Superaleación se refiere a una clase de materiales metálicos a base de elementos (hierro, cobalto, níquel), añadiendo un gran número de elementos de refuerzo, que pueden trabajar a alta temperatura por encima de 600℃ y bajo cierta tensión durante mucho tiempo. La superaleación tiene alta resistencia a altas temperaturas y buena resistencia a la oxidación, resistencia a la corrosión térmica, resistencia a la fatiga, buena estabilidad organizativa y fiabilidad de servicio a alta temperatura, por lo que también se conoce como aleación de resistencia al calor, aleación de resistencia al calor o superaleación.
superaleaciones descripción básica
La superaleación es un nuevo tipo de material metálico de aviación desarrollado en la década de 1940. Puede soportar tensiones complejas y funcionar de forma fiable durante mucho tiempo en condiciones de oxidación y corrosión por gas a 600-1100℃. Las superaleaciones se utilizan principalmente en las partes calientes de los motores aeronáuticos, y también se emplean ampliamente en las industrias aeroespacial, energética, del transporte y química.
Desde la perspectiva de las industrias subdivididas, los materiales de superaleación pertenecen a los materiales estructurales metálicos de gama alta en el campo de los nuevos materiales. Tiene un excelente rendimiento integral, excelente resistencia a altas temperaturas y plasticidad, buena resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión térmica, excelente resistencia a la fluencia, resistencia a la fractura y buena estabilidad organizativa, y se ha convertido en los materiales especiales clave para el desarrollo de muchos campos industriales importantes.
Características de rendimiento de los materiales de superaleación:
- Excelente resistencia a altas temperaturas y plasticidad
- Buena resistencia a la oxidación y a la corrosión por calor
- Excelente resistencia a la fluencia y a la fisión
- Buena estabilidad organizativa
- El mecanizado por deformación es difícil
- Buena relación calidad-precio
Clasificación de las superaleaciones
Con el progreso continuo de la tecnología y los materiales, los productos de superaleación se iteran constantemente, se mejora constantemente la capacidad de soportar temperaturas y se mejora constantemente el rendimiento integral. Han pasado de ser la superaleación de fundición tradicional y la superaleación de deformación. Se han desarrollado una serie de nuevos materiales de superaleación, como la superaleación en polvo, los compuestos intermetálicos de titanio y aluminio, la superaleación reforzada por dispersión de óxidos, la superaleación resistente a la corrosión, la pulvimetalurgia y los nanomateriales.
Clasificación de las superaleaciones
Las superaleaciones pueden clasificarse según diversos métodos de clasificación.
- Base de hierro o superaleación de hierro y níquel
- Superaleación a base de níquel
- Superaleación a base de cobalto
- Superaleación reforzada por solución sólida
- Superaleación reforzada por precipitación
- Superaleación deformada
- Superaleación fundida
- Superaleación en polvo
- Superaleación resistente a la corrosión en caliente
- Superaleación de baja expansión
- Superaleación de alto límite elástico
- Superaleación para álabes de turbina
- Superaleación para álabes guía de turbinas
- Superaleación para la cámara de combustión
Tecnología de preparación de superaleaciones
Durante el desarrollo de la superaleación, la tecnología desempeña un gran papel. El proceso de producción y preparación de la superaleación es complicado, con la fusión, la fundición y el tratamiento térmico como procesos principales. La estabilidad del proceso de producción y de la tecnología influye directamente en las propiedades mecánicas de los materiales de superaleación. El rápido desarrollo de la economía y la ciencia y la tecnología para el desarrollo y la promoción de una variedad de nuevos materiales de superaleación proporcionar un gran espacio para el desarrollo, en el caso de los requisitos cada vez más altos para las propiedades de la aleación, es necesario mejorar constantemente y optimizar una variedad de procesos, para asegurar que una variedad de procesos y materiales de superaleación adaptarse a los cambios. La mejora continua del proceso puede realizar la mejora continua del rendimiento, el desarrollo de nueva superaleación, y luego promover el desarrollo de productos e industrias relacionadas.
- Proceso de fundición
El estricto control de la composición química es la base para garantizar un excelente rendimiento de la superaleación. El proceso de fusión puede eliminar eficazmente las inclusiones mayores que el tamaño crítico, reducir el contenido de oxígeno, nitrógeno y azufre, y mejorar la pureza de la superaleación desde el origen. Por lo tanto, el proceso de fusión ocupa el primer lugar en el proceso de preparación de la superaleación.
En la actualidad, los principales métodos de fusión de superaleaciones en el mundo son el horno de inducción de vacío (VIM), el horno consumible de vacío (VAR) y el horno de refundición por electroescoria (ESR). En los últimos años, la aplicación de las nuevas superaleaciones representadas por las superaleaciones en polvo se ha extendido cada vez más, y el proceso de fusión de las superaleaciones en polvo se ha convertido en una tecnología de investigación de vanguardia. A nivel internacional, las superaleaciones en polvo rusas adoptan el proceso de fusión doble VIM o VIM+VAR, y las superaleaciones en polvo estadounidenses adoptan el proceso triple VIM+ESR+VAR. Sin embargo, la superaleación en polvo nacional adopta básicamente el proceso de refinado simple VIM, lo que hace que la pureza del material de superaleación en polvo chino sea inferior al nivel avanzado de los países extranjeros.
- fundición
La tecnología de fundición de precisión de la superaleación es principalmente la fundición por inversión, que se ha desarrollado en el tipo de cristal equiaxial, el tipo de cristal cilíndrico direccional y el tipo de cristal único. En la actualidad, las piezas de fundición de superaleaciones han comenzado a desarrollarse en la dirección de la complejidad, la gran escala y la alta precisión, lo que plantea ciertos retos para el proceso y el procedimiento de fundición, y también promueve el progreso continuo de la tecnología de fundición de precisión por inversión, desde la tecnología de fundición en vacío hasta la tecnología de fundición no residual, la tecnología de solidificación direccional, la tecnología de cristal único y otros aspectos.
También existe una conexión directa entre la mejora de la tecnología de fundición y la producción y fabricación de materias primas de superaleaciones. Es necesario combinar las características de los materiales de superaleación y el uso de piezas de fundición, mejorar el modo y el mecanismo tecnológicos correspondientes, controlar el rendimiento de los materiales y garantizar la estabilidad del proceso de producción. En la actualidad, en el proceso de producción, existen dificultades en el control de los parámetros de composición y los parámetros de solidificación de la superaleación, y es fácil que aparezcan defectos como pecas, agrietamiento en caliente y flojedad durante la producción de solidificación direccional o la producción de monocristal, que afectan gravemente al rendimiento a alta temperatura de los productos. En el proceso de investigación en los Estados Unidos, la tecnología de solidificación direccional de alto gradiente se utiliza para producir palas de motores aeronáuticos, lo que reduce eficazmente la incidencia de pecas, controla estrictamente los parámetros de gradiente de temperatura bajo la condición de cada tamaño de pieza, y desempeña un cierto papel en la optimización y mejora de la producción.
Clasificación de la fundición de precisión: principalmente fundición a la cera perdida, fundición de cerámica, fundición de metal, fundición a presión, fundición perdida.
- Tratamiento térmico
Con la aplicación de nuevos materiales de superaleación y los elevados requisitos de las propiedades de las aleaciones, el tratamiento térmico es un proceso esencial. El proceso de tratamiento térmico de la superaleación se refiere a un tipo de proceso de trabajo en caliente del metal en el que los materiales de superaleación se calientan, aíslan y enfrían en estado sólido para obtener la microestructura y las propiedades esperadas. En los últimos años, el tratamiento térmico de solución sólida y el tratamiento térmico de envejecimiento se han estudiado sistemáticamente en la superaleación.
⁎ El tratamiento térmico de solución sólida significa que la fase de precipitación con distribución desigual en la aleación se disuelve completamente en la fase de matriz a una temperatura superior a la temperatura de solución total de la fase precipitada en la estructura de la superaleación, a fin de reforzar la solución sólida, mejorar la tenacidad y la resistencia a la corrosión y eliminar la tensión residual, para continuar el procesamiento y la conformación, y preparar la fase de precipitación con distribución uniforme en el tratamiento de envejecimiento posterior.
⁎ El tratamiento térmico de envejecimiento se refiere al calentamiento y mantenimiento durante un cierto tiempo dentro del intervalo de temperatura de la precipitación de la fase reforzada, de modo que la fase reforzada de la superaleación precipite uniformemente y el carburo se distribuya uniformemente, a fin de realizar la función de endurecimiento de la aleación y mejorar su resistencia.
Aplicación de la superaleación
El mercado mundial de superaleaciones sigue creciendo, y China se está convirtiendo en un importante mercado incremental. En el mercado chino de las superaleaciones, la superaleación deformada y la superaleación a base de níquel representan la mayor proporción. Según el proceso de fabricación, la superaleación deformada representa unas 70% de todo el mercado de superaleaciones, seguida de la superaleación de colada (20%) y la superaleación en polvo (10%). Según los elementos de la matriz de la aleación, la superaleación de base níquel representa unas 80%, la superaleación níquel-hierro y la superaleación de base cobalto unas 14% y 6%, respectivamente.
El mayor escenario de aplicación de la superaleación es el campo aeroespacial, con una cuota de demanda de 55%. El material de superaleación es una materia prima importante para la fabricación de motores aeroespaciales. Se utiliza principalmente en la cámara de combustión del motor, la guía, el álabe de turbina, el disco de turbina, la tobera de cola, la carcasa y otros componentes. En segundo lugar, la superaleación tiene excelentes propiedades, como resistencia a altas temperaturas y a la corrosión, y también se utiliza ampliamente en turbinas de gas, petroquímica, industria y automoción.
1) Motor aeronáutico
La superaleación se ha aplicado a los motores aeronáuticos desde su nacimiento. En los motores aeronáuticos modernos, los materiales de superaleación se utilizan principalmente en cuatro componentes principales del extremo caliente: cámara de combustión, cámara guía, álabe de turbina y disco de turbina, así como en la carcasa, las piezas anulares, el postquemador y la tobera de cola.
2) Turbocompresores de automoción
La turbina del turbocompresor de los gases de escape de los automóviles es también un importante campo de aplicación de los materiales de superaleación. Actualmente, la mayoría de los fabricantes de turbocompresores de nuestro país son turbocompresores de superaleación con base de níquel, que forman un rotor con el eje de vórtice y el impulsor del compresor. Según el consumo de superaleación del turbocompresor por cada 10.000 vehículos es de unas 3,5 toneladas, la industria de producción de automóviles necesita unas 9.128,7 toneladas de materiales de superaleación en 2021, y el tamaño del mercado es de unos 1.830 millones de yuanes. Teniendo en cuenta el aumento del número de coches en el futuro y la tasa de ensamblaje en China, se estima que la demanda total de materiales de superaleación en el mercado automovilístico chino será de unas 106.000 toneladas en 2030, suponiendo una tasa media de crecimiento anual de 5% en el futuro.
3) Energía nuclear
Las superaleaciones para la energía nuclear incluyen: materiales de revestimiento de elementos combustibles, materiales estructurales, rejillas de posicionamiento de barras combustibles, intercambiadores de calor para hornos de gas de alta temperatura, etc., que son difíciles de sustituir por otros materiales.
El informe sobre combustible nuclear publicado por la Asociación Mundial de Energía Nuclear prevé que la capacidad mundial de energía nuclear instalada crecerá a un ritmo anual de 2,6%, y en 2040 la capacidad mundial de energía nuclear instalada alcanzará los 615 millones de kilovatios, y el crecimiento de la capacidad instalada procederá principalmente de China, Rusia y otros países. En enero de 2022, con la Unidad 6 de la central nuclear de Fuqing conectada a la red, China continental contaba con 53 unidades de energía nuclear conectadas a la red con una capacidad total instalada de 5.4636.695 kw, ocupando el tercer lugar en el mundo después de EE.UU. y Francia. La Administración Nacional de la Energía calcula que la potencia nuclear instalada en China alcanzará entre 120 y 150 millones de kw en 2030, por lo que se estima que China completará unos 80 millones de kw de nuevas unidades de energía nuclear para 2030. Cada central nuclear de 600.000 kw requiere unas 600 toneladas de materiales de superaleación, por lo que la demanda total de materiales de superaleación es de unas 80.000 toneladas. Teniendo en cuenta que la tasa de producción nacional de construcción de centrales nucleares es de unas 80%, se espera que la demanda nacional media anual de superaleación sea de unas 7.111 toneladas en el futuro.
4) Otros ámbitos
Los materiales de superaleación también se utilizan ampliamente en la fabricación de vidrio, la metalurgia, los instrumentos médicos y otros campos.
