Las aleaciones a base de níquel son una clase de aleaciones que poseen alta resistencia y cierta resistencia a la oxidación y la corrosión a altas temperaturas de 650 a 1000 ℃. Según sus propiedades principales, las aleaciones a base de níquel se pueden subdividir en aleaciones a base de níquel resistentes al calor, aleaciones a base de níquel resistentes a la corrosión, aleaciones a base de níquel resistentes al desgaste, aleaciones a base de níquel de precisión y aleaciones a base de níquel con memoria de forma. Las aleaciones de alta temperatura se clasifican según los materiales de su matriz en aleaciones de alta temperatura a base de hierro, aleaciones de alta temperatura a base de níquel y aleaciones de alta temperatura a base de cobalto. Las aleaciones de alta temperatura a base de níquel generalmente se denominan simplemente aleaciones a base de níquel.
Origen y desarrollo
La investigación y el desarrollo de aleaciones a base de níquel comenzaron a finales de los años 1930. El Reino Unido produjo por primera vez Nimonic 75 (Ni-20Cr-0,4Ti) en 1941. Para mejorar la resistencia a la fluencia, se añadió aluminio, lo que dio como resultado la aleación a base de níquel Nimonic 80 (Ni-20Cr-2,5Ti-1,3Al). Los Estados Unidos a mediados de los años 1940, la Unión Soviética a finales de los años 1940 y China a mediados de los años 1950 también desarrollaron sucesivamente aleaciones a base de níquel. El desarrollo de aleaciones a base de níquel abarca dos aspectos: mejoras en la composición de las aleaciones e innovaciones en la tecnología de producción. Por ejemplo, el desarrollo de la tecnología de fusión al vacío a principios de la década de 1950 creó las condiciones para purificar aleaciones a base de níquel con alto contenido de aluminio y titanio, mejorando significativamente su resistencia y temperatura de funcionamiento. A finales de la década de 1950, el aumento de la temperatura de funcionamiento de los álabes de las turbinas impuso mayores exigencias a la resistencia de las aleaciones a altas temperaturas. Sin embargo, la alta resistencia hizo que la deformación fuera difícil o incluso imposible, lo que llevó al desarrollo de una serie de aleaciones de fundición con buena resistencia a altas temperaturas utilizando tecnología de fundición de precisión. A mediados de la década de 1960, se mejoró el rendimiento de las aleaciones de alta temperatura monocristalinas y solidificadas direccionalmente, así como de las aleaciones de alta temperatura de pulvimetalurgia. Para satisfacer las necesidades de las turbinas de gas marinas e industriales, desde la década de 1960 se han desarrollado una serie de aleaciones a base de níquel con alto contenido de cromo con buena resistencia a la corrosión a altas temperaturas y microestructuras estables. Desde principios de la década de 1940 hasta finales de la década de 1970, durante aproximadamente 40 años, la temperatura de funcionamiento de las aleaciones a base de níquel aumentó de 700 ℃ a 1100 ℃, un aumento promedio de aproximadamente 10 ℃ por año. Hoy en día, la temperatura de funcionamiento de las aleaciones a base de níquel supera los 1100 ℃. Desde la inicialmente simple aleación Nimonic 75 hasta la recientemente desarrollada aleación MA6000, que cuenta con una resistencia a la tracción de 2220 MPa y un límite elástico de 192 MPa a 1100 °C, su resistencia a la fluencia a 1100 °C/137 MPa es de aproximadamente 1000 horas, lo que la hace adecuada para palas de motores de avión.
El papel de varios metales en las aleaciones a base de níquel
Para una aleación específica a base de níquel, existen numerosas variables en un entorno particular, que incluyen: concentración, temperatura, ventilación, caudal de líquido (gas), impurezas, desgaste y condiciones del proceso de circulación. Estas variables pueden provocar diversos problemas de corrosión. El níquel y otros elementos de aleación pueden solucionar estos problemas. El níquel metálico mantiene una estructura cúbica austenítica centrada en las caras antes de alcanzar su punto de fusión. Esto proporciona libertad para la transición dúctil-frágil y reduce significativamente los problemas de fabricación causados por la coexistencia de otros metales. En la secuencia electroquímica, el níquel es más inerte que el hierro pero más reactivo que el cobre. Por lo tanto, en ambientes reductores, el níquel es más resistente a la corrosión que el hierro pero menos resistente a la corrosión que el cobre. La adición de cromo al níquel imparte resistencia a la oxidación a la aleación, lo que da como resultado una variedad de aleaciones con excelente resistencia a la corrosión en ambientes reductores y oxidantes. En comparación con el acero inoxidable y otras aleaciones a base de hierro, las aleaciones a base de níquel pueden acomodar una variedad más amplia de elementos de aleación en estado de solución sólida manteniendo al mismo tiempo una buena estabilidad metalúrgica. Estas propiedades permiten la adición de diversos elementos de aleación a las aleaciones a base de níquel, lo que permite su aplicación generalizada en una variedad de entornos corrosivos.
Los elementos comunes en las aleaciones a base de níquel incluyen:
Níquel (Ni): Proporciona estabilidad metalúrgica, mejora la estabilidad térmica y la soldabilidad, mejora la resistencia a los ácidos reductores y las sodas cáusticas, y mejora la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, especialmente en ambientes de cloruro y sosa cáustica.
Cromo (Cr): mejora la resistencia a la oxidación, la resistencia a la oxidación a altas temperaturas, la resistencia a la sulfuración y la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas.
Molibdeno (Mo): mejora la resistencia a la reducción de la corrosión ácida, mejora la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas en soluciones acuosas que contienen cloruro y aumenta la resistencia a altas temperaturas.
Hierro (Fe): mejora la resistencia a la carburación a alta temperatura, reduce los costos de la aleación y controla la expansión térmica. Cobre (Cu): Mejora la resistencia a la reducción de la corrosión ácida (especialmente ácido sulfúrico).
