Superaleación para niños

Una superaleación es un tipo especial de metal que es muy, muy fuerte. Puede soportar temperaturas extremadamente altas sin deformarse ni romperse. También es muy resistente a la corrosión (como el óxido) y al desgaste.

Estas aleaciones se empezaron a estudiar en serio a finales de los años 1930. Esto fue porque se necesitaban materiales muy resistentes para los motores de los aviones, especialmente los de turbina de gas. Su desarrollo ha sido impulsado por la industria aeroespacial y la de energía.

Las superaleaciones se usan en lugares donde hace mucho calor. Por ejemplo, en las palas de los motores a reacción. También se encuentran en las válvulas de los motores diésel y de automóviles.

Generalmente, las superaleaciones tienen una estructura cristalina especial. Su base suele ser níquel, cobalto o una mezcla de níquel y hierro. Algunos ejemplos de superaleaciones son Hastelloy, Inconel y Waspaloy.

¿Para qué se usan las superaleaciones?

Álabe de turbina de gas hecho de una superaleación de níquel.

Las superaleaciones se usan mucho en los motores de turbinas de gas. Esto es porque estas partes están expuestas a temperaturas muy altas. Necesitan ser muy fuertes y no deformarse con el calor. También deben resistir la fatiga (el desgaste por uso repetido), la oxidación y la corrosión.

¿Cómo se hacen tan resistentes?

Las superaleaciones logran su resistencia a altas temperaturas de varias maneras. Una es el fortalecimiento por solución sólida. Esto significa que se mezclan diferentes metales de forma que sus átomos se distribuyen uniformemente.

El método más importante es la formación de pequeñas partículas dentro del metal. Estas partículas, como la fase gamma prima y los carburos, se forman con un tratamiento de calor especial. Actúan como pequeños "refuerzos" que impiden que el metal se deforme.

Para protegerse de la oxidación y la corrosión, a veces se les aplica un recubrimiento especial. Este recubrimiento se forma cuando el metal entra en contacto con el oxígeno. Crea una capa protectora que aísla el material. Elementos como el aluminio y el cromo ayudan a formar esta capa.

Además, algunas piezas se enfrían con aire. Esto se hace a través de pequeños canales dentro de ellas. Así, pueden funcionar a temperaturas mucho más altas que el punto de fusión de la superaleación. Esto protege el material base del calor y del desgaste.

Aplicaciones comunes de las superaleaciones

Las superaleaciones también se usan en turbocompresores. Allí, suelen soldarse al eje de acero. Son útiles en motores de gasolina porque mejoran su eficiencia.

También se emplean en ambientes corrosivos, como el agua salada o ácidos. En estos casos, son mejores que otros metales como el acero inoxidable.

En los motores de émbolo (diésel y gasolina), las superaleaciones se usan en las válvulas. Resisten las altas temperaturas y presiones sin picarse ni degradarse.

Otras aplicaciones incluyen:

• Turbinas de gas en aviones, barcos y plantas de energía.
• Vehículos espaciales y submarinos.
• Reactores nucleares.
• Vehículos de carreras y de alto rendimiento.
• Plantas de procesamiento químico.
• Carcasas de bombas y tubos de intercambiadores de calor.

¿Cómo se desarrollaron las superaleaciones?

A lo largo de la historia, las superaleaciones han mejorado mucho. Cada vez pueden soportar temperaturas más altas.

Antes de los años 1940, las superaleaciones eran principalmente de hierro. Se trabajaban en frío. En los años 1940, las aleaciones de cobalto fundido permitieron trabajar a temperaturas mucho más altas.

En los años 1950, se inventó la fundición al vacío. Esto permitió controlar con mucha precisión la composición química de las superaleaciones. También se pudieron reducir las impurezas. Esto llevó a nuevas técnicas de fabricación, como la solidificación direccional y las superaleaciones monocristalinas.

Los primeros pasos

El primer acero resistente al calor para motores de turbina de gas se creó en Alemania entre 1936 y 1938. Se llamaba Tinidur. Era un acero especial que podía usarse en las palas de las turbinas a temperaturas de 600 a 700 °C.

