Introduccin

En la actualidad, el inters de desarrollar materiales que sean cada vez ms resistentes en ambientes de trabajo complejos, ha hecho que las aleaciones metlicas denominadas superaleaciones, sean un tema de gran importancia e impacto tecnolgico.

Las superaleaciones son materiales de alto rendimiento que mantienen una excelente resistencia mecnica a elevadas temperaturas. Estas caractersticas son las que hacen factible su uso en aplicaciones que van desde piezas sencillas, hasta anillos forjados que son elaborados para cumplir funciones crticas en turbinas de avin y degeneracin de energa. Son tolerantes a ambientes severos de operacin debido a que presentan resistencia a la corrosin y a la oxidacin.

Sus principales aplicaciones van desde turbinas de gas para aviones, reactores nucleares, plantas petroqumicas, estructuras de naves espaciales, labes, equipos de control de contaminacin y aplicaciones mdicas; sin embargo estos materiales se utilizan principalmente en industrias como la aeronutica y la de generacin energtica donde se requiere de una alta resistencia a elevadas temperaturas y/o resistencia a la corrosin.

Estas aleaciones se conocen como superaleaciones base hierro, base cobalto o base niquel. Contienen niquel, cromo, cobalto y molibdeno como principales elementos de aleacin; otros elementos de aleacin son el aluminio, el tungsteno y el titanio. En general las superaleaciones se identifican mediante nombres comerciales o mediante sistemas de numeracin especial, y estn disponibles en una diversidad de formas.

SUPERALEACIONES Unasuperaleacin, oaleacin de alto rendimiento, es una aleacin que exhibe una excelente resistencia mecnica y a la fluencia(tendencia de los slidos a moverse lentamente o deformarse bajo tensin), resistencia a altas temperaturas, estabilidad y una gran resistencia a la corrosin y la oxidacin. El comienzo de los estudios sistemticos de aleaciones de alta temperatura se produce a finales de la dcada de 1930 ligado al desarrollo de aviones con motores de turbina de gas. El desarrollo se ha basado en gran medida en innovaciones qumicas y de proceso y ha sido impulsado principalmente por las industrias aeroespaciales y de energa. Las aplicaciones tpicas son en elsector aeroespacial, de turbinas de gas industrial y la industria de turbinas marinas, por ejemplo, alabes para las secciones calientes de los motores a reaccin, y vlvulas bi-metlicos de motor para su uso en motores dieseles y aplicaciones de automocin. Las superaleaciones tpicamente tienen una matriz con una austentico cara cbica centrada en la estructura cristalina. Un elemento de superaleacin de base de aleacin es generalmentenquel,cobaltoo nquel-hierro. Ejemplos de superaleaciones sonHastelloy,Inconel(por ejemplo IN100, IN600, IN713),Waspaloy, aleaciones Ren (por ejemplo, Ren 41, Ren 80, 95 Ren, Ren N5), aleaciones de Haynes, Incoloy, MP98T, aleaciones de TMS, y CMSX (por ejemplo, CMSX -4) aleaciones monocristal. Una de las propiedades superaleacin ms importante es la alta resistencia a la prdida de temperatura. Otras propiedades de los materialesfundamentales son la fatiga, laestabilidad de fase, as como la oxidacin y la resistencia a la corrosin.

APLICACIONES

Las Superaleaciones se utilizan comnmente en los motores de turbina de gas en las regiones que estn sujetas a las altas temperaturas que requieren de alta resistencia, excelenteresistencia a la fluencia, as como la corrosin y resistencia a la oxidacin. En la mayora delos motores de turbina de esto est en la turbina de alta presin, hojas de aqu puedeenfrentar temperaturas que se acercan, si no ms all de su temperatura de fusin.Recubrimientos de barrera trmica (TBCs) desempean un papel importante en las hojasque les permite operar en tales condiciones, la proteccin del material de la base de losefectos trmicos, as como la corrosin y oxidacin.

