Súper Aleaciones y su Tratamiento Térmico

Las súper aleaciones son materiales diseñados para operar en ambientes extremos. Si bien, no todas las súper aleaciones son susceptibles al Tratamiento Térmico, debido a sus extraordinarias características su uso es ampliamente extendido en aplicaciones especiales como la industria médica, nuclear y aeroespacial 

Introducción

El Níquel y el Cobalto forman la base de un grupo de aleaciones denominado Súper Aleaciones. Estos materiales están diseñados para operar a elevadas cargas, destacándose también por su resistencia a la corrosión a altas temperaturas gracias a la formación de óxidos estabilizados en la superficie.

Un gran número de aleaciones han sido desarrolladas y estudiadas desde mitad te siglo XX, siendo gran parte de ellas patentadas. Sin embargo, varias de las aleaciones desarrolladas ha sido desechadas con el paso de los años y actualmente solo un puñado son de uso extensivo. Ver ejemplos en tabla 1.

Tabla 1. Ejemplos de Súper aleaciones de uso extensivo en la actualidad.

Formación de Gamma Prima y Resistencia al Creep

La deformación por fluencia lenta o creep es un modo de falla de los materiales y se define como la tendencia a la deformación de un material sólido sometido permanentemente a una carga de tensión constante. Este fenómeno es más severo en materiales expuestos a altas temperaturas durante largos periodos de tiempo.

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Las turbinas aeronáuticas, por ejemplo, pueden alcanzar temperaturas de operación que en ocasiones superan los 1200C y donde el creep puede ser un serio problema. Las super aleaciones de Níquel y Cobalto están diseñadas para soportar estas condiciones y resistir el fenómeno de fluencia lenta gracias a la precipitación ordenada en los límites de grano de una fase llamada Gamma Prima γ’.

No todas las súper aleaciones son susceptibles al tratamiento térmico por precipitación y es por eso que son clasificadas en dos grupos. El primer grupo consiste de todas las aleaciones que pueden ser endurecidas mediante tratamiento térmico y el segudo de aquellas que solo pueden mejorar su resistencia mecáncia mediante operaciones de trabajo en frío. Ver tabla 2.

Tabla 2. Calsificación de súper aleaciones por su susceptibilidad al tratamiento térmico por precipitación

Tratamientos Térmicos de Solubilizado y Precipitación

Los tratamientos térmicos de solubilizado o solución consisten de operaciones de alta temperatura diseñados para disolver carburos y compuestos intermetálicos en solución. Se suelen emplear temperaturas que van desde los 1000 a 1200C, pero ciertas aleaciones pueden requerir una temperatura diferente dependiendo de las propiedades requeridas.

El objetivo de un solubilizado es eliminar la mayor cantidad de precipitados en la red cristalina, sin embargo en ocasiones el tratamiento térmico puede dejar algunos compuestos sin disolver.

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La precipitación es un tratamiento térmico a temperatura intermedia que provoca el endurecimiento y el incremento de la resistencia de la aleación debido a la precipitación de compuestos intermetálicos desde una solución sobre-saturada.

Para tratamientos de una etapa, la temperatura a la que se realiza la precipitación oscila entre 600 y 760C.

Envejecido en 2 etapas

En ocasiones el término precipitación y envejecido se usan indistintamente para describir el mismo proceso, sin embargo se trata de dos etapas distintas:

  1. La formación de los precipitados
  2. El crecimiento de los precipitados

El envejecido en 2 etapas mejora las propiedades de las súper aleaciones debido a que en la primera etapa del proceso se optimiza la distribución de los precipitados y una segunda etapa permite el crecimiento de estos.

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Consideraciones importantes

El control de temperatura durante el tratamiento térmico de solubilizado es de suma criticidad en estas aleaciones debido a que un crecimiento de grano puede ocurrir de manera muy acelerada.

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En la industria aeroespacial, cuyo uso de estas aleaciones es ampliamente extendido, existen estrictas normativas para asegurar el control y la consistencia de la temperatura de los hornos empleados para tratamiento térmico.

La norma SAE AMS2750 es el estándar universalmente aceptado para fines de certificación de procesamiento térmico en la industria aeroespacial, y nos describe los requisitos de precisión, exactitud y uniformidad para los sistemas de medición de temperatura (pirometría).

Las pruebas de pirometría descritas en la normativa AMS2750 proporcionan información valiosa que fomenta el mantenimiento preventivo de los hornos y equipos relacionados. Al mismo tiempo, el entendimiento y control de los sistemas de medición ayudan de manera proactiva a obtener resultados metalúrgicos repetibles.

En ambos casos la información generada en estas pruebas nos permite reducir la probabilidad de scrap o reclamos de calidad y asegurar la continuidad del negocio al mostrar conformidad con los mandatos del cliente.

