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CAPITULO 8SUPERALEACIONES

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1. GENERALIDADES. La necesidad de disear elementos que puedan trabajar

con altas temperaturas y altos esfuerzo es decir disearcontra creep, ha conducido al descubrimiento de las

llamadas superaleaciones, las cuales deben soportar

altas temperaturas, sin que ocurra sensibles cambios en

su resistencia mecnica ni se corroa considerablemente,para lo cual es necesario contar con materiales con

propiedades especiales para estas aplicaciones. Estas

aleaciones se aplican en componentes de turbinas a

vapor y gas que se usan en aeronaves militares ycomerciales y plantas trmicas de generaci!n elctrica.

Las superaleaciones pueden ser aun reforzadas,

mediante el endurecimiento por precipitaci!n

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Los materiales para alta temperatura pueden considerarse

en los siguientes grupos"

a#$leaciones base hierro.

b# $leaciones base n%quel

c# $leaciones base cobalto.

d# $leaciones &onocristal

e# &etales y aleaciones refractarios.f# 'ermicos.

g# 'ermets.

#(e consideran como superaleaciones aquellas que estn

hechas en base a )ierro, *%quel, )ierro + *%quel y 'obaltoque contienen otros elementos de aleaci!n, a fin de producir

una combinaci!n de alta resistencia mecnica a

temperaturas elevadas termofluencia# incluso llegar a los

-/ y adems resistencia a la corrosi!n, cuyastemperaturas de fusi!n son similares a las del acero.

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!.1 ACEROS AL CRO"O.

(on los aceros ino0idables ferr%ticos 1 'r entre -2 a -3#

y martnsiticos 1 'r entre -3 a 24# son los de la serie 5

$6(6, no trabajan bien al creep, pero si a la o0idaci!n y

corrosi!n. 7rabajan a temperaturas entre 84 a -4 /'.Los de mayor temperatura, son aquellos con agregados de

*i, 9, $l, &o,: los aceros $6(6 5;, $6(6 55< y =ree>+

$scoloy. 8- 1 )e, -;1 'r, ;1 9, 2 1 *i, ' ? -1#. Las

aplicaciones t%picas son llantas y cubos para turbinas avapor, palas del compresor, partes de turbinas a gas y

pernos de alta resistencia.

Las aleaciones de fundici!n de este grupo son aceros de

alto 'r y trabajan al creepcon cargas ligeras a

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!.! ACEROS AL CRO"O % NI&UEL

'orresponden a los aceros ino0idables austen%ticos de la

serie ; $6(6, en ellos el 1 'r est entre el -4 a 24 1, elcual mejora la resistencia a la o0idaci!n, el *i del 8 a 21,

estabiliza la austenita y el carbono se mantiene bajo para

evitar la sensibilidad a la corrosi!n. 7rabaja bien al creep.

&uy importante en este subgrupo, el acero -8 + 8 $6(6

;5# el cual presenta una resistencia muy mejorada al

creep. @resentan el problema de la precipitaci!n de la fase

AsigmaB )e 'r, 'o 'r, &n;'r, )e :, : *, &n;:, 'o2&o;# de

gran fragilidad. $unque suelen ser estabilizados

precipitaci!n reducida con *b, 7i y &o#.

7rabajan entre 54 /' y 8/'.

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!.'. ACEROS P$.

(on modificaciones de los aceros ino0idables -8 'r C 8 *i,

endurecidos por precipitaci!n mediante la adici!n de $l, 'u, &o,

*bD tal como el -5 C 5 @, etc.

Las aleaciones 'r C *i y *i C 'r, para fundici!n presentan el

inconveniente de la precipitaci!n de la fase sigma, por lo que

son frgiles.

!.(. ACEROS AL NI&UEL % CRO"O.

Entre ellos los aceros austen%ticos al alto *i, con austenita mas

estable, mayor resistencia a la fatiga y al choque trmico.

Ejemplo"

F$ C ;; e 6ncoloy semejantes a la serie ;.

El 6ncoloy 7 y el 7inidur para resistencia al creep tienen 7i y $l.

