1. Diseño de composición de aleación
Elementos de fortalecimiento de la matriz.
Elementos comocromo (Cr), molibdeno (Mo), tungsteno (W), yrenio (Re)disolverse en la matriz de níquel (Ni) para formar una solución sólida sustitucional. Estos elementos tienen radios atómicos mayores que el Ni, lo que provoca una grave distorsión reticular en la matriz. Esta distorsión aumenta la resistencia al movimiento de dislocación y la difusión atómica-dos mecanismos centrales de la deformación por fluencia. Por ejemplo, Mo y W pueden mejorar significativamente la resistencia de la matriz a altas-temperaturas debido a sus altos puntos de fusión y fuertes efectos de fortalecimiento de la solución sólida-; Re puede reducir la velocidad de difusión de los átomos en la matriz, retrasando así el proceso de deformación por fluencia.
Elementos de fortalecimiento de las precipitaciones.
Elementos comoaluminio (Al)ytitanio (Ti)son los elementos fortalecedores de la precipitación más críticos en las aleaciones a base de níquel-. Reaccionan con Ni para formar una fase intermetálica ordenada coherente.' (Ni₃(Al,Ti)), que es la fase de fortalecimiento principal para la resistencia a la fluencia. La fracción de volumen, el tamaño y la estabilidad de la fase determinan directamente el rendimiento de fluencia de la aleación:
Una fracción de alto volumen (30 %–70 % en superaleaciones a base de níquel-) de la fase ' puede bloquear eficazmente el movimiento de las dislocaciones en la matriz.
Las partículas finas y distribuidas uniformemente tienen una mayor capacidad de fijación de dislocaciones que las gruesas o distribuidas de manera desigual.
La fase ' con buena estabilidad a altas-temperaturas (por ejemplo, agregando tantalio (Ta) y niobio (Nb) para formar Ni₃(Al,Ti,Ta,Nb)) no es propensa a sobreenvejecerse ni a disolverse a altas temperaturas, lo que garantiza una resistencia a la fluencia-a largo plazo.
Control de trazas de impurezas
Impurezas nocivas comoazufre (S), fósforo (P), yplomo (Pb)puede segregarse en los límites de los granos, reduciendo la fuerza de unión de los límites de los granos y acelerando la fractura por fluencia intergranular. Por lo tanto, un control estricto del contenido de impurezas (normalmente inferior al 0,01%) es esencial para garantizar excelentes propiedades de fluencia.
2. Características de la microestructura
Optimización de la estructura del límite de grano.
La deformación por fluencia a altas temperaturas suele ir acompañada de un deslizamiento de los límites del grano, que es una de las principales causas de la falla por fluencia. La optimización de la estructura de los límites de grano puede inhibir eficazmente este comportamiento:
Fortalecimiento de los límites de grano: Adición de oligoelementos comoboro (B)ycirconio (Zr)Puede segregar en los límites de los granos, purificar los límites de los granos y mejorar la fuerza de unión de los límites de los granos, reduciendo así el deslizamiento de los límites de los granos.
Precipitación continua de carburos en el límite de grano.: Elementos comocarbono (C)reacciona con Cr, Mo y W para formarM₂₃C₆oMCcarburos, que precipitan continuamente a lo largo de los límites de los granos para formar un "esqueleto de los límites de los granos" y bloquear el movimiento de los límites de los granos.
Estructura monocristalina o solidificada direccionalmente: Para superaleaciones a base de níquel-de alto-rendimiento- utilizadas en álabes de turbinas, los procesos monocristalinos o de solidificación direccional eliminan los límites de grano transversales, lo que evita fundamentalmente la fractura por fluencia intergranular y mejora significativamente la vida útil de la fluencia.
Fortalecimiento de la morfología y distribución de las fases.
La morfología y distribución de la fase ' son cruciales para la resistencia a la fluencia. En aleaciones a base de níquel-bien diseñadas-, la fase ' suele seresférico o cuboidey distribuido uniformemente en la matriz. Esta morfología puede maximizar el efecto de fijación sobre las dislocaciones; Si la fase ' se vuelve parecida a una aguja-o irregular debido a un tratamiento térmico inadecuado, su efecto fortalecedor se reducirá significativamente. Además, la formación de una/ ' estructura eutécticaen algunas superaleaciones puede mejorar aún más la resistencia a la fluencia al impedir la propagación de las dislocaciones.
Control del tamaño de grano de la matriz
El efecto del tamaño de grano de la matriz sobre las propiedades de fluencia sigue la siguienteHall-Relación de Pettchpero depende de la temperatura y el estrés:
A bajas temperaturas y altas tensiones: los granos finos pueden mejorar la resistencia a la fluencia porque los límites de los granos bloquean el movimiento de dislocación.
A altas temperaturas y bajas tensiones: los granos gruesos son más ventajosos porque reducen el área total del límite del grano e inhiben el deslizamiento del límite del grano, que es el mecanismo de fluencia dominante en esta condición.
3. Tecnología de procesamiento
Proceso de tratamiento térmico
Un sistema de tratamiento térmico razonable (tratamiento de solución + tratamiento de envejecimiento) es la clave para obtener la morfología y distribución de fase óptimas:
Tratamiento de solución: Calentar la aleación a una temperatura superior a la temperatura de disolución de la fase y mantenerla durante un tiempo determinado puede disolver la fase gruesa en la matriz, y luego un enfriamiento rápido puede obtener una solución sólida sobresaturada.
Tratamiento de envejecimiento: Mantener la aleación a una temperatura específica (generalmente entre 700 y 1000 grados) durante un tiempo determinado puede precipitar fases finas y uniformes, que desempeñan un papel clave en el fortalecimiento. El tratamiento de envejecimiento multi-etapa puede optimizar aún más la distribución del tamaño de la 'fase' (por ejemplo, partículas de doble-tamaño': las partículas gruesas resisten el corte por dislocación, las partículas finas dificultan el movimiento de la dislocación).
Proceso de fundición y forja.
proceso de forja: La forja en caliente puede romper los granos-gruesos de fundición, refinar la microestructura y eliminar defectos de fundición como la porosidad y la segregación, mejorando así la uniformidad de las propiedades de fluencia.
Fundición de precisión: Las tecnologías de solidificación direccional y fundición monocristalina pueden controlar la dirección de crecimiento del grano, eliminar los límites transversales del grano y se utilizan ampliamente en la preparación de componentes de alta-temperatura con requisitos extremos de resistencia a la fluencia.
Tecnología de modificación de superficies.
Tratamientos superficiales comoaluminizarycromarpuede formar una densa película de óxido en la superficie de la aleación, lo que no solo mejora la resistencia a la oxidación a altas-temperaturas sino que también previene el daño superficial causado por medios corrosivos, manteniendo así indirectamente la resistencia a la fluencia de la aleación.
4. Condiciones del entorno de servicio
Temperatura
La temperatura es el factor ambiental más crítico que afecta la fluencia. Con el aumento de la temperatura, la velocidad de difusión atómica en la aleación aumenta exponencialmente, la resistencia al movimiento de dislocación disminuye y es más probable que se produzca el deslizamiento de los límites del grano. Cuando la temperatura excede 0,5 veces el punto de fusión absoluto de la aleación, la tasa de deformación por fluencia aumentará drásticamente y la vida útil se acortará significativamente.
Nivel de estrés
La tasa de deformación por fluencia se correlaciona positivamente con la tensión aplicada. En condiciones de tensión elevada, el movimiento de dislocación en la aleación está dominado por el deslizamiento y la tasa de deformación por fluencia es rápida; En condiciones de baja tensión, el deslizamiento de los límites de los granos y la difusión atómica se convierten en los principales mecanismos de fluencia, y la tasa de deformación es relativamente lenta, pero aún así provocará fracturas durante un largo período de tiempo.
Atmósfera corrosiva
En entornos de servicio que contienen medios corrosivos (p. ej., atmósfera de oxidación a alta-temperatura, gas que contiene azufre-, niebla salina), la superficie de la aleación se corroerá y se formarán picaduras o micro-fisuras. Estos defectos se convertirán en puntos de concentración de tensiones, acelerando el inicio y la propagación de grietas por fluencia y reduciendo la vida útil de la fluencia.
