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 de Tratamiento Térmico: 3 factores para entender el endurecimiento del Acero.

El acero es el metal de mayor consumo a nivel mundial (le siguen detrás el aluminio y el cobre). Sin embargo, su nivel de aplicación depende por completo de los procesos de valor agregado después de su fabricación… y ahí es donde empiezan los «problemas»

En publicaciones previas he mencionado lo poco entendido que es el  tratamiento térmico, así que decidimos iniciar estas cápsulas breves para compartir los principios básicos y proveer un entendimiento práctico a todos aquellos que empiezan a involucrarse en este fascinante proceso. Tambien te puede interesar: Temple y Revenido del Acero

En esta cápsula te comparto los 3 factores que en mi experiencia son clave en la mayoría de procesos de endurecimiento de acero:

  1. Control de temperatura,
  2. Control de Atmósfera y
  3. Control de las variables de temple.

¿Agregarías otro factor? Si te es de utilidad esta info, no olvides compartir!Recuerden que recibimos con gusto sus preguntas y comentarios en el correo victor@globalthermalsolutions.com

ISO/IEC 17025 Accredited Laboratory Specialized in Pyrometry

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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¿Qué nos trae la revisión F de AMS2750 y porqué tanto alboroto?

La AMS2750 es la especificación mayormente aceptada por la industria aeroespacial para definir los requerimientos de pirometría de los equipos de proceso que requieren algún tipo de control de temperatura. Para la mayoría de ls OEMs aeronáuticos, esta norma representa el fundamento básico de sus especificaciones de procesamiento térmico.

Se trata de un estándar muy completo que nos permite resolver las incógnitas que los auditores del programa Nadcap ponen sobre la mesa cuando ven un horno en la operación:

  1. ¿Cómo sabes que tus lecturas de temperatura son precisas?,
  2. ¿Cómo sabes cuánta es la variación de temperatura dentro del horno?
  3. ¿Cómo sabes que toda la carga fue expuesta a una temperatura consistente durante el ciclo?,
  4. ¿Cómo sabes que lo sabes? (Evidencia)

AMS2750 fue escrita originalmente a partir de los requerimientos del tratamiento térmico de metales. Sin embargo es usada también para definir los requisitos de cualquier tipo de procesamiento térmico. Algunos ejemplos son:

  • Hornos de secado de pintura
  • Hornos de forja
  • Autoclaves para curado de compósitos.

La norma AMS2750 es sometida de manera regular a procesos de revisión para ser presentada en un formato más coherente y mejor organizado. Sin embargo, no cambia el hecho de que se trata de un documento complejo que abarca demasiados conceptos, lo que lo hace generalmente malinterpretado y qué requiere de personal entrenado para su implementación. También te puede interesar: El top 5 de hallazgos en Auditorías Nadcap de Tratamiento Térmico

En auditorías de proceso (Nadcap) de 6 a 8 de cada 10 hallazgos están relacionados a pirometría

¿Qué ha cambiado en la revisión F?

¡Casi todo! En comparación con la revisión E, AMS2750 revisión F ha sido re-escrita por completo. Cada párrafo tiene nueva redacción y nueva numeración. Para que tengan una idea: antes existían 11 tablas, ahora son 25 tablas. El documento actual es 25% mas amplio que la revisión anterior.

Pero no teman. La buena noticia es que la mayoría de los cambios son de formato y tendrán un impacto mínimo en la mayoría de los usuarios. La mala noticia es que si existen algunos cambios muy significativos que sí afectarán a todos. A continuación te comparto algunos de los puntos mas relevantes en cada sección de la norma:

  1. Sensores. Se incorporaron nuevos requerimientos de precisión requerida para los sensores de temperatura, cambios en las definiciones (expendable vs non-expendable) y limitaciones en las reglas para el re-uso en función de la aplicación.
  2. Instrumentación. Se adicionaron algunos cambios menores en los intervalos de calibración, la precisión requerida y la sensibilidad de los instrumentos de control y registro de temperatura. Se integraron nuevas reglas para el uso de timers y se eliminó por completo el uso de sistemas de registro analógico.
  3. Clasificación de Hornos. La inclusión de una nueva categoría (D+) así como requerimientos adicionales para sistemas de refrigeración y tanques de temple.
  4. Pruebas de exactitud del sistema, SAT. Se aclara el uso de los SAT alternativos y se elimina la opción de usar offsets para corregir pruebas SAT fallidas (esto es muy relevante).
  5. Ensayos de Uniformidad de Temperatura, TUS. Se realizaron aclaraciones respecto la ubicación de los termopares durante la prueba TUS (ayudas visuales), se integró información adicional en el reporte y se hizo una aclaración respecto a cómo evaluar la re-ubicación de termopares de alta y baja (hornos clase A y C).

