Superaleación
Una superaleación, o aleació d'alt rendiment, és una aleació que exhibix una excelent resistència mecànica i a la fluencia (tendència dels sòlits a moure's llentament o deformar-se baix tensió), resistència a altes temperatures, estabilitat i una gran resistència a la corrosió i l'oxidació.[1]
El començ dels estudis sistemàtics d'aleacions d'alta temperatura es produïx a finals de la década de 1930 lligat al desenroll d'avions en motors de turbina de gas. El desenroll s'ha basat en gran mida en innovacions químiques i de procés i ha segut impulsat principalment per les indústries aeroespacial i d'energia. Les aplicacions típiques són en el sector aeroespacial, de turbines de gas industrial i l'indústria de turbines marines, per eixemple, álabes per a les seccions calentes dels motors a reacció, i vàlvules bimetálicas de motor per al seu us en motors diésel i aplicacions d'automoció.
Les superaleaciones típicament tenen una matriu en una austenítico cara cúbica centrada en l'estructura cristalina. Un element de superaleación de base d'aleació és generalment níquel, cobalt o níquel-ferro. Eixemples de superaleaciones són Hastelloy, Inconel (per eixemple IN100, IN600, IN713), Waspaloy, aleacions René (per eixemple, René 41, René 80, 95 René, René N5), aleacions de Haynes, Incoloy, MP98T, aleacions de TMS, i CMSX (per eixemple, CMSX -4) aleacions monocristal.
Introducció
[editar | editar còdic]
Les superaleaciones s'utilisen comunament en motors de turbines de gas en regions subjectes a altes temperatures que requerixen alta resistència, excelent resistència a la fluencia a alta temperatura, resistència a la fatiga, estabilitat de fase, aixina com resistència a l'oxidació i corrosió.
Les superaleaciones desenrollar resistència a altes temperatures a través d'enfortiment de solució sòlida. En molt, el mecanisme de reforç més important és a través de la formació de precipitats de fase secundària tals com gamma prima i carbur a través del envelliment tèrmic. L'oxidació i resistència a la corrosió és proporcionada per la formació d'un recobriment de barrera tèrmica (TBC), que es forma quan el metal està expost a l'oxigen i recobrix el material, i aixina protegir el restant del component. L'oxidació o resistència a la corrosió la proporciona elements tals com l'alumini i el cromo.
El refredat per aire (tals com els canals d'aire de refrigeració que es veuen en l'image), ademés, pot gelar els components i que estes puguen operar baix tals condicions, la protecció del material de base dels efectes tèrmics aixina com la corrosió i l'oxidació. En la majoria dels motors de turbina d'açò és en la turbina d'alta pressió, a on els álabes són refrigerats per aire es poden utilisar a temperatures 200 °C per damunt de la temperatura de fusió de la superaleación. La temperatura d'entrada a la turbina (TIT), que és un paràmetro particular en l'eficiència d'un motor de turbina de gas, depén de la capacitat de temperatura de primera etapa álabes d'alta pressió. Estos components està fet exclusivament en superaleaciones de base níquel.
Els turbocompressors de les turbines també utilisen superaleaciones, generalment soldada per mig de fes d'electrons a l'eix d'acer. Les superaleaciones comunes en esta aplicació són, per eixemple, Inconel 713 i Mar-M 247. Açò últim és particularment útil per a motors de gasolina, ya que reduïx la necessitat d'enriquiment de combustible a altes càrregues que milloren l'eficiència del motor.
També s'utilisen en mijos corroents en lloc d'atres materials metàlics (per eixemple) en lloc d'acer inoxidable en ambients d'aigua salada o àcit.
Les superaleaciones (tals com Nimonic 80A) també s'utilisen en les vàlvules d'assent en motors de émbolo, tant motors diésel com a gasolina. Açò és ya siga en forma d'un sòlit vàlvula única o com una vàlvula de dos metals. La resistència a la corrosió és particularment útil quan es tracta en les altes temperatures i pressions que es troben en un motor diésel. Les superaleaciones resistixquen les picadures i la degradació en les condicions d'operació coser que no faria un acer inoxidable normal.
Aplicacions adicionals de superaleaciones són: les turbines de gas (avions comercials i militars, la generació d'energia i propulsió marina), vehículs espacials; submarins, reactors nuclears, motors elèctrics militars, vehículs de carreres i d'alt rendiment, plantes de processament químic, carcasses de bombes i tubos de bescanviador de calor.
Desenroll històric
[editar | editar còdic]El devindre històric en l'elaboració de superaleaciones han donat lloc a un aument considerable de la seua temperatura d'operació. Les superaleaciones varen ser originalment, abans de la década de 1940, de base ferro i forjades en fret. En la década de 1940 fundició d'aleacions en base de cobalt aumente de manera considerable la temperatura de funcionament. El desenroll de la fundició al buit en la década de 1950 va permetre el control molt fi de la composició química de superaleaciones i la reducció de contaminants i, a la seua volta va conduir a una revolució en les tècniques de processament tals com la solidificació direccional d'aleacions i superaleaciones monocristalinas.[2]
Inicis
[editar | editar còdic]El primer acer resistent a la calor per a motors de turbina de gas es va desenrollar en Alemània per l'empresa Krupp en 1936-1938. Es tractava d'un acers d'alta aleació austenítica, cridat Tinidur. Es va crear com a material de treball dels álabes d'una turbina de gas a una temperatura de treball de 600 a 700 °C. El Tinidur - acer austenítico en l'enduriment per precipitació (Ni3Tu) i l'enduriment de carbur. En 1943-1944 la producció anual va ser de 1850 tonellades Tinidur. L'institut de DVL i l'empresa Heraeus Vacuumschmelze va desenrollar d'acer austenítico DVL42 DVL52 en temperatures de funcionament més altes de 750-800 °C. Les composicions d'acers es donen en la taula.
