Instituto Tecnológico Nacional

Departamento de Ingeniería Industrial

Materia:

Materiales Avanzados

Trabajo:

Superaleaciones Unidad 3

Alumno:

Hernández Pérez Giovanni 13210465

Impartida por:

MAE.Carlos Vladimir Bojórquez González

INTRODUCCIÓN

Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. En efecto, las primeras civilizaciones se conocen por el nombre del material que usaban (Edad de Piedra, Edad de Bronce). Sin embargo, hace relativamente poco tiempo que los científicos llegaron a comprender la relación entre elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Este conocimiento adquirido ha provocado el desarrollado de materiales distintos con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad, se trata de metales, plásticos, vidrios, cerámicas y fibras. Se puede afirmar que una de las grandes revoluciones de la ciencia e ingeniería de los materiales fue el descubrimiento de las diferentes fases térmicas de los metales, y en especial del acero. Actualmente los adelantos estructurales aeroespaciales más sofisticados se basan en materiales denominados superaleaciones.

El término "superaleaciones" fue utilizado por primera vez poco después de la Segunda Guerra Mundial, para describir un grupo de aleaciones desarrolladas para su uso en turbocompresores y turbinas de motor de aviones que requerían un alto rendimiento a temperaturas elevadas. Sin embargo, 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 las superaleaciones. Para ello se han incrementado los niveles de elementos aleantes de tipo refractarios, logrando incrementar sus propiedades mecánicas a elevadas temperaturas. Las superaleaciones o aleaciones de alto rendimiento son un grupo de materiales o aleaciones metálicas de base níquel, cobalto, hierro y titanio que presentan excelentes propiedades mecánicas a temperaturas elevadas, es decir, son utilizados a menudo de más de 0.7 de su temperatura de fusión absoluta (a temperaturas de 540°C y superiores). Su resistencia al creep y resistencia a la oxidación son los criterios principales de diseño.

3.2 Diagramas de fase, microestructura y cristalografía

Tipos de reacciones

Diagrama Cobre-Niquel

Superaleaciones refractarias

Las superlaciones refractarias es un nuevo concepto que está definido por aleaciones con fases gama-fcc y gamma’ L-12 que cuentan con estructuras similares a las de las superlaciones base Nickel, pero con más altos puntos de fusión. El Iridio cuyo punto de fusión es de 2443°C es el elegido para el metal base de estas superaleaciones refractarias.

Diagramas de fases son representaciones gráficas temperatura vs. Composición a presión constante, que permiten conocer:

Las fases presentes para cada temperatura y composición Solubilidades a diferentes temperaturas de un componente en otro Temperatura de solidificación, etc.

3.3 métodos de elaboración

Fusión

Para incrementar progresivamente la ley o contenido de las superaleaciones sometidas a fundición, el proceso pirometalúrgico considera fases consecutivas de Fusión, Conversión y Refinación.Así se logra que la pureza inicial de 30% a 40% contenida inicialmente en el concentrado, se incremente progresivamente hasta 99,5% en el ánodo.

De las fases consecutivas, la fusión y la conversión son las más importantes por lo determinantes que resultan en el proceso general.

La fusión tiene por objetivo concentrar el metal a recuperar, mediante una separación de fases de alta temperatura: una sulfurada rica en el metal y otra oxidada o pobre en él. La conversión elimina el azufre y el hierro presentes en la fase sulfurada, mediante oxidaciones del baño fundido para obtener un cobre final relativamente puro.

Hoy en día el proceso de fundición once etapas:

1. Recepción y manejo de materias primas e insumos.2. Secado de concentrados.3. Tostación parcial de concentrados.4. Alimentación de concentrados al horno de fusión.5. Fusión de concentrados.6. Limpieza de escorias.7. Granallado de eje alta ley y escorias.8. Preparación y manejo de eje de alta ley.9. Conversión de eje de alta ley.10. Refinación y moldeo de ánodos.11. Plantas de limpieza de gases.