En 1943-1944, se producían muchas toneladas de Tinidur al año. Más tarde, se desarrollaron otros aceros como el DVL42 y DVL52. Estos podían funcionar a temperaturas aún más altas, de 750 a 800 °C.

Avances en los años 1940

En Alemania, se buscaba aumentar la temperatura de los motores de turbina de gas hasta 900 °C. Se experimentó con aleaciones complejas. Sin embargo, la escasez de níquel y cobalto durante la guerra dificultó esto.

Se exploraron dos soluciones:

• Crear canales de enfriamiento por aire en las palas de la turbina.
• Estudiar el uso de materiales cerámicos.

Ambas ideas fueron muy innovadoras y dieron buenos resultados. El primer motor a reacción producido en serie, el Jumo-004, usaba palas de Tinidur. Más tarde, se usaron palas huecas enfriadas con aire, lo que permitió alcanzar los 850 °C.

En 1942, en el Reino Unido, se creó la superaleación Nimonic-80. Fue la primera de una serie de aleaciones de níquel-cromo muy resistentes al calor. La base de esta aleación era el nicrom (80% níquel - 20% cromo), conocido por su resistencia al calor.

Los elementos clave que hacían fuerte al Nimonic-80 eran el titanio y el aluminio. Estos formaban una fase de refuerzo especial. El Nimonic-80 se usó en las palas de la turbina de uno de los primeros motores de turbina de gas de Rolls-Royce, el "Nene".

En la Unión Soviética, también se crearon superaleaciones de níquel similares al Nimonic-80.

Hasta finales de los años 1940, las aleaciones resistentes al calor se basaban en hierro o níquel. Se añadía cromo para resistir la corrosión. El aluminio, titanio o niobio aumentaban la resistencia a la deformación. A finales de los años 1940, se empezó a preferir el níquel y el cobalto como base. Esto permitía obtener una estructura cristalina más fuerte y estable.

Más tarde, se descubrió que añadir molibdeno, wolframio, niobio, tántalo, renio y hafnio también hacía las superaleaciones más fuertes.

Superaleaciones de níquel

En los años 1950, empresas de Estados Unidos desarrollaron aleaciones como Waspaloy y M-252. Estas se usaban en las palas de los motores de avión. Luego, se crearon otras como Hastelloy X, René 41 e Inconel.

Los expertos dicen que entre los años 1950 y 1980, la química de las superaleaciones de níquel cambió mucho. Se introdujo más aluminio y se sustituyeron otros elementos. Esto hizo que la cantidad de la fase de refuerzo (gamma prima) aumentara del 25-35% al 65-70% en los materiales modernos.

¿Cómo se refuerzan?

La resistencia a la deformación de estas aleaciones depende de cómo se mueven las "dislocaciones" (pequeños defectos en la estructura cristalina). En las superaleaciones de níquel, la fase gamma prima [Ni3(Al, Ti)] actúa como una barrera. Impide que las dislocaciones se muevan libremente, haciendo el material más fuerte.

La adición de aluminio y titanio ayuda a crear esta fase gamma prima. Su tamaño se puede controlar con tratamientos de calor muy precisos. Muchas superaleaciones reciben dos tratamientos de calor. Uno crea partículas grandes de gamma prima, y el otro, partículas más finas entre ellas.

Muchos otros elementos, como cromo, cobalto, molibdeno, wolframio, tántalo, circonio, niobio, renio, carbono, boro o hafnio, también se añaden.

Las superaleaciones de níquel suelen tener una composición química muy compleja. Incluyen entre 12 y 13 componentes cuidadosamente equilibrados. También se controla la cantidad de impurezas como silicio, fósforo, azufre, oxígeno y nitrógeno. Algunos elementos como el selenio, teluro, plomo y bismuto deben ser casi inexistentes.

Normalmente, estas aleaciones contienen:

• 10 a 12% de cromo.
• Hasta 8% de aluminio y titanio.
• 5 a 10% de cobalto.
• Pequeñas cantidades de boro, circonio y carbono.
• A veces, molibdeno, wolframio, niobio, tántalo y hafnio.

