Nimonic ® – superaleaciones de alta temperatura

Nimonic® – superaleaciones de alta temperatura

Características de las aleaciones Nimonic®

Nimonic® es una familia de aleaciones de níquel de alta temperatura diseñadas para funcionar bajo condiciones de exposición simultánea a alta temperatura, tensión mecánica, fluencia, oxidación y corrosión a alta temperatura . Estas aleaciones se encuentran entre los materiales más importantes utilizados en el desarrollo de motores de turbina, generación de energía y equipos que operan bajo condiciones térmicas extremas. Los componentes básicos de la mayoría de las aleaciones Nimonic son níquel y cromo . Dependiendo del grado, también se utilizan adiciones de cobalto , molibdeno , titanio , aluminio , hierro , carbono , boro y otros elementos para controlar la estructura y las propiedades del material. El alto contenido de níquel garantiza la estabilidad de la matriz austenítica γ en un amplio rango de temperaturas, mientras que el cromo es el principal responsable de la resistencia a la oxidación y la corrosión a alta temperatura. En muchas aleaciones Nimonic, la adición de aluminio y titanio permite la formación de la fase γ′ – Ni₃ (Al,Ti) _₃ , que es responsable de una resistencia muy alta y resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas. Sin embargo, no todas las aleaciones de Nimonic se endurecen de la misma manera. Por ejemplo, Nimonic 75 es principalmente una aleación endurecida por solución sólida, mientras que Nimonic 80A, 90, 105, 115 y 263 utilizan el mecanismo de endurecimiento por precipitación en distintos grados.

¿Por qué Nimonic conserva su resistencia a altas temperaturas?

En los materiales estructurales convencionales, el aumento de la temperatura conlleva una rápida disminución de la resistencia a la fluencia y la resistencia mecánica, así como una mayor susceptibilidad a la deformación por fluencia. Las superaleaciones de níquel están diseñadas para ralentizar significativamente este proceso. La matriz estable de níquel conserva su estructura austenítica en un amplio rango de temperaturas. En las aleaciones endurecibles por precipitación, los finos precipitados de la fase γ′ dificultan el movimiento de las dislocaciones y limitan la deformación del material. El cobalto y el molibdeno pueden reforzar aún más la matriz y mejorar las propiedades a altas temperaturas, mientras que los carburos, controlados adecuadamente, influyen en el comportamiento de los límites de grano y la resistencia a la fluencia. Como resultado, una aleación de níquel seleccionada correctamente puede soportar cargas durante periodos prolongados a temperaturas en las que los aceros estructurales convencionales y muchos aceros inoxidables pierden una parte significativa de sus propiedades mecánicas.

resistencia a la fluencia

Una de las propiedades más importantes de las aleaciones de Nimonic es su resistencia a la fluencia y a la rotura por fluencia . La fluencia es la deformación lenta y permanente de un material bajo carga constante a temperaturas elevadas. Este fenómeno es de vital importancia en turbinas de gas, motores de aeronaves, equipos de generación de energía e instalaciones industriales que operan continuamente durante miles de horas. Por lo tanto, la idoneidad de una aleación de Nimonic específica no se determina únicamente por su resistencia a la tracción medida a temperatura ambiente. En muchas aplicaciones, la resistencia a la fluencia, el tiempo hasta la rotura a una tensión y temperatura determinadas, y la estabilidad estructural tras miles de horas de exposición térmica son mucho más importantes.

Resistencia a la oxidación y a la corrosión a altas temperaturas

El cromo presente en las aleaciones Nimonic permite la formación de una capa protectora de óxido que limita la oxidación posterior del material. El aluminio también desempeña un papel importante en algunos grados. Esto permite que las aleaciones Nimonic se utilicen en contacto con gases y atmósferas calientes, como las que se encuentran en turbinas, motores, hornos y plantas de procesamiento. Sin embargo, la temperatura máxima de resistencia a la oxidación no debe equipararse con la temperatura máxima de funcionamiento de un componente sometido a cargas pesadas. El material puede mantener una buena resistencia a la oxidación superficial a temperaturas donde su tensión de diseño admisible es significativamente menor. Por lo tanto, la selección de la aleación requiere un análisis simultáneo de la temperatura, la tensión, el tiempo de funcionamiento y el entorno.