Las superaleaciones desarrollan resistencia a altas temperaturas a travs de fortalecimiento de solucin slida. Con mucho, el mecanismo de refuerzo ms importante es a travs de la formacin de precipitados de fase secundaria tales como gamma prima y carburos a travs delenvejecimiento trmico. La oxidacin y resistencia a la corrosin es proporcionada por la formacin de un recubrimiento de barrera trmica (TBC), que se forma cuando el metal est expuesto al oxgeno y recubre el material, y as proteger el resto del componente. La oxidacin o resistencia a la corrosin la proporciona elementos tales como elaluminioy elcromo. El enfriamiento por aire (tales como los canales de aire de refrigeracin que se ven en la imagen), adems, puede enfriar los componentes y que stas puedan operar bajo tales condiciones, la proteccin del material de base de los efectos trmicos as como la corrosin y la oxidacin. En la mayora de los motores de turbina de esto es en la turbina de alta presin, donde los alabes son refrigerados por aire se pueden utilizar a temperaturas 200 C por encima de la temperatura de fusin de la superaleacin. La temperatura de entrada a la turbina (TIT), que es un parmetro particular en la eficiencia de un motor de turbina de gas, depende de la capacidad de temperatura de primera etapa alabes de alta presin. Estos componentes est hecho exclusivamente con superaleaciones de base nquel. Los turbocompresores de las turbinas tambin utilizan superaleaciones, generalmentesoldada mediante haz de electronesal eje de acero. Las superaleaciones comunes en esta aplicacin son, por ejemplo, Inconel 713 y Mar-M 247. Esto ltimo es particularmente til para motores de gasolina, ya que reduce la necesidad de enriquecimiento de combustible a altas cargas que mejoran la eficiencia del motor. Tambin se utilizan en medios corrosivos en lugar de otros materiales metlicos (por ejemplo) en lugar deacero inoxidableen ambientes de agua salada o cido. Las superaleaciones (tales como Nimonic 80A) tambin se utilizan en las vlvulas de asiento en motores de mbolo, tanto motores diesel como gasolina. Esto es ya sea en forma de un slido vlvula nica o como una vlvula de dos metales. La resistencia a la corrosin es particularmente til cuando se trata con las altas temperaturas y presiones que se encuentran en un motor diesel. Las superaleaciones resistan las picaduras y la degradacin en las condiciones de operacin cosa que no hara un acero inoxidable normal. Aplicaciones adicionales de superaleaciones son: las turbinas de gas (aviones comerciales y militares, la generacin de energa y propulsin marina), vehculos espaciales; submarinos, reactores nucleares, motores elctricos militares, vehculos de carreras y de alto rendimiento, plantas de procesamiento qumico, carcasas de bombas y tubos de intercambiador de calor.

TIPOS DE SUPERALEACIONES

A base de niquel:

Las superaleaciones a base de niquel presentan alta resistencia mecnica a elevada temperatura, alta resistencia a la fluencia, a la fatiga trmica y la erosin, y sus altos puntos de fusin previenen, en el caso de sobrecalentamientos accidentales de fusiones incipientes. Adems, poseen juna excelente resistencia a la oxidacin, lo que hace que sean excelentes candidatas en aplicaciones donde se requiera trabajar con temperaturas elevadas (> 1000 K), como son las turbinas o los sistemas de conversin de energa. Debido a que en la mayora de los medios est presente el oxigeno, la oxidacin es el mecanismo de degradacin ms importante a altas temperaturas.La resistencia a la oxidacin depende fundamentalmente de la capacidad de las aleaciones para formar y mantener una capa protectora de oxido con bajas velocidades de crecimiento.

Estructura cristalina:

Las superaleaciones de nquel presentan una microestructura peculiar, causante de sus excelentes propiedades, con una distribucin en dos fases, gamma () y gamma prima.

Fase gamma: solucin slida centrada en las caras que acta como matriz. ().

Fase gamma prima: dispersin de precipitados ordenados intermetlicos,responsable de la gran resistencia de las superaleaciones. Las frmulasestequiomtricas de esta fase son: Ni3Al, Ni3Ti o Ni3 (AlTi).

