Las aleaciones que se presentan aquí son difíciles de dividir en subcategorías, debido a las propiedades únicas del níquel. Sus aleaciones son muy versátiles y suelen tener más de una aplicación.

Por ejemplo, es difícil clasificar estas aleaciones como resistentes a la corrosión resultante de un entorno agresivo o resistentes al aumento de la oxidación a temperaturas más altas. La industria química aprovecha ambas propiedades únicas en los accesorios y fijaciones a base de níquel.

Del mismo modo, no existen criterios estrictos que nos permitan clasificar estas aleaciones como resistentes al calor o a la fluencia.

Como resultado, algunas aleaciones se clasifican a veces en diferentes categorías, cuando en realidad son muy similares.

Por supuesto, las aleaciones específicas suelen diseñarse para satisfacer necesidades concretas.

Por ejemplo, el Hastelloy N puede considerarse una aleación resistente a la corrosión, una aleación resistente al calor o una superaleación de alto rendimiento resistente a la fluencia. Sin embargo, tiene una característica distintiva: una excelente resistencia a las sales de fluoruro calientes.

Una categoría distintiva son las superaleaciones, cuya característica más importante es su alta resistencia a la fluencia.

Todas las aleaciones aquí descritas son resistentes a la fluencia, a la corrosión acuosa y/o a la corrosión a altas temperaturas.

Aleaciones de níquel resistentes a la deformación, la corrosión y el calor: aplicaciones

Las aleaciones de níquel incluidas en esta categoría se utilizan, entre otras, en las siguientes industrias:

En la industria energética: álabes, boquillas, sobrecalentadores de turbinas de vapor
En la industria automovilística: turbocompresores, bujías y válvulas de escape de motores de pistón
En plantas de procesamiento de metales: muflas de hornos, cintas transportadoras y otros equipos de tratamiento térmico
En la aviación: elementos de turbinas de gas, incluyendo boquillas, cámaras de combustión, escapes, álabes, discos, posquemadores e inversores de empuje.
En la medicina dental: dentaduras postizas y herramientas dentales.
En la cosmonáutica: componentes y cubiertas de motores de cohetes.
En las industrias química, petroquímica y papelera: tuberías, bombas, tanques, ventiladores, accesorios y fijaciones.

Adiciones de aleación para aleaciones de níquel resistentes al calor y a la fluencia

Las aleaciones de níquel difieren significativamente en su composición. Este grupo incluye también níqueles comercialmente puros, así como aleaciones complejas compuestas por 10 o más adiciones de aleación.

¿Cómo pueden afectar las adiciones individuales a la aleación de níquel?

Titanio: estabiliza la fase γ. Forma la fase intermetálica γ’, pero también provoca la formación de carburos, que son inestables cuando se mantienen a altas temperaturas. Componente de endurecimiento por envejecimiento.
Tantalio: estabiliza la fase γ. Forma la fase intermetálica γ’, pero también provoca la formación de carburos, que son inestables cuando se mantienen a altas temperaturas.
Hierro: es más barato que el níquel y puede sustituirlo en cierta medida, incluso en aleaciones resistentes a la fluencia, pero provoca una disminución de la resistencia al calor. Puede servir como aditivo para controlar la expansión térmica. Tiene una solubilidad casi completa con el níquel.
Cobalto: mejora la resistencia a la fluencia y afecta positivamente a la solución sólida γ. Reduce la solubilidad en matrices de aluminio y titanio. Puede servir como aditivo para controlar la expansión térmica.
Cromo: refuerza la matriz, mejora la resistencia a la fluencia y al calor, al mejorar las propiedades mecánicas y la resistencia a la oxidación y la sulfuración. En bajas concentraciones, puede mejorar la resistencia a los halógenos o a los haluros a altas temperaturas.
Aluminio: mejora la resistencia a la oxidación y a la sulfuración y forma una fase intermetálica γ' de refuerzo (a menudo en combinación con titanio). Componente de endurecimiento por envejecimiento.
Cobre: mejora la resistencia al ácido sulfúrico, así como a los ácidos reductores y las sales. Es completamente soluble con el níquel.
Molibdeno: refuerza la solución sólida. Mejora la resistencia a los ácidos reductores y a la corrosión por picaduras. Como inconveniente, puede reducir la resistencia a la oxidación.
Wolframio: refuerza la solución sólida. Mejora la resistencia a la corrosión por picaduras.
Niobio: refuerza la solución, afecta positivamente a la resistencia a la fluencia y mejora la resistencia a la corrosión por picaduras. Componente de endurecimiento por envejecimiento. Forma la fase intermetálica γ’, pero también provoca la formación de carburos, que son inestables cuando se mantienen a altas temperaturas.
Vanadio: forma la fase intermetálica γ’, pero también provoca la formación de carburos, que son inestables cuando se mantienen a altas temperaturas.
Boro: en bajas concentraciones, mejora la resistencia a la fluencia.
Hafnio: en bajas concentraciones, mejora la resistencia a la fluencia y reduce la fragilidad a altas temperaturas.
Circonio: en bajas concentraciones, mejora la resistencia a la fluencia y reduce la fragilidad a altas temperaturas.
Cerio: en bajas concentraciones, mejora la resistencia al calor al reducir la oxidación a altas temperaturas.
Azufre: mejora la maquinabilidad.
Silicio: mejora la resistencia a la oxidación y a la carburación.
Nitrógeno: mejora la resistencia a la corrosión por picaduras. Puede servir como austenitizante.

