Aplicación y desarrollo de aleaciones de níquel en el campo de la aviación

R.F.Smith del Reino Unido discutió el desarrollo de cuatro aspectos de las aleaciones de níquel recientemente utilizadas en la aviación, el primero es la aleación de disco; el segundo es la superaleación de baja expansión; el tercero es la superaleación a base de níquel formable superplásticamente (aleación Inconel718); el cuarto es una aleación de baja expansión (Nilo) para herramientas de preparación de compuestos.

Superaleaciones a base de níquel para discos de motores aéreos. El objetivo de desarrollo de este tipo de aleación es aumentar la temperatura de uso añadiendo elementos adicionales. Una aleación a base de níquel recién desarrollada con mejores propiedades de fluencia y fatiga, su composición es Ni-20Cr-1.5Al-3Ti-4.5Mo-13.5Co. La aleación fue inicialmente preparada utilizando fusión por inducción al vacío (VIM) y remelting por arco al vacío (VAR). Debido a la vida útil reducida de los discos debido a los puntos blancos de segregación de composición y agregación de carburo en la aleación, la Corporación de Metales Especiales de EE. UU. (SMC) cambió a VIM y refinación electroslag para eliminar estos defectos. Los motores actualizados en el futuro requieren una mayor temperatura y resistencia del material utilizado. La aleación Udimet 720 (Ni-16Cr-2.5A1-5Ti-3Mo-14.7Co-1.25W) originalmente utilizada para las palas requiere metalurgia de polvos para ser preparada en grandes forjas de disco, y ahora SMC ha pasado por el proceso de fusión y refinación, así como forjado. A través de la investigación y mejora del proceso, se ha preparado con éxito el lingote de forja con un diámetro de φ250mm y se ha utilizado en los motores de aviones civiles y militares.

Superaleaciones de baja expansión. Las superaleaciones que contienen cromo utilizadas en motores de turbina de gas, como la aleación Inconel 718, tienen una alta expansión, lo que puede causar problemas como tolerancias de ajuste, requiriendo un diseño cuidadoso y el uso de costosos sistemas de enfriamiento mecánico y entre partes rotativas y sellos. Existen espacios efectivos y otras medidas para resolver estos problemas. Con el fin de resolver el problema desde la causa raíz, hemos comenzado a explorar el uso de nuevas superaleaciones de baja expansión para mejorar la eficiencia del motor y aleaciones de Incoloy903 de bajo cromo para el desarrollo de carcasas y cubiertas de compresores, y más tarde se desarrolló la aleación Incoloy907 con adición de niobio y contenido reducido de aluminio, y la aleación Incoloy909 con adición de silicio. Aunque esta última mejora la durabilidad y plasticidad, su resistencia a la oxidación a alta temperatura es deficiente, requiriendo un recubrimiento a alta temperatura, y hay concentración de estrés que acelerará la propagación de grietas en los límites de grano y otros problemas. Para ello, se desarrolló la aleación Inconel 783 (28.5A13Cr34Co.3Nb5.4A10.1Ti) con alto contenido de cobalto. La aleación tiene resistencia a la oxidación y resistencia al crecimiento de grietas en los límites de grano por estrés. Puede ser utilizada a temperaturas inferiores a 700 °C sin recubrimiento. Su durabilidad por estrés es mejor que la de la aleación Incoloy 909, y también tiene cierta baja expansión. Es el principal objeto de investigación de los materiales aeroespaciales del futuro.

Inconel718SPF--Aleación a base de níquel formable superplásticamente, la composición de la aleación es la misma que la aleación estándar (AMS5596) Inconel718, que contiene 50%Ni, 17%Cr, 0.6%A1, 1%Ti, 30%Mo, 5%Nb, el resto es Fe. Pero la aleación también tiene su propio estándar AMS5950. La principal diferencia es que se requiere la mejor deformación térmica para obtener un tamaño de grano fino. En comparación con la aleación Inconel 718 ordinaria, la aleación Inconel 718SPF formable superplásticamente de grano fino tiene un aumento de 100 veces en la vida de fatiga. Además, es más fácil fabricar componentes con formas complejas, alta resistencia específica a alta temperatura y bajos costos de fabricación al hacer pleno uso de la tecnología de moldeo superplástico. Porque la tecnología de formación superplástica original se utilizó principalmente para aleaciones de aluminio y titanio. La aleación de formación superplástica Inconel 718SPF representa el último avance en la tecnología de formación superplástica de materiales.

