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Algunos materiales de la familia de los metales se conocen como supermateriales o superaleaciones. Estos materiales suelen presentar propiedades avanzadas. Por ejemplo, pueden mantener sus propiedades físicas a temperaturas más altas y bajo tensiones específicas.
Uno de los mejores ejemplos de superaleaciones en el mundo de los materiales son las superaleaciones a base de níquel. Esta aleación posee características excepcionales que la hacen mejor que otros materiales y superaleaciones, como las superaleaciones basadas en hierro y cobalto. Además de su resistencia a altas temperaturas, estas aleaciones de níquel también pueden soportar una elevada corrosión y duras condiciones de trabajo.
Sin embargo, a menudo es necesario aclarar por qué las aleaciones de níquel se denominan superaleaciones. La respuesta reside simplemente en las notables propiedades de las aleaciones de níquel. Aun así, este artículo le ayudará a construir conceptos claros con respecto a esta pregunta.
Así que, sin más preámbulos, ¡vamos a sumergirnos en el post!
¿Qué son las aleaciones a base de níquel?
Como su nombre indica, las aleaciones con base de níquel están compuestas principalmente por níquel y algunas otras aleaciones. Son famosas por su alta resistencia a la corrosión y su excelente resistencia a altas temperaturas. Además, estas aleaciones pueden soportar fatiga, fluencia y resistencia a la tracción. Debido a estas características, suelen denominarse superaleaciones con base de níquel.
Además, se consideran perfectas para las aplicaciones de turbinas, intercambiadores de calor y motores aeronáuticos.
Fuente: Youtube
Producción y procesamiento de superaleaciones a base de níquel
La producción y el procesamiento de las superaleaciones de níquel suelen depender de su composición. Sin embargo, la composición depende de la cantidad de material utilizado. Por lo general, se pueden utilizar dos o hasta diez elementos de aleación para formar superaleaciones a base de níquel. Estos elementos constituyen casi la mitad del peso total de la superaleación.
Normalmente, cuando el níquel se combina con solutos como el aluminio o el titanio, da lugar a la formación de una microestructura de equilibrio compuesta por gamma-prima y gamma. Esto garantiza la resistencia de la superaleación bajo la influencia de temperaturas elevadas.
Las superaleaciones de níquel pueden fabricarse de varias formas, como en polvo, fundidas o forjadas. Estas superaleaciones absorben la resistencia del material mediante el refuerzo por precipitación o el tratamiento con soluciones sólidas. El cromo, el molibdeno, el cobalto, el niobio, el hierro, el wolframio y el tántalo suelen utilizarse para reforzar las soluciones sólidas.
¿Cuáles son las características de las superaleaciones a base de níquel?
Las siguientes son algunas características que se ajustan tanto a las superaleaciones como a las aleaciones de níquel. Por eso estas aleaciones se consideran superaleaciones. ¡Echemos un vistazo detallado!
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Alta resistencia al calor
Normalmente, los metales están sujetos a perder su resistencia cuando se exponen a altas temperaturas. Pero las superaleaciones de níquel tienen la capacidad de soportar altas temperaturas, lo que las convierte actualmente en las superaleaciones más utilizadas. La razón es que el níquel puede mantener la misma estructura (cúbica centrada en la cara) desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusión. La protección térmica inherente a las superaleaciones preserva la integridad del material.
Normalmente, la resistencia al calor elevado depende de varias composiciones de níquel mezcladas con aleaciones a base de níquel. Por ejemplo, la aleación de níquel Inconel 718 comprende 55% de níquel, 6% de hierro, 21% de cromo y un pequeño porcentaje de manganeso, carbono y cobre. Proporciona una resistencia excepcional a las altas temperaturas y protección contra la oxidación y la corrosión. Además, la aleación de níquel Duranickel tiene un contenido de níquel superior a 94%. Tiene excelentes propiedades elásticas hasta 316°C y se vuelve mucho más robusta cuando se trata térmicamente.
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Fuerza excepcional
La carga externa determina la resistencia de un material aplicada sobre él sin que se produzca ninguna deformación del mismo. Las superaleaciones a base de níquel pueden presentar una resistencia a la tracción superior a 700 MPa y un límite elástico de 275 MPa. Por lo general, estas aleaciones pueden exhibir una alta resistencia incluso a temperaturas extremas que oscilan entre 650 y 1000 °C.