Nimonic® 75 – aleación clásica de níquel-cromo

Nimonic 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630, es una de las aleaciones básicas de la familia Nimonic. Se trata de una aleación de níquel-cromo con adiciones controladas de titanio y carbono, destinada principalmente a aplicaciones que requieren buena resistencia a la oxidación, corrosión a altas temperaturas y propiedades mecánicas adecuadas a temperaturas elevadas. A diferencia de Nimonic 80A o Nimonic 90, la aleación 75 no es una superaleación clásica de endurecimiento por precipitación γ′. Sus propiedades se derivan principalmente de la composición de su matriz y de una microestructura cuidadosamente controlada. Nimonic 75 se caracteriza por su buena maquinabilidad y soldabilidad, razón por la cual se utiliza ampliamente en componentes de chapa, fleje y tubos. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen componentes de turbinas de gas, cámaras de combustión, conductos de gases calientes, componentes de hornos industriales, equipos de tratamiento térmico y componentes de plantas de alta temperatura.

Nimonic® 80A – aleación endurecible por precipitación

Nimonic 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 , es una superaleación de níquel-cromo endurecida por precipitación mediante la adición de titanio y aluminio. Un tratamiento térmico adecuado produce una fase γ′, que aumenta significativamente la resistencia y la resistencia a la fluencia del material. Nimonic 80A combina una alta resistencia a temperaturas elevadas con una buena resistencia a la oxidación y a la corrosión a altas temperaturas. El material se utiliza en aplicaciones como turbinas de gas, motores de combustión interna, componentes de válvulas, elementos de fijación sometidos a cargas elevadas y otros componentes que operan bajo cargas de alta temperatura.

Nimonic® 81 – alta resistencia a la oxidación

Nimonic 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 es una aleación de níquel-cromo de alta temperatura basada en Nimonic 80A, pero con un mayor contenido de cromo. Este mayor contenido de cromo proporciona una resistencia excepcionalmente alta a la oxidación y a la corrosión a altas temperaturas. La aleación está diseñada para aplicaciones donde la resistencia superficial a gases calientes es tan importante como las propiedades mecánicas. Se utiliza en componentes de hornos, turbinas de gas, equipos de tratamiento térmico e instalaciones industriales que operan a altas temperaturas, entre otras aplicaciones.

Nimonic® 90 – alta resistencia y resistencia a la fluencia

Nimonic 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 es una superaleación de níquel-cromo-cobalto endurecible por precipitación. Contiene una cantidad significativa de cobalto, junto con adiciones de titanio y aluminio responsables de la formación de la fase γ′. La combinación del endurecimiento por precipitación y una composición de matriz adecuada proporciona alta resistencia, resistencia a la fluencia y resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas. Nimonic 90 se utiliza en componentes que requieren alta resistencia durante un funcionamiento térmico prolongado, incluyendo álabes y componentes de turbinas, discos, anillos, elementos de fijación y componentes de equipos de alta temperatura.

Nimonic® 105: una superaleación para componentes de turbinas sometidos a altas cargas.

Nimonic 105 – UNS N13021 es una superaleación de níquel de alta resistencia que contiene cantidades significativas de cobalto, cromo y molibdeno, con adiciones de aluminio y titanio. Este material se desarrolló para ofrecer altas propiedades mecánicas y resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas. Su alto contenido de fase γ′ proporciona un endurecimiento por precipitación muy eficaz. Nimonic 105 se utiliza principalmente en componentes de turbinas de gas sometidos a altas cargas, especialmente donde se requiere una alta resistencia a la fluencia y una retención a largo plazo de las propiedades mecánicas.

Nimonic® 115: una aleación de níquel de alta resistencia.

Nimonic 115 es una superaleación de níquel-cromo-cobalto con adiciones de molibdeno, aluminio y titanio. Fue desarrollada para proporcionar una resistencia a la fluencia muy elevada a altas temperaturas. Su alto contenido de elementos formadores de la fase γ′ proporciona un fuerte endurecimiento por precipitación y una alta estabilidad mecánica bajo cargas térmicas prolongadas. Esta aleación está destinada principalmente a componentes exigentes de turbinas de gas y otros componentes sometidos a altas temperaturas y sometidos a grandes esfuerzos.

Nimonic® 263: resistencia combinada con buena soldabilidad.

Nimonic 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650, es una superaleación de níquel-cobalto-cromo endurecible por precipitación. Fue desarrollada para ofrecer una combinación óptima de resistencia a altas temperaturas, resistencia a la oxidación, ductilidad y buena soldabilidad. En comparación con algunas superaleaciones γ′ de alta resistencia, Nimonic 263 ofrece una soldabilidad mejorada y la capacidad de fabricar componentes complejos de chapa metálica. Por ello, se utiliza en cámaras de combustión, componentes de turbinas de gas, sistemas de escape, componentes para gases calientes y estructuras aeroespaciales y energéticas, entre otras aplicaciones.

