Desarrollo de materiales de aleación de alta temperatura.
Las aleaciones de alta temperatura —superaleaciones a base de níquel, cobalto y hierro— conservan la resistencia bajo carga por encima de 600 °C; por eso las turbinas de gas, los motores de aeronaves y los hornos petroquímicos trabajan más calientes y duran más. En tuberías calientes respaldan el atornillado y el sellado metálico, donde unas juntas de brida normales ceden por fluencia y la unión pierde estanqueidad.
Qué son las aleaciones de alta temperatura
Una aleación de alta temperatura es un material metálico que soporta carga por encima de 600 °C. Debe combinar resistencia a la oxidación y a la corrosión con resistencia a la fluencia y a la rotura, resistencia a la fatiga térmica y una microestructura estable en servicio.
De estas aleaciones se fabrican las partes calientes de motores de aeronaves y de cohetes, buques y turbinas de gas industriales: álabes, discos, cámaras de combustión y carcasas. Petróleo, gas y química las usan en calentadores, reformadores y equipos de conversión de carbón, y en el atornillado y las bridas de tubería de las uniones calientes.
- Resistencia a la oxidación y a la corrosión caliente en la superficie.
- Resistencia a la fluencia y a la rotura a temperatura sostenida.
- Resistencia a la fatiga térmica y a las cargas cíclicas.
- Estabilidad microestructural: las fases de refuerzo no se engrosan ni se disuelven.
Cómo se desarrolló la familia de aleaciones
Las superaleaciones de níquel surgieron a finales de la década de 1930 y su producción se extendió país por país.
- 1941 — Gran Bretaña produjo la primera aleación de níquel, Nimonic 75 (Ni-20Cr-0,4Ti); el aluminio elevó la resistencia a la fluencia y dio Nimonic 80 (Ni-20Cr-2,5Ti-1,3Al).
- Mediados de 1940 — Estados Unidos inició su propia producción.
- Finales de 1940 — se sumó la Unión Soviética.
- Mediados de 1950 — China inició la producción y creó el sistema GH para las aleaciones forjadas de níquel.
Desde entonces el avance siguió dos vías: composición y tecnología. La fusión al vacío de 1950 permitió altos contenidos de aluminio y titanio; la fundición de precisión de finales de 1950 dio aleaciones fundidas más resistentes; a mediados de 1960 llegaron la cristalización direccional, los monocristales y la pulvimetalurgia. Desde 1960 se desarrollaron aleaciones de níquel con alto cromo, resistentes a la corrosión térmica, para buques y turbinas de gas. De 1940 a 1970 la temperatura de servicio pasó de 700 °C a 1100 °C, unos 10 °C por año.
Clasificación de las aleaciones de alta temperatura
Por proceso de fabricación hay aleaciones forjadas, fundidas y de pulvimetalurgia, suministradas en placa, barra y disco. Por mecanismo de refuerzo hay aleaciones en solución sólida, endurecidas por envejecimiento y con dispersión de óxidos.
Por elemento de matriz hay tres grupos.
| Elemento de matriz | Resistencia a la rotura | Designación y uso |
|---|---|---|
| A base de níquel | La más alta; familia más usada | Fundidas K1, K2, … ; forjadas GH36, GH49, GH141, … |
| A base de cobalto | Por debajo de las de níquel | — |
| A base de hierro | La más baja | — |
Tabla 1. Aleaciones de alta temperatura por elemento de matriz; el orden sigue la resistencia a la rotura.
- Refuerzo en solución sólida: tungsteno, molibdeno y cobalto en la matriz.
- Refuerzo por precipitación: las fases γ′ (Ni₃Al) y γ″ (Ni₃Nb).
- Refuerzo con dispersión de óxidos: partículas finas y estables.
Aleación, fases de refuerzo y producción
El cromo se añade por la resistencia a la oxidación y a la corrosión. Las aleaciones de 1940 y 1950 llevaron 18–20 % de Cr; en 1960 se redujo a 8–12 % para ganar resistencia a alta temperatura, y reducirlo más daña la oxidación y la corrosión. Las aleaciones forjadas en solución sólida llevan más tungsteno, molibdeno y cobalto; las débilmente endurecidas, aluminio, titanio y niobio; las fuertemente endurecidas, hasta 7,5 % de esos elementos, más boro, cerio y magnesio en los límites de grano.
La fase de refuerzo principal es γ′ (Ni₃Al): 20–55 % de la estructura en aleaciones forjadas y hasta 60 % en las fundidas. La segunda es γ″ (Ni₃Nb), que refuerza más por debajo de 700 °C y eleva el límite elástico, por eso es la base de las aleaciones de disco. El cobalto sube la temperatura de disolución de γ′ y la de servicio; el hafnio mejora la ductilidad a temperatura media y el boro con circonio refuerza los límites de grano.
- Fusión: inducción al vacío para un metal limpio y control de aluminio y titanio, con refundición en horno consumible al vacío o por escoria electroconductora.
- Deformación: forjado, laminado y extrusión; las aleaciones poco plásticas se extrusionan con vaina de acero blando para romper la estructura fundida.
- Fundición: la aleación madre se funde al vacío y después vienen la refundición y la fundición de precisión, único camino para los conductos de refrigeración de los álabes huecos.
- Tratamiento térmico: solubilizado, tratamiento intermedio y envejecimiento. En Udimet 500: 1175 °C 2 h al aire, 1080 °C 4 h, 843 °C 24 h y 760 °C 16 h.
Las aleaciones fundidas tienen límites: menor resistencia a la fatiga, baja plasticidad, microporosidad que dispersa las propiedades y pérdida de estabilidad en servicio. Una aleación fundida de níquel con alto boro y bajo carbono, desarrollada en Estados Unidos en 1968, lo corrige: el boro se multiplica 10–20 veces y el carbono baja a 0,01–0,03 %, con más resistencia y plasticidad, menos porosidad y mayor estabilidad a largo plazo.
Preguntas frecuentes
¿Qué aleaciones de alta temperatura tienen mayor resistencia a la rotura?
Las de níquel, que además son las más usadas; siguen las de cobalto y quedan al final las de hierro.
¿Qué aportan las fases γ′ y γ″?
La fase γ′ (Ni₃Al) es la principal: 20–55 % en aleaciones forjadas y hasta 60 % en fundidas. La fase γ″ (Ni₃Nb) refuerza más por debajo de 700 °C y eleva el límite elástico, por eso sostiene las aleaciones de disco.
¿Por qué el contenido de cromo bajó de 18–20 % a 8–12 %?
En la década de 1960 se redujo el cromo para ganar resistencia a alta temperatura. Reducirlo más daña la oxidación y la corrosión, por eso la mayoría se mantiene entre 8 y 12 %.
¿Por qué se funden al vacío?
La fusión por inducción al vacío reduce los gases y los elementos nocivos y controla adiciones fácilmente oxidables como el aluminio y el titanio; después suele haber refundición en horno consumible al vacío o por escoria electroconductora.
¿Cómo se designan las aleaciones forjadas a base de níquel?
El sistema chino usa GH más un número de serie —GH36, GH49, GH141— mientras que las fundidas a base de níquel llevan K más un número, como K1 y K2.
Tendencia de desarrollo y aplicación de la aleación de alta temperatura a base de níquel 718
Problemas comunes y soluciones de los sujetadores de pernos durante la instalación
Artículo relacionado
