Las superaleaciones, o aleaciones de alto rendimiento, son aleaciones no ferrosas que exhiben una resistencia y estabilidad de superficie sobresalientes a altas temperaturas. Su capacidad para operar de manera segura a una alta fracción de su punto de fusión (hasta el 85% de sus puntos de fusión (Tm) expresados en grados Kelvin, 0,85) son sus características clave. Las superaleaciones se utilizan generalmente a temperaturas superiores a 540°C (1000°F), ya que a estas temperaturas el acero común y las aleaciones de titanio están perdiendo sus resistencias, también la corrosión es común en los aceros a esta temperatura. A altas temperaturas, las superaleaciones conservan la resistencia mecánica, la resistencia a la fluencia térmica deformación, estabilidad superficial y resistencia a la corrosión u oxidación. Algunas superaleaciones a base de níquel pueden soportar temperaturas superiores a 1200°C, dependiendo de la composición de la aleación. Las superaleaciones a menudo se moldean como un solo cristal, mientras que los límites de grano pueden proporcionar fuerza, disminuyen la resistencia a la fluencia.
Tipos de superaleaciones
Hay tres categorías principales que se denominan en conjunto superaleaciones como se menciona a continuación. Poseen un alto nivel de insensibilidad o estabilidad a la temperatura y se utilizan ampliamente como materiales de base para aplicaciones de alta temperatura.
- Superaleaciones a base de níquel. Las superaleaciones a base de níquel constituyen actualmente más del 50% del peso de los motores de aviones avanzados. Las superaleaciones a base de níquel incluyen aleaciones reforzadas con solución sólida y aleaciones endurecibles por envejecimiento. Las aleaciones endurecibles por envejecimiento consisten en una matriz austenítica (fcc) dispersada con precipitación coherente de un Ni3 (Al, Ti) intermetálico con estructura fcc. Las superaleaciones a base de Ni son aleaciones con níquel como elemento de aleación principal que se prefieren como material de cuchilla en las aplicaciones discutidas anteriormente, en lugar de las superaleaciones a base de Co o Fe. Lo que es significativo para las superaleaciones a base de Ni es su alta resistencia, resistencia a la fluencia y a la corrosión a altas temperaturas. Es común fundir álabes de turbina en forma solidificada direccionalmente o en forma monocristalina. Las palas monocristalinas se utilizan principalmente en la primera fila de la etapa de turbina.
- Hierro: superaleaciones a base de níquel. Las superaleaciones a base de Fe han mostrado una resistencia a la oxidación y a la fluencia similar a la de las superaleaciones a base de Ni, aunque su producción es mucho menos costosa. La clase más importante de este grupo son las aleaciones que se refuerzan mediante la precipitación de un compuesto intermetálico en una matriz de FCC.
- Superaleaciones a base de cobalto. Esta clase de aleaciones es relativamente nueva. En 2006, Sato et al. descubrió una nueva fase en el sistema Co–Al–W. A diferencia de otras superaleaciones, las aleaciones a base de cobalto se caracterizan por una matriz austenítica reforzada con solución sólida (fcc) en la que se distribuye una pequeña cantidad de carburo. Aunque no se utilizan comercialmente en la medida de las superaleaciones a base de Ni, los elementos de aleación que se encuentran en las aleaciones a base de Co para la investigación son C, Cr, W, Ni, Ti, Al, Ir y Ta. Poseen mejor soldabilidad y resistencia a la fatiga térmica en comparación con la aleación a base de níquel. Además, tienen una excelente resistencia a la corrosión a altas temperaturas (980-1100°C) debido a su mayor contenido de cromo.
Estas aleaciones se utilizan generalmente a temperaturas superiores a 450°C, ya que a estas temperaturas el acero ordinario y las aleaciones de titanio están perdiendo sus resistencias, además la corrosión es común en los aceros a esta temperatura.
Ejemplo: Inconel 718 – superaleación a base de níquel
En general, Inconel es una marca registrada de Special Metals para una familia de superaleaciones austeníticas a base de níquel-cromo. Inconel 718 es una superaleación a base de níquel que posee propiedades de alta resistencia y resistencia a temperaturas elevadas. También demuestra una protección notable contra la corrosión y la oxidación. La resistencia a altas temperaturas de Inconel se desarrolla mediante el fortalecimiento de la solución sólida o el endurecimiento por precipitación, según la aleación. Inconel 718 está compuesto de 55% de níquel, 21% de cromo, 6% de hierro y pequeñas cantidades de manganeso, carbono y cobre.
Los usos comunes de las superaleaciones se encuentran en la industria aeroespacial y en algunas otras industrias de alta tecnología. Con la combinación de resistencia a la corrosión y resistencia del material frente al calor extremo, este tipo de superaleación funciona bien en la industria nuclear. Algunas plantas nucleares utilizan superaleaciones a base de níquel para el núcleo del reactor, la varilla de control y partes similares. En la industria nuclear, se utilizan especialmente superaleaciones bajas en cobalto (debido a la posible activación del cobalto-59). Algunas de las partes estructurales de los conjuntos de combustible nuclear, como la tobera superior e inferior, pueden producirse a partir de superaleaciones como Inconel. Las rejillas espaciadoras generalmente están hechas de un material resistente a la corrosión con una sección transversal de baja absorción para los neutrones térmicos, generalmente una aleación de circonio (~0,18×10-24 cm2). La primera y última rejilla espaciadora también pueden estar hechas de Inconel con bajo contenido de cobalto, que es una superaleación muy adecuada para el servicio en entornos extremos sujetos a presión y calor.
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