Aleaciones resistentes al calor

La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 31 de enero de 2016; las comprobaciones requieren 26 ediciones .

Las aleaciones resistentes al calor  son materiales metálicos con alta resistencia a la deformación plástica y destrucción bajo la acción de altas temperaturas y ambientes oxidantes. El comienzo de los estudios sistemáticos de aleaciones resistentes al calor cae a fines de la década de 1930, el período de una nueva etapa en el desarrollo de la aviación asociada con el advenimiento de los aviones a reacción y los motores de turbina de gas (GTE).

Las aleaciones resistentes al calor pueden ser sobre bases de aluminio, titanio, hierro, cobre [1] , cobalto y níquel. Las más utilizadas en los motores aeronáuticos son las aleaciones de níquel resistentes al calor, a partir de las cuales se fabrican álabes de trabajo y toberas , discos de rotores de turbinas, piezas de cámaras de combustión, etc.. Dependiendo de la tecnología de fabricación, las aleaciones de níquel resistentes al calor pueden ser fundidas, deformables y polvo Las más resistentes al calor son las aleaciones complejas a base de níquel capaces de operar a temperaturas de 1050 a 1100 °C durante cientos y miles de horas con altas cargas estáticas y dinámicas [2] .

Historia

Los primeros aceros resistentes al calor para motores de turbinas de gas fueron desarrollados en Alemania por Krupp en 1936-1938. El acero austenítico de alta aleación Tinidur se creó como material para palas de turbinas a temperaturas de 600–700 °C. Tinidur es un acero austenítico con temple por precipitación (Ni 3 Ti) y temple por carburo . En 1943-1944, la producción anual de Tinidur fue de 1850 toneladas. El Instituto Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) y Heraeus Vacuumschmelze han desarrollado aceros austeníticos (aleaciones en terminología inglesa) DVL42 y DVL52 para temperaturas de funcionamiento más altas de 750–800 °C. Las composiciones de los aceros se dan en la tabla.

Composiciones químicas de aceros austeníticos alemanes resistentes al calor para motores de turbinas de gas [3] [4] [5]
Nombre %C %Minnesota %Si % Ni %Co % Cr %Mes %W % Ti %Alabama % otros
artículos
Tinidur hasta 0,14 0.6-1.0 0.6-1.0 29,0-31,0 14.5-15.5 1.8-2.2 0.2 Fe
base
DVL42 hasta 0.1 0.6-1.0 0.4-0.8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 1.5-2.0 Fe
base
DVL52 hasta 0.1 0.6-1.0 0.4-0.8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 4-5%Ta
cromadur 0,9-0,12 17.5-18.5 0.55-0.7 11,0-14,0 0.7-0.8 V 0,60-0,70
0,18-0,23 N 2

En Alemania, en la década de 1940, los desarrolladores de motores de turbinas de gas para aviones deseaban aumentar la temperatura del gas frente a la turbina a 900 °C. Con este fin, el Instituto DVL, junto con varias empresas, experimentó con aleaciones austeníticas de aleación compleja. Durante la guerra, se reconoció la imposibilidad de tal solución debido a la grave escasez de elementos de aleación en Alemania. Como resultado de la investigación, se adoptaron dos direcciones: 1. la creación de álabes huecos refrigerados por aire (trabajo y boquilla) con la correspondiente reducción en la aleación de los materiales utilizados; 2. estudio de las posibilidades de los materiales cerámicos. Ambas áreas de trabajo fueron pioneras y se obtuvieron resultados significativos para cada una de ellas.

La primera serie del motor a reacción Jumo-004A se fabricó desde 1942 con un funcionamiento monolítico y álabes de tobera fabricados con material Tinidur de Krupp. Posteriormente fueron reemplazados por álabes huecos refrigerados del mismo material, lo que permitió aumentar la temperatura del gas frente a la turbina a 850 °C (serie Jumo-004E). Desde 1944, las modificaciones en serie del motor Jumo-004B han utilizado palas de rotor refrigeradas huecas hechas de acero Cromadur menos escaso .

En 1942, se creó en Gran Bretaña la aleación resistente al calor Nimonic-80, la primera de una serie de aleaciones de endurecimiento por precipitación a base de cromo-níquel de alta temperatura. El creador de la aleación es William Griffiths .  Griffith W. T. La base de la aleación Nimonic-80 es el nicromo (80% Ni - 20% Cr), conocido desde principios del siglo XX por su alta resistencia al calor y alta resistencia eléctrica . Los elementos de aleación clave de la aleación Nimonic-80 fueron el titanio (2,5 %) y el aluminio (1,2 %), que forman la fase de refuerzo. La cantidad de la fase de refuerzo gamma-prima en la aleación fue del 25 al 35% en volumen [6] . Nimonic-80 se usó en un estado deformado para fabricar palas de turbina para uno de los primeros motores de turbina de gas Rolls-Royce Nin , que comenzó a probarse en banco en octubre de 1944 . Las palas de turbina hechas de aleación nimonic-80 tenían una alta resistencia a largo plazo a temperaturas de 750 a 850 °C.

