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Níquel y sus aleaciones

Níquel

� Buena resistencia a la corrosión y a la oxidación.

� Gran capacidad de trabajado.� Buenas propiedades mecánicas.

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Aleaciones de Níquel

� Aleaciones Ni-Cu � Monel

� Superaleaciones� Base Níquel� Base Hierro� Base Cobalto

Monel : Aleación Ni-Cu, que contiene aprox. 2/3 Ni y 1/3 Cu (70 Ni - 30Cu)

� Alta resistencia a los ácidos, álcalis, salmueras,

aguas, productos alimenticios y atmósferas.

� Propiedades mecánicas mayores que los latones y

bronces, pero menores que los aceros aleados.

� Buena resistencia a la tenacidad y a la fatiga.

Características y propiedades

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� Campos de la industria química, farmacéutica, marina,

energética, eléctrica, textil y de fabricación de papel.

Aplicaciones

SUPERALEACIONES

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Superaleaciones

Contienen grandes cantidades de elementos de aleación.

� Alta resistencia a elevadas temperaturas, � Resistencia a la corrosión y oxidación, � Resistencia a la termofluencia (alta

resistencia mecánica a altas temperaturas) a temperaturas superiores a los 1000ºC.

A superalloy is a metallic alloy which can be used at high temperatures

Tipos

� Base níquel

� niquel-hierro

� Base cobalto

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Superaleaciones base níquel

Contienen como soluto Al y/o Ti

Genera una microestructura de equilibrio bifásica

Gamma (γ) Gamma prima (γ’)

Responsable de la gran resistencia a �Tª

SS centrada en las caras que actúa como matriz

Dispersión de precipitadosordenados intermetálicos.Ni3Al, Ni3Ti o Ni3(AlTi).

Transmission electron micrograph showing a large fraction of cuboidal γ' particles in a γ matrix . Ni-9.7Al-1.7Ti-17.1Cr-6.3Co-2.3W at%. Hillier, Ph.D. Thesis, University of Cambridge, 1984.

γγγγ’

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Efecto de los elementos aleantes en las superaleaciones base Ni.Además de Ni, Ti y Al, las superaleaciones comerciales contienen otros elementos aleantes que ayudan a mejorar sus propiedades.

� Cr y Al: Mejoran la resistencia a la oxidación y a la corrosión.

� Y: Mejora la cohesión del óxido (Al, Cr) al sustrato.

� Boro y Zr: Mejora la resistencia a la fluencia.

� (C, Cr, Mo, W, C, Nb, Ta, Ti and Hf) formadores de carburos.

Los carburos tienden a precipitar en los límites de grano y

reducen el deslizamiento en los límites de grano.

� Co, Fe, Cr, Nb, Mo, W, Ti, Al son también reforzadores en

solución sólida. (γ, γ‘)

Mecanismos para aumentar la resistencia mecánica de las SA base Ni

Elementos de aleación

Tipos de endurecimiento

Microestructura fuerte y estable a �Tª

� Endurecimiento por solución sólida: adición de Cr, Mo, W, y pequeñas adiciones de tantalio, Zr, Nb, Boro.

� Endurecimiento dispersión de carburos: formación de partículas finas y estables de carburo interfiere con el movimiento de las dislocaciones e impide el deslizamiento en los bordes de grano. Carburos incluyen TiC, BC, ZrC, Cr23C6, Mo6C, W6C.

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�Endurecimiento por precipitación: formación durante el envejecimiento del precipitado coherente Ni3Al, Ni3Ti.

Al variar la temperatura de envejecimiento se pueden producir precipitados de varios tamaños.

Microestructura de una superaleación con carburos en los límites de grano y precipitados en la matriz.

Microestructura de una superaleación envejecida con precipitados cúbicos en la matriz de diferentes tamaños. X10000.

Superaleaciones de níquel más empleadas

� Hastelloy D (20Cr, 10% Si, 3% Cu ).

� Hastelloy A (57% Ni, 20% Mo, 20% Fe) y

� Hastelloy B (62% Ni, 28% Mo, 5% Fe).

� Inconel (76% Ni, 16% Cr, 8% Fe).

� Chromel A (80% Ni, 20% Cr).

� Nichrome (60% Ni, 16% Cr, 24% Fe)

� Illium B (50%Ni, 28%Cr, 8.5%Mo, 5.5%Cu ) y el Illium G (56%Ni, 22.5%Cr,

6.5%Mo, 6.5%Cu)

� Nimonic 90 ( 53%Ni, 20%Cr, 18%Co, 2.5%Ti, 1.5%Al, 1.5%Fe ).

� Incoloy (Ni, 46%Fe 21%Cr)

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Superaleaciones base cobalto

� Contienen niveles elevados de Cr lo que aumenta su resistencia a la corrosión.

� Son más fáciles de soldar que otras superaleaciones y se forjan con mayor facilidad.

Aplicaciones� Industria aeroespacial: cuchillas de turbinas y motor de

cohetes.� Industria marina: submarinos.� Industria de procesos químicos. Reactores nucleares,

tubos e intercambiadores de calor, turbinas de gas industrial

Aplicaciones en general

� Debido a sus propiedades, estas aleaciones son empleadas para la construcción de turbinas de gas (álabes), turborreactores de avión, toberas y cámaras de combustión, reactores químicos, generadores y prensas de extrusión.

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The different materials used in a Rolls-Royce jet engine. In blue, titanium is ideal for its strength and density, but not at high temperatures, where it is replaced by nickel-based superalloys (red). In orange: steel used for the static parts of the compressor. Image courtesy Michael Cervenka, Rolls-Royce

Bibliografía

� http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/Superalloys/superalloys.html

� Avner, Sidney. Introducción a la Metalurgia Física. McGraw Hill. 1988, México.

� Askeland, Donald R. Ciencia e ingeniería de los materiales. 3ra edición. International Thomson editores. 1998, Mexico