Las aleaciones de alta-temperatura, también conocidas como aleaciones o superaleaciones resistentes al calor-, son una clase de materiales metálicos capaces de funcionar a largo plazo-en entornos de alta-temperatura y bajo ciertas tensiones. Exhiben una excelente resistencia a la oxidación a altas-temperaturas y a la corrosión en caliente, así como también una resistencia superior a altas-temperaturas, resistencia a la fatiga y tenacidad a la fractura por fluencia. Estas aleaciones se utilizan principalmente en motores de turbinas aeroespaciales, energéticos y marinos.
Clasificación de aleaciones de alta-temperatura
1. Según el material de la matriz, se pueden dividir en tres categorías: a base de hierro-, a base de níquel- y a base de cobalto-.
(1) Las aleaciones de alta temperatura-a base de hierro-también se denominan aceros de aleación resistentes al calor-. Los aceros aleados-resistentes al calor se pueden dividir en martensita, austenita, perlita, aceros resistentes al calor-ferrita, etc., según sus requisitos de normalización. Las aleaciones de alta temperatura-a base de hierro-tienen una temperatura de funcionamiento relativamente baja (600 ~ 850 grados), pero sus propiedades mecánicas a temperatura media-son buenas, que son equivalentes o mejores que las aleaciones similares a base de níquel-. Además, son baratos y fáciles de deformar durante el trabajo en caliente. Generalmente se utilizan en partes del motor con temperaturas de funcionamiento más bajas, como discos, carcasas y ejes de turbina.
(2) Las aleaciones de alta temperatura-a base de níquel-tienen la temperatura de funcionamiento más alta (alrededor de 1000 grados) y se utilizan ampliamente en la fabricación de las piezas más calientes de motores a reacción de aviación y diversas turbinas de gas industriales, como álabes de turbina, álabes guía, turbinas, etc.
(3) Las aleaciones de alta temperatura-a base de cobalto-tienen buena capacidad de fundición y soldabilidad y se pueden usar a altas temperaturas de 700 ~ 1050 grados. Está compuesto principalmente de cobalto y su representante típico es el K610, que contiene más del 58% de cobalto. Debido al alto precio y la escasez de cobalto, rara vez se utiliza en el país y en el extranjero. Las marcas existentes incluyen K640, K644, GH188, etc.
2. Según el proceso de preparación, se puede dividir en aleaciones deformadas de alta-temperatura, aleaciones fundidas de alta-temperatura y aleaciones en polvo de alta-temperatura.
(1) Aleaciones deformadas a alta-temperatura
Las aleaciones deformadas de alta-temperatura se refieren a aleaciones de alta-temperatura que se obtienen mediante el procesamiento en frío y en caliente de lingotes en varios perfiles o piezas en bruto y, finalmente, en piezas de extremo caliente-. La clave es que se puede formar el lingote de aleación. En comparación con las aleaciones fundidas de alta-temperatura, las aleaciones deformadas de alta-temperatura tienen un bajo grado de aleación. Por lo tanto, el punto de fusión es mayor, el límite superior de la temperatura de trabajo en caliente es mayor, la temperatura de recristalización de la aleación es menor y el límite inferior de la temperatura de trabajo en caliente es menor. Por lo tanto, el rango de trabajo en caliente de las aleaciones deformadas a alta-temperatura es más amplio que el de las aleaciones fundidas a alta-temperatura. Según los diferentes elementos de la matriz, las aleaciones deformadas para altas-temperaturas se pueden dividir en aleaciones deformadas para altas-temperaturas a base de hierro-, aleaciones deformadas para altas-temperaturas a base de níquel-y aleaciones deformadas para altas-temperaturas a base de cobalto-.
(2) Fundición de aleaciones de alta-temperatura
La fundición de aleaciones a alta-temperatura es un proceso que funde directamente o solidifica direccionalmente en piezas después de refundir los lingotes de aleación. Su desarrollo comenzó en la década de 1940. La fundición de aleaciones de alta-temperatura ya no considera el rendimiento de deformación de la forja. Se pueden utilizar métodos de fundición de precisión o procesos de solidificación direccional para fundir palas huecas de paredes delgadas- con formas complejas y cavidades internas sin obstrucciones. Por lo tanto, la cantidad total de elementos en las superaleaciones fundidas es significativamente mayor que en las superaleaciones deformadas. Los elementos de refuerzo en solución sólida incluyen Re y Ru, mientras que el contenido del metal refractario W aumenta (en algunas aleaciones, supera el 10%). Los elementos de aleación que fortalecen la precipitación-, además de Al y Ti, también incluyen Nb, Ta, Hf y V.
