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Inconel

Barra redonda de Inconel 718

El inconel es una superaleación a base de níquel y cromo que se utiliza a menudo en entornos extremos donde los componentes están sujetos a altas temperaturas, presiones o cargas mecánicas . Las aleaciones de inconel son resistentes a la oxidación y la corrosión . Cuando se calienta, el inconel forma una capa de óxido pasivante , gruesa y estable que protege la superficie de futuros ataques. El inconel conserva su resistencia en un amplio rango de temperaturas, lo que resulta atractivo para aplicaciones de alta temperatura en las que el aluminio y el acero sucumbirían a la fluencia como resultado de las vacantes de cristales inducidas térmicamente. La resistencia a altas temperaturas del inconel se desarrolla mediante el fortalecimiento por solución sólida o el endurecimiento por precipitación , según la aleación. [1] [2]

Las aleaciones de Inconel se utilizan normalmente en aplicaciones de alta temperatura. Los nombres comerciales comunes para varias aleaciones de Inconel incluyen:

Historia

La familia de aleaciones Inconel se desarrolló por primera vez antes de diciembre de 1932, cuando su marca comercial fue registrada por la empresa estadounidense International Nickel Company de Delaware y Nueva York. [5] [6] Un uso temprano significativo se encontró en apoyo del desarrollo del motor a reacción Whittle , [7] durante la década de 1940 por equipos de investigación de Henry Wiggin & Co de Hereford, Inglaterra, una subsidiaria de Mond Nickel Company , [8] que se fusionó con Inco en 1928. Hereford Works y sus propiedades, incluida la marca comercial Inconel, fueron adquiridas en 1998 por Special Metals Corporation . [9]

Datos específicos

Composición

Las aleaciones de Inconel varían ampliamente en sus composiciones, pero todas son predominantemente de níquel, con cromo como segundo elemento.

  1. ^ Incluye cobalto

Propiedades

Cuando se calienta, el Inconel forma una capa de óxido pasivante gruesa y estable que protege la superficie de futuros ataques. El Inconel conserva su resistencia en un amplio rango de temperaturas, lo que resulta atractivo para aplicaciones de alta temperatura en las que el aluminio y el acero sucumbirían a la fluencia como resultado de las vacantes de cristales inducidas térmicamente (véase la ecuación de Arrhenius ). La resistencia a altas temperaturas del Inconel se desarrolla mediante el fortalecimiento por solución sólida o el fortalecimiento por precipitación , según la aleación. En las variedades endurecidas por envejecimiento o fortalecidas por precipitación, pequeñas cantidades de niobio se combinan con níquel para formar el compuesto intermetálico Ni3Nb o gamma doble prima (γ″). La gamma prima forma pequeños cristales cúbicos que inhiben el deslizamiento y la fluencia de manera eficaz a temperaturas elevadas. La formación de cristales gamma-prima aumenta con el tiempo, especialmente después de tres horas de exposición al calor de 850 °C (1560 °F), y continúa creciendo después de 72 horas de exposición. [22]

Mecanismos de fortalecimiento

Los mecanismos de endurecimiento más frecuentes para las aleaciones de Inconel son el fortalecimiento por precipitado y el fortalecimiento por solución sólida . En las aleaciones de Inconel, uno de los dos suele dominar. Para aleaciones como Inconel 718, el fortalecimiento por precipitado es el principal mecanismo de fortalecimiento. La mayor parte del fortalecimiento proviene de la presencia de precipitados de doble prima gamma (γ″). [23] [24] [25] [26] Las aleaciones de Inconel tienen una fase de matriz γ con una estructura FCC . [25] [27] [28] [29] Los precipitados γ″ están hechos de Ni y Nb, específicamente con una composición de Ni 3 Nb. Estos precipitados son partículas intermetálicas finas, coherentes, en forma de disco con una estructura tetragonal. [24] [25] [26] [27] [30] [31] [32] [33]