El níquel tiene una gran solubilidad con otros elementos. Por ejemplo, es completamente soluble con el cobre y muy soluble con el hierro. También puede disolver cantidades notables de cromo, molibdeno y tungsteno, y muchas aleaciones contienen estos elementos. También puede disolver cantidades más pequeñas de aluminio, titanio, manganeso y vanadio.

Superaleaciones

Las SUPERALEACIONES son aleaciones a base de níquel, hierro-níquel y cobalto producidas para ofrecer una alta resistencia a la fluencia.

Las aleaciones resistentes a la fluencia mantienen muy buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas. Se supone que las superaleaciones funcionan bajo tensión, en condiciones severas, a temperaturas superiores a aproximadamente 540 °C.

Algunas superaleaciones pueden funcionar a temperaturas superiores a 800 °C. La temperatura máxima de funcionamiento no supera los 1100 °C. Los recubrimientos protectores especiales mejoran el rendimiento de las superaleaciones, lo que permite un mayor aumento de la temperatura.

Las propiedades pueden controlarse mediante ajustes en la composición y el procesamiento (incluido el tratamiento térmico), y los productos acabados ofrecen una excelente resistencia a temperaturas elevadas.

Características básicas de las superaleaciones:

Resistencia a la deformación perfecta a altas temperaturas
Buena resistencia mecánica
Buena resistencia al calor (resistencia a la corrosión por oxidación y sulfuración a altas temperaturas)

¿Por qué son tan importantes estas características?

Se supone que las superaleaciones mantienen su resistencia y resistencia a la corrosión en presencia de productos químicos agresivos calientes. Más información sobre este tema en la pestaña «Superaleaciones: aplicaciones».

Superaleaciones: aplicaciones

Las aplicaciones de las superaleaciones siguen ampliándose, pero a un ritmo menor que en décadas anteriores. Aunque se desarrollaron para su uso a altas temperaturas, también se utilizan a temperaturas criogénicas y a temperatura corporal. El uso aeroespacial sigue siendo la aplicación predominante en términos de volumen.

Superaleaciones: aplicaciones

En la industria energética: álabes, toberas, turbinas de gas, turbinas de vapor, sobrecalentadores, componentes de reactores nucleares
En la aviación: elementos de turbinas de gas, incluyendo toberas, cámaras de combustión, escapes, álabes, discos, posquemadores e inversores de empuje
En medicina: prótesis ortopédicas y dentales.
En cosmonáutica: componentes de motores de cohetes y cubiertas.
En las industrias química, petroquímica y papelera: accesorios y fijaciones.