Sorprendentemente, algunas superaleaciones con base de níquel presentan un límite elástico de hasta 1125 MPa, superior al del diamante. Sin duda, una resistencia tan excepcional sólo puede esperarse de las superaleaciones.
En la aplicación de disco y turbina, la fase de esta superaleación contiene niobio o vanadio. Mediante el uso de esta fase, los fabricantes pueden aumentar eficazmente la resistencia del material.
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Resistencia a la corrosión
En entornos como el marino o el químico, la corrosión y la oxidación se producen comparativamente con rapidez y dañan la maquinaria metálica. Afortunadamente, las aleaciones de níquel tienen una excelente resistencia a un entorno ácido corrosivo y complejo, lo que vuelve a ser una de las características destacadas de las superaleaciones. Para resistir la corrosión en estos entornos, estas aleaciones contienen principalmente hasta diez tipos de elementos de aleación.
Además, el propio elemento níquel presenta una excelente resistencia a la corrosión alcalina cáustica y a la corrosión bajo tensión de iones Cl. Sin embargo, la adición de elementos de pasivación en aleaciones a base de níquel forma soluciones sólidas con una fase de sustrato que ayuda a mejorar el potencial de corrosión y la estabilidad termodinámica de los materiales. Por ejemplo, se puede añadir cobre (Cu), cromo (Cr) y molibdeno (Mo) para aumentar la resistencia de la aleación a la corrosión.
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Maquinabilidad
Los ingenieros tienen que buscar materiales que sean fáciles de mecanizar. En este sentido, las aleaciones con base de níquel tienen mejor límite elástico, esfuerzo cortante y resistencia a altas temperaturas. Como resultado, superan a otros metales en cuanto a soldabilidad.
Algunos ejemplos famosos de aleaciones a base de níquel disponibles en el mercado son los siguientes:
- Aleaciones para la industria química: Inconel, Monel e Incoloy.
- Para aleación de resistencia eléctrica: Aleación Incoloy 800, Resistohm, y, Brightray.
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Resistente a entornos de trabajo duros
Las aleaciones de níquel pueden soportar condiciones de trabajo severas, como las cámaras de gas aeroespaciales, los entornos ácidos, los componentes estructurales de la energía nuclear, el petróleo y las industrias marinas. Además, no se ven afectadas por el agua, el aire caliente ni determinadas soluciones acuosas gracias a su gran estabilidad química.
En resumen, la fabricación de superaleaciones puede soportar eficazmente condiciones de alta presión, alta temperatura y corrosión.
Algunos tipos de aleaciones de níquel de uso común
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Tipos de aleaciones a base de níquel |
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Tipos |
Definición | Aplicaciones |
Ejemplos |
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Aleaciones de níquel-hierro |
La mezcla de níquel con cierta cantidad de hierro da lugar a una aleación de níquel y hierro que presenta una dilatación térmica muy baja en condiciones extremas. | ● Equipos de medición de precisión
● Varillas del termostato ● Transformadores ● Dispositivos de almacenamiento de memoria ● Inductores |
● Invar 36
● Invar 42 |
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Aleaciones de níquel-cobre |
Como la aleación de níquel y cobre constituye cobre, son materiales muy resistentes a la corrosión, y la falta de propiedades magnéticas los hace aplicables a diversas aplicaciones. | ● Aplicaciones marinas
● Sistemas de tuberías ● Válvulas de agua de mar ● Ejes de bomba |
● Monel 400
● Monel R405 ● Monel K500
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Aleaciones de níquel-cromo |
Las aleaciones de níquel-cromo se caracterizan por su resistencia a altas temperaturas, su buena resistencia eléctrica y su excelente resistencia a la corrosión a cualquier temperatura. | ● Calentadores de resistencia eléctrica
● Tostadoras ● Otros elementos calefactores |
● René 41
● Ni70Cr30 |
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Aleaciones de níquel y titanio |
Las aleaciones de níquel y titanio son famosas por su resistencia a la deformación. Al deformar la forma original de la pieza, ésta recordará su forma inicial y podrá volver a convertirse en ella siempre que sea necesario. | ● Recipientes a presión
● Productos de tubería ● Bombas y válvulas ● Intercambiadores de calor ● Válvulas |
● Aleación B-2 |
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Aleaciones de níquel-molibdeno |
La presencia de molibdeno en la aleación de níquel y molibdeno garantiza una gran resistencia química a los ácidos reductores, como el ácido sulfúrico, el ácido clorhídrico y el ácido fosfórico. | ● Amortiguadores en la construcción | ● Nitinol |
Aplicaciones de las superaleaciones a base de níquel
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Aeroespacial
Las aleaciones con alto contenido en Cr y base de níquel, con buena resistencia a la corrosión térmica y estructura estable, se consideran las mejores para la fabricación de barcos y turbinas industriales de gas. En particular, los aviones son máquinas complejas que requieren muchas especificaciones en condiciones severas. Los ingenieros aeroespaciales dependen principalmente de las aleaciones con base de níquel para diseñar piezas que puedan hacer frente a condiciones ambientales duras. Estas aleaciones tienen la capacidad de soportar condiciones climáticas extremas para garantizar un uso seguro.