El Gdimet 2-2, adems tiene H y Ir en trazas para retardar la

precipitaci!n#

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!.). SUPERALEACIONES *e % Ni % Cr % "o +

Co -asa /0 "o.

Estas aleaciones se desarrollan a partir de acerosino0idables austen%ticos, pero con contenidos de *i

mayores. La matriz austen%tica )''# mas una variedad

de fases secundarias, en la cual la austenita les brinda

e0celente solubilidad para algunos aleantes, e0celenteductilidad y caracter%sticas favorables para la

precipitaci!n de fases endurecedoras, tienen agregados

variables de $l, 'u, &o, *b, 7i, :, que promueven

endurecimiento por precipitaci!n de carburos y deintermetlicos submicrosc!picos. 7rabajan normalmente

hasta 84 /'.

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Estas aleaciones se emplean, al igual que los aceros

ino0idables endurecibles por precipitaci!n, cuando los

requerimientos de resistencia a la termofluencia y a lao0idaci!nJcorrosi!n son los mas e0igentes" industria

aeroespacial, turbinas a gas, reactores nucleares, etc.

(G@EF$LE$'6K*E( G($$( E* L$ 6*G(7F6$ $EFKE(@$'6$L

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Las superaleaciones en base n%quel, como regla

general, poseen una composici!n qu%mica compleja.6ncluyen de -2 a -; componentes cuidadosamente

equilibrados para obtener las propiedades requeridas. El

contenido de impurezas tales como (i, @, (, K y *,

tambin est controlado. El contenido de (e, 7e, @b y Hi,debe ser insignificante, pues no es posible deshacerse

de ellos durante la fusi!n. Estas aleaciones contienen

normalmente de un - C -2 1de 'r, hasta un 81 de $l y

7i, de 4 C-1 de 'o, as% como pequeas cantidades deH, Ir, '. $ veces el agregado de &o, 9, *b, 7a y f.

'. SUPERALEACIONES #ASE NI&UEL

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Los elementos de aleaci!n de estas aleaciones se pueden

agrupar de la siguiente manera"

-. Elementos que forman con el *i una matriz cristalina"

'o, )e, 'r, &o, 9.

2. Elementos que ayudan al endurecimiento de la fase

(Ni3X): $l, 7i, *b, 7a, f. En este caso del 7i, *b y 7a

son parte de la fase y la refuerzan.

;. Elementos que forman segregaci!n en los l%mites de

grano" H, ', Ir.

5. Los elementos que forman carburos son " 'r, &o, 9, *b,

7a.

4. El $l y 'r forman una pel%cula resistente de o0ido que

protegen contra la corrosi!n.

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7ienen mejores propiedades a alta temperatura que las

de base hierro, normalmente trabajan entre 8 a -/', son reforzadas mediante precipitaci!n de part%culas

de *i;7i yJo *i;$l. Entre estas tenemos"

'.1. ALEACIONES Ni % Cr.

'on 21 de 'r y con adiciones de 7i yJo $l son utilizados

para tubos de combusti!n calderas piro tubulares#. Entre

las de mayor aplicaci!n tenemos" *imonic, 6nconel

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'.'. ALEACIONES Ni % Cr + Co.

Estas contienen de -4 a 21 de 'r y de - a ;1 de 'o,

adems tienen pequeos agregados de &o, 7i y $l.Ejemplo. 6nconel 3.

$lgunas aleaciones adicionan trazas de Horo yJo de

Iirconio, para retardar la precipitaci!n que es muy rpida.

$lgunas aleaciones de este grupo" 9aspalloy, GdimetC4, FenC5-.

7ambin en este grupo se consideran aleaciones

complejas de *i+'r+'o+)e.

Entre las de bajo *i, tenemos" (+4M, *i -44.