| Nom | %C | %Mn | %Si | %Ni | %Co | %Cr | %Mo | %W | %Tu | %A el | % Atres elements |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tinidur | de 0,14 | 0,6-1,0 | 0,6-1,0 | 29,0-31,0 | 14,5-15,5 | 1,8-2,2 | 0,2 | base de Fe | |||
| DVL42 | de 0,1 | 0,6-1,0 | 0,4-0,8 | 30-35 | 22-25 | 12-17 | 4-6 | 4-6 | 1,5-2,0 | base de Fe | |
| DVL52 | de 0,1 | 0,6-1,0 | 0,4-0,8 | 30-35 | 22-25 | 12-17 | 4-6 | 4-6 | 4-5 %Ta | ||
| Cromadur | 0,9-0,12 | 17,5-18,5 | 0,55-0,7 | 11,0-14,0 | 0,7-0,8 | V 0,60-0,70 0,18-0,23 N2 |
Anys 1940
[editar | editar còdic]En Alemània de la década de 1940 entre els desenrolladors de motors de turbina de gas, existix el desig d'aumentar la temperatura l'entrada de la turbina de gas a 900 °C. Per a este propòsit, l'institut de DVL en un número de companyies experimenten en aleacions austeníticas complexes. Durant la guerra es va vore l'impossibilitat de tal decisió, per l'aguda escassea en Alemània dels elements d'aleació, especialment el níquel i cobalt. L'estudi es va dur a dos direccions: 1. la creació de canals de refrigeració per aire en els alabes (de treball i la filtre) en una disminució corresponent en el dopage dels materials utilisats, i 2. l'estudi de viabilitat de materials ceràmics. Abdós casos varen ser treballs pioners, cada u d'ells va obtindre resultats significatius. El primer de motor a chorrada produïda en série, Jumo-004, des de 1942 la part monolítica i les pala de la filtre de Tinidur. Posteriorment es varen substituir per alabes buits refrigerades del mateix material, millorant aixina la temperatura d'entrada a la turbina de gas a 850 °C (série Jumo-004I). Des de 1944 el motor Jumo-004 usava alabes gelats de l'acer menys escàs Cromadur.
En 1942 el Regne Unit va crear la superaleación Nimonic-80, la primera d'una série d'alta temperatura de precipitació aleacions d'enduriment de la base de níquel-cromo. L'aleació la va descobrir un equip dirigit per Sir William Griffith.[6] La base de l'aleació Nimonic-80 és el nicrom (80 % Ni - 20 % de Cr), conegut des del principi de el XX per la seua alta resistència a la calor. Els elements clau d'aleació d'aleació Nimonic-80 eren el titani (2,5 %) i l'alumini (1,2 %), formant una fase de reforç. El número de la fase d'enfortiment de gamma primera en l'aleació era aproximadament el 25-35 %.[7] El Nimonic-80 va ser utilisat en els álabes de la turbina d'un dels primers motors de turbina de gas de Rolls-Royce el "Nene". Les proves en el banc de proves que varen començar en octubre de 1944. L'aleació de álabe de turbina Nimonic-80 tenia una alta resistència ruptura per fluencia a temperatures de 750-850 °C.
En l'Unió Soviètica es varen crear superaleaciones de níquel similars al Nimonic-80 com són les: ЭИ437, ЭИ437А (ХН77ТЮ) i ЭИ437Б (ХН77ТЮР). per a establir en urgència un personal IVAM 1948, i la planta de TsNIIChermet "Electrostal" en la participació de F. F. Himushina.[8]
La base de les superaleaciones, com a norma, són els elements del Grup VIIIB de la taula periòdica. Fins als anys 1940, la base d'aleacions resistents a la calor eren el ferro o el níquel. S'afig una cantitat significativa de cromo per a aumentar la resistència a la corrosió. Les adició d'alumini, titani o niobi aumenta la resistència a la fluencia. En alguns casos, format fases fràgils, tals com a carbur M23C6. A fins dels anys 1940 va terminar, bàsicament, l'ocupació de ferro com una base per a les aleacions d'alta temperatura, va començar a donar preferència a les aleacions basades en níquel i cobalt. Que permeten obtindre una més sòlida i estable matriu cristalina.
A fins dels anys 1940, es va descobrir la possibilitat d'endurir les superaleaciones en l'adició de molibdeno. Més vesprada, per al mateix fi han començat a afegir elements tals com wolframio, niobi, tàntal, reni i hafni.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Авиация. Энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1994, с. 201
- ↑ C. Sims, N. Stoloff, W. Hagel, Superalloys II: High Temperature Materials for Aerospace and Industrial Power, 1987, John Wiley & Sons
- ↑ Luft.-Forschung, Bd 18(1941), N 8, S. 275—279
- ↑ Pomp A., Krisch A.: Zur Frage der Dauerstandfestigkeit warmfester Staehle bei 600, 700 und 800 °C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940
- ↑ Report on Visit to Germany and Àustria to investigate Alloys for Use at High Temperature. BIOS Final Report N 396, London, 1946
- ↑ High-Temperature Alloys // Aviation History. 1947, Oct. 30
- ↑ Giamei A.F., Pearson D.D., Anton D.L. Materials Research Society Symposium Proc. 1985, v. 39, pp. 293-307
- ↑ Туманов А. Т., Шалин Р. Е., Старков Д. П. Авиационное материаловедение. — в кн.: Развитие авиационной науки и техники в СССР. Историко-технические очерки. М.: Наука, 1980, с. 332—334
- Este artícul conté una traducció derivada de «Superaleación» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.