Las turbinas de gas son una de las mejores aplicaciones de la industria aeroespacial. Una turbina es un ventilador que gira y utiliza una fuente de energía para generar, como una turbina eólica. El gas a presión genera la energía necesaria para hacer girar la turbina.
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Cámaras de combustión
Los materiales para las cámaras de combustión tienen unos requisitos de resistencia relativamente bajos. Sin embargo, la resistencia debe mantenerse hasta temperaturas de funcionamiento de 1100 °C o superiores. Además, la resistencia a la oxidación, junto con la fatiga térmica y la resistencia al pandeo, es la necesidad más crítica.
Para que la fabricación sea más accesible, el material también debe tener buena conformabilidad y soldabilidad. Por eso las superaleaciones con base de níquel son la mejor opción para las cámaras de combustión.
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Álabes de turbina
La sección aerodinámica del álabe de la turbina experimenta un rango de temperaturas de 650-980 °C y una presión de 138 MPa. A 760 °C, la raíz del álabe unida al disco experimenta tensiones de tracción de 276 a 552 MPa fuera de la trayectoria del gas caliente. Por ello, los materiales de las turbinas deben tener suficiente ductilidad para soportar la deformación por fluencia. De ahí que las aleaciones a base de níquel se utilicen en la fabricación de álabes de turbina, ya que sus propiedades mecánicas pueden mantenerse durante un periodo prolongado.
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Turbinas de vapor
Las superaleaciones a base de níquel se utilizan para fabricar discos de turbinas de vapor. Los discos de turbina necesitan una elevada resistencia a la fluencia y a la tracción para protegerse de la rotura a temperaturas de funcionamiento del buje. Las temperaturas de funcionamiento de un disco de turbina de vapor son de hasta 760 °C. Esta temperatura sólo se da en el borde exterior, cerca de donde se fija el álabe. Además, las tensiones de funcionamiento causadas por las cargas centrífugas son elevadas en el borde. Se hace mayor hacia el centro de estos componentes giratorios, superando los 483MPa.
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Aplicaciones nucleares
Las altas temperaturas y los elevados niveles de corrosión caracterizan los entornos de las centrales nucleares. Las barras de control, los núcleos de los reactores y otros componentes se fabrican con aleaciones a base de níquel. Por ello, la industria nuclear puede beneficiarse considerablemente de esta superaleación.
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Piezas de motor
Debido a su excelente resistencia al calor, las superaleaciones son ideales para aplicaciones que generan calor, como los intercambiadores de calor. Las superaleaciones se utilizan en la fabricación de piezas de motores. Además, los accesorios para aviones y equipos aeroespaciales también utilizan superaleaciones con base de ni.
Conclusión
Por fin ha encontrado una respuesta lógica a su pregunta: ¿por qué las aleaciones a base de níquel son superaleaciones? Las extraordinarias características y aplicaciones de la superaleación la convierten en una superaleación perfecta. En pocas palabras, puede utilizar superaleaciones con base de níquel donde se requiera resistencia a altas temperaturas, a la corrosión y a la fuerza. Utilizar estas aleaciones como material de fabricación de sus productos tendrá un efecto realmente positivo en ellos.
