SUPERALEACIONES. Superaleaciones base níquel. Microestructura y propiedades. Superaleaciones monocristalinas y reforzadas por dispersión de óxidos. Superaleaciones base cobalto. Microestructura y propiedades. Aplicaciones en los sistemas propulsivos aerospaciales Superaleaciones Se denominan superaleaciones a un grupo de Materiales de base níquel, hierro y cobalto que son utilizados a temperaturas de 540 °C y superiores. Las superaleaciones poseen elevada resistencia a altas temperaturas, resistencia al ataque del medio ambiente (incluyendo nitruración, carbonización, oxidación y sulfuración), excelente resistencia al creep, resistencia a la ruptura por estrés, estabilidad metalúrgica, características de expansión térmica muy útiles y resistencia a la fatiga térmica y a la corrosión [1]. En los últimos diez años se han realizado avances tecnológicos en el desarrollo de modernos motores de turbinas para aeroplanos y dirigibles y componentes de generación de energía coincidiendo con significativos logros de ingeniería en el área de la metalurgia de superaleaciones de base níquel. Para ello se han incrementado los niveles de elementos 1

aleantes de tipo refractarios en las superaleaciones de base níquel, logrando incrementar sus propiedades mecánicas a elevadas temperaturas, sin embargo, esto produjo un importante problema que es la formación de defectos de granos y particularmente el desarrollo de cadenas de freckles durante la solidificación direccional [4]. Los freckles (pecas) son defectos macroscópicos que ocurren en varios sistemas de aleaciones bajo ciertas condiciones de solidificación [1−5]. Este tipo de defectos se distribuyen usualmente en un modo específico en la fundición. En monocristales (SX) o fundiciones solidificadas direccionalmente (DS), los freckles se encuentran en su mayoría en la superficie de la fundición [1], sin embargo, también se forman dentro de la misma. El examen metalúrgico muestra que los freckles se componen de granos equiaxiales y constituyentes eutécticos [1,3]. Varios autores han considerado que a formación de freckles en sistemas metálicos es debida a un problema de inestabilidad convectiva hidrodinámica [5−9]. Debido a que metalúrgicamente es muy importante obtener cristales de superaleaciones base níquel sin formación de freckles, y además, comprender en qué condiciones es posible su formación; en el presente trabajo se analiza la tendencia a la formación de

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freckles de diferentes superaleaciones de base níquel solidificadas direccionalmente, utilizando como material de carga la aleación CMSX−4 y como material de semilla las aleaciones PWA 1483, PWA1484 y René 5. La macroestructura y la microestructura obtenida después de la solidificación direccional fue caracterizada mediante observación visual (OV), utilizando microscopía óptica (MO) y microscopía electrónica de barrido (SEM). Se analiza la tendencia a la formación y distribución de líneas de freckles en función del diámetro de las probetas, con la velocidad de crecimiento y la composición de la aleación. superaleaciones base cobalto mantienen su resistencia a temperaturas elevadas. Su resistencia en estas condiciones se debe principalmente, a la distribución de carburos refractarios (combinaciones de metales tales como el wolframio y el molibdeno con el carbono), que tienden a precipitar en los límites de los granos de matriz austenítica. La mejora de las propiedades de la aleación con la red de carburos se mantiene hasta temperaturas próximas a su punto de fusión. Generalmente, las aleaciones de cobalto, además de llevar metales refractarios y carburos metálicos, contienen niveles elevados de cromo,

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lo que aumenta la resistencia a la corrosión provocada por la presencia de los gases de combustión calientes. Las aleaciones de cobalto son más fáciles de soldar que otras superaleaciones y se forjan con más facilidad. Por estas razones, se aplican para fabricar la intrincada estructura de la cámara de combustión de las turbinas de gas, donde los componentes deben ser hechurables y soldables. Los elementos de adición más utilizados, cromo, tántalo, wolframio, molibdeno y níquel, entran en solución sólida en la matriz cúbica centrada en las caras y contribuyen al reforzamiento a través de los efectos normales de endurecimiento por solución sólida. El efecto endurecedor relativo dependerá de los diámetros atómicos. Cuanto superaleaciones base níquel son la y .icroestructura de la superaleación son microcristales casi−cúbicos de fase éatriz de fase . En cierto modo se puede considerar como un material compuesto formado por micropartículas metálicas dispersadas en una matriz metálica. Ambas fases presentan una estequiometría Ni 3 Al, pero la estructura cristalina de la fase c átomos de Ni y Al ordenados en la celda unidad mientras que en la fase éstos átomos están desordenados. La gran dureza que presentan las superaleaciones se debe a que las dislocaciones se anclan en la interfase de los dos constituyentes (se pueden mover a través de la fase , pero se anclan cuando llegan a un microcristal de fase )ente además de Ni y Al, se añade Cr para proteger la pieza de la corrosión y Ti y W para aumentar más la dureza. Al enfriar la mezcla líquida, primero solidifica la fase (P F mayor) y al enfriar la fase sólida aparece la s

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dentro de la matriz metálica. El tamaño final de los microcristales de fase d de la velocidad de enfriamiento y puede llega a ser el 60 % del volumen de la aleación. A elevada temperatura, los cristales de la fase tás alta que la de operación y se envejecen a una temperatura inferior. Cuando estas superaleaciones son muy duras, también son bastante frágiles. Esto significa que al hechurar estos materiales se separan las fases ya que las fuerzas de cohesión no son muy altas. Un 0.02 % de B en las superaleaciones de Ni mejora mucho la mecanización y se pasa de frágil a dúctil. La resistencia máxima se consigue a 850 o C, y la resistencia mecánica es útil hasta " 1000 o C. Los álabes cercanos a la cámara de combustión se fabrican de esta superaleación. superaleaciones base titanio En este caso se describen como una fase precipitada dentro de una matriz de fase . La densidad es mucho menor que las superaleaciones basadas en Co y Ni, sin embargo la resistencia a elevadas temperaturas es bastante menor. Solo se pueden emplear con garantías de buenas propiedades mecánicas hasta T=½ del P F (temperaturas en grados K), mientras que las de Ni y Co se pueden utilizar hasta T=7−8/10 del P F . Hay materiales intermetálicos del tipo TiAl y Ti 3 Al que prometen buenas prestaciones mecánicas a temperaturas elevadas. Tan importante

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como las fases presentes en los materiales y su estequiometría es el procesado del material ya que altera la microestructura y por tanto las prestaciones.

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