Entre las de alto *i, tenemos " Fefractaloy 2

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'K&@K(6'6K* E( 76@6'$( E (G@EF$LE$'6K*E( E* H$(E *6OGEL

$leaci!n 1*i 1'r 1'o 1&o 1$l 17i 1*b 1' 1H 1Ir1 Ktros

elementos

6nconel P+34

3;, -8, + + ,8 2,4 ,M ,5 + +

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$leaci!n 1*i 1'r 1'o 1&o 1$l 17i 1*b 1' 1H 1Ir1 Ktros

elementos

H+-M

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'K&@K(6'6K*E( @FK@6E$E( Q $@L6'$'6K*E( E $LE$'6K*E( (ELE''6K*$$( E *6OGEL Q 'KH$L7K

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7GFH6*$ Q $L$HE( E G* 7GFHK'K&@FE(KF E (G@EF$LE$'6K* H$(E*6OGEL E G* &K7KF E L$*I$&6E*7K E G* &K7KF $ 7GFH6*$ E =$(

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'$&$F$( E 'K&'G(76K* E &K7KF 'K* 7GFH6*$ $ =$( $EFK*$:E# $LE$'6K** H$(E *6OGEL

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'$&$F$( E 'K&'G(76K* E 6*QE'7KF E 'K&HG(76HLE E &K7KF 'K* 7GFH6*$ $ =$( $EFK*$:E#

$LE$'6K* H$(E *6OGEL

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'$&$F$( E 'K&HG(76K* &GL76@LE( Q $@G E &K7KF E $:6K* G($*K(G@EF$LE$'6K*E( E* H$(E *6OGEL

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$@L6'$'6K*E( E L$( (G@EF$LE$'6K*E( E* G* &K7KF $ 7GFH6*$

$ =$( E G*$ $EFK*$:E 'K&EF'6$L

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(. SUPERALEACIONES #ASE CO#ALTO(e caracterizan por la buena resistencia al creep,generados por agregados de 'r y 9 y tambin por

presentar carburos 'r2;'

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$@L6'$'6K*E( EL 'KH$L7K

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7KHEF$( E 7GFH6*$ , HFK'$( Q )FE($ 'K* 6*(EF7K( E (G@EF$LE$'6K* H$(E 'KH$L7K

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Estas aleaciones resistentes al calor, obtenidas pormtodos de solidificaci!n direccional y monocristalinasbasadas en n%quel. El uso de estos materiales ha

permitido el aumento de la resistencia mecnica ydurabilidad trmica de los labes de las turbina a gas.

entro de las turbinas a gas estn presentes muchasformas de superaleaciones, las cuales tienen granospolicristalinos, granos direccionales columnares ygranos monocristalinos superaleaciones (P y

superaleaciones ('#.

). SUPERALEACIONES "ONOCRISTAL

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Krientaci!n intergranular" En la Tltima generaci!n de turbinas a gas se han sustituido loslabes policristalinos convencionales izquierda# por labes con solidificaci!n orientadacentro# o por monocristalinos derecha.

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/. "ETALES 2 ALEACIONES RE*RACTARIAS.

Entre estos podemos mencionar los siguientes"

).1. "ETALES NO#LES.

Los mas importantes son"

(u uso es muy e0cepcional pues su densidad y altos costos

los convierte en materiales casi prohibidos.

El 6r y Fh se usan como aleantes. El platino se usa puro o con

aleantes entre ellos, de - a 21 de Fh, para aplicaciones en

atm!sferas o0idantes de -4 /' y -8 /'. (e utilizan en la

fabricaci!n de termocuplas y contactos elctricos.

"ETAL TE"PERATUTA DE*USION 3C

DENSIDAD45c6'

6ridio -54 -2,2Fodio -M3 -2,5

@latino -3; 2-,5

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).!. "ETALES RE*RACTARIOS.

7ienen poca resistencia a la o0idaci!n por volatilizaci!n desus pel%culas protectoras, por lo tanto, para usarlos en altatemperatura, algunos de ellos necesitan vac%o oatm!sferas protectoras. 7ambin pueden ser recubiertos

con pel%culas de n%quel.

"ETAL TE"PERATUTA DE*USION 3C

DENSIDAD45c6'

7ungsteno ;;8 -M,;

7antalio ; -

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$@L6'$'6K*E( EL 6F66K

'F6(KLE(

HGR6$(

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$@L6'$'6K*E( EL FK6K

7EF&K'G@L$(

RKQEF6$

G(H

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$@L6'$'6K*E( E @L$76*K

HGR6$(

FELKREF6$

7EF&K'G@L$( Q 7EF&KFE(6(7E*'6$(

RKQEF6$