Las superaleaciones fundidas se pueden clasificar mediante el método de solidificación en tres categorías: superaleaciones fundidas equiaxiales, superaleaciones columnares solidificadas direccionalmente y superaleaciones monocristalinas. Las superaleaciones monocristalinas, un nuevo tipo de superaleación, se forman eliminando todos los límites de grano mediante solidificación direccional. Los metales están compuestos de cristales individuales, de ahí el nombre de superaleación de cristal único. Los límites de grano son áreas dentro del metal donde se acumulan diversas distorsiones, defectos e impurezas. Si bien son más fuertes a temperatura ambiente que dentro del cristal, son susceptibles de deslizarse a altas temperaturas. Cuando la resistencia de los límites de los granos disminuye a altas temperaturas, la resistencia del metal disminuye. Por lo tanto, la eliminación de los límites de los granos mediante la solidificación direccional produce superaleaciones monocristalinas con excelente rendimiento. Actualmente, casi todos los motores avanzados utilizan palas de turbina o paletas guía de aleación de mono-cristal.
(3) Aleaciones en polvo para altas-temperaturas
A medida que la temperatura de trabajo de las aleaciones-resistentes al calor aumenta cada vez más, el número de elementos de refuerzo en las aleaciones aumenta y la composición se vuelve más compleja, lo que da como resultado algunas aleaciones que solo se pueden usar en estado fundido y no se pueden deformar mediante trabajo en caliente. Además, el aumento de elementos de aleación provoca una grave segregación de componentes en las aleaciones a base de níquel-después de la solidificación, lo que da como resultado una estructura y un rendimiento desiguales. El uso de tecnología de pulvimetalurgia para producir aleaciones de alta-temperatura puede resolver los problemas anteriores. Debido a que las partículas de polvo son pequeñas y la velocidad de enfriamiento durante la fabricación del polvo es rápida, se elimina la segregación y se mejoran las propiedades de trabajo en caliente. La aleación que solo se puede fundir se convierte en una aleación de alta-temperatura que se puede trabajar en caliente-y se mejoran el límite elástico y las propiedades de fatiga. Las aleaciones en polvo de alta-temperatura han creado una nueva forma de producir aleaciones de mayor-resistencia. Las aleaciones en polvo de alta-temperatura se utilizan principalmente para fabricar discos de turbina para motores de avión de alto-empuje-a-avanzados, y también se utilizan para producir componentes de extremo caliente- de alta-temperatura, como discos de compresores, ejes de turbina y deflectores de turbina para motores de aeronaves avanzados.
Áreas de aplicación de aleaciones de alta temperatura.
1. Aeroespacial
(1) Cámara de combustión
La cámara de combustión es el área con la temperatura de funcionamiento más alta entre todos los componentes del motor. Cuando la temperatura del gas en la cámara de combustión alcanza los 1500-2000 grados, la temperatura de la aleación de la pared de la cámara puede alcanzar los 800-900 grados y localmente hasta los 1100 grados. En los últimos años, la mayoría de las aleaciones de alta temperatura utilizadas en la cámara de combustión son aleaciones sólidas reforzadas con soluciones. Las aleaciones contienen una gran cantidad de elementos fortalecedores en solución sólida como W, Mo y Nb. Tienen resistencia a altas temperaturas y buenas propiedades de conformado y soldadura. Los grados representativos incluyen GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 y GH3170.
(2) Paletas guía
Las paletas guía son componentes que ajustan la dirección del flujo del gas que sale de la cámara de combustión. También se les llama paletas guía. Son una de las partes del motor de turbina que están sujetas a mayor choque térmico. Especialmente cuando la combustión en la cámara de combustión es desigual o el funcionamiento es deficiente, las paletas guía están sometidas a una mayor carga térmica. La temperatura de funcionamiento de las paletas guía de los motores de turbina avanzados puede alcanzar los 1100 grados. La temperatura de funcionamiento de las aleaciones de paletas guía domésticas puede alcanzar 1000 ~ 1050 grados. Las aleaciones representativas de fundición de precisión de aleaciones de alta temperatura- incluyen K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, etc.
(3) Palas de turbina
Las palas de las turbinas son los componentes con las condiciones de trabajo más severas en los motores de aviones. La temperatura del ambiente de trabajo es alta. Los grados típicos de materiales de aleación de alta-temperatura incluyen GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220, etc., que se pueden utilizar en un entorno de 750-950 grados. Al desarrollar nuevos motores y modificar modelos antiguos, se utilizan aleaciones fundidas de alta temperatura para fabricar álabes de turbina. Los grados típicos de aleaciones fundidas incluyen K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002, etc.