Aplicaciones de las superaleaciones de nquel:

Debido a sus propiedades, estas aleaciones son empleadas para la construccin de turbinas de gas (labes), turborreactores de avin, toberas y cmaras de combustin, reactores qumicos, generadores y prensas de extrusin.

Procesado de superaleaciones de nquel:

Una superaleacin de nquel, normalmente se fabrica fundiendo una pieza de nquel yagregando cromo y pequeas cantidades de otros elementos, como el aluminio o el titanio,para formar la fase gamma prima. El cromo protege el producto final de la corrosin,mientras que otros metales como titanio y wolframio, incrementan la dureza. Despus lamezcla liquida se enfra, apareciendo una masa de fase gamma de nquel-aluminio.

La primera superaleacin de nquel fue la Nimonic 80, endurecible por precipitacin,desarrollada en el ao 1941 en Gran Bretaa. Es una solucin slida de nquel con 20% Cr,2.25 % Ti, y 1% de Al; siendo estos dos ltimos metales tiles para la formacin deprecipitados de gamma prima.

Tan importantes como las propias aleaciones son las nuevas tcnicas de procesado demetales. Las tcnicas de procesado posibilitan que la metalurgia saque el mximoprovecho de los nuevos conocimientos microestructurales. Estas tcnicas permiten fabricarlas aleaciones tradicionales de maneras hasta ahora desconocidas, y facilitan la creacin denuevos metales que jams se hubieran obtenido con las tcnicas histricas.

Procesos de endurecimiento empleados en estas aleaciones:

Endurecimiento por solucin slida: Grandes adiciones de Cr, Mo y W,pequeas adiciones de Ta, Zr, Nb y B proporcionan el endurecimiento por solucinslida. Estos efectos son bastante estables, actuando los bordes de grano como frenos en el avance de las dislocaciones, lo que provoca la resistencia a latermofluencia.

Endurecimiento por dispersin de carburos: Todas las superaleaciones contienen pequeas cantidades de carbono, que en combinacin con otroselementos aleantes produce una red de finas partculas de carburo muy estables.Estos carburos, tales como TiC, BC, ZrC, TaC, etc., poseen una extraordinaria dureza.

Hastelloy D (Ni, 10% Si, 3% Cu). Es una aleacin para moldeo, fuerte, tenaz yextremadamente dura. Tiene una excelente resistencia a la corrosin al acidosulfrico. Difcil mecanizacin. Se emplea para evaporadores, reactores,canalizaciones y accesorios en la industria qumica.

A Base de Cobalto:

Mantienen su resistencia a temperaturas elevadas. Su resistencia en estas condiciones se debe principalmente, a la distribucin de carburos refractarios (combinaciones de metales tales como el wolframio y el molibdeno con el carbono), que tienden a precipitar en los lmites de los granos de matriz austentica. La mejora de laspropiedadesde la aleacin con la red de carburos se mantiene hasta temperaturas prximas a su punto de fusin. Generalmente, las aleaciones de cobalto, adems de llevar metales refractarios y carburos metlicos, contienen niveles elevados de cromo, lo que aumenta la resistencia a la corrosin provocada por la presencia de los gases de combustin calientes. Las aleaciones de cobalto son ms fciles de soldar que otras superaleaciones y se forjan con ms facilidad. Por estas razones, se aplican para fabricar la intrincada estructura de la cmara de combustin de las turbinas de gas, donde los componentes deben ser hechurables y soldables. Se aplican para fabricar la laboriosa estructura de la cmara de combustin de las turbinas de gas.

Otras aplicaciones

Industria aeroespacial:Cuchillas de las turbinas y motor de Cohetes.

Industria marina:Submarinos.

Industria de Procesos qumicos:

Reactores Nucleares.Tubos de intercambiadores de calor.Turbinas de gas industrial.

