CAPITULO 8

SUPERALEACIONES

1. GENERALIDADES.• La necesidad de diseñar elementos que puedan trabajar con altas temperaturas y altos esfuerzo es decir diseñar contra creep, ha conducido al descubrimiento de las llamadas “superaleaciones”, las cuales deben soportar altas temperaturas, sin que ocurra sensibles cambios en su resistencia ni se corroa considerablemente, para lo cual es necesario contar con materiales con propiedades especiales para estas aplicaciones. Estas aleaciones se aplican en componentes de turbinas a vapor y gas que se usan en jet.

• Las superaleaciones pueden ser aun reforzadas, mediante el endurecimiento por precipitación

• Los materiales para alta temperatura pueden considerarse en los siguientes grupos:

a) Aleaciones base hierro.

b) Aleaciones base níquel

c) Aleaciones base cobalto.

d) Metales y aleaciones refractarios.

e) Cerámicos.

f) Cermets.• Se consideran como supe aleaciones aquellas que están hachas en base a Níquel, Fierro – Níquel y Cobalto que contienen otros elementos de aleación, a fin de producir una combinación de alta resistencia mecánica a temperaturas elevadas (termofluencia) incluso llegar a los 1000º y además resistencia a la corrosión, cuyas temperaturas de fusión son similares a las del acero.

2. ALEACIONES BASE HIERROMencionaremos algunos subgrupos.

2.1 ACEROS AL CARBONO DE BAJA ALEACION.

Entre estos aceros de bajo carbono, son mejorados en su resistencia al creep mediante agregados de Mo (endurecedor por solución sólida) y de V, Ti, o Nb, (precipitadores de carburos finos, C Nb, C Ti, V4 C3).

Su rango de aplicación se encuentra entre 450 – 650 ºC, trabajando en las temperaturas mas altas, aquellos con agregados de Cr que mejora la resistencia a la oxidación en las temperaturas mas bajas trabajan aquellos aceros sin aditivos endurecedores.

Los aceros de carbono medio (0,3 a 0,4 % C) son mejorados con carbono y vanadio.

2.2 ACEROS AL CROMO.

Son los aceros inoxidables ferríticos (% Cr entre 12 a 17) y marténsiticos (% Cr entre 17 a 25) son los de la serie 400 ASTM, no trabajan bien al creep, pero si a la oxidación y corrosión. Trabajan a temperaturas entre 850 a 1050 ºC. Los de mayor temperatura, son aquellos con agregados de Ni, W, Al, M o V los 430, 446 ASTM y Greek- Ascoloy. (81 % Fe, 13% Cr, 3% W, 2 % Ni, C < 1%)

Las aleaciones de fundición de este grupo son aceros de alto Cr y trabajan al creep con cargas ligeras a 600 ºC.

2.3 ACEROS AL CROMO – NIQUEL

Corresponden a los aceros inoxidables austeníticos de la serie 300 ASTM en ellos el % Cr, está entre el 15 a 25 %, el cual mejora la resistencia a la oxidación, el Ni del 8 a 20%, estabiliza la austenita y el carbono se mantiene bajo para evitar la sensibilidad a la corrosión.

Muy importante en este subgrupo, el acero 18 - 8 (304) el cual presenta una resistencia muy mejorada al creep. Presentan el problema de la precipitación de la fase “sigma” (Fe Cr, Co Cr, Mn3Cr, Fe V, V N, Mn3 V, Co2Mo3) de gran fragilidad. Aunque suelen ser estabilizados (precipitación reducida con Nb, Ti y Mo).

Trabajan entre 450 ºC y 800ºC.

2.4. ACEROS PH.

Son modificaciones del 18 – 8, endurecidos por precipitación mediante Al, Cu, Mo, Nb; tal como el 14 – 4 PH, etc.

Las aleaciones Cr – Ni y Ni – Cr, para fundición presentan el inconveniente de la precipitación de la fase sigma, por lo que son frágiles.

2.5. ACEROS AL NIQUEL – CROMO.

Entre ellos los aceros austeníticos al alto Ni, con austenita mas estable, mayor resistencia a la fatiga y al choque térmico. Ejemplo:• RA – 330 e Incoloy semejantes a la serie 300.• El Incoloy T y el Tinidur para resistencia al creep tienen Ti y

Al.• El Udimet 212, además tiene B y Zr en trazas (para retardar

la precipitación)

2.5. SUPERALEACIONES Fe – Ni – Cr – Mo ( hasta 6% Mo).

Entre Otras:

Gamma – Coulombio, con 4% Mo y 4 % Nb, trabajan normalmente hasta 850 ºC.

3. SUPERALEACIONES BASE NIQUEL

Tienen mejores propiedades a alta temperatura que las de base hierro, normalmente trabajan entre 800 a 1200 ºC, son reforzadas mediante precipitación de partículas de Ni3 Ti y/o Ni3 Al. Entre estas tenemos:

3.1. ALEACIONES Ni – Cr.

Con 20% de Cr y con adiciones de Ti y/o Al son utilizados para tubos de combustión (calderas piro tubulares). Entre las de mayor aplicación tenemos: Nimonic, Inconel,

el Nimonic-900 tiene 18% Co.

3.2. ALEACIONES Ni – Cr – Mo.

Contienen de 5 a 20% de Cr y de 5 a 30% de Mo. Pertenecen a estas la serie Hasteloy.