Vale la pena comentar las severas condiciones de trabajo típicas de las superaleaciones. Esto ayuda a apreciar estos extraordinarios logros tecnológicos. Se supone que las superaleaciones deben soportar:

Cargas mecánicas
Altas temperaturas
Productos químicos agresivos

Cabe señalar que estos factores se producen al mismo tiempo, lo que intensifica aún más su impacto. Las altas temperaturas ablandan el metal y aceleran la corrosión. Los productos químicos agresivos deterioran aún más las propiedades mecánicas. La corrosión crea óxidos en las superficies de las superaleaciones, debilita y, finalmente, destruye el elemento atacado.

Como ya se ha mencionado, las turbinas de gas son una de las principales y más exigentes aplicaciones de las superaleaciones. ¿Qué acelera la corrosión? ¿Cómo prevenirla? Más información sobre este tema en la pestaña «Corrosión en turbinas de gas».

Corrosión de las turbinas de gas

Las turbinas de gas son una parte inseparable de los turborreactores, los turbocompresores y otros dispositivos. La corrosión es la principal amenaza para estos dispositivos.

Las turbinas de gas se ven afectadas por dos tipos básicos de corrosión:

Corrosión en caliente
Oxidación a alta temperatura

¿Cuál es la diferencia?

La oxidación a alta temperatura es la oxidación acelerada por la alta temperatura. La corrosión en caliente es la oxidación y la sulfuración, que se produce a temperaturas más bajas y en presencia de productos químicos agresivos.

La corrosión a alta temperatura de las superaleaciones

Sin la presencia de otros productos químicos agresivos y a temperaturas que alcanzan aproximadamente los 880 °C, las superaleaciones suelen conservar una alta resistencia a la oxidación. A temperaturas más altas, son atacadas por el oxígeno. Las adiciones adecuadas a la aleación (sobre todo cromo y aluminio) pueden aumentar la resistencia a la oxidación por encima de los 1000 °C. Cuanto más alta es la temperatura, más importante es el aluminio, que forma un importante óxido protector, el Al2O3. El cromo también forma un óxido protector Cr2O3 y reduce la cantidad de aluminio necesaria para formar un óxido Al2O3.

Sin embargo, el nivel de aluminio de muchas superaleaciones es insuficiente para proporcionar resistencia a la oxidación a largo plazo. Para hacer frente a este problema, se aplican recubrimientos protectores.

Corrosión en caliente de superaleaciones

La corrosión en caliente es provocada por vapores y gases calientes. Es el método más agresivo de degradación de metales, aleaciones y cerámicas, especialmente cuando funcionan a temperaturas muy altas. Los compuestos de azufre mezclados con oxígeno son los responsables de la mayoría de los casos de corrosión en caliente.

Corrosión en caliente y productos químicos reactivos

La corrosión en caliente puede producirse en condiciones de funcionamiento a temperaturas más bajas, muy por debajo de los 880 °C, y ello se debe a la acción de agentes fundentes selectivos.

En una turbina de gas, por ejemplo, el cloruro de sodio del aire reacciona con el azufre del combustible para formar sulfato de sodio. A continuación, el sulfato entra en contacto con secciones calientes como las palas del rotor, lo que a su vez provoca un ataque de oxidación acelerado. Este tipo de corrosión puede iniciarse a temperaturas muy bajas, de hasta 620 °C.

El Na2SO4 es uno de los principales factores de corrosión. Aunque el azufre presente en el combustible de los motores a reacción comerciales y las turbinas de gas marinas es muy bajo en porcentaje, es capaz de corroer una buena parte de la superficie metálica.

El cromo desempeña un papel importante en la lucha contra la corrosión en caliente. Cuando una superaleación se expone a ella, primero se corroe la capa exterior de óxidos. Esto continúa hasta que la capa exterior se queda sin cromo, lo que provoca una rápida aceleración de la oxidación. Se forma una densa capa de incrustaciones en la superficie del elemento atacado.

El titanio y el aluminio también contrarrestan la corrosión por gases. Más información sobre este tema en la pestaña adiciones de aleación.

El uso de recubrimientos protectores ha demostrado ser una medida eficaz, ya que reduce la corrosión y aumenta la resistencia a altas temperaturas. Más información sobre este tema en la pestaña recubrimientos protectores.

Base y resistencia de la aleación

La mayoría de las superaleaciones a base de hierro-níquel se refuerzan mediante la precipitación de compuestos intermetálicos en una matriz fcc.