Los elementos se agrupan así:

• Los que forman la estructura cristalina principal (matriz): cobalto, hierro, cromo, molibdeno y wolframio.
• Los que ayudan a endurecer la fase gamma prima: aluminio, titanio, niobio, tántalo y hafnio.
• Los que se sitúan en los límites de los granos (pequeñas fronteras dentro del metal): boro, carbono y circonio.

El cromo, molibdeno, wolframio, niobio, tántalo y titanio forman carburos. El aluminio y el cromo forman una capa de óxido que protege contra la corrosión.

Fases de las superaleaciones

Las superaleaciones de alta temperatura tienen varias "fases" principales:

• Fase gamma (γ): Es la estructura cristalina principal. Contiene mucho cobalto, cromo, molibdeno y wolframio.
• Fase gamma prima (γ'): Son pequeñas partículas que refuerzan el material. Contienen aluminio y titanio. Hay muchas de estas partículas en la estructura.
• Carburos: El carbono en las aleaciones es bajo. Se une a elementos como titanio, tántalo y hafnio para formar carburos.
• Límite de grano de la fase γ': Esta fase forma una película en los límites de los granos durante el tratamiento térmico.
• Boruros: Se encuentran en los límites de los granos como partículas.
• Otras fases (σ y μ): Estas fases tienen forma de láminas. No son deseables porque hacen que el material se vuelva frágil.

Tratamiento con calor

Las superaleaciones de níquel forjado tienen carburos dispersos en su estructura. Un proceso llamado "recocido homogeneizador" prepara la estructura para que las partículas de la fase gamma prima se distribuyan uniformemente. Luego, se realiza un "envejecimiento" en varias etapas.

Por ejemplo, la aleación Inco 718 se calienta a 768 °C durante una hora. Luego, se envejece en dos etapas: 8 horas a 718 °C y 8 horas a 621 °C. Es importante enfriar el material a una velocidad controlada para evitar que se formen fases no deseadas.

Superaleaciones de cobalto

A principios del siglo XX, se patentaron aleaciones de cobalto-cromo y cobalto-cromo-wolframio. Se llamaron "estelitas" y se usaban para herramientas de corte.

En los años 1930, se creó una aleación de cobalto-cromo-molibdeno llamada Vitalio para prótesis dentales. Más tarde, una aleación similar, la HS-21, se usó en turbinas de gas. También se empezó a usar una aleación de cobalto-níquel-cromo en las palas de los motores de turbina.

En 1943, se desarrolló la aleación X-40 (cobalto-níquel-cromo-wolframio) para fabricar palas fundidas. Sin embargo, el desarrollo de nuevas superaleaciones de níquel en los años 1950 a 1970, que se endurecían por la fase gamma prima, hizo que las aleaciones de cobalto se usaran menos.

Las superaleaciones de cobalto no tienen la fase gamma prima secundaria que las hace tan fuertes.

Resistencia al calor

Una de las características más importantes de estas aleaciones es su alta resistencia a la deformación por calor (fluencia). La resistencia al calor se mide por cuánto tiempo pueden soportar altas temperaturas sin romperse o deformarse. Esto depende de su estructura y composición.

Para ser resistente al calor, una aleación debe tener varias fases y límites de grano fuertes. En las aleaciones de níquel, esto se logra mezclando muchos componentes. Cuanto mayor sea la cantidad de la fase de refuerzo y más estable sea, mayor será la resistencia al calor.

Resistencia a largo plazo

Cada tipo de superaleación tiene una resistencia y un rango de temperatura en el que puede usarse.

Níquel

Las superaleaciones de níquel se usan a temperaturas de 760 a 980 °C. Las que se fabrican por fundición son más resistentes a largo plazo a temperaturas muy altas. Por ejemplo, la aleación MAR-M246 puede soportar 124 MPa después de 1000 horas a 982 °C.