Si bien los cambios de la revisión F implican una cantidad importante de trabajo, la implementación correcta de AMS2750 ha probado por mas de 40 años que se puede contar con un proceso de tratamiento térmico controlado y capaz de prevenir defectos de manera efectiva.

A la larga, una medición confiable permite que los responsables del proceso tengan un sueño tranquilo al salir de la planta. Y mucho mas importante, les permite saber que han contribuido a fabricar componentes para el medio de transporte más seguro que existe hasta el momento.

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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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Los cambios de CQI-9 4 versión: ¿Cómo afectan mi operación de Tratamiento Térmico?

Hace unos meses AIAG llevó a cabo la presentación oficial de CQI-9 version 4 (Heat Treat System Assessment o HTSA), lanzada oficialmente en Junio del 2020. Te comparto los cambios mas importantes dado que la última edición ha mejorado la evaluación de manera sustancial y se reafirma como una de las mejores herramientas de gestión que tenemos los especialistas en materiales para alcanzar un proceso de tratamiento térmico consistente y confiable.

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La 4 versión es el resultado de una revisión exhaustiva del documento que incluye mejoras, aclaraciones y la adición de algunas guías con el objetivo de hacerla mas fácil de entender y por lo tanto mas efectiva . La revisión también responde a la evolución de los sistemas de calidad, pues está alineado a «nuevos» conceptos como la gestión de riesgos, por citar un ejemplo.

Los cambios de CQI-9 4 versión: ¿Cómo afectan mi operación de Tratamiento Térmico?

Con la intención en mente por parte del Heat Treat Work Group de hacer un documento mas entendible y efectivo, se realizaron esfuerzos para proporcionar mayor claridad tanto desde el punto de vista de redacción como de formato, tomando en cuenta los aprendizajes y la retroalimentación de la tercera edición, así como la evolución tecnológica de los equipos de tratamiento térmico.

Algunas de las mejoras mas importantes en la evaluación son:

  • Calificaciones del evaluador. Si bien los requisitos siguen siendo los mismos, ahora el enfoque principal es hacia la experiencia específica del evaluador en tratamiento térmico.
  • Formato de la Cubierta y el Job Audit. Ambos fueron revisados para eliminar campos irrelevantes y para proveer un mejor flujo.
  • Requerimientos de la evaluación. Todas las preguntas fueron revisadas con el objetivo de asegurar mayor claridad y reducir ambigüedad, por lo que en algunas preguntas específicas se adicionaron requerimientos. Hablando del formato, muchos habrán notado en ediciones anteriores que una sola pregunta de la evaluación contenía varios requerimientos en una misma celda. La cuarta edición separa cada requerimiento en celdas individuales para una respuesta mas eficiente.
  • Tablas de proceso. Se mantuvo el formato pero se hicieron adiciones puntuales a cada una de las tablas de proceso, así como la Inclusión formal de la tabla I: Hot Stamping (Los requerimientos para este proceso han existido desde la revisión 3, pero en el pasado fueron anexados a posteriori como una Fe de Erratas).
  • Adición del prefijo P a la sección de Pirometría. Con el objetivo de evitar confusión cuando se hace referencia a los puntos de la evaluación con la misma numeración que los párrafos de la sección de pirometría.
  • Glosario extendido. Muchas veces pasado por alto, el glosario fue complementado con aclaraciones, guías e ilustraciones para mayor entendimiento

Cambios en la sección de Pirometría

Prueba TUS en Horno de Carburizado

Este apartado merece una atención especial pues, como muchos de ustedes saben, los hallazgos de pirometría representan hasta un 80% de los puntos no-satisfactorios en auditorías de CQI-9. Con el mismo objetivo de proporcionar mayor claridad y orientación para el cumplimiento de los requerimientos, los principales cambios en la sección de pirometría incluyen:

