Tendencia de desarrollo y aplicación de la aleación de alta temperatura a base de níquel 718

La aleación 718 es una aleación de alta temperatura a base de níquel que se elige cuando hacen falta a la vez resistencia al calor, a la corrosión y a la fatiga: piezas de la zona caliente de motores aeroespaciales, equipos de perforación, reactores químicos y hornos de alta temperatura. Este artículo repasa su composición y preparación, el tratamiento térmico de solución y envejecimiento, las propiedades mecánicas y las aplicaciones, y cierra con las tendencias de desarrollo. En tuberías se conoce sobre todo como material de fijación que mantiene estancas las juntas de brida durante ciclos térmicos repetidos.

Composición y preparación de la aleación 718

El níquel es el elemento base, por encima del 50%. El hierro completa el balance, y el cromo, el cobalto, el molibdeno y el aluminio aportan el refuerzo que el tratamiento térmico despliega después. Pequeñas adiciones de titanio, circonio y carbono completan la química.

• Base: níquel sobre 50%, hierro en el balance.
• Adiciones principales: cromo, cobalto, molibdeno y aluminio.
• Microadiciones: titanio, circonio y carbono.
• Estructura cristalina: cúbica centrada en las caras, densa y resistente.

La producción sigue el camino habitual de las superaleaciones: fusión por inducción al vacío o refundición por electroescoria para lograr un baño uniforme, vertido en un molde prediseñado y solidificación en la forma buscada, y por último tratamiento térmico. La uniformidad del baño es lo que hace repetible la respuesta a la solución y al envejecimiento de una colada a otra.

Tratamiento térmico: solución y envejecimiento

La aleación 718 se suministra en estado tratado térmicamente. El trabajo lo hacen dos etapas: primero la solución y después el envejecimiento.

En la solución el material se calienta hasta 1020-1100 °C y se mantiene unas 1 hora para que los elementos de aleación se disuelvan de forma uniforme; después se enfría a velocidad controlada. La etapa elimina la tensión residual y las fases duras excesivas y mejora la plasticidad y la trabajabilidad en caliente.

Parámetros típicos de tratamiento térmico de la aleación 718. Los ciclos exactos dependen de la sección de la pieza y de la especificación aplicable.

Después viene el envejecimiento, normalmente en dos pasos: primero a baja temperatura y luego a alta. Tres puntos deciden si el ciclo funciona en producción.

• Control de la temperatura: mantenga el valor fijado en una banda estrecha; de lo contrario, las propiedades se deterioran.
• Control del tiempo: el exceso de envejecimiento a baja temperatura reduce la fluencia, y el exceso a alta aumenta el tamaño de grano y rebaja la resistencia y la dureza.
• Control de la composición: el silicio, el aluminio, el titanio y el carbono cambian la respuesta a la solución y al envejecimiento.

Propiedades mecánicas y límite elástico

La aleación 718 une alta resistencia, alta tenacidad y resistencia a la fatiga. La resistencia a la tracción puede superar los 1400 MPa y el límite elástico pasa de 1200 MPa, y la dureza y el desgaste permiten usarla en piezas de movimiento rápido.

El límite elástico es la tensión en la que empieza la deformación plástica, y es el dato que fija los límites de servicio. La resistencia la controlan la estructura cúbica centrada en las caras y la composición: el níquel da refuerzo en solución sólida, y el cromo y el hierro añaden refuerzo en solución sólida y endurecimiento por precipitación.

• Temperatura: el límite elástico baja al subir la temperatura de servicio.
• Nivel de tensión y velocidad de deformación: ambos desplazan el valor medido.
• Composición: ajustar la proporción de elementos de aleación eleva el límite elástico.
• Tratamiento térmico: los ciclos de solución y envejecimiento cambian la estructura de grano.
• Deformación en frío: eleva el límite elástico, pero reduce la plasticidad y la tenacidad.

Por eso las tensiones admisibles del fijado de las bridas de tubería y de otras piezas cargadas se toman del límite elástico a la temperatura de servicio, no de los valores a temperatura ambiente, y la aleación se especifica solo donde ese margen hace falta de verdad.

Aplicaciones y tendencias de desarrollo

Dos campos absorben la mayor parte del material; un tercer grupo de piezas se lleva el resto.

• Aeroespacial: álabes de turbinas, componentes de la cámara de combustión y cojinetes de la zona caliente.
• Petróleo, gas y química: reactores químicos, portadores de catalizadores, hornos de alta temperatura y equipos de perforación.
• Maquinaria de alta velocidad: piezas que necesitan dureza y desgaste junto con la resistencia.

La demanda seguirá creciendo en los dos campos principales. La investigación busca mayor resistencia a altas temperaturas y a la corrosión, menor costo de preparación y mejor sostenibilidad. A medida que avancen la ciencia de los materiales y las técnicas de fusión y colada, el abanico de piezas que justifican la aleación 718 debería ampliarse.

Preguntas frecuentes

¿Qué elementos forman la base de la aleación 718?

Níquel por encima del 50% con hierro en el balance, además de cromo, cobalto, molibdeno y aluminio, y pequeñas adiciones de titanio, circonio y carbono.

¿Qué temperaturas de tratamiento térmico se usan?

Solución a 1020-1100 °C durante unas 1 hora, y después envejecimiento unas 8 h a 720 °C y unas 8 h a 980 °C.

¿Por qué baja el límite elástico al subir la temperatura?

El límite elástico disminuye al aumentar la temperatura, por lo que la temperatura de servicio se fija según ese valor y no según los datos a temperatura ambiente. El nivel de tensión y la velocidad de deformación también influyen.

¿Conviene la deformación en frío de la aleación 718?

Eleva el límite elástico, pero también reduce la plasticidad y la tenacidad, así que el grado de trabajo en frío se ajusta a la ductilidad que necesita la pieza.