Nimonic 75, 80A, 90 y 263 – Diferencias básicas

El Nimonic 75 debe considerarse principalmente para aplicaciones que requieren buena resistencia a la oxidación y a la corrosión a altas temperaturas, así como buena procesabilidad. El Nimonic 80A es una aleación endurecible por precipitación que ofrece propiedades mecánicas y resistencia a la fluencia significativamente mejoradas. El Nimonic 90 también contiene una cantidad significativa de cobalto y fue desarrollado para aplicaciones de alta temperatura aún más exigentes. El Nimonic 263 combina alta resistencia a temperaturas elevadas con buena ductilidad y soldabilidad, lo que lo hace particularmente adecuado para estructuras soldadas complejas. Estos grados no deben considerarse sustitutos directos. La selección depende de la temperatura, la tensión, la vida útil, la resistencia a la fluencia requerida, el método de fabricación del componente y las condiciones ambientales.

Tratamiento térmico de aleaciones Nimonic®

Para las aleaciones de Nimonic endurecibles por precipitación, el tratamiento térmico es esencial para lograr las propiedades requeridas. El proceso puede incluir un tratamiento térmico de solución y una o más etapas de envejecimiento. Durante el envejecimiento, se controla la formación y distribución de la fase γ′ y otros componentes microestructurales. La temperatura, el tiempo y la velocidad de enfriamiento afectan el tamaño de los precipitados, la estructura del límite de grano, la resistencia, la ductilidad y la resistencia a la fluencia. Por lo tanto, las propiedades mecánicas de las aleaciones de Nimonic no deben reportarse sin especificar el estado del tratamiento térmico y la forma del producto.

Soldadura de aleaciones Nimonic®

La soldabilidad de las aleaciones Nimonic depende del grado específico y su grado de endurecimiento. La aleación Nimonic 75 se caracteriza por una soldabilidad relativamente buena. Las aleaciones con mayor contenido de aluminio y titanio, así como un alto contenido de fase γ′, son tecnológicamente más exigentes y pueden presentar mayor susceptibilidad al agrietamiento durante la soldadura o el tratamiento térmico posterior. La aleación Nimonic 263 se desarrolló, entre otras cosas, para lograr una buena soldabilidad manteniendo altas propiedades mecánicas a temperaturas elevadas. Para estructuras críticas, la tecnología de soldadura debe tener en cuenta el estado del material antes de la soldadura, los parámetros del proceso, el material de aporte y el tratamiento térmico posterior a la soldadura requerido.

Obróbka skrawaniem

Al igual que otras superaleaciones a base de níquel, los materiales Nimonic son aleaciones exigentes durante el mecanizado. Su alta resistencia, baja conductividad térmica y tendencia al endurecimiento por deformación ejercen una tensión considerable sobre la punta de la herramienta. El mecanizado de grados tras el endurecimiento por precipitación final puede resultar particularmente complejo. Por ello, algunas operaciones mecánicas se realizan con el material en un estado cuidadosamente seleccionado antes del envejecimiento final. El mecanizado requiere una configuración tecnológica rigurosa, herramientas adecuadas, parámetros de corte estables y una disipación de calor eficaz.

Aplicaciones típicas de las aleaciones Nimonic®

Aviación : álabes y componentes de turbinas, anillos, discos, cámaras de combustión, componentes de sistemas de escape y piezas de motores de aeronaves sometidas a altas cargas. Energía : turbinas de gas industriales, partes calientes de equipos de potencia y componentes que operan bajo cargas térmicas sostenidas. Automoción : válvulas de motor, componentes de turbocompresores y componentes que operan en flujos de gases calientes. Industria de hornos : componentes de hornos, equipos de tratamiento térmico, soportes, cubiertas y componentes expuestos a oxidación prolongada. Industrias químicas y de procesos : componentes de instalación que requieren resistencia simultánea a altas temperaturas y entornos agresivos. Tecnología espacial : componentes de sistemas de propulsión y estructuras expuestas a altas temperaturas y cargas mecánicas.

