Aleaciones para resistir altas temperaturas: superaleaciones

El ININ hoy
Aleaciones para resistir altas temperaturas:
SUPERALEACIONES
Por M.C. Luis Zamora Rangel (lzr@nuclear.inin.mx)
El progreso que alcance una civilización
depende, en buena parte, del dominio que
tenga sobre las propiedades de los materiales.
Históricamente, este es un hecho comprobado y lo podemos ver en la forma en que
se han dividido las diferentes edades de la
humanidad. La edad de piedra se caracterizó por el uso de las rocas como material
básico y termina cuando aparece un nuevo material, el bronce, que podía moldearse
y hacer la vida más fácil. El bronce es una
aleación de cobre y cantidades pequeñas
de estaño, normalmente entre el 1 y 5% y
no mayores al 10 %. No está claro cómo los
hombres de aquella época, con nulos conocimientos sobre metalurgia, pudieron desarrollar una aleación como el bronce: lo
más probable es que se trató de un accidente, porque nadie podía prever que
uniendo un metal blando a otro más blando todavía resultase una amalgama más
dura. Pero el estaño escaseaba y era necesario ir a buscarlo a lugares remotos, necesidad que favoreció el desarrollo de la navegación e impulsó el comercio. De este
modo se difundieron con rapidez las nuevas técnicas en el empleo de los metales y
se originaron pueblos dominantes que conocían y explotaban los yacimientos de estaño.
Las dificultades que presentaba la obtención del bronce dieron lugar al uso de otro
metal, el hierro, que se encuentra en muchas partes del mundo. No se sabe cuándo
empezó a utilizarse este metal encontrado
en las tumbas egipcias, extraído de meteoritos. Sin embargo, el hierro puro no supera
en propiedades al bronce, fue la combinación de éste y pequeñas cantidades de carbono, lo que verdaderamente originó la aparición de un nuevo y revolucionario material: el acero. No es difícil imaginar cómo se
obtuvo el acero, ya que al intentar forjar el
hierro usando las técnicas en caliente, como
se hacía con el bronce, un poco del carbono de las brasas en donde se calentaba pudo
haberse difundido en el hierro. Bastan unas
décimas porcentuales de carbono en el hierro para que se duplique la resistencia mecánica del material. Así se inicio la llamada
Edad de hierro, que aún no ha terminado
realmente, ya que este metal sigue siendo
el material más importante en nuestra actual civilización.
El hierro desplazó al bronce por ser un material más abundante y, por lo tanto, más
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barato. La corrosión destruye fácilmente al
hierro y no así al bronce; el bronce tiene un
color dorado, mientras el hierro es grisáceo.
La resistencia mecánica en el acero de la
época no superaba a la del bronce y la temperatura de conformado es superior para el
acero que para el bronce. Pero aún así el
bronce fue sustituido por el hierro. Las tecnologías del acero se fueron perfeccionando con el paso de los siglos, a base de prueba y error. En muchos casos se perdieron
los conocimientos al morir el herrero que
los descubría o al ser destruida la civilización que los dominaba, como en el caso de
los aceros de Damasco.
La necesidad de un nuevo material, se hizo
patente cuando se empezaron a multiplicar las máquinas de vapor que caracterizaron a la Revolución Industrial. El acero,
tal como se le conocía, se degradaba rápidamente por la corrosión producida por el
vapor de agua y aunque el uso del bronce
era una buena solución técnica, no era práctica por su alto costo. En forma empírica se
probaron aleaciones del acero con otros
elementos que originaron nuevas propiedades, entre las que se descubrió que el
cromo elevaba la resistencia a la corrosión
a altas temperaturas así como su resistencia mecánica. El acero empezaba así a
mostrar su versatilidad y se afianzaba más
en el naciente mundo industrial.
La metalurgia, como ciencia que estudia
las propiedades de los metales, surgió después del nacimiento de otras ciencias, como
la cristalografía, la física del estado sólido,
la física atómica, etc. Para entender el comportamiento de los metales, se requería de
estas ciencias y de técnicas como los rayos
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X, la microscopía óptica y la microscopía
electrónica. Todas estas técnicas, originalmente aplicadas al estudio de los metales,
se extendieron a la investigación de otros
tipos de materiales.
Todavía a principios del siglo XX, el hierro
seguía siendo el material básico que apoyaba el desarrollo de cualquier nueva tecnología, fuera en tiempos de paz o de guerra. Por esta época, la naciente industria de
la aeronáutica empezó a demandar materiales ligeros y de alta resistencia. Así, se
aplicaron los conceptos sobre deformación
de los metales con base en las
dislocaciones, para desarrollar un aluminio
con la resistencia del acero, pero mucho
más ligero (tres veces menor peso específico que el del acero). El aluminio, además
de su ligereza, tiene la propiedad de resistir
la corrosión y mantener su color plateado
gracias a la formación instantánea de una
cubierta de óxido de aluminio transparente, que impide el paso de oxígeno hacia el
metal, evitando así la oxidación continua.
En 1930, los investigadores notaron que
una red cristalina perfecta no explicaba todas las propiedades observadas. De hecho,
ahora resulta evidente que los defectos en
la red -los lugares donde los átomos del
plano no encajan perfectamente- desempeñan un papel preponderante a la hora
de determinar propiedades como ductilidad,
fragilidad y comportamiento a temperatura
elevada.