A Base de titanio: La densidad es mucho menor que las superaleaciones basadas en Co y Ni, sin embargo la resistencia a elevadas temperaturases bastante menor.Hay materiales inter metlicos del tipo TiAl y Ti3Al, que prometen buenas prestaciones mecnicas a temperaturas elevadas.

Propiedades del titano:

Entre las caractersticas mecnicas del titanio se tienen las siguientes: Mecanizadopor arranque devirutasimilar alacero inoxidable. Permitefresado qumico. Maleable, permite la produccin.Aplicaciones

En los ltimos diez aos se han realizado avances tecnolgicos en el desarrollo demodernos motores de turbinas para aeroplanos, dirigibles y componentes desuperaleaciones de base nquel.

MTODOS DE ELABORACIN Fusin

Para incrementar progresivamente la ley o contenido de las superaleaciones sometidas afundicin, el proceso pirometalrgico considera fases consecutivas de Fusin, Conversiny Refinacin.

As se logra que la pureza inicial de 30% a 40% contenida inicialmente en el concentrado,se incremente progresivamente hasta 99,5% en el nodo.De las fases consecutivas, la fusin y la conversin son las ms importantes por lodeterminantes que resultan en el proceso general.

La fusin tiene por objetivo concentrar el metal a recuperar, mediante una separacin defases de alta temperatura: una sulfurada rica en el metal y otra oxidada o pobre en l.La conversin elimina el azufre y el hierro presentes en la fase sulfurada, medianteoxidaciones del bao fundido para obtenerun cobre final relativamente puro.

Hoy en da el proceso de fundicin consta de once etapas:

1. Recepcin y manejo de materias primas e insumos.2. Secado de concentrados.3. Tostacin parcial de concentrados.4. Alimentacin de concentrados al horno de fusin.5. Fusin de concentrados.6. Limpieza de escorias.7. Granallado de eje alta ley y escorias.8. Preparacin y manejo de eje de alta ley.9. Conversin de eje de alta ley.10. Refinacin y moldeo de nodos.11. Plantas de limpieza de gases.

ETAPAS DEL PROCESO

Recepcin y manejo de materias primas e insumos:

El proceso se inicia con la recepcin y almacenamiento de los fundentes y otros insumos enreas especiales para el concentrado. Estos materiales, que son transportados por vamartima o terrestre, tienen un contenido de humedad que vara entre un 6% a 8% yproviene de distintas fuentes de abastecimiento. Se descargan mediante correastransportadoras tubulares o similares para evitar derrames y daos al medio ambiente.

Un equipo extrae el concentrado desde las camas de almacenamiento hacia el domo demezcla. La operacin normal permite que mientras una de las camas se est llenando, laotra se encuentre descargando a la planta. El domo de mezcla, cuya geometra es unasemiesfera metlica cerrada, debe tener capacidad suficiente para algunos das deoperacin y estar ubicado en las inmediaciones del rea de secado. El domo preparamediante una correa circular interna una mezcla homognea de concentrado, para dar laestabilidad operacional requerida por el proceso de fusin.

Solidificacin direccional:

Solidificacin direccional es una serie de medidas aplicadas para controlar laalimentacin de bastidores. Como la mayora de metales y aleaciones solidifican,cambiando del estado lquido al de estado slido experimentarn una contraccinapreciable del volumen. Sin la atencin a los principios del control, los objetos que el moldecontendr encogimiento comnmente llamado interno de los vacos a desertan.

Algunas de las medidas aplicadas son el uso de frialdades, canalizaciones verticales, controlde la tarifa que vierte, temperatura que vierte, y el uso de exotrmico materiales.

Con el uso apropiado de las medidas, como el metal solidifica el interfaz para el lmite entre el lquido y el metal slido se mueve hacia una fuente del metal adicional de laalimentacin y lejos de la regin donde la solidificacin comenz.

Solidificacin de los metales: La solidificacin involucra el regreso del metal fundido al estado slido. El proceso desolidificacin difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleacin.

Metales puros: Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye su punto de congelacin o punto de fusin. Los puntos de fusin de los metales puros son bienconocidos.