Selección de la aleación Nimonic® adecuada

Al seleccionar un grado de Nimonic, es importante determinar no solo la temperatura máxima de operación, sino también la naturaleza de la carga y la vida útil requerida. Un componente que opera durante unos minutos a temperaturas muy altas requiere propiedades diferentes a las de un componente de turbina que opera durante decenas de miles de horas bajo tensión constante. Deben considerarse la resistencia a la fluencia, la fatiga térmica y mecánica, la oxidación, la corrosión a altas temperaturas, los ciclos térmicos y la capacidad de soldar las uniones. El tratamiento térmico y los requisitos de mecanizado posteriores también son importantes. Por lo tanto, no existe un único "mejor Nimonic". Se han desarrollado grados específicos para diferentes combinaciones de temperatura, tensión, entorno y tecnología de fabricación de componentes.

Métodos de suministro para aleaciones Nimonic®

Según el grado y las especificaciones, las aleaciones Nimonic están disponibles, entre otras, como:

láminas y placas,
cintas,
barras redondas,
cables,
tubería,
forjas,
anillos,
materiales destinados a ser forjados y procesados posteriormente,
Productos semielaborados fabricados según especificaciones industriales y aeroespaciales específicas.

La disponibilidad de una forma específica de producto depende del grado, el tamaño, las condiciones de tratamiento térmico y el estándar de fabricación requerido.

Grados de aleación Nimonic®

Nimonic 75 / Aleación 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630 – Aleación de Ni-Cr con muy buena resistencia a la oxidación y a la corrosión a altas temperaturas, utilizada, entre otros, en cámaras de combustión y dispositivos de tratamiento térmico.
Nimonic 80A / Aleación 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – aleación de Ni-Cr-Ti-Al endurecida por precipitación con alta resistencia y resistencia a la fluencia.
Nimonic 81 / Aleación 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 – una aleación de níquel con alto contenido de cromo diseñada para aplicaciones que requieren una resistencia muy alta a la oxidación y a la corrosión a altas temperaturas.
Nimonic 90 / Aleación 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 – aleación de Ni-Cr-Co-Ti-Al endurecible por precipitación con alta resistencia a la fluencia y a la oxidación.
Nimonic 105 / Aleación 105 – UNS N13021 – una superaleación de Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti de alta resistencia diseñada principalmente para componentes de turbinas sometidos a altas cargas.
Nimonic 115 / Aleación 115 – Superaleación de Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti de alta resistencia con un alto contenido de fase γ′, diseñada para operar bajo cargas elevadas a temperaturas altas.
Nimonic 263 / Aleación 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650 – una aleación de Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al endurecible por precipitación que combina una alta resistencia a altas temperaturas con buena soldabilidad y aptitud tecnológica.

Ver también

Aleaciones de níquel

Inconel® – superaleaciones de níquel y cromo

Aleaciones con muy alta resistencia a la oxidación y a la deformación plástica a altas temperaturas. Se utilizan en las industrias energética, aeronáutica y química.
Grados: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.

Incoloy® – aleaciones de níquel, hierro y cromo

Combinan resistencia a la corrosión con una buena estabilidad estructural. Son especialmente valorados en las industrias química y petroquímica.
Especies: Incoloy 800 H/HT, Incoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.

Nimonic® – superaleaciones de alta temperatura

Los materiales reforzados por precipitación que se utilizan en la aviación y en las turbinas de gas se caracterizan por su alta resistencia a la fluencia y a la fatiga térmica.
Tipos: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.

Udimet® / Waspaloy® – superaleaciones para cargas extremas

Se utiliza en motores de aeronaves y en la industria energética, donde se requiere la máxima resistencia a la deformación por fluencia y a la fatiga térmica.
Especies: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.

Monel® y níquel puro: resistencia química y marina.

El monel (aleaciones de níquel-cobre) y el níquel puro son materiales resistentes al agua de mar, los ácidos y los álcalis. Se utilizan con frecuencia en las industrias naval, química y de equipos especializados.
Grados: Monel 400, Monel K-500, Níquel 200, Níquel 201.

Aleaciones especiales: Invar®, Kovar®, Permalloy

Materiales con propiedades físicas únicas: bajo coeficiente de dilatación térmica, estabilidad dimensional o permeabilidad magnética controlada. Se utilizan en electrónica, óptica e instrumentación de precisión.
Especies: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.

Hastelloy® / Haynes® – aleaciones resistentes a la corrosión y a altas temperaturas

Aleaciones con alta resistencia a entornos químicos agresivos, oxidación y deformación por fluencia. Se utilizan en las industrias química, energética y aeronáutica.
Grados: Hastelloy B-2, B-3, C-276, C-22, C-4, C-2000, G-30, G-35, X, N; Haynes 214, 230, 242, 282, HR-160.