Referencias

  • CHANDLER H., Heat Treater’s Guide: Practices and Procedures for Nonferrous Alloys, ASM International, 1996
  • Nadcap AC7102/8 Audit Criteria for Pyrometry, rev A, 2021
  • P-R-I Training, Heat Treatment of Nickel and Cobalt based Alloys, Performance Review Institute, 2020
  • SAE Aerospace, Aerospace Material Specification AMS2750: Pyrometry rev. F, 2020
  • SAE Aerospace, Aerospace Material Specification AMS2774 : Heat Treatment Nickel Alloy and Cobalt Alloy parts rev. G, 2020
  • TIEN, J.K., CAULFIELD, T. Superalloys, Supercomposites and Superceramics. Academic Press Inc. 1989
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Victor Zacarias

Víctor Zacarías is a Metallurgical Engineer from the University of Queretaro with studies in Strategic Management from Tec de Monterrey. With over 15 years of experience in Heat Treatment Management, he is currently the Managing Director of Global Thermal Solutions México. He has conducted numerous courses, workshops and assessments in México, United States, Brazil, Argentina and Costa Rica. He has been member of the AIAG Heat Treat Work Group (CQI-9 committee) and the SAE Aerospace Materials Engineering Committee (AMS2750).

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Cápsulas básicas de Tratamiento Térmico 9: Tratamiento Térmico de Super Aleaciones

Continuamos con nuestra serie de cápsulas básicas de Tratamiento Térmico y es momento de hablar de los procedimientos para el tratamiento térmico de Super Aleaciones. Recuerden que recibimos con gusto sus preguntas y comentarios en el correo victor@globalthermalsolutions.com

ISO/IEC 17025 Accredited Laboratory Specialized in Pyrometry

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Cápsulas básicas de Tratamiento Térmico 7: Solución y Envejecido de Aluminio

Continuamos con nuestra serie de cápsulas básicas de Tratamiento Térmico y en esta ocasión compartimos una inforgrafía que explora las los principios de los tratamientos de solución y envejecido de aleaciones de aluminio. Recuerden que recibimos con gusto sus preguntas y comentarios en el correo victor@globalthermalsolutions.com

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Cápsulas básicas de Tratamiento Térmico 5: Temple y Revenido del Acero

Continuando con nuestra serie de cápsulas básicas de Tratamiento Térmico, les compartimos la siguiente infografía que explora las los procesos de Temple y Revenido del Acero. Recuerden que recibimos con gusto sus preguntas y comentarios en el correo victor@globalthermalsolutions.com

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Cápsulas básicas de Tratamiento Térmico 4: Recocido y Normalizado del Acero

Continuando con nuestra serie de cápsulas básicas de Tratamiento Térmico, les compartimos la siguiente infografía que explora las diferencias entre el Recocido y el normalizado del Acero. Recuerden que recibimos con gusto sus preguntas y comentarios en el correo victor@globalthermalsolutions.com

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Pirometría: La clave para un Tratamiento Térmico confiable en la industria Automotriz y Aeroespacial

Hablar de Tratamiento Térmico en la industria Automotriz y aeroespacial es cosa seria. El hecho de que no puedes medir el 100% de las partes (a menos que emplees ensayos destructivos) es perturbador. Esta es la razón por la cual ambas industrias requieren estrictos estándares para la medición y el control de los procesos térmicos: la pirometría

Las norma SAE AMS2750 es la especificación mayormente aceptada por la industria aeroespacial y nos ayuda a responder preguntas críticas del proceso de tratamientos térmicos

  • ¿Cómo sabes que tus lecturas de temperatura son precisas?,
  • ¿Cómo sabes cuánta es la variación de temperatura dentro del horno?
  • ¿Como sabes que toda la carga fue expuesta a una temperatura consistente durante el ciclo?,
  • ¿Cómo sabes que lo sabes?

Los requerimientos de Pirometría de CQI-9 son muy similares. De hecho, cuando la AIAG lanzó la primera edición de esta evaluación en el 2006, se referenciaba a la AMS2750 para cumplir los requisitos de Pirometría. En la tercera edición de la CQI-9, el comité decidió escribir sus propios requerimientos debido a las características particulares de la industria automotriz, pero aún se basa en los estándares aeroespaciales.

Cuando se implementan estos requerimientos, tenemos que tener en cuenta que nos enfrentamos a dos estándares complicados que requieren de personal calificado para interpretar los requerimientos. Pero a pesar de su complejidad, esta probado que la implementación de cualquiera de estas especificaciones llevará a un proceso controlado capaz de prevenir defectos.

Al final, la metrología (de temperatura en este caso) te muestra nuevamente que puedes salir de la planta sabiendo que has contribuido a un producto seguro para muchas generaciones por venir

Victor Zacarias

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