En la figura de una secuencia clásica de etapas pirometalúrgicas se muestra el rango aproximado de temperaturas involucradas. En su forma clásica, hay una secuencia alternada de etapas endotérmicas y exotérmicas, siendo las más relevantes por su tamaño las

correspondientes a la fusión y la conversión. Secuencialmente, también hay un aumento paulatino de la temperatura del sistema fundido.

Solidificación direccional

Solidificación direccional es una serie de medidas aplicadas para controlar la alimentación de bastidores. Como la mayoría de metales y aleaciones solidifican, cambiando del estado líquido al de estado sólido experimentarán una contracción apreciable del volumen. Sin la atención a los principios del control, los objetos que el molde contendrá encogimiento comúnmente llamado interno de los vacíos a “desertan”.

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

Con el uso apropiado de las medidas, como el metal solidifica el interfaz para el límite entre el líquido y el metal sólido se mueve hacia una fuente del metal adicional de la alimentación y lejos de la región donde la solidificación comenzó.

La solidificación direccional se puede utilizar como proceso de la purificación. Puesto que la mayoría de las impurezas serán más solubles en el líquido que en la fase sólida durante la solidificación, las impurezas “serán empujadas” por el frente de la solidificación, causando mucho de echar acabado para tener una concentración más baja de impurezas que el material de la materia de base, mientras que el metal solidificado pasado será enriquecido con las impurezas. Esta última parte del metal

puede ser desechada o ser reciclada. La conveniencia de la solidificación direccional en quitar un inmpurity específico de cierto metal depende de coeficiente de la partición de la impureza en el metal en la pregunta, según lo descrito por Ecuación de Scheil. La solidificación direccional se emplea con frecuencia como paso de la purificación en la producción de multicrystalline silicio para células solares.

La solidificación direccional (DS) es controlado por la solidificación del metal líquido para el suministro continuo al frente de solidificación de la fundición de metal de alimentación.

Entre los métodos de solidificación direccional, el método de crecimiento Bridgman consiste en calentar el material cristalino por encima de su punto de fusión y solidificación como consecuencia de su tasa de crecimiento definidos y el gradiente de temperatura. IMMS SAS para las necesidades de solidificación direccional poseen el aparato de Bridgman modificado.

Opciones de utilización de la DS:

1. para producir los cristales individuales con orientación de los cristales definidos

2. eutéctica para producir materiales compuestos3. Para dilucidar la dependencia entre las condiciones de

crecimiento y la microestructura de las aleaciones de intermetálicos

4. El estudio del crecimiento celular a dendríticas por el cambio de los parámetros de solidificación

5. Para el estudio de las columnas de equiaxial transición de crecimiento de grano

6. para estudiar la evolución microestructural durante la solidificación y posteriores transformaciones de estado sólido por la combinación de solidificación direccionalcon los métodos de enfriamiento

7. Eutéctica Ni-Al-Mo compuestos con DS Ti-46Al-2W-0.5Si (At.%) de aleación, matriz intermetálicos reforzados por V = 1.18x10-4 ms-1. C - las partículas de Al2O3 Fibras Mo

Metalurgia de Polvos

Se define como el arte de elaborar productos comerciales a partir de polvos metálicos.

En este proceso no siempre se utiliza el calor, pero cuando se utiliza este debe mantenerse debajo de la temperatura de fusión de los metales a trabajar. Cuando se aplica calor en el proceso subsecuente de la metalurgia de los polvos se le conoce como sinterizado, este proceso genera la unión de partículas finas con lo que se mejora la resistencia de los productos y otras de sus propiedades. Las piezas metálicas producto de los procesos de la metalurgia de los polvos son producto de la mezcla de diversos polvos de metales que se complementan en sus características. Así se pueden obtener metales con cobalto, tungsteno o grafito según para qué va a ser utilizado el material que se fabrica.

El metal en forma de polvo es más caro que en forma sólida y el proceso es sólo recomendable para la producción en masa de los productos, en general el costo de producción de piezas producto de polvo metálico es más alto que el de la fundición, sin embargo es justificable y rentable por las propiedades excepcionales que se obtienen con este procedimiento. Existen productos que no pueden ser fabricados y otros no compiten por las tolerancias que se logran con este método de fabricación.

