El aluminuro de níquel se refiere a cualquiera de los dos compuestos intermetálicos ampliamente utilizados, Ni 3 Al o NiAl, pero el término se utiliza a veces para referirse a cualquier aleación de níquel-aluminio. Estas aleaciones se utilizan ampliamente debido a su alta resistencia incluso a alta temperatura, baja densidad, resistencia a la corrosión y facilidad de producción. [1] El Ni 3 Al es de interés específico como precipitado en superaleaciones a base de níquel , donde se denomina fase γ' (gamma prima). Proporciona a estas aleaciones alta resistencia y resistencia a la fluencia hasta 0,7-0,8 de su temperatura de fusión. [1] [2] Mientras tanto, el NiAl muestra excelentes propiedades como menor densidad y mayor temperatura de fusión que las del Ni 3 Al, y buena conductividad térmica y resistencia a la oxidación. [2] Estas propiedades lo hacen atractivo para aplicaciones especiales de alta temperatura como recubrimientos en aspas de turbinas de gas y motores a reacción . Sin embargo, ambas aleaciones tienen la desventaja de ser bastante frágiles a temperatura ambiente, y el Ni 3 Al también permanece frágil a altas temperaturas. [1] Para abordar este problema, se ha demostrado que el Ni3Al puede hacerse dúctil cuando se fabrica en forma monocristalina en lugar de en forma policristalina. [3]
Una desventaja importante de las aleaciones policristalinas basadas en Ni3Al es su fragilidad a temperatura ambiente y alta temperatura, lo que interfiere con posibles aplicaciones estructurales. Esta fragilidad se atribuye generalmente a la incapacidad de las dislocaciones para moverse en las redes altamente ordenadas. [5] La introducción de una pequeña cantidad de boro puede aumentar drásticamente la ductilidad al suprimir la fractura intergranular. [6]
Las superaleaciones a base de Ni obtienen su resistencia de la formación de precipitados γ' (Ni 3 Al) en la fase γ (Ni) que fortalecen las aleaciones a través del endurecimiento por precipitación . En estas aleaciones, la fracción de volumen de los precipitados γ' es tan alta como 80%. [7] Debido a esta alta fracción de volumen, la evolución de estos precipitados γ' durante los ciclos de vida de las aleaciones es importante: una preocupación importante es el engrosamiento de estos precipitados γ' a alta temperatura (800 a 1000 °C), lo que reduce en gran medida la resistencia de las aleaciones. [7] Este engrosamiento se debe al equilibrio entre la energía interfacial y elástica en la fase γ + γ' y generalmente es inevitable durante largos períodos de tiempo. [7] Este problema de engrosamiento se aborda introduciendo otros elementos como Fe, Cr y Mo, que generan configuraciones multifásicas que pueden aumentar significativamente la resistencia a la fluencia. [8] Esta resistencia a la fluencia se atribuye a la formación de un precipitado no homogéneo Cr 4.6 MoNi 2.1 , que fija las dislocaciones y evita un mayor engrosamiento de la fase γ'. [8] La adición de Fe y Cr también aumenta drásticamente la soldabilidad de la aleación. [8]
A pesar de sus propiedades beneficiosas, el NiAl generalmente sufre de dos factores: una fragilidad muy alta a bajas temperaturas (<330 °C (626 °F)) y una rápida pérdida de resistencia a temperaturas superiores a 550 °C (1022 °F). [9] La fragilidad se atribuye tanto a la alta energía de los límites de antifase como al alto orden atómico a lo largo de los límites de grano. [9] De manera similar a lo que ocurre con las aleaciones basadas en Ni3Al , estos problemas generalmente se abordan mediante la integración de otros elementos. Los elementos que se han probado se pueden dividir en tres grupos según su influencia en la microestructura:
Se ha demostrado que algunos de los elementos más exitosos son Fe, Co y Cr, que aumentan drásticamente la ductilidad a temperatura ambiente, así como la trabajabilidad en caliente. [10] Este aumento se debe a la formación de la fase γ que modifica los granos de la fase β. [10] También se ha demostrado que la aleación con Fe, Ga y Mo mejora drásticamente la ductilidad a temperatura ambiente. [11] Más recientemente, se han agregado metales refractarios como Cr, W y Mo y dieron como resultado no solo aumentos en la ductilidad a temperatura ambiente, sino también aumentos en la resistencia y la tenacidad a la fractura a altas temperaturas. [12] Esto se debe a la formación de microestructuras únicas como la aleación eutéctica Ni 45.5 Al 9 Mo e inclusiones de α-Cr que contribuyen al endurecimiento de la solución sólida. [12] Incluso se está demostrando que estas aleaciones complejas (Ni 42 Al 51 Cr 3 Mo 4 ) tienen el potencial de fabricarse mediante procesos de fabricación aditiva como la fabricación selectiva por láser , lo que aumenta enormemente las aplicaciones potenciales para estas aleaciones. [12]
En las superaleaciones a base de níquel, las regiones de Ni 3 Al (denominadas fase γ') se precipitan de la matriz rica en níquel (denominada fase γ) para proporcionar una alta resistencia y resistencia a la fluencia. Existen muchas formulaciones de aleaciones y, por lo general, incluyen otros elementos, como cromo, molibdeno y hierro, para mejorar diversas propiedades.
Una aleación de Ni 3 Al, conocida como IC-221M, está compuesta de aluminuro de níquel combinado con varios otros metales, incluidos cromo , molibdeno , circonio y boro . La adición de boro aumenta la ductilidad de la aleación al alterar positivamente la química del límite de grano y promover el refinamiento del grano. Los parámetros de Hall-Petch para este material fueron σ o = 163 MPa y k y = 8,2 MPaˑcm 1/2 . [13] El boro aumenta la dureza del Ni 3 Al a granel mediante un mecanismo similar.
Esta aleación es extremadamente resistente para su peso, cinco veces más resistente que el acero inoxidable SAE 304 común . A diferencia de la mayoría de las aleaciones, el IC-221M aumenta su resistencia desde temperatura ambiente hasta 800 °C (1470 °F).
La aleación es muy resistente al calor y la corrosión , y se utiliza en hornos de tratamiento térmico y otras aplicaciones donde su mayor vida útil y su menor corrosión le dan una ventaja sobre el acero inoxidable . [14] Se ha descubierto que la microestructura de esta aleación incluye la fase eutéctica Ni 5 Zr y, por lo tanto, el tratamiento en solución es eficaz para el trabajo en caliente sin agrietarse. [15]