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

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

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,

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

3

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

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

3

Al que prometen buenas prestaciones mecánicas a temperaturas elevadas. Tan importante

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.