El fortalecimiento del precipitado secundario proviene de precipitados gamma primos (γ'). La fase γ' puede aparecer en múltiples composiciones como Ni 3 (Al, Ti). [24] [25] [26] La fase precipitada es coherente y tiene una estructura FCC, como la matriz γ; [33] [27] [30] [31] [32] La fase γ' es mucho menos prevalente que γ". La fracción de volumen de las fases γ" y γ' es aproximadamente 15% y 4% después de la precipitación, respectivamente. [24] [25] Debido a la coherencia entre la matriz γ y los precipitados γ' y γ", existen campos de deformación que obstruyen el movimiento de las dislocaciones. La prevalencia de carburos con composiciones MX(Nb, Ti)(C, N) también ayuda a fortalecer el material. [25] Para el fortalecimiento de precipitados, elementos como el niobio, el titanio y el tantalio juegan un papel crucial. [34]

Debido a que la fase γ″ es metaestable, el envejecimiento excesivo puede resultar en la transformación de precipitados de la fase γ″ en precipitados de la fase delta (δ), sus contrapartes estables. [25] [27] La ​​fase δ tiene una estructura ortorrómbica, una composición de Ni 3 (Nb, Mo, Ti) y es incoherente. [35] [29] Como resultado, la transformación de γ″ a δ en aleaciones de Inconel conduce a la pérdida de fortalecimiento de la coherencia, lo que hace que el material sea más débil. Dicho esto, en cantidades apropiadas, la fase δ es responsable de la fijación y el fortalecimiento de los límites de grano . [33] [32] [29]

Otra fase común en las aleaciones de Inconel es la fase intermetálica de Laves. Sus composiciones son (Ni, Cr, Fe) x (Nb, Mo, Ti) y y Ni y Nb, es frágil y su presencia puede ser perjudicial para el comportamiento mecánico de las aleaciones de Inconel. [27] [33] [36] Los sitios con grandes cantidades de fase de Laves son propensos a la propagación de grietas debido a su mayor potencial de concentración de tensiones. [31] Además, debido a su alto contenido de Nb, Mo y Ti, la fase de Laves puede agotar la matriz de estos elementos, lo que en última instancia dificulta el fortalecimiento por precipitado y solución sólida. [32] [36] [28]

Para aleaciones como Inconel 625, el endurecimiento por solución sólida es el principal mecanismo de fortalecimiento. Elementos como Mo [ aclaración necesaria ] son ​​importantes en este proceso. Nb y Ta también pueden contribuir al fortalecimiento por solución sólida en menor medida. [34] En el fortalecimiento por solución sólida, los átomos de Mo se sustituyen en la matriz γ de las aleaciones de Inconel. Debido a que los átomos de Mo tienen un radio significativamente mayor que los de Ni (209 pm y 163 pm, respectivamente), la sustitución crea campos de tensión en la red cristalina, que dificultan el movimiento de las dislocaciones, fortaleciendo en última instancia el material.

La combinación de la composición elemental y los mecanismos de fortalecimiento es la razón por la que las aleaciones de Inconel pueden mantener sus propiedades mecánicas y físicas favorables, como alta resistencia y resistencia a la fatiga, a temperaturas elevadas, específicamente aquellas de hasta 650 °C. [23]

Mecanizado

El Inconel es un metal difícil de moldear y mecanizar mediante técnicas tradicionales de conformado en frío debido a su rápido endurecimiento por deformación . Después de la primera pasada de mecanizado, el endurecimiento por deformación tiende a deformar plásticamente la pieza de trabajo o la herramienta en las pasadas posteriores. Por este motivo, los Inconel endurecidos por envejecimiento, como el 718, se mecanizan normalmente mediante un corte agresivo pero lento con una herramienta dura, lo que minimiza la cantidad de pasadas necesarias. Alternativamente, la mayor parte del mecanizado se puede realizar con la pieza de trabajo en forma "solucionada", [ aclaración necesaria ] y solo se realizan los pasos finales después del endurecimiento por deformación. Sin embargo, algunos afirman [ ¿quién? ] que el Inconel se puede mecanizar de forma extremadamente rápida con velocidades de husillo muy rápidas utilizando una herramienta cerámica multicanal con un ancho de corte pequeño a altas velocidades de avance, ya que esto provoca un calentamiento y ablandamiento localizados delante de la canal.