Muchos de los metales modernos empleados actualmente, se desarrollaron buscando una simple aplicación: la turbina a gas
o turborreactor del avión. Los componen-
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tes de una turbina a gas están expuestos
a todo tipo de condiciones extremas: temperaturas altas, gases corrosivos, vibraciones y esfuerzos mecánicos elevados, así
como tensiones sutiles. El aparato arranca,
acelera, desacelera cada vez que el avión
despega y aterriza. La repetición de este ciclo puede conducir a un tipo de fallo conocido como fatiga de baja frecuencia, sucede de la misma manera que al doblar varias veces un alambre, se rompe fácilmente.
El desarrollo de aleaciones modernas ha
sido un factor decisivo en la mejora de los
turborreactores. El precio, en este caso, no
ha sido determinante, ya que su aplicación
paga su costo. Se han creado metales capaces de resistir mayores temperaturas y
mayores esfuerzos, que han reemplazado
componentes fabricados con otras aleaciones menos adecuadas, incrementando, por
tanto, su fiabilidad.
Las aleaciones más idóneas para satisfacer muchas de las condiciones extremas
señaladas, utilizan el níquel y se conocen
como superaleaciones. En una aleación
convencional, todos los átomos están distribuidos según una estructura cristalina
particular; es decir, todos los planos de átomos están colocados según una secuencia determinada. Frecuentemente, una
muestra consta de muchos granos, o cristales individuales, unidos entre sí y aunque las estructuras cristalinas de diferentes granos no estén mutuamente alineadas, sí lo están los átomos de los distintos
cristales, siguiendo siempre la misma pauta.
Por su parte, los átomos de una
superaleación están distribuidos en dos o
más fases o tipos de disposición. En las
superaleaciones basadas en el níquel, las
fases se denominan gamma y gamma prima. Los cristales, diminutos y normalmente
cúbicos de la fase gamma prima están mucho más ordenados que en la gamma. Es
decir, si bien es verdad que los planos de
átomos siguen la misma disposición en
ambas fases, también es cierto que los átomos de níquel ocupan lugares específicos
en cada plano de la fase gamma prima y
que otros lugares específicos están ocupados por los átomos de otro metal, que suele
ser el aluminio. En la fase gamma, cada tipo
de átomo puede ocupar cualquier sitio. Para
comprender las propiedades especiales de
las superaleaciones, es necesario entender
primero cómo se comporta la
microestructura de un metal frente a una
fuerza aplicada.
Una superaleación se fabrica fundiendo una
pieza de níquel y agregando aluminio. Normalmente, se agrega cierto porcentaje de
cromo para proteger de la corrosión al producto final, además de pequeñas cantidades de otros metales, como titanio y tungsteno, para incrementar la dureza. Luego, la
mezcla líquida se enfría, apareciendo una
masa de fase gamma de níquel-aluminio,
ya que el punto de solidificación de la fase
gamma es superior al de la fase gamma
prima. Cuando la aleación experimenta un
posterior enfriamiento en su estado sólido,
se precipitan pequeños cubos de fase
gamma prima dentro de la matriz de fase
gamma.
La primera superaleación base níquel
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endurecible por precipitación fue la Nimonic
80, desarrollada en Gran Bretaña en 1941.
Es una solución sólida de Ni 20%, Cr con
2.25% y 1% de Al y de Ti; el porcentaje de Ti
y Al, es útil para la formación de precipitados de gamma prima. Al paso de los años,
el mejoramiento en el comportamiento de
estas aleaciones ha sido posible por la adición de elementos como Co, Fe, Mo, V, Nb,
Ta, B, Zr, C y Mg.
dición sin defectos y con una estructura fina
y homogénea, para incrementar sus propiedades mecánicas. Esto puede obtenerse, en
gran medida, estudiando, entendiendo y
controlando el proceso de solidificación, lo
cual ha inducido que varios investigadores
del ININ se dediquen a ello y reporten trabajos en esta área. ’
Investigación sobre superaleaciones
en el ININ
En 1984, la Gerencia de Materiales del ININ
inició la investigación de la superaleación
base níquel Nimonic 80ª para determinar
sus propiedades mecánicas, dureza,
termofluencia y relación con los tratamientos térmicos aplicados, la microestructura,
las fases, precipitados presentes y la relación existente entre ellos.
Actualmente el ININ cuenta con un Laboratorio de Fusión para la preparación de
superaleaciones, que consiste en una unidad de fusión y colada al alto vacío, la cual
consta de tres partes: un sistema de vacío,
un sistema de calentamiento y un horno
propiamente dicho (recinto de fusión y colada). La fusión se lleva a cabo en un horno de inducción al vacío tipo Balzers con
un crisol basculante o también denominado de “colada en molde frío”. El recinto para
la fusión y colada está constituido por una
cámara metálica que contiene en su interior a la bobina de inducción refrigerada con
agua. Con este equipo se alcanzan sin dificultad los 1600ºC, suficientes para lograr
la fusión satisfactoria de la superaleación.
Resulta importante obtener piezas de fun2 6 Contacto
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Figura 1
Figura 2
Figura 3
Fundición3. Cu 44 %- Zn 37.5 %- Al 14.5 %- Ni 4 %