  1. Aclaraciones sobre el uso de sensores de temperatura (termopares y RTDs) en operación y pruebas
  2. Se realizaron aclaraciones menores respecto a las frecuencias y periodos de gracia de las calibraciones de la instrumentación, sin embargo el cambio mas trascendente en este apartado es el reemplazo de todo instrumento analógico para Junio del 2023.
  3. Se incluyó una apartado muy completo sobre las restricciones para el uso de los offsets, así como su control y documentación.
  4. Se incluyeron aclaraciones breves pero muy concisas sobre las pruebas de uniformidad de temperatura (Temperature Uniformity Surveys)
  5. Se reviso la información específica que debe contener un informe de calibración, de prueba SAT y de prueba TUS, así como la inclusión del logo de acreditación en ISO/IEC 17025 de laboratorio que realiza dichas pruebas.

Notas finales

La pregunta mas popular en este momento es sin duda ¿A partir de qué momento entra en vigor CQI-9 4a versión? La respuesta puede variar dependiendo la fuente pero a continuación te comparto los puntos de vista de los fabricantes de equipo original (OEMs):

  • General Motors. Los representantes de GM dejaron claro en la presentación de AIAG que a partir del día de la presentación (Septiembre 2020) dejarán de recibir evaluaciones que no hayan sido conducidas con la 4ta edición. Es decir, la tercera edición se considera obsoleta para GM a partir de hoy.
  • Fiat Chrysler Automobiles. FCA actualizó los requerimientos específicos de IATF 16949 en Agosto 2020 y en ellos hace referencia a la 4ta edición de CQI-9, por lo tanto las evaluaciones ya deben ser conducidas usando esta versión.
  • Ford Motor Company. Históricamente Ford ha hecho un énfasis muy grande con sus proveedores hacia la implementación de los requerimientos de CQI-9 y por lo tanto su postura es similar a la de los OEMs citados antes. Adicionalmente es importante tomar en cuenta que Ford cuenta con criterios específicos y extiende la aplicación de CQI-9 a procesos de sinterizado y brazing (soldadura fuerte).

Independientemente de la entrada en vigor de la cuarta edición, siempre he creído que CQI-9 debe verse como una herramienta práctica mas que como una obligación. El documento es un sistema operativo basado en las mejores prácticas a nivel mundial y existe evidencia de sobra en los últimos 14 años para demostrar que su implementación conlleva a un proceso consistente y confiable que se traduce en uso eficiente de los recursos ($).

 

Cuéntame sobre tu experiencia con la cuarta edición. ¿Consideras que se entienden mejor los requerimientos? ¿Deseas conocer los cambios a profundidad?

PS: Spoiler alert – AIAG se encuentra trabajando en una CQI para procesos de brazing.

Para conocer mas de los requerimientos de IATF

IATF 16949: 2016 + ISO 9001:2015: ASSESSMENT (AUDIT) Guide and Checklist

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Victor Zacarias

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Cápsulas básicas de Tratamiento Térmico 8: Super Aleaciones

Continuamos con nuestra serie de cápsulas básicas de Tratamiento Térmico y en esta ocasión deseamos compartir algunos datos sobre un grupo en particular de materiales conocido como Super Aleaciones. Recuerden que recibimos con gusto sus preguntas y comentarios en el correo victor@globalthermalsolutions.com

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Cápsulas básicas de Tratamiento Térmico 6: Aleaciones de Aluminio

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

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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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Sesión Técnica GTS 2020: Tratamiento Térmico en la Industria Aeroespacial

Los esperamos este 21 de Febrero del 2020 en el Centro Nacional de Tecnologías Aeronáuticas (CENTA) en Querétaro. Los temas de este año están enfocados hacia los beneficios del programa Nadcap,  Pruebas de Materiales y Control en operaciones de procesamiento térmico. Para mayor información, contacta a Laura Oviedo al correo laura@globalthermalsolutions.com

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Cápsulas básicas de Tratamiento Térmico 3: Las Estructuras del Acero

Continuando con nuestra serie de cápsulas básicas de Tratamiento Térmico, les compartimos la siguiente infografía que explora las diferentes microestructuras del acero y su relación con la velocidad de enfriamiento. Recuerden que recibimos con gusto sus preguntas y comentarios en el correo victor@globalthermalsolutions.com

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