3.3. ALEACIONES Ni – Cr - Co.

Estas contienen de 15 a 20% de Cr y de 10 a 30% de Co, además tienen pequeños agregados de Mo, Ti y Al. Ejemplo. Inconel 700.

Algunas aleaciones adicionan trazas de Boro y/o de Zirconio, para retardar la precipitación que es muy rápida. Algunas aleaciones de este grupo: Waspalloy, Udimet–500, René–41.

También en este grupo se consideran aleaciones complejas de Ni-Cr-Co-Fe.

Entre las de bajo Ni, tenemos: S-590, Ni 155.

Entre las de alto Ni, tenemos : Refractaloy 26, K-42-B

COMPOSICION ES TIPICAS DE SUPERALEACIONES EN BASE NIQUEL

Aleación %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B %Zr % Otros elementos

Inconel X-750

73,0 18,0 - - 0,8 2,5 0,9 0,04 - - 6,8 % Fe

Udimet 500 53,6 18,0 18,5 4,0 2,9 2,9 - 0,08 0,006 0,05

Udimet 700 53,4 15,0 18,5 5,2 4,3 3,5 - 0,08 0,03 -

Waspaloy 58,3 19,5 13,5 4,3 1,3 3,0 - 0,08 0,006 0,06

Astroloy 55,1 15,0 17,0 5,2 4,0 3,5 - 0,06 0,03 -

Rene 41 55,3 19,0 11,0 10,0 1,5 3,1 - 0,09 0,005 -

Nimonic 80A 74,7 19,5 1,1 - 1,3 2,5 - 0,06 - -

Nimonic 90 57,4 19,5 18,0 - 1,4 2,4 - 0,07 - -

Nimonic 105 53,3 14,5 20,0 5,0 1,2 4,5 - 0,2 - -

Nimonic 115 57,3 15,0 15,0 3,5 5,0 4,0 - 0,15 - -

Aleación %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B %Zr % Otros elementos

B-1900 64,0 8,0 10,0 6,0 6,0 1,0 - 0,10 0,015 0,1 4,0 % Ta

MAR-M200 60,0 9,0 10,0 - 5,0 2.0 1.0 0,13 0,015 0,05 12,0 % W

Inconel 738   61,0 16,0 8,5 1,7 3,4 3,4 0,9 0,12 0,01 0,10 1,7 % Ta,

3,6 % W

Rene 77 58,0 14,6 15,0 4,2 4,3 3,3 - 0,07 0,016 0,04

Rene 80 60,0 14,0 9,5 4,0 3,0 5,0 - 0,17 0,015 0,03 4,0 %W

COMPOSICION ES TIPICAS DE SUPERALEACIONES EN BASE NIQUEL

COMPOSICIONES PROPIEDADES Y APLICACIONES DE ALEACIONES SELECCIONADAS DE NIQUEL Y COBALTO

TURBINA Y ALABES DE UN TURBOREACTOR SUPERALEACION BASE NIQUEL

CAMARAS DE COMCUSTION DE MOTOR CON TURBINA A GAS (AERONAVE) ALEACIONN BASE NIQUEL

CAMARAS DE COMCUSTION E INYECTOR DE COMBUSTIBLE DE MOTOR CON TURBINA A GAS (AERONAVE) ALEACION BASE NIQUEL

4. SUPERALEACIONES BASE COBALTO

Se caracterizan por la buena resistencia al creep, generados por agregados de Cr y W y también por presentar carburos Cr23 C6 y otros carburos complejos, se usan en el rango de 900 a 1100 ºC.

Entre ellos tenemos:

ALEACIONES FORJABLES. S-816 y V-36 : 20 a 25% Cr, 20% Ni y 2 a% Fe, con agregados de 8 a 12% de Mo + W + Nb.

HS-25 cambia a Ni 10% y W 15%.

ALEACIONES PARA FUNDICION. Stellitas (Co-Cr-Ni-Mo)

TOBERAS DE TURBINA , BROCAS Y FRESA CON INSERTOS DE SUPERALEACION BASE COBALTO

CAMARAS DE COMBUSTION MULTIPLES Y APU DE MOTOR DE AVION USANDO SUPERALEACIONES EN BASE NIQUEL

5. METALES Y ALEACIONES REFRACTARIOS.• Entre estos podemos mencionar los siguientes:

5.1. METALES NOBLES.

Los mas importantes son:

Su uso es muy excepcional pues su densidad y alto costo los convierte en materiales casi prohibidos.

El Ir y Rh se usan como aleantes. El platino se usa puro o con aleantes entre ellos, de 10 a 20% de Rh, para aplicaciones en atmósferas oxidantes de 1500 ºC y 1800 ºC. Se utilizan en la fabricación de termocuplas y contactos eléctricos.

METAL TEMPERATUTA DE FUSION (ºC)

DENSIDAD(g/cm3)

Iridio 1450 12,2

Rodio 1970 12,4

Platino 1730 21,4

5.2. METALES REFRACTARIOS.

Tienen poca resistencia a la oxidación por volatilización de sus películas protectoras, por lo tanto, para usarlos en alta temperatura, algunos de ellos necesitan vacío o atmósferas protectoras. También pueden ser recubiertos con películas de níquel.

METAL TEMPERATUTA DE FUSION (ºC)

DENSIDAD(g/cm3)

Tungsteno 3380 19,3

Tantalio 3000 16,6

Molibdeno 2600 10,2

Niobio 2500 8,6