El proceso de manera general consiste en:

1. Producción de polvo de los metales que serán utilizados en la pieza

2. Mezclado de los metales participantes3. Conformado de las piezas por medio de prensas4. Sinterizado de las piezas5. Tratamientos térmicos

Forma: La forma del polvo depende de la manera en la que se produjo el polvo, esta puede ser esférica, quebrada, dendrítica. Plana o angular.

Propiedades químicas: Son características de reacción ante diferentes elementos. También se relacionan con la pureza del polvo utilizado.

3.4 Comportamiento mecánico

Dureza

Los resultados de las mediciones de dureza en las muestras sinterizadas a 1305°C, homogenizadas a 1000 y 1065°C y posteriormente envejecidas a 350°C durante diferentes tiempos se presentan:

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

Como puede verse en esta figura en todos los casos en la medida que el tiempo de envejecido es mayor la dureza de las muestras tiende a decrecer, asimismo, se tiene que a menores temperaturas de homogeneizado esta dureza igualmente es menor. La explicación de este comportamiento tiene su origen en el crecimiento anormal de los precipitados formados durante el tratamiento de envejecido. La dureza reportada para este tipo de aleación obtenida por fusión es de 30 RC [8], como se ve aquí se tienen valores de dureza muy próximos a este, lo que es indicativo de que los resultados de dureza aquí medidos están acordes a lo reportado en la literatura, de manera tal que si se logran controlar y establecer mejor las condiciones del procesamiento para fabricar este tipo de aleación por medio de metalurgia de polvos se podrá obtener una aleación con mejores características mecánicas.

Resistencia a la tensión

Los resultados de las mediciones de resistencia a la tensión en las muestras sinterizadas a 1305°C, homogenizadas a 1000 y 1065°C y posteriormente envejecidas a 350°C durante diferentes tiempos se presentan en la Figura 6. Como es de esperarse si la dureza de un material disminuye su resistencia aumenta [3]. Tal y como se observa en la figura 6 la resistencia de la aleación es mayor en la medida que el tiempo de envejecido también se incrementa. Si bien las variaciones en resistencia no son muy significativas, estas se dan, lo que indica que todas y cada una de las condiciones del procesamiento tienen una fuerte influencia en las características finales de las aleaciones fabricadas y lo que da pauta a optimizar estas condiciones para fabricar la aleación con las mejores características mecánicas.

Resistencia a la compresión, a la flexión, al corte y a la torsíon: en las superaleaciones se puede admitir que el valor del límite de aplastamiento 0,2% (parámetro de la resistencia a la compresión) es igual al valor del límite elástico 0,2% de tracción. La resistencia a la compresión o el límite de aplastamiento 0,2% tienen importancia principalmente en las piezas sometidas a compresión tales como cojinetes de fricción.

1. La resistencia a la flexión en las aleaciones de niquel se tiene en cuenta para las de fundición, en aquellos casos en que, al realizar el ensayo de tracción no es posible determinar el límite elástico con suficiente exactitud a causa de su pequeño valor.

2. La resistencia al cizallamiento es importante para el cálculo de la fuerza necesaria para el corte y para determinadas construcciones. No existen valores normalizados. Generalmente está entre el 55 y 80 % de la resistencia a la tracción.

3. Casi nunca se determina la resistencia a la torsión, si se considera una distribución lineal de tensiones, puede considerársela igual a la reistencia al cizallamiento.

Propiedades resistentes a temperaturas elevadas: al aumentar la temperatura, no disminuyen la resistencia a la tracción, el límite elástico y la dureza, en tanto que, en general, no aumenta el alargamiento de rotura y la estricción de rotura. El factor tiempo juega un papel esencial en la determinación de valores de resistencia para altas temperaturas. Esta influencia se exterioriza de dos maneras:

Cambios de estado. Bajo la influencia de temperaturas elevadas se pueden producir modificaciones permanentes en la estructura de los materiales que han experimentado endurecimiento por deformación en frío, estas traen consigo una disminución de la resistencia mecánica.