La solidificacin real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificacin, durante elcual el calor latente de fusin del metal escapa fuera del molde. El tiempo total desolidificacin va desde el momento de vaciar el metal hasta su completa solidificacin.Despus que la fundicin se ha solidificado completamente, el enfriamiento contina a unavelocidad indicada por la pendiente hacia debajo de la curva de enfriamiento.

COMPORTAMIENTO MECNICO

Dureza: Los resultados de las mediciones de dureza en las muestras sinterizadas a 1305C,homogenizadas a 1000 y 1065C y posteriormente envejecidas a 350C durante diferentestiempos.

Dureza de las superaleaciones sinterizadas a 1305C, homogenizadas a 1000 y 1065C y posteriormente envejecidas a 350C a diferentes tiempos.

Oxidacin y corrosin:Qu es la oxidacin? La oxidacin es una reaccin qumica donde un metal o un no metal ceden electrones, y por tanto aumenta su estado de oxidacin. La reaccin qumica opuesta a la oxidacin se conoce como reduccin, es decir cuando una especie qumica acepta electrones. Estas dos reacciones siempre se dan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida, siempre es por la accin de otra que se reduce. Una cede electrones y la otra los acepta. Por esta razn, se prefiere el trmino general de reacciones redox. La propia vida es un fenmeno redox. El oxgeno es el mejor oxidante que existe debido a que la molcula es poco reactiva (por su doble enlace) y sin embargo es muy electronegativo, casi como el flor.

Tipos de oxidacin

Oxidacin lentaLa que ocurre casi siempre en los metales a causa del agua o aire, causando su corrosin y prdida de brillo. Oxidacin rpida La que ocurre durante lo que ya sera la combustin, desprendiendo cantidades apreciables de calor, en forma de fuego.

Qu es la corrosin? La corrosin; es definida como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroqumico por su entorno. Siempre que la corrosin est originada por una reaccin electroqumica (oxidacin).

Corrosin Galvnica Puede ocurrir cuando metales distintos se unen elctricamente en presencia de unelectrolito (por ejemplo, una solucin conductiva).

Corrosin uniforme Es aquella corrosin que se produce con el adelgazamiento uniforme producto de la prdida regular del metal superficial.

Corrosin por picaduras Se produce en zonas de baja corrosin, el proceso produce unas pequeas picaduras en el cuerpo que afectan.

Cambios en la microestructura durante su exposicin a temperaturas elevadas.

ALOTROPA El fenmeno alotropa o polimorfismo se presenta en los elementos y compuestos que existen en ms de una forma cristalina, bajo diferentes condiciones de temperatura y presin Muchos metales industrialmente importantes como: Hierro Titanio Cobalto Experimentan transformaciones alotrpicas a elevadas temperaturas y presinatmosfrica. Este fenmeno de la alotropa, se debe a que los tomos que forman las molculas, se agrupan de distintas maneras, provocando caractersticas fsicas diferentes como: Color Dureza Textura

ENSEANZA QUE DEJA LA INVESTIGACION Las aleaciones entre materiales mejoran sus propiedades de rendimiento significativamente. Unasuperaleacin, ode aleacin de alto rendimiento, es unaaleacinque exhibe una excelente resistencia mecnica yla fluencia(tendencia de los slidos a moverse lentamente o deformarse bajo tensin) resistencia a altas temperaturas, la estabilidad y una buena superficie de la corrosin y la resistencia a la oxidacin por ende, el uso de estos materiales siempre se vern utilizadas en las asociaciones que participan en mega proyectos donde deben tener una larga duracin pues su falla (una mala eleccin de algn material en la construccin) puede generar gastos enormes, hasta la anulacin del proyecto y en los peores casos, la quiebra de la mega empresa que construye estas estructura. La duracin debe ser proporcional al uso y las ganancia que se pueden generar (las ganancia no siempre deben ser monetaria, pues en el caso de una estacin aeroespacial la ganancia es, bsicamente cientfica que ayuda al avance en distintos campos cientficos como la astronoma).