Las roscas externas se mecanizan utilizando un torno para "unir puntos" a las roscas o laminando las roscas en la condición tratada con solución (para aleaciones endurecibles) utilizando una máquina de tornillos . El Inconel 718 también se puede roscar por laminación después del envejecimiento completo utilizando calor por inducción a 700 °C (1290 °F) sin aumentar el tamaño del grano. [ cita requerida ] Los orificios con roscas internas se hacen mediante fresado de roscas. Las roscas internas también se pueden formar utilizando un mecanizado por descarga eléctrica (EDM) con penetración . [ cita requerida ]

Unión

La soldadura de algunas aleaciones de Inconel (especialmente la familia endurecida por precipitación gamma prime; por ejemplo, Waspaloy y X-750) puede resultar difícil debido al agrietamiento y la segregación microestructural de los elementos de aleación en la zona afectada por el calor . Sin embargo, se han diseñado varias aleaciones, como 625 y 718, para superar estos problemas. Los métodos de soldadura más comunes son la soldadura por arco de tungsteno con gas y la soldadura por haz de electrones . [37]

Usos

Motor de cohete Delphin 3.0, utilizado en el cohete Astra . Impreso en 3D en Inconel

El inconel se encuentra a menudo en entornos extremos. Es común en álabes de turbinas de gas , sellos y cámaras de combustión, así como en rotores y sellos de turbocompresores , ejes de motores de bombas de pozo sumergibles eléctricas, sujetadores de alta temperatura, recipientes a presión y procesamiento químico , tubos de intercambiadores de calor , generadores de vapor y componentes centrales en reactores nucleares de agua presurizada , [38] procesamiento de gas natural con contaminantes como H2S y CO2 , deflectores de explosión de supresores de sonido de armas de fuego y sistemas de escape de Fórmula Uno , NASCAR , NHRA y APR, LLC . [39] [40] También se utiliza en el sistema turbo del Mazda RX7 de tercera generación y en los sistemas de escape de motores Wankel de alta potencia y motocicletas Norton donde las temperaturas de escape alcanzan más de 1000 °C (1830 °F). [41] El inconel se utiliza cada vez más en las calderas de incineradores de residuos . [42] Los recipientes de vacío de los tokamaks Joint European Torus y DIII-D están hechos de Inconel. [43] El Inconel 718 se utiliza comúnmente para tanques de almacenamiento criogénico , pozos de fondo, partes de cabezales de pozo, [44] y en la industria aeroespacial, donde se ha convertido en un material candidato principal para construir turbinas resistentes al calor. [45]

Aeroespacial

Automotor

El Inconel laminado se utilizó con frecuencia como medio de grabación mediante grabados en cajas negras de los aviones. [64]

Las alternativas al uso de Inconel en aplicaciones químicas como depuradores, columnas, reactores y tuberías son Hastelloy , acero al carbono revestido con perfluoroalcoxi (PFA) o plástico reforzado con fibra .

Aleaciones de Inconel

Las aleaciones de Inconel incluyen:

En las variedades endurecidas por envejecimiento o por precipitación, las adiciones de aleación de aluminio y titanio se combinan con níquel para formar el compuesto intermetálico Ni3 (Ti,Al) o gamma prime (γ′). La gamma prime forma pequeños cristales cúbicos que inhiben el deslizamiento y la fluencia de manera efectiva a temperaturas elevadas.

Véase también

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Referencias

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