martes, 13 de noviembre de 2012

U 3. Superaleaciones (apuntes)

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  níquelcobalto  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  poderLas  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  fusiónRecubrimientos 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)  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 titaniopara  formar  la  fase  gamma  prima.  El cromo  protege  el producto  final  de  la  corrosiónmientras 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 establesEstos 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,    reactorescanalizaciones 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 ánodoDe  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 élLa  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%  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   solidificancambiando   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  solidificaciónDespués 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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