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Aluminuro de níquel

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]

Propiedades

Ni3Alabama

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]

NiAl

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]

Superaleaciones a base de níquel

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.

Ejemplos

IC-221M

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]

Referencias

  1. ^ abc Kurbatkina, Victoria V. (1 de enero de 2017), "Aluminuros de níquel", en Borovinskaya, Inna P.; Gromov, Alexander A.; Levashov, Evgeny A.; Maksimov, Yuri M. (eds.), Enciclopedia concisa de síntesis autopropagante a alta temperatura , Ámsterdam: Elsevier, págs. 212-213, ISBN 978-0-12-804173-4, consultado el 7 de marzo de 2021
  2. ^ abcdefgh Dey, GK (2003). "Metalurgia física de aluminuros de níquel". Sadhana . 28 (1–2): 247–262. doi :10.1007/BF02717135. ISSN  0256-2499.
  3. ^ Pope, DP; Ezz, SS (1 de enero de 1984). "Propiedades mecánicas de Ni3AI y aleaciones a base de níquel con alta fracción de volumen de γ'". International Metals Reviews . 29 (1): 136–167. doi :10.1179/imtr.1984.29.1.136. ISSN  0308-4590.
  4. ^ abcdefgh Talaş, ş. (2018). "Aluminuros de níquel". Compuestos de matriz intermetálica . Elsevier. págs. 37–69. doi :10.1016/b978-0-85709-346-2.00003-0. ISBN . 978-0-85709-346-2.
  5. ^ Wu, Yu-ting; Li, Chong; Li, Ye-fan; Wu, Jing; Xia, Xing-chuan; Liu, Yong-chang (2020). "Efectos del tratamiento térmico en la microestructura y las propiedades mecánicas de las superaleaciones basadas en Ni3Al: una revisión". Revista internacional de minerales, metalurgia y materiales . 28 (4): 553–566. doi : 10.1007/s12613-020-2177-y . ISSN  1674-4799.
  6. ^ K, Aoki (1990). "Ductilización del compuesto intermetálico L12 Ni3Al mediante microaleación con boro". Materials Transactions, JIM . 31 (6): 443–448. doi : 10.2320/matertrans1989.31.443 – vía J-STAGE.
  7. ^ abc Wu, Yuting; Liu, Yongchang; Li, Chong; Xia, Xingchuan; Wu, Jing; Li, Huijun (15 de enero de 2019). "Comportamiento de engrosamiento de precipitados γ′ en el área γ'+γ de una aleación basada en Ni3Al". Journal of Alloys and Compounds . 771 : 526–533. doi :10.1016/j.jallcom.2018.08.265. ISSN  0925-8388. S2CID  139682282.
  8. ^ abc Wu, Jing; Li, Chong; Wu, Yuting; Huang, Yuan; Xia, Xingchuan; Liu, Yongchang (14 de julio de 2020). "Comportamientos de fluencia de aleaciones intermetálicas multifásicas basadas en Ni3Al después de un envejecimiento a largo plazo de 1000 °C-1000 h a temperaturas intermedias". Ciencia e ingeniería de materiales: A . 790 : 139701. doi :10.1016/j.msea.2020.139701. ISSN  0921-5093. S2CID  225742080.
  9. ^ abcde Czeppe, Tomasz; Wierzbinski, Stanislaw (1 de agosto de 2000). "Estructura y propiedades mecánicas de aleaciones basadas en NiAl y Ni3Al". Revista internacional de ciencias mecánicas . 42 (8): 1499–1518. doi :10.1016/S0020-7403(99)00087-9. ISSN  0020-7403.
  10. ^ ab Ishida, K.; Kainuma, R.; Ueno, N.; Nishizawa, T. (1991-02-01). "Mejora de la ductilidad en aleaciones a base de NiAl (B2) mediante control microestructural". Metallurgical Transactions A . 22 (2): 441–446. Bibcode :1991MTA....22..441I. doi :10.1007/BF02656811. ISSN  1543-1940. S2CID  135574438.
  11. ^ Darolia, Ram (1991-03-01). "Aleaciones de NiAl para aplicaciones estructurales de alta temperatura". JOM . 43 (3): 44–49. Bibcode :1991JOM....43c..44D. doi :10.1007/BF03220163. ISSN  1543-1851. S2CID  137019796.
  12. ^ abc Khomutov, M.; Potapkin, P.; Cheverikin, V.; Petrovskiy, P.; Travyanov, A.; Logachev, I.; Sova, A.; Smurov, I. (1 de mayo de 2020). "Efecto del prensado isostático en caliente sobre la estructura y las propiedades de la aleación intermetálica NiAl–Cr–Mo producida por fusión selectiva por láser". Intermetálicos . 120 : 106766. doi :10.1016/j.intermet.2020.106766. ISSN  0966-9795. S2CID  216231029.
  13. ^ Liu, CT; White, CL; Horton, JA (1985). "Efecto del boro en los límites de grano en Ni3Al". Acta Metall . 33 (2): 213–229. doi :10.1016/0001-6160(85)90139-7.
  14. ^ Crawford, Gerald (abril de 2003). "Una aleación exótica encuentra un nicho". Revista Nickel . Consultado el 19 de diciembre de 2006 .
  15. ^ Hadi, Morteza; Kamali, Ali Reza (19 de octubre de 2009). "Investigación sobre trabajabilidad en caliente y propiedades mecánicas de la aleación IC-221M modificada". Revista de aleaciones y compuestos . 485 (1): 204–208. doi :10.1016/j.jallcom.2009.06.010. ISSN  0925-8388.