Cobalto

Las superaleaciones de cobalto tienen estas características:

• Su punto de fusión es más alto. Esto les da mayor resistencia a largo plazo. Pueden operar a temperaturas más altas que las aleaciones de níquel y hierro.
• Su alto contenido de cromo las hace muy resistentes a la corrosión en caliente.
• Son muy resistentes a la fatiga térmica y se pueden soldar bien. Por eso se usan en turbinas.

Hierro

Las superaleaciones de níquel-hierro se usan a temperaturas de 650 a 815 °C. Su resistencia a largo plazo es menor que la de otras superaleaciones.

Superaleaciones monocristalinas

En los años 1970-1980, se empezó a usar la fundición de aleaciones resistentes al calor. Estas se obtenían con métodos de solidificación direccional y aleaciones monocristalinas de níquel. El uso de estos materiales mejoró la resistencia y durabilidad de las palas de las turbinas de gas.

Dentro de los motores de turbina de gas, hay diferentes tipos de superaleaciones. Las superaleaciones de níquel policristalinas se usan para los discos de la turbina de alta presión. Se pueden fabricar con polvo de metal o por fundición.

Las palas de la turbina pueden ser policristalinas, tener una estructura de grano columnar o ser un monocristal. Las palas policristalinas se hacen fundiendo el metal en un molde de cerámica. Las palas con estructura de grano columnar se crean con técnicas de solidificación direccional. Sus granos están alineados, lo que aumenta su resistencia a la deformación.

Las superaleaciones monocristalinas (SX o SC) se forman como un solo cristal. Esto se logra con una técnica especial de solidificación direccional. No tienen límites de grano en el material. Las propiedades de la mayoría de las aleaciones dependen de estos límites de grano. Pero a altas temperaturas, pueden causar deformación. Por eso, en los monocristales, se usan otros mecanismos de refuerzo.

En muchas de estas aleaciones, hay pequeñas "islas" de una fase intermetálica ordenada dentro de una estructura desordenada. Todas tienen la misma red cristalina. Esto ayuda a bloquear las dislocaciones sin introducir partes amorfas (sin forma definida) en la estructura.

Metalurgia de las superaleaciones

Las primeras superaleaciones estaban diseñadas para funcionar hasta 700 °C. Con el tiempo, la temperatura de operación aumentó. La segunda generación usó renio y otros elementos muy caros.

Las superaleaciones modernas, de cuarta generación, se fabrican como cristales individuales (monocristales). Contienen elementos adicionales, como el rutenio. Pueden funcionar hasta 1100 °C.

Los elementos de aleación y los tratamientos de calor a menudo hacen que las superaleaciones sean difíciles de trabajar y soldar. Esto aumenta los costos de fabricación y la cantidad de piezas defectuosas.

La tendencia actual es evitar los elementos muy caros y pesados. Una posible solución es el acero Eglin. Es un material económico con un amplio rango de temperatura y resistencia química. No contiene renio ni rutenio, y su contenido de níquel es limitado.

Para reducir los costos, se diseñó para fundirse en un horno normal (aunque sus propiedades mejoran en un horno de vacío). Además, se puede soldar de forma convencional antes del tratamiento térmico. Su objetivo original era fabricar carcasas de bombas de alto rendimiento y bajo costo. Pero ha demostrado ser útil en muchas otras aplicaciones estructurales, incluyendo blindajes.

La estructura de las superaleaciones de níquel con el endurecedor principal consiste en una matriz gamma y un precipitado intermetálico gamma prima. La fase gamma es una solución sólida cristalina. La fase gamma prima tiene una red cristalina ordenada.

La fase gamma prima endurece la aleación de una manera especial. A altas temperaturas, su resistencia aumenta. Esto hace que las superaleaciones sean increíblemente fuertes a altas temperaturas.

A menudo, es bueno que los límites de grano de las superaleaciones de níquel contengan carburos (o boro o circonio). Esto mejora la resistencia a la deformación. Cuando los carburos se forman en los límites de los granos, los fijan. Esto mejora la resistencia al deslizamiento y la migración que ocurriría durante la deformación. Sin embargo, si forman una película continua, pueden reducir la resistencia a la fractura de la aleación.