Del mismo modo, las superaleaciones a base de níquel más importantes se refuerzan mediante la precipitación de compuestos intermetálicos en una matriz. En el caso de las aleaciones de níquel-titanio/aluminio, el precipitado de refuerzo es γ ′.

Las superaleaciones a base de cobalto se refuerzan mediante una combinación de carburos y endurecedores de solución sólida.

Propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión

Una mayor proporción de cromo, titanio y aluminio mejora la resistencia de las superaleaciones sin recubrimiento a la oxidación y la sulfuración. Sin embargo, optimizar la composición de una aleación para mejorar su resistencia a la corrosión puede reducir su resistencia.

Por lo tanto, a menudo la mejor solución es recubrir las superaleaciones duraderas con capas protectoras. Más información sobre este tema en la pestaña «recubrimientos protectores».

Clases de superaleaciones según el metal base

Las superaleaciones se pueden dividir en tres categorías según su metal base:

¿Cuál es la diferencia?

En primer lugar, tienen diferente resistencia a la temperatura. Las temperaturas de fusión de los elementos puros son: níquel 1453 °C, hierro 1537 °C, cobalto 1495 °C. En general, las superaleaciones de cobalto pueden funcionar a temperaturas más altas que las demás, pero algunas superaleaciones avanzadas de níquel superan a las de cobalto en este aspecto.

Las superaleaciones a base de níquel y hierro-níquel son notablemente menos soldables que las superaleaciones a base de cobalto.

Superaleaciones a base de hierro-níquel
Superaleaciones a base de níquel
Superaleaciones a base de cobalto

Todas las superaleaciones son relativamente dúctiles, aunque la ductilidad de las superaleaciones a base de cobalto suele ser menor que la de las superaleaciones a base de hierro-níquel y níquel.

La resistencia a la oxidación a altas temperaturas no siempre va de la mano con la resistencia a otros tipos de corrosión. Por ejemplo, algunas superaleaciones a base de níquel con alto contenido de aluminio y bastante bajo contenido de cromo son fuertes y resistentes a la oxidación a altas temperaturas, pero muy pobres en resistencia a la corrosión en caliente.

Además, optimizar la composición de una aleación para la resistencia a la corrosión puede reducir su resistencia.

Varios recubrimientos protectores demostraron ser la solución:

Los TBC protegen contra las altas temperaturas

Los TBC (recubrimientos de barrera térmica) son cerámicos. Aíslan eficazmente las superaleaciones, lo que les permite funcionar a temperaturas mucho más altas, más de 150 °C por encima de su nivel habitual, en el caso de algunos TBC.

Los recubrimientos de barrera térmica no protegen contra la oxidación, por lo que a menudo se utilizan junto con uno de los siguientes recubrimientos:

Recubrimientos resistentes a la corrosión

Hay dos tipos de recubrimientos resistentes a la corrosión:

Recubrimientos por difusión: es el tipo más común de recubrimientos protectores. Se difunde sobre el elemento una capa exterior de aluminuro altamente resistente a la oxidación (normalmente CoAl o NiAl).
Recubrimientos superpuestos: los recubrimientos superpuestos McrAlY son más gruesos que los recubrimientos por difusión y pueden adaptarse para equilibrar el rendimiento óptimo en determinadas circunstancias. Más información sobre este tema en la pestaña «corrosión».

Recubrimientos protectores superpuestos por composición:

FeCrAlY: hierro, cromo, aluminio, itrio
NiCrAlY: níquel, cromo, aluminio, itrio
NiCoCrAlY: níquel, cobalto, cromo, aluminio, itrio (más níquel)
CoNiCrAlY: cobalto, níquel, cromo, aluminio, itrio (más cobalto)

Ventajas de los recubrimientos superpuestos: los recubrimientos superpuestos se pueden adaptar para hacer frente al entorno corrosivo previsto. Por lo tanto, se pueden utilizar superaleaciones con mejores propiedades mecánicas o simplemente más baratas. Además, los recubrimientos se pueden aplicar para renovar las superficies desgastadas de las piezas de superaleación.