Un elemento de superaleacin es generalmentede base nquel, cobalto o titanio que son los principales elementos que se utiliza para las aleaciones y hablaremos sobre las propiedades de estos elementos y sus principales aleaciones. Superaleaciones se utilizan comnmente en los motores de turbina de gas en las regiones que estn sujetas a las altas temperaturas que requieren de alta resistencia, excelente resistencia a la fluencia, as como la corrosin y resistencia a la oxidacin.En la mayora de los motores de turbina de esto est en la turbina de alta presin, hojas de aqu puede enfrentar temperaturas que se acercan, si no ms all de su temperatura de fusin. Recubrimientos de barrera trmica (TBCs) desempean un papel importante en las hojas que les permite operar en tales condiciones, la proteccin del material de la base de losefectostrmicos,ascomolacorrosinyoxidacin. Aplicacionesadicionalesde superaleaciones se incluyen los siguientes: turbinas de gas (aviones comerciales y militares, generacin de energa y propulsin marina); vehculos espaciales, los submarinos, los reactores nucleares, militares motores elctricos, los buques de transformacin qumica, y los tubos deintercambiador de calor. Los materiales no aleados tienen sus propiedades fsicas, qumicas y mecnicas que no siempre son adecuados, dependiendo para lo que se quiera ocupar, por eso existen las aleaciones o sper aleaciones que combinan lo mejor de cada material con un tratamiento qumico-trmico adecuado para formar los compuestos ya mencionados y que nos darn la satisfaccin de verlos funcionar sin tener la preocupacin de que el material, o se pueda derretir (por las altas temperaturas) o que por la misma temperatura se expanda originando una fuga que puede afectar el rendimiento.

Glosario de trminos

Austentico:Unacero inoxidable austenticoes una calidad caracterizada por una buena resistencia a la corrosin, una buena ductilidad, facilidad para ser soldada, aptitud al pulido y por unas buenas propiedades de embuticin.

labe: Unlabees la paleta curva de unaturbomquinaomquina de fluidorotodinmica. Forma parte delrodetey, en su caso, tambin del difusor o del distribuidor.

Vlvulas bi-metlicos: Hacen posible la combinacin ideal de materiales tanto para el vstago como para la cabeza.

CO: Elmonxido de carbonotambin denominado xido de carbono (II), gas carbonoso y anhdrido carbonoso (los dos ltimos cada vez ms en desuso) cuya frmula qumica esCO, es ungasinodoro, incoloro y altamentetxico.

Conclusin

El estudio de las superaleaciones cuenta con un futuro prometedor, debido a su extenso campo de aplicacin y a sus mltiples caractersticas como la dureza, tenacidad, trabajo en alta temperatura, resistencia a la corrosin y fatiga, entre otras.

Resalta entre sus ventajas la mejora del trabajo y funcionalidad de las maquinas que permiten un optimo funcionamiento de las mismas. Tiene aplicacin en industrias aeroespaciales, martimas, petroqumicas, qumicas, nucleares y muchas otras ms. La investigacin de superaleaciones tendr una influencia a un nivel trascendental debido a que impulsaran nuevas tecnologas impulsando as el desarrollo tecnolgico y econmico de la sociedad.

Las superaleaciones, podramos decir, son materiales de vanguardia, todas las ramas que podran ser consideradas estratgicas desde el punto de vista de la reproduccin global participan o emplean, en mayor o menor medida, algunas de estas superaleaciones, de manera que su aplicacin podra convertirse en un indicador del grado de desarrollo industrial y de supremaca econmica.Las superaleaciones no se sustentan en la incorporacin de elementos nuevos( aunque sucede) sino en nuevas formas de procesamientos, nuevas proporciones o combinaciones de los minerales conocidos, que permiten resolver problemas insolutos y de gran importancia para el avance de las fuerzas productivas del control del hombre sobre las fuerzas de la naturaleza, no solo planetaria sino espacial.