¿Qué son las superaleaciones? Guía completa de propiedades y usos

Desde motores a reacción y centrales eléctricas hasta entornos hostiles, las superaleaciones se mantienen resistentes donde la mayoría de los metales se desprenden. Resisten la oxidación y duran más tiempo bajo tensión, por lo que son fundamentales en industrias como la aeroespacial, la energética y muchas más. Sin ellas, muchas máquinas de alta potencia se averiarían.

Definición de superaleaciones

Las superaleaciones son metales de alto rendimiento diseñados para funcionar bien en condiciones de alta temperatura. Soportan temperaturas inferiores o iguales a 85% de su punto de fusión.Tₘ). Estas aleaciones destacan por su excelente resistencia mecánica y su capacidad para resistir deformación por fluencia.

También presentan una excelente estabilidad a la oxidación/corrosión bajo condiciones extremas de calor y tensión. Las superaleaciones suelen estar compuestas por tres metales base: níquel (Ni), cobalto (Co) y hierro (Fe). 

Historia de las superaleaciones

Las superaleaciones se remontan al desarrollo del acero inoxidable, alrededor de la década de 1910. Estos aceros no se oxidaban fácilmente, pero no resistían bien las altas temperaturas. En las décadas de 1920 y 1930, los ingenieros comenzaron a añadir elementos como el cromo y el níquel para mejorar la resistencia de los metales al calor y la oxidación.

Durante la década de 1930, se desarrolló una nueva superaleación conocida como Inconel Fue registrado. Funcionaba muy bien bajo calor y no se oxidaba fácilmente. El Inconel se utilizó posteriormente en los primeros motores a reacción. Los mayores avances se produjeron en las décadas de 1960 y 1970 con tres cambios importantes:

• Fusión al vacío Esto permitió obtener aleaciones más puras. Menos suciedad en el metal significó menos puntos débiles.
• Solidificación direccional – Esto ayudó a dar forma al flujo del grano del metal, haciéndolo más fuerte.
• Crecimiento de monocristal – Esto eliminó los puntos débiles donde a menudo comienzan las grietas.

Química y mecanismos de fortalecimiento

Diseño de aleación

Las superaleaciones se fortalecen mediante el fortalecimiento por solución sólida y precipitación.

Fortalecimiento de la solución sólida

Esto ocurre cuando se mezclan otros elementos con el metal base. Estos elementos alteran la disposición atómica del metal, dificultando el movimiento de los átomos. De esta manera, los metales no se rompen ni se doblan bajo tensión.

Fortalecimiento de las precipitaciones

Se añaden al metal pequeñas partículas conocidas como gamma prima (γ′) y gamma doble prima (γ″) para mantener la estructura en su lugar en condiciones de alto calor.

Papel de los elementos:

Las superaleaciones requieren más que un simple metal base resistente. Se añaden elementos adicionales para mayor resistencia, control del calor y resistencia a la oxidación.

Níquel (Ni), cobalto (Co) y hierro (Fe)

Estos forman la matriz base de la superaleación. El níquel mantiene su resistencia a altas temperaturas y se utiliza principalmente en superaleaciones. El cobalto tiene un punto de fusión más alto que el níquel y es adecuado para piezas que se calientan mucho. El hierro es más económico, pero tan resistente como el níquel o el cobalto.

Cromo (Cr) y aluminio (Al)

El cromo ayuda a combatir la oxidación y la corrosión formando una fina capa de óxido que protege el metal. El aluminio aporta resistencia al metal y también contribuye a su resistencia a la oxidación.

Titanio (Ti) y niobio (Nb)

Estos ayudan a promover la fase de fortalecimiento por precipitación para evitar que el metal se estire con el tiempo.

Renio (Re), tungsteno (W), molibdeno (Mo) y tantalio (Ta)

Estos se llaman metales refractarios. Tienen puntos de fusión muy altos y fortalecen la aleación al calentarse. Además, frenan la formación de puntos débiles en el metal.

Microestructura

La microestructura de la superaleación generalmente presenta las siguientes características:

• Microestructura γ/γ′: Se trata de una estructura bifásica compuesta por la fase gamma (γ) y la gamma prima (γ′). Mientras que la primera conserva la forma, la segunda mantiene la resistencia del metal al calentarse.

• Carburos: Se trata de diminutos trozos duros de carbono que se ubican en el borde de los granos para ayudar a detener las grietas y ralentizar el deslizamiento.

• Fases TCP (Topológicamente Compacto): Se utilizan en pequeñas cantidades porque en grandes cantidades la aleación puede volverse muy quebradiza.

• Aleaciones monocristalinas: Estos eliminan los límites de los granos, pero impiden la formación de grietas y duran más bajo tensión.

Familias de superaleaciones

A base de níquel

Estos son los tipos más comunes de superaleaciones. Presentan un excelente control de γ′ y resistencia a la fluencia. Por ello, funcionan muy bien en altas temperaturas y entornos estresantes. Algunos grados comunes son Waspaloy, Inconel 625 e Inconel 718.

Co-basado

Las superaleaciones a base de cobalto tienen puntos de fusión más altos y toleran mejor el calor que las de níquel. No utilizan muchas partículas γ′. En cambio, se basan en carburos duros. Estos previenen el desgaste y la formación de grietas. Las aleaciones de cobalto son eficaces en piezas que rozan o se desgastan, como las válvulas de motor.

Basado en Fe

Estas aleaciones se basan en hierro y se utilizan a menudo cuando el coste es importante. No son comparables con las superaleaciones de níquel o cobalto a temperaturas muy altas. Sin embargo, funcionan bien en piezas calientes que no se someten a condiciones extremas.