Procesos de fluencia. A temperaturas elevadas el material puede experimentar deformaciones lentas bajo la acción de cargas en reposo, aumentando la velocidad en el cambio de forma con el incremento de la temperatura y de la tensión. Al mismo tiempo pueden surgir tensiones por debajo de la resistencia a la tracción o del límite elástico 0,2%.

3.5 Oxidación y corrosión

TIPOS DE OXIDACION.

Oxidación lenta

La que ocurre casi siempre en los metales a causa del agua o aire, causando su corrosión y pérdida de brillo

Oxidación rápida

La que ocurre durante lo que ya sería la combustión, desprendiendo cantidades apreciables de calor, en forma de fuego.

¿QUE ES LA CORROSION?

La corrosión; es definida como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica (oxidación).

Tipos de corrosión

Corrosión Galvánica

Puede ocurrir cuando metales distintos se unen eléctricamente en presencia de un electrolito (por ejemplo, una solución conductiva).

Corrosión uniforme

Es aquella corrosión que se produce con el adelgazamiento uniforme producto de la pérdida regular del metal superficial.

Corrosión por picaduras

Se produce en zonas de baja corrosión, el proceso produce unas pequeñas “picaduras” en el cuerpo que afectan.

Corrosión en hendiduras

Se produce en pequeñas cavidades o huecos formados por el contacto entre una pieza de metal igual o diferente a la primera.

Corrosión selectiva

Es selectiva porque actúa sólo sobre metales nobles como al Plata-Cobre o Cobre-Oro. Quizá la parte más nociva de esta clase de ataques está en que la corrosión del metal involucrado, genera una capa que recubre las picaduras y hace parecer al metal corroído como si no lo estuviera, por lo que es muy fácil que se produzcan daños en el metal al someterlo a una fuerza mecánica.

Corrosión ínter granular

Un tratamiento térmico inadecuado del acero inoxidable puede producir una retícula de carburos en los aceros con más de 0,03% de carbono. Se puede producir por la exposición a temperaturas entre 400 a 800ºC por un tiempo razonable (casos de grandes soldaduras).

Corrosión por Erosión

Ocurre cuando el metal es sometido en un medio corrosivo y un proceso de desgaste mecánico. Se caracteriza por la aparición de surcos, valles, hoyos que en general se observan en la dirección del fluido. Por otra parte este desgaste también ocasiona la abrasión de las películas protectoras de óxidos o cubiertas que lo protegen.

Corrosión bajo tensiones

Ataque de un material por la acción conjunta de dos causas: química (agresivo químico) y física (tensión mecánica).

Por separado, ninguna ataca al material. La progresión de la corrosión bajo tensión es de tipo arbóreo. Se

da a temperaturas superiores a 60°C.

Corrosión microbiológica

Se produce generalmente en medios acuosos en donde los metales están sumergidos o flotantes. Por lo mismo, es una clase común de corrosión.

3.6 Cambios en la microestructura durante su exposición a temperaturas elevadas

Alotropía

El fenómeno alotropía o polimorfismo se presenta en los elementos y compuestos que existen en más de una forma cristalina, bajo diferentes condiciones de temperatura y presión.

Muchos metales industrialmente importantes como:

Hierro Titanio Cobalto

Experimentan transformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas y presión atmosférica.

Este fenómeno de la alotropía, se debe a que los átomos que forman las moléculas, se agrupan de distintas maneras, provocando características físicas diferentes como:

Color Dureza Textura

La alotropía se debe a algunas de las razones siguientes:

Un elemento tiene dos o más clases de moléculas, cada una de las cuales contiene distintos números de átomos que existen en la misma fase o estado físico.

Un elemento forma dos o más arreglos de átomos o moléculas en un cristal.

http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m6/superaleaciones.pdf

http://www.sandvik.coromant.com/SiteCollectionDocuments/downloads/global/technical%20guides/es-es/C-2920-034.pdf

https://es.scribd.com/doc/36954912/superaleaciones

https://es.wikipedia.org/wiki/Superaleaci%C3%B3n

http://angelperezramirez.blogspot.com/2012/11/u-3-superaleaciones-apuntes.html