En la URSS, los análogos de la aleación Nimonic-80 son las aleaciones de níquel resistentes al calor EI437, EI437A (KhN77TYu) y EI437B (KhN77TYuR), creadas con urgencia en 1948 por empleados de VIAM , TsNIIChermet y la planta Elektrostal con la participación de F. F. Khimushin [ 7] .

La base de las aleaciones resistentes al calor, por regla general, son elementos del grupo VIII de la tabla periódica . Hasta la década de 1940, la base de las aleaciones resistentes al calor era el hierro o el níquel . Se agregó una cantidad significativa de cromo para aumentar la resistencia a la corrosión . Las adiciones de aluminio , titanio o niobio aumentaron la resistencia a la fluencia . En algunos casos se formaron fases frágiles como, por ejemplo, carburos M 23 C 6 . A finales de la década de 1940 cesó el uso del hierro como base de las aleaciones termorresistentes y se empezó a dar preferencia a las aleaciones a base de níquel y cobalto . Esto hizo posible obtener una matriz centrada en las caras más fuerte y estable .

A fines de la década de 1940, se descubrió la posibilidad de un endurecimiento adicional de las aleaciones resistentes al calor mediante la aleación con molibdeno . Posteriormente, se empezaron a utilizar con el mismo fin aditivos de elementos como tungsteno , niobio , tantalio , renio y hafnio . (Ver carburo de tantalio-hafnio , aunque el hafnio no forma tales carburos en aleaciones resistentes al calor, sino que aumenta la resistencia y la ductilidad "mecánicamente", provocando que los límites de los granos se tuerzan, el llamado "efecto hafnio". Además, participa en la formación de cantidades adicionales fase prima gamma [8] ).

Aleaciones a base de níquel

En la década de 1950 , Pratt & Whitney y General Electric desarrollaron las aleaciones Waspaloy y M-252 , aleadas con molibdeno y destinadas a palas de motores de aviones. Luego se desarrollaron aleaciones como Hastelloy aleación X, Rene 41 , Inconel , incluyendo Inco 718 , Incoloy 901 , etc.

Según estimaciones de expertos, durante el período de 1950 a 1980, las composiciones químicas de las aleaciones de níquel resistentes al calor cambiaron de manera más significativa debido a la introducción del aluminio y elementos que lo reemplazaron en la fase '. Esto condujo a un aumento en la fracción de volumen de la fase ' de 25-35 % en volumen en las aleaciones Nimonic 80 y U-700 a 65-70 % en volumen en los materiales de álabes modernos [6] .

Aleación

Las aleaciones resistentes al calor a base de níquel, por regla general, tienen una composición química compleja. Incluye 12 - 13 componentes, cuidadosamente balanceados para obtener las propiedades requeridas. También se controla el contenido de impurezas como silicio (Si), fósforo (P), azufre (S), oxígeno (O) y nitrógeno (N). El contenido de elementos tales como selenio (Se), telurio (Te), plomo (Pb) y bismuto (Bi) debe ser despreciable, lo que se asegura mediante la selección de materiales de carga con bajo contenido de estos elementos, ya que no es posible deshacerse de ellos durante la fusión posible. Estas aleaciones suelen contener un 10-12 % de cromo (Cr), hasta un 8 % de aluminio (Al) y titanio (Ti), un 5-10 % de cobalto (Co), así como pequeñas cantidades de boro (B), circonio (Zr ) y carbono . (C). A veces se agregan molibdeno (Mo), tungsteno (W), niobio (Nb), tantalio (Ta) y hafnio (Hf) .

Los elementos de aleación en estas aleaciones se pueden agrupar de la siguiente manera:

  1. Elementos que forman con Ni una matriz austenítica con red cristalina centrada en las caras - Co, Fe, Cr, Mo y W
  2. Los elementos que forman la fase de refuerzo (Ni 3 X) son Al, Ti, Nb, Ta, Hf. En este caso, Ti, Nb y Ta son parte de la fase y la fortalecen.
  3. Elementos que forman segregaciones de límite de grano - B, C y Zr

Los elementos formadores de carburo incluyen Cr, Mo, W, Nb, Ta y Ti. Al y Cr forman películas de óxido que protegen los productos de la corrosión.

