Comportamiento y Propiedades de las Superaleaciones Metálicas a Altas Temperaturas

Factores a Considerar en la Utilización de Materiales a Temperaturas Elevadas

Los fenómenos que ocurren en la utilización de los materiales a temperaturas elevadas adquieren una importancia decisiva. Entre estos se encuentran:

• Fluencia (Creep)
• Esfuerzos térmicos
• Oxidación y corrosión

Influencia de la Temperatura en las Propiedades Mecánicas

Es fundamental evaluar las propiedades mecánicas con respecto a la temperatura ambiente.

• Generalmente, los materiales se comportan bien hasta una temperatura de servicio de 950ºC.
• Las superaleaciones especiales pueden resistir hasta temperaturas de 1200ºC.

Clasificación General

Las superaleaciones se clasifican según su base metálica:

• Base Fe/Ni/Co, utilizadas a temperaturas de 540ºC y superiores.

Características Más Significativas de las Superaleaciones

Las propiedades clave que definen a estas aleaciones son:

1. Elevada resistencia a altas temperaturas.
2. Resistencia a la oxidación.
3. Resistencia al creep (fluencia).
4. Estabilidad metalúrgica.
5. Características de expansión térmica adecuadas.
6. Resistencia a la fatiga térmica.

Composición y Mecanismos de Mejora

Combinación Adecuada de Aleantes para Mejorar Propiedades

• Inoxidabilidad: Se logra con Cr (~ 15-27 %) y Al (que cumple una doble función).
• Resistencia y resistencia a fluencia: Se obtienen mediante la estabilización de la solución sólida y la dispersión adecuada de precipitados a través de tratamiento térmico.
• Precipitados: Pueden ser carburos o compuestos intermetálicos (Mo, W, V, Nb, Ti, Al, B).

Triple Función de los Carburos

1. En el borde de grano, disminuyen el deslizamiento (mejorando la fluencia).
2. Finamente dispersos en los granos, incrementan la resistencia.
3. Se combinan con elementos que podrían crear inestabilidad de fases durante el servicio.

Resistencia a la Oxidación

La resistencia a la oxidación viene dada por la utilización de elementos formadores de una capa de óxido superficial protectora (continua y adherente), como Cr₂O₃ o Al₂O₃.

Precauciones a Considerar en el Diseño

Posibilidad de Corrosión Intergranular

Este fenómeno se puede evitar reduciendo el contenido de Carbono (C) o añadiendo elementos más ávidos por el C que el Cromo (Cr).

Presencia de Elementos que Formen Compuestos u Óxidos de Bajo Punto de Fusión

• Ejemplo: Formación de V₂O₅.
• Presencia de Azufre (S), que puede causar la formación de sulfuros de bajo punto de fusión en aleaciones que contengan Níquel (Ni).

Superaleaciones Base Níquel (Ni)

El Níquel promueve el endurecimiento por precipitación y la formación de carburos.

Requisitos y Estructura

• Contenido mínimo de Ni: 50%.
• El Ni confiere a las aleaciones una estructura austenítica cúbica centrada en las caras (CCC), lo que resulta en excelentes propiedades de: Plasticidad, Resistencia en caliente, y aptitud para aleaciones de forja y colada.
• Se han desarrollado aleaciones ODS (Oxide Dispersion Hardened) con Y₂O₃.

Endurecimiento en la Matriz Austenítica (Fase $\gamma$)

El endurecimiento se logra por:

• Solución sólida.
• Precipitación (adición de Ti, Al y/o Nb para formar fases $\gamma'$ y $\gamma''$): $\gamma'$ es estable hasta 700ºC, y $\gamma''$ es estable hasta 650ºC.
• Formación de carburos (Tipos: MC, M₂₃C₆, M₆C y M₇C₃):
  • MC: con Ti, Ta, Nb y Zr.
  • M₂₃C₆: con Cr o Fe, y en menor proporción W, Mo, Co.
  • M₆C: para altos contenidos de Mo y W.

Función de Otros Aleantes

• Cr, Al: Resistencia a la oxidación.
• Co: Aumenta la solubilidad de aleantes (Ti, Al) en la matriz austenítica base Ni.
• W: Mejora el comportamiento a temperaturas más elevadas.

Ejemplos de Aleaciones Base Ni

• INCONEL 718 (Ni-Cr-Fe): Ni 50-55%, Cr 17-21%.
• NIMONIC 105 (Ni-Cr-Co): Ni Resto, Co 18-22%, Cr 14-15.7%.
• HIERRO (Aleación con alto contenido de Fe): Ni 35-40%, Fe Resto.

Superaleaciones Base Cobalto (Co)

Aplicaciones Típicas

• Piezas de motores a reacción sometidas a calentamientos y enfriamientos repetidos.
• Componentes estáticos de turbinas.
• Aleaciones de forja y colada.

Propiedades Destacadas

• Buena resistencia a la fluencia hasta 1000ºC.
• Menor resistencia que las superaleaciones base Ni (en componentes estáticos).
• Muy buena resistencia al choque térmico.
• Muy buena resistencia a la oxidación a elevada temperatura (debido al alto %Cr).
• Facilidad de moldeo (mediante el procedimiento a la cera perdida).

Estructura y Endurecimiento

• El Co puro es HCP; el Ni estabiliza la fase CCC.
• El Cobalto no forma precipitados (intermetálicos) endurecedores por sí mismo.
• El endurecimiento se logra por:
  • Solución sólida.
  • Formación de carburos (Tipos: MC, M₂₃C₆ y M₆C):
    • MC: con Ti, Ta, Nb y Zr.
    • M₂₃C₆ y M₆C: con Cr, Mo y W (el segundo cuando Mo, W > 5%).
  • Adición de Zirconio (Zr) y Boro (B).
• Se obtiene mayor resistencia en caliente por la reducción de vacantes en los bordes de grano.

Superaleaciones Base Hierro (Fe)**

Límites y Desarrollo

• Temperatura máxima de utilización ($T_{max}$): 650ºC.
• Desarrollo a partir de aceros inoxidables austeníticos (Ni) con adición de C, Mo, W, Ti, Al.

Ventajas y Composición

• Constituyen la solución más económica.
• Solo se utilizan en aleaciones de forja.
• Mejor procesado que las superaleaciones de Co y Ni.
• Mejor soldabilidad.
• La aleación más utilizada es la Inconel 718.
• Metalúrgicamente, requieren un mínimo de 25% Ni para asegurar la estructura CCC.

Mecanismos de Endurecimiento

• Mo: Para endurecimiento por solución sólida.
• Ti, Al y Nb: Para endurecimiento por precipitación (fases $\gamma'$ y $\gamma''$).