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Inconel

Barra redonda Inconel 718

Inconel es una superaleación a base de níquel - cromo que se utiliza a menudo en entornos extremos donde los componentes están sujetos a altas temperaturas, presión o cargas mecánicas . Las aleaciones de Inconel son resistentes a la oxidación y a la corrosión . Cuando se calienta, Inconel forma una capa de óxido pasivante , espesa y estable que protege la superficie de ataques adicionales. 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 de Inconel se desarrolla mediante fortalecimiento con solución sólida o endurecimiento por precipitación , según la aleación. [1] [2]

Las aleaciones de Inconel se utilizan normalmente en aplicaciones de alta temperatura. Nombres comerciales comunes para

Historia

La familia de aleaciones Inconel se desarrolló por primera vez antes de diciembre de 1932, cuando su marca fue registrada por la empresa estadounidense International Nickel Company de Delaware y Nueva York. [5] [6] Se encontró un uso temprano significativo 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 Inconel, fueron adquiridas en 1998 por Special Metals Corporation . [9]

Datos específicos

Composición

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

  1. ^ Incluye cobalto

Propiedades

Cuando se calienta, Inconel forma una capa de óxido pasivante espesa y estable que protege la superficie de ataques adicionales. 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 (consulte la ecuación de Arrhenius ). La resistencia a altas temperaturas de Inconel se desarrolla mediante fortalecimiento con solución sólida o fortalecimiento por precipitación , según la aleación. En las variedades que endurecen con el envejecimiento o que se fortalecen por precipitación, pequeñas cantidades de niobio se combinan con níquel para formar el compuesto intermetálico Ni 3 Nb o gamma doble prima (γ″). Gamma Prime forma pequeños cristales cúbicos que inhiben eficazmente el deslizamiento y la fluencia a temperaturas elevadas. La formación de cristales gamma-prime 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 endurecimiento por precipitado y el endurecimiento por solución sólida . En las aleaciones de Inconel, suele dominar uno de los dos. 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 gamma doble prima (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 y con 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 frecuente que γ″. La fracción en volumen de las fases γ'' y γ' es aproximadamente del 15% y el 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 los precipitados, elementos como el niobio, el titanio y el tantalio desempeñan un papel crucial. [34]

Debido a que la fase γ″ es metaestable, el envejecimiento excesivo puede provocar la transformación de los 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 las aleaciones de Inconel conduce a la pérdida del fortalecimiento de la coherencia, lo que hace que el material sea más débil. Dicho esto, en cantidades apropiadas, la fase δ es responsable de fijar y fortalecer 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 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 Laves puede agotar la matriz de estos elementos, lo que en última instancia dificulta el fortalecimiento del precipitado y la solución sólida. [32] [36] [28]

Para aleaciones como Inconel 625, el endurecimiento en solución sólida es el principal mecanismo de fortalecimiento. Elementos como Mo son importantes en este proceso. Nb y Ta también pueden contribuir en menor medida al fortalecimiento de la solución sólida. [34] En el fortalecimiento de soluciones sólidas, 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 y, en última instancia, fortalecen el material.

La combinación de composición elemental y mecanismos de fortalecimiento es la razón por la cual las aleaciones de Inconel pueden mantener sus propiedades físicas y mecánicas 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 utilizando técnicas tradicionales de conformado en frío debido al rápido endurecimiento por trabajo . Después de la primera pasada de mecanizado, el endurecimiento tiende a deformar plásticamente la pieza de trabajo o la herramienta en pasadas posteriores. Por esta razón, los Inconel endurecidos por envejecimiento, como el 718, generalmente se mecanizan utilizando un corte agresivo pero lento con una herramienta dura, minimizando la cantidad de pasadas necesarias. Alternativamente, la mayor parte del mecanizado se puede realizar con la pieza de trabajo en forma "solucionada", [ se necesita aclaración ] y solo se realizan los pasos finales después del endurecimiento por envejecimiento. Sin embargo algunos afirman [ ¿por quién? ] que Inconel se puede mecanizar extremadamente rápido con velocidades de husillo muy rápidas utilizando una herramienta cerámica de múltiples estrías con una pequeña profundidad de corte a altas velocidades de avance, ya que esto provoca un calentamiento y ablandamiento localizado delante de la flauta.

Las roscas externas se mecanizan usando un torno para "un solo punto" las roscas o laminando las roscas en la condición tratada con solución (para aleaciones endurecibles) usando una máquina de tornillo . Inconel 718 también se puede roscar con rodillo después de un envejecimiento completo mediante el uso de calor por inducción a 700 °C (1290 °F) sin aumentar el tamaño del grano. [ cita necesaria ] Los agujeros con roscas internas se realizan mediante fresado de roscas. Las roscas internas también se pueden formar mediante un mecanizado por descarga eléctrica (EDM) de platina. [ cita necesaria ]

Unión

La soldadura de algunas aleaciones de Inconel (especialmente la familia endurecida por precipitación gamma prima; 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 astra

El Inconel se encuentra a menudo en ambientes extremos. Es común en álabes, sellos y cámaras de combustión de turbinas de gas , así como en rotores y sellos de turbocompresores , ejes de motores de bombas de pozos sumergibles eléctricos, sujetadores de alta temperatura, recipientes a presión y procesamiento químico , tubos de intercambiadores de calor , generadores de vapor y componentes centrales en centrales nucleares presurizadas . reactores de agua , [38] procesamiento de gas natural con contaminantes como H 2 S y CO 2 , 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 las motocicletas Norton con motor Wankel de alta potencia donde las temperaturas de escape alcanzan más de 1000 °C (1830 °F). [41] El inconel se utiliza cada vez más en las calderas de los incineradores de residuos . [42] Los recipientes de vacío de los tokamaks europeos Torus y DIII-D están hechos de Inconel. [43] El Inconel 718 se utiliza comúnmente para tanques de almacenamiento criogénico , pozos de fondo de pozo, piezas de boca 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 enrollado se utilizaba frecuentemente como medio de grabación mediante grabados en grabadoras de caja negra de 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 de endurecimiento por envejecimiento o fortalecimiento por precipitación, las aleaciones de aluminio y titanio se combinan con níquel para formar el compuesto intermetálico Ni 3 (Ti, Al) o gamma prima (γ′). Gamma Prime forma pequeños cristales cúbicos que inhiben eficazmente el deslizamiento y la fluencia a temperaturas elevadas.

Ver también

Referencias

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