Bueno, si las superaleaciones son tan importantes para la tecnología, ¡deben tener algunas propiedades únicas! ¿Qué es?
Desafortunadamente, la definición de superaleación es un poco fallida aquí. En aras de la simplicidad, cada vez que digo "superaleación" en este artículo, puede suponer que me refiero a "superaleación a base de níquel".
Las superaleaciones a base de níquel tienen una microestructura asombrosa que les da a los materiales excelentes propiedades a altas temperaturas, pero otros sistemas de aleación se llaman "superaleaciones" simplemente porque tienen buenas propiedades a altas temperaturas (sin microestructuras especiales).
Antes de explicar esta microestructura, me gustaría mostrarle un diagrama de la relación entre el límite elástico y la temperatura.
El límite elástico es la medida de resistencia más básica utilizada por los ingenieros (consulte este artículo si desea una explicación más profunda).
Como puede adivinar, a medida que aumenta la temperatura, la intensidad debería disminuir. El calor significa que los átomos vibran más rápido, por lo que es más probable que se escapen el uno del otro. En casi todos los materiales, el aumento de la temperatura reduce la resistencia.
La superaleación a base de níquel es una excepción, como puede ver en el gráfico. A medida que la temperatura aumenta, hay una "joroba" que aumenta la intensidad. Esto se llama resistencia a la fluencia anómala porque la resistencia no es normal.
El límite elástico anormal significa que, en su alto punto de fusión, la