Algunas superaleaciones a base de hierro son austeníticas. Esto significa que su estructura cristalina se mantiene estable incluso en caliente. Estas aleaciones también pueden formar precipitados γ′, al igual que las a base de níquel. Cuando esto ocurre, su resistencia aumenta, especialmente a temperaturas medias.

Algunos grados comunes de superaleaciones son:

• Inconel 625: Se trata de una superaleación a base de níquel que es muy resistente y puede soportar muy bien tanto el calor como la presión.
• Inconel 718: Contiene una cantidad significativa de niobio y es resistente a temperaturas medias y altas.
• Waspaloy: Este puede endurecerse con el tiempo y permanece fuerte hasta aproximadamente 980 °C.

Fabricación y procesamiento

Fundición vs. forja

Cuando se trata de forjarLa aleación se calienta y luego se prensa o martilla para darle forma. La presión compacta los granos, lo que reduce los defectos internos y aumenta la tenacidad de la pieza. Las piezas forjadas suelen ser más resistentes que las fundidas. Resisten mejor los impactos y la tensión. Sin embargo, la forja no es ideal para formas muy complejas.

La forja también limita los tipos de superaleaciones que se pueden utilizar. Algunas aleaciones son demasiado difíciles de forjar una vez enfriadas. Por ello, este método se utiliza cuando la resistencia es más importante que el detalle de la forma.

Fundición Es uno de los métodos utilizados para formar superaleaciones. Es ideal para piezas complejas o huecas difíciles de mecanizar. La fundición a la cera perdida es uno de los procesos más comunes para conformar componentes de superaleaciones a base de níquel y cobalto. Es un proceso rentable que permite tolerancias ajustadas, paredes delgadas y formas complejas.

Solidificación direccional

Este es un método de fundición especial. Enfría el metal lentamente en una dirección, lo que obliga a los granos metálicos a crecer de abajo hacia arriba en línea recta. Las piezas fabricadas de este modo son más resistentes en la dirección de la tensión. Resisten mejor el calor y la presión que las piezas de fundición convencionales.

Crecimiento de un solo cristal

Este es un método de fundición complejo. La pieza se fabrica para que crezca como un solo cristal, sin límites de grano. En los límites de grano suelen originarse grietas. Su eliminación proporciona a la pieza una mayor resistencia a la fluencia y una mayor vida útil bajo temperaturas elevadas.

Metalurgia de polvos y fabricación aditiva (impresión 3D)

Tanto la pulvimetalurgia como Impresión 3d Se utilizan polvos metálicos finos para fabricar piezas, pero se utilizan de diferentes maneras.

La pulvimetalurgia prensa el polvo para darle forma y luego lo calienta hasta que los granos se fusionan. Esto produce piezas resistentes con pocos defectos y un buen control de la mezcla de metales. Es una buena opción para piezas importantes como discos de turbinas y otros componentes sometidos a altas tensiones.

La impresión 3D funde el polvo capa por capa mediante láser. Este método permite crear formas complejas y piezas más ligeras. Es útil para lotes pequeños y diseños personalizados. Ambos métodos permiten ahorrar material y fabricar piezas de superaleación resistentes y precisas.

Protección de superficies: Recubrimientos

Las piezas de superaleaciones se exponen a temperaturas extremas, vapor y gases reactivos. Para protegerlas, se aplican recubrimientos superficiales. Estos recubrimientos actúan como una barrera que retarda la oxidación y la corrosión, prolongando la vida útil de la pieza.

La estrategia consiste en formar una capa exterior estable que resista la degradación, incluso a altas temperaturas. Los recubrimientos se adhieren a la superficie o forman su propia capa protectora durante el uso.

• Recubrimientos de difusión: Estos añaden elementos como el aluminio a la superficie. Al calentarse, forman una capa de óxido estable.
• Recubrimientos de MCrAlY: Se trata de capas pulverizadas de metales como níquel o cobalto, además de cromo, aluminio e itrio. Se adhieren bien y protegen del calor y la oxidación.
• Recubrimientos de barrera térmica (TBC): Los TBC son capas cerámicas que impiden que el calor llegue al metal. Ayudan a que las piezas se mantengan más frías y duren más.

Aplicaciones

Aeroespacial

Los motores a reacción están llenos de superaleaciones. Los álabes, las paletas y las piezas de la cámara de combustión deben soportar temperaturas superiores a 1100 °C. Estas piezas giran rápidamente y soportan cargas pesadas.

Generación de energía

Las turbinas de gas y de vapor también utilizan superaleaciones. Estas piezas se calientan y deben seguir funcionando sin deformarse. Las superaleaciones ayudan a las plantas a alcanzar temperaturas más altas y a generar más energía.

Procesamiento químico y petróleo y gas

Las superaleaciones resisten fluidos agresivos, calor y presión. Se utilizan en intercambiadores de calor, bombas y tuberías. Aleaciones como Inconel y Hastelloy resisten ácidos y gases con alto contenido de sales.

Automoción y más allá

Algunas superaleaciones se utilizan en motores de automóviles. Los turbocompresores y los sistemas de escape deben soportar el calor y la tensión. Estas aleaciones duran más que el acero en zonas de alta temperatura.

Conclusión

Cada hora que una turbina funciona, o un avión a reacción se mantiene en el aire, las superaleaciones mantienen el ritmo. Unas mejores piezas implican menos averías, menos mantenimiento y mayor tiempo de actividad. Déjanos ayudarte Da el primer paso hacia piezas más fuertes hoy.