Composición química típica de aleaciones resistentes al calor a base de níquel forjado [9]
Aleación % Ni % Cr %Co %Mes %Alabama % Ti %Nótese bien %C %B Zr % otros
artículos
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
Astrología 55.1 15.0 17.0 5.2 4.0 3.5 - 0.06 0.03 -
René 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 - -
Nimónico 90 57.4 19.5 18.0 - 1.4 2.4 - 0.07 - -
Nimónico 105 53.3 14.5 20.0 5.0 1.2 4.5 - 0.2 - -
Nimónico 115 57.3 15.0 15.0 3.5 5.0 4.0 - 0.15 - -
Composición química típica de aleaciones resistentes al calor fundidas a base de níquel [10]
Aleación % Ni % Cr %Co %Mes %Alabama % Ti %Nótese bien %C %B Zr % otros
artículos
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% en peso
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
René 77 58.0 14.6 15.0 4.2 4.3 3.3 - 0.07 0.016 0.04
René 80 60.0 14.0 9.5 4.0 3.0 5.0 - 0.17 0.015 0.03 4,0 % en peso

Composición de fase

Las principales fases de las aleaciones resistentes al calor incluyen:

  1. La fase gamma ( ) es la matriz fcc. red cristalina. La solución sólida de esta fase contiene una gran cantidad de Co, Cr, Mo, W
  2. La fase gamma-prima ( ') forma partículas de un precipitado , que también tiene una fcc. red cristalina. Esta fase incluye elementos como Al y Ti. La fracción de volumen de esta fase, la matriz austenítica coherente es bastante grande
  3. Carburos. El contenido de carbono en las aleaciones es relativamente bajo (0,05-0,2%). Se combina con elementos formadores de carburo - Ti, Ta, Hf
  4. Grano -límite '-fase. Esta fase se forma en forma de película a lo largo de los límites de grano durante el tratamiento térmico .
  5. Boruros Distinguidos a lo largo de los límites de grano en forma de partículas raras
  6. Fases, etc. en. (fases densamente empaquetadas topológicamente) tienen una morfología lamelar . Ejemplo: fases y fase de Laves . Estas fases conducen a la fragilización del material y son indeseables.

Tratamiento térmico

Las superaleaciones de níquel forjado contienen precipitados dispersos de carburos del tipo MC en la matriz. El recocido de homogeneización permite preparar la matriz para obtener una distribución uniforme de las partículas de la fase de endurecimiento durante el envejecimiento posterior . Por ejemplo, para la aleación Inco 718 , el recocido de homogeneización durará 1 hora a 768°C y el envejecimiento se realiza en dos etapas: 8 horas a 718°C y 8 ​​horas a 621°C. Después del recocido de homogeneización, es importante mantener la velocidad de enfriamiento para evitar la precipitación de fases no deseadas. El enfriamiento entre las etapas de envejecimiento se lleva a cabo suavemente durante 2 horas.

Resistencia al calor

Uno de los factores que determinan la resistencia al calor es la alta resistencia a la fluencia . La resistencia al calor de las aleaciones se estima por los límites de resistencia a largo plazo o fluencia a altas temperaturas, y está asociada, en primer lugar, con su estructura y composición. Por estructura, las aleaciones resistentes al calor deben ser multifásicas con fuertes límites de grano y fase [2] . En las aleaciones termorresistentes de níquel, esto se garantiza mediante una aleación multicomponente. En este caso, la resistencia a alta temperatura de las aleaciones es mayor cuanto mayor es la fracción de volumen de las fases de fortalecimiento y mayor es su estabilidad térmica, es decir, la resistencia a la disolución y la coagulación con el aumento de la temperatura.

Durabilidad

Las aleaciones de níquel resistentes al calor se utilizan a temperaturas de 760-980 °C. Las superaleaciones fundidas tienen una alta resistencia a largo plazo a temperaturas más altas. Por ejemplo, la aleación MAR-M246 tiene una resistencia a largo plazo de 124 MPa después de 1000 horas a 982 °C.

Las aleaciones de níquel-hierro resistentes al calor se utilizan a temperaturas de 650-815 °C. Su fuerza a largo plazo es mucho menor.

Resistencia a largo plazo de aleaciones termorresistentes a tres temperaturas, MPa [10]
Aleación 650 °C
100 horas 		650°C
1000 horas 		815°C
100 horas 		815°C
1000 horas 		982 °C
100 horas 		982 °C
1000 horas
Inconel X-750 552 469 179 110 24
Udimet 700 703 400 296 117 55
Astrología 772 407 290 103 55
EN-100 503 379 172 103
MAR-M246 565 448 186 124

Superaleaciones monocristalinas

En 1970-1980, se inició el uso de aleaciones fundidas resistentes al calor obtenidas por métodos de cristalización direccional y aleaciones monocristalinas a base de níquel . El uso de estos materiales (a base de níquel) permitió aumentar la resistencia y la durabilidad térmica de los álabes de las turbinas de gas.

La composición química de las aleaciones resistentes al calor
obtenidas por métodos de cristalización dirigida [10]
Aleación % Cr %Co %W %Mes %Ejército de reserva %Nótese bien % Ti %Alabama % Hf %B %Zr %C
MAR-M200+Hf 9.0 10.0 12.0 - - 1.0 2.0 5.0 2.0 0.015 0.08 0.14
MAR-M246+Hf 9.0 10.0 10.0 2.5 1.5 - 1.5 5.5 1.5 0.015 0.05 0.15
MAR-M247 8.4 10.0 10.0 0.6 3.0 - 1.0 5.5 1.4 0.015 0.05 0.15
RENÉ 80H 14.0 9.5 4.0 4.0 - - 4.8 3.0 0.75 0.015 0.02 0.08
Composición química de aleaciones termorresistentes monocristalinas [10]
Aleación % Cr %Co %W %Mes %Ejército de reserva %Nótese bien % Ti %Alabama % Hf
Pratt & Whitney Nº 1 10.0 5.0 4.0 - 12.0 - 1.5 5.0 -
Pratt & Whitney No. 2
(3% Re) 		5.0 10.0 6.0 2.0 8.7 - - 5.6 0.1
CMSX-2 8.0 5.0 8.0 0.6 6.0 - 1.0 5.5 -
SRR99 8.5 5.0 9.5 - 2.8 - 2.2 5.5 -


Ya la experiencia temprana de operar las palas de los motores de turbina de gas Jumo-004 mostró (investigación de K. Gebhardt, Krupp, Essen) que en la práctica la vida útil de las palas está determinada por la resistencia a la fatiga, y la abrumadora cantidad de fallas de las palas son fatiga [11] .

Aleaciones a base de cobalto

Ya a principios del siglo XX, la empresa Haynes recibió  patentes para aleaciones del sistema Co-Cr y Co-Cr-W Estas aleaciones, denominadas " stellites ", se utilizaron en un principio para la producción de herramientas de corte. y piezas resistentes al desgaste. En la década de 1930, se desarrolló la aleación de fundición Co-Cr-Mo para prótesis dentales Vitallium. Una composición similar de aleación HS-21 comenzó a usarse una década después en turbocalentadores y turbinas de gas. Al mismo tiempo, comenzaron a utilizar una aleación del sistema Co-Ni-Cr para las paletas guía de los motores de turbina de gas. En 1943  , se desarrolló una aleación de fundición Co - Ni - Cr - W (X-40), utilizada también en la fabricación de palas. En los años 1950-1970 se desarrollaron nuevas aleaciones de níquel termorresistentes, fabricadas por fusión al vacío y reforzadas por precipitación de la fase '. Esto ha llevado a una disminución en el uso de aleaciones a base de cobalto.

Características de las aleaciones resistentes al calor a base de cobalto

Aleaciones resistentes al calor reforzadas por dispersión

Un problema importante en el desarrollo de materiales estructurales con mayor resistencia y ductilidad es asegurar su estabilidad y uniformidad de propiedades físicas y mecánicas en todo el rango de temperatura de funcionamiento, desde las temperaturas criogénicas hasta las de prefusión. En la actualidad, la forma más prometedora de resolver este problema es fortalecer la aleación base con nanopartículas dispersas de óxidos refractarios. Dichos materiales se denominan aleaciones ODS (reforzadas con dispersión de óxido) [12] . Las aleaciones ODS generalmente se basan en aleaciones austeníticas resistentes al calor basadas en Ni, Cr y Fe. Los óxidos refractarios de Al 2 O 3 , TiO 2 , ThO 2 , La 2 O 3 , BeO e Y 2 O 3 se utilizan generalmente como partículas de refuerzo . Las superaleaciones ODS se obtienen por aleación mecánica, que incluye las siguientes etapas: 1) molienda conjunta de polvos de los componentes iniciales de la superaleación en molinos de bolas con la adición de conglomerados de óxido refractario finamente dispersos; 2) sellar el polvo desgasificado en un recipiente de acero sellado; 3) compactación por extrusión; 4) prensado en caliente; 5) zona de recristalización. La superaleación ODS (Inconel MA758) a base de óxido de itrio Y 2 O 3 se desarrolló en los años 90 del siglo pasado.

Recubrimientos de difusión

Dado que los álabes de turbina fabricados con aleaciones fundidas resistentes al calor funcionan a altas temperaturas y en entornos agresivos, se hace necesario protegerlos de la corrosión en caliente. Para este propósito, se utilizan dos tipos de recubrimientos de difusión, los llamados. cementación por lotes y recubrimientos aplicados en fase gas. Durante el proceso de recubrimiento, la capa superficial se enriquece con aluminio y se forma aluminuro de níquel como matriz de recubrimiento.

El proceso de cementación por lotes

El proceso tiene lugar a una temperatura más baja (alrededor de 750 °C). Las piezas se colocan en cajas con una mezcla de polvos: material activo que contiene aluminio y que forma un recubrimiento, un activador ( cloruro o flúor ) y balasto térmico, como la alúmina . A altas temperaturas, se forma cloruro (o fluoruro) de aluminio gaseoso, que se transfiere a la superficie del producto. Luego, el cloruro de aluminio se descompone y el aluminio se difunde profundamente en el volumen. La llamada. "capa verde", muy frágil y delgada. A esto le sigue el recocido por difusión (varias horas a temperaturas de alrededor de 1080 °C). Esto forma el recubrimiento final.

Recubrimiento en fase gas

El proceso tiene lugar a una temperatura más alta de aproximadamente 1080 °C. El material activo que contiene aluminio no está en contacto directo con el producto. Tampoco hay necesidad de balasto térmico. El proceso se caracteriza por la difusión hacia el exterior. También se requiere recocido por difusión.

Recubrimientos de plasma

Una tecnología de protección de cuchillas más moderna es la pulverización de plasma de recubrimientos de barrera térmica . Como regla general, un revestimiento de barrera térmica consta de varias capas: una subcapa, una capa de MeCrAlY , una capa de cerámica (a menudo se usa óxido de circonio estabilizado con itrio ). La pulverización de plasma atmosférico o al vacío está certificada para diferentes motores, sin embargo, todos los desarrollos modernos se llevan a cabo con plasma atmosférico, ya que es más económico de operar.

Véase también

Notas

  1. ↑ Nikolaev A. K., Kostin S. A. Manual "Cobre y aleaciones de cobre resistentes al calor" . Diccionario terminológico enciclopédico "Cobre y aleaciones de cobre resistentes al calor": un libro de referencia fundamental . Prensa DPK (2012).
  2. ↑ 1 2 Aviación. Enciclopedia. M.: Gran Enciclopedia Rusa, 1994, p. 201
  3. ↑ Luft.-Forschung, Bd 18 (1941), N 8, S. 275-279
  4. ↑ Pomp A., Krisch A.: Zur Frage der Dauerstandfestigkeit warmfester Staehle bei 600, 700 y 800 °C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940
  5. ↑ Informe sobre la visita a Alemania y Austria para investigar aleaciones para uso a alta temperatura. Informe final del BIOS N 396, Londres, 1946
  6. ↑ 1 2 Giamei AF, Pearson DD, Anton DL Materials Research Society Symposium Proc. 1985, v. 39, págs. 293-307
  7. ↑ Tumanov A. T. , Shalin R. E., Starkov D. P. Ciencia de materiales de aviación. - en el libro: Desarrollo de la ciencia y la tecnología de la aviación en la URSS. Ensayos históricos y técnicos. M.: Nauka, 1980, pág. 332-334
  8. ↑ Superaleaciones II, ed. Sims, Stoloff, Hagel. Traducir al idioma ruso. M., Metalurgia, 1995, volumen 1, página 29
  9. ↑ http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/nickel.html Archivado el 8 de enero de 2017 en Wayback Machine .
  10. ↑ 1 2 3 4 Superaleaciones . Consultado el 29 de agosto de 2007. Archivado desde el original el 8 de enero de 2017.
  11. ↑ Informe sobre la visita a Alemania y Austria para investigar aleaciones para uso a altas temperaturas/ - BIOS Final Report No 396. Londres 1946, p. 13
  12. ↑ K. A. Yushchenko, Yu.A. Semerenko, E. D. Tabachnikova, A. V. Podolsky, L. V. Skibina, S.N. Smirnov, V. S. Savchenko. Inconel MA758: Una nueva superaleación nanoestructurada. Propiedades acústicas y mecánicas en el rango de temperatura 4.2–310 K,  Metallofiz . última tecnología . - 2013. - T. 35 , núm. 2 . - S. 225-231 .

Literatura