje de alta ley.
10. Refinación y moldeo de ánodos.
11. Plantas de limpieza de gases.
Etapas del Proceso
Recepción y manejo de materias primas e insumos:
El proceso se inicia con la recepción y almacenamiento de los fundentes y otros insumos en áreas especiales
para el concentrado. Estos materiales, que son transportados
por vía marítima o terrestre, tienen un contenido de humedad que varía entre un 6% a 8% y proviene de distintas fuentes de abastecimiento. Se descargan mediante correas transportadoras tubulares o similares para evitar derrames y daños al medio ambiente.
Un equipo extrae el concentrado desde las camas de almacenamiento hacia el domo de mezcla. La operación normal permite que mientras una de las camas se está llenando, la otra se encuentre descargando a la planta. El domo de mezcla, cuya geometría es una semiesfera metálica cerrada, debe tener capacidad suficiente para algunos días de operación y estar ubicado en las inmediaciones del área de secado. El domo prepara mediante una correa circular interna una mezcla homogénea de concentrado, para dar la estabilidad operacional requerida por el proceso de fusión.
3.3.2 Solidificación direccional
Solidificación direccional es una serie de medidas aplicadas para controlar la alimentación de bastidores. Como la mayoría de metales y aleaciones
solidifican, cambiando del estado líquido al de estado sólido experimentarán una contracción apreciable del volumen. Sin la atención a los principios del control, los objetos que el molde contendrá encogimiento comúnmente llamado interno de los vacíos a “desertan”.
Algunas de las medidas aplicadas son el uso de frialdades, canalizaciones verticales, control de la tarifa que vierte, temperatura que vierte, y el uso de exotérmico materiales.
Con el uso apropiado de las medidas, como el metal solidifica el interfaz para el límite
entre el líquido y el metal sólido se mueve hacia una fuente del metal adicional de la alimentación y lejos de la región donde la solidificación comenzó.
Solidificación de los metales
La solidificación
involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso de solidificación difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación.
Metales puros. Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye su
punto de congelación o punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros son bien conocidos. El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la figura 2.3, conocida como curva de enfriamiento.
La solidificación real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificación, durante el cual el calor latente de fusión del metal escapa fuera del molde. El tiempo total de solidificación va desde el momento de vaciar el metal hasta su completa solidificación. Después que la fundición se ha solidificado completamente, el enfriamiento continúa a una velocidad indicada por la pendiente hacia debajo de la curva de enfriamiento.
3.4 Comportamiento mecánico
Dureza
Los resultados
de las mediciones de dureza en las muestras sinterizadas a 1305°C, homogenizadas a 1000 y 1065°C y posteriormente envejecidas a 350°C durante diferentes tiempos se presentan en la Figura.
Figura 5. Dureza de las superaleaciones sinterizadas a 1305°C, homogenizadas
a 1000 y 1065°C y posteriormente envejecidas a 350°C a diferentes tiempos.
3.5 Oxidación y corrosión
TIPOS DE OXIDACION.
Oxidación lenta
La que ocurre casi siempre en los metales a causa del agua o aire, causando su corrosión y
pérdida de brillo.
Oxidación rápida
La que ocurre durante lo que ya sería la combustión, desprendiendo cantidades
apreciables de calor, en forma de fuego.
¿QUE ES LA CORROSION?
La corrosión; es definida como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque
electroquímico por su entorno. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción
electroquímica (oxidación).
Corrosión Galvánica
Puede ocurrir cuando metales distintos se unen eléctricamente
en presencia de un electrolito (por ejemplo, una solución conductiva).
Corrosión uniforme
Es aquella corrosión que se produce con el adelgazamiento uniforme producto de la
pérdida regular del metal superficial.
Corrosión por picaduras
Se produce en zonas de baja corrosión, el proceso produce unas pequeñas “picaduras” en
el cuerpo que afectan.
3.6 Cambios en la microestructura durante su exposición a
temperaturas elevadas
Alotropía
El fenómeno alotropía o polimorfismo se presenta en los elementos y compuestos que
existen en más de una forma cristalina, bajo diferentes condiciones de temperatura y
presión
Muchos metales industrialmente importantes como:
- Hierro
- Titanio
- Cobalto
Experimentan transformaciones
lotrópicas a elevadas temperaturas
y presión atmosférica.
Este fenómeno de la alotropía, se debe a que los átomos que forman las moléculas, se
agrupan de distintas maneras, provocando características físicas diferentes como:
- Color
- Dureza
- Textura
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