Recubrimiento de superaleaciones

Las piezas de superaleación que trabajan a altas temperaturas y en ambientes corrosivos (como en los motores a reacción) se recubren con diferentes tipos de materiales. Principalmente se usan dos procesos: la cementación en paquete y el recubrimiento en fase gaseosa. Ambos son tipos de deposición química de vapor.

En la mayoría de los casos, después del recubrimiento, las zonas cercanas a la superficie de las piezas se enriquecen con aluminio. La matriz del recubrimiento es de aluminuro de níquel.

Proceso de cementación en lotes

Este proceso se realiza a temperaturas más bajas, alrededor de 750 °C. Las piezas se colocan en cajas con una mezcla de polvos. Esta mezcla contiene el material de recubrimiento (aluminio), un activador (cloruro o fluoruro) y un material de relleno (óxido de aluminio).

A altas temperaturas, el haluro de aluminio gaseoso se transfiere a la superficie de la pieza y se difunde hacia adentro. Al final del proceso, se forma una "capa verde" muy delgada y frágil. Luego, se realiza un tratamiento térmico de difusión (varias horas a unos 1080 °C). Esto permite una mayor difusión y la formación del recubrimiento deseado.

Recubrimiento en fase gaseosa

Este proceso se lleva a cabo a temperaturas más altas, alrededor de 1080 °C. El material de recubrimiento se coloca en bandejas especiales, sin contacto físico con las piezas. La mezcla de recubrimiento contiene el material activo y el activador, pero no el material de relleno.

Al igual que en el proceso anterior, el cloruro de aluminio gaseoso (o fluoruro) se transfiere a la superficie de la pieza. Pero en este caso, la difusión es hacia afuera. Este tipo de recubrimiento también necesita un tratamiento de difusión de calor.

Capa de unión

La capa de unión es la que adhiere el recubrimiento protector a la superaleación. Además, protege contra la oxidación y evita que los átomos de la superaleación se muevan hacia el ambiente.

Hay tres tipos principales de capas de unión: aluminuros, aluminuros con platino y MCrAlY.

• Los recubrimientos de aluminuro dependen de la composición de la superaleación. No son muy flexibles por debajo de 750 °C y tienen una resistencia limitada a la fatiga térmica.
• Los aluminuros con platino son similares, pero tienen una capa de platino (5-10 micras) en la superficie. Se cree que el platino ayuda a que el óxido se adhiera y mejora la resistencia a la corrosión en caliente. El costo del platino se compensa con una vida útil más larga.
• El MCrAlY es la última generación de capas de unión. No interactúa mucho con la superaleación. El cromo da resistencia a la oxidación y a la corrosión en caliente. El aluminio controla cómo crece el óxido. El itrio mejora la adhesión del óxido a la superaleación. Se ha investigado añadir renio y tántalo para aumentar la resistencia a la oxidación.

Investigación y desarrollo de nuevas superaleaciones

La existencia de superaleaciones ha permitido que las temperaturas de las turbinas aumenten constantemente. Se espera que esta tendencia continúe.

El Laboratorio Nacional Sandia está investigando un nuevo método para fabricar superaleaciones llamado radiólisis. Es una nueva área de investigación para crear aleaciones y superaleaciones usando nanopartículas. Este proceso promete ser un método universal para formar nanopartículas. Al entender mejor la ciencia detrás de estas formaciones, se podría ampliar la investigación en otros aspectos de las superaleaciones.

Sin embargo, este método puede tener desventajas. Aproximadamente la mitad de las superaleaciones se usan en aplicaciones donde la temperatura de trabajo es cercana a su punto de fusión. Por eso, es común usar cristales individuales. El método de radiólisis produce aleaciones policristalinas, que se deforman demasiado.

El desarrollo futuro se centra en reducir el peso, mejorar la resistencia a la oxidación y la corrosión, y mantener la resistencia de la aleación. Además, con la creciente demanda de palas de turbina para generar energía, otro objetivo es reducir el costo de las superaleaciones.

Véase también

En inglés: Superalloy Facts for Kids