Aleaciones de baja expansión (Nilo) para herramientas compuestas. Recientemente, a medida que los materiales de la piel de los aviones han pasado de aluminio a materiales de resina termoestable y termoplástica reforzados con carbono, las características de expansión de los materiales de herramientas utilizados para mecanizar tales componentes compuestos persisten durante todo el curado del compuesto. El rango de temperatura debe ser similar al material que se está procesando. Por supuesto, se pueden utilizar materiales compuestos para hacer moldes, pero su vida útil es corta y el costo es alto, lo que no es propicio para la producción en masa. Por lo tanto, las características de baja expansión de la aleación Nilo "efecto Invar" pueden satisfacer este requisito. Desde 1985, la empresa SMC ha producido muchas aleaciones de Ni-Fe Invar, como las aleaciones Nilo36 y Nilo42, cuando estas aleaciones no se utilizan en herramientas compuestas. Las aleaciones Nilo ahora se producen en placas anchas y gruesas, perfiles extruidos y barras cuadradas para hacer herramientas compuestas. Las aleaciones Nilo se mecanizan fácilmente en herramientas compuestas con formas más complejas, la resistencia de rendimiento es de 276MPa, el módulo elástico de tracción es de 138GPa, la elongación puede alcanzar el 50%, y la tasa de endurecimiento por trabajo es baja, el rebote elástico es pequeño, y la aleación Nilo36 es fácil de formar mediante procesamiento en frío y caliente. Anteriormente, la aleación Nilo se utilizó para el procesamiento de materiales compuestos. Una de las principales razones para la limitación de herramientas es el problema de soldadura. Ahora SMC ha desarrollado aleaciones de relleno CF36 y CF42 para soldadura, que son aleaciones modificadas mediante la adición de Nb-C, y sus composiciones son CF36:0.2C, 0.4Mn, 36Ni respectivamente, 1.5Nb, y el resto es Fe; CF42: 0.2C, 0.4Mn, 41.5Ni, 1.5Nb, y el resto es Fe. Estas dos aleaciones se utilizan para soldar las aleaciones Nilo36 y Nilo42, respectivamente. La junta soldada tiene el mismo coeficiente de expansión que el material base, para obtener soldaduras de alta calidad y sin grietas. Después de que la aleación sólida de Ni-Fe se convierte en herramientas y se suelda, debe ser recocida a 760 °C durante 2 horas, y luego enfriada en horno o al aire para aliviar el estrés.

Recientemente, la empresa estadounidense SMC ha desarrollado la aleación Nilo365 con mejor rigidez y mayor dureza, que puede ser fabricada en herramientas de mecanizado con una vida útil más larga. La composición de la aleación es similar a la de la aleación Nilo36, pero se añaden Nb y Ni (el resto de 43.5Ni3.3Nb1.4Ti0.2Co es Fe).

En conclusión, en términos de discos de motor, SMC continúa desarrollando e investigando aleaciones de baja expansión para fundiciones de motores de acuerdo con los requisitos de los fabricantes de motores, y proporcionar a los fabricantes aleaciones más nuevas que puedan ser superplasticadas. En términos de procesamiento y fabricación de compuestos, SMC continúa desarrollando, investigando y suministrando aleaciones para herramientas de mecanizado. Las aleaciones a base de níquel han desempeñado un papel extremadamente importante en la industria de la aviación desde los motores de aviones en 1940 hasta las estructuras compuestas de aviones de hoy.

La empresa cuenta con equipos avanzados de fundición especial, colado, trefilado, deshidrogenación y otros equipos de cadena de producción completa, y puede producir de forma independiente aleaciones resistentes a la corrosión (alambre de níquel puro N4, N6, Monel Monel400, 500), aleación de calefacción de bajo resistencia de cobre-níquel (NC003- NC050), alambre de compensación para termopares (K, N, E, T, J), materiales de aleación especial de alto rendimiento como aleaciones de alta temperatura, aleaciones de precisión, aleaciones de almacenamiento de hidrógeno, etc. Alambre, materiales planos, trenzados, de barra, de bobina, etc. Desde la adquisición de materias primas en la parte superior hasta la prueba de propiedades físicas de los productos terminados en la parte inferior, hasta el seguimiento de la calidad del producto final, la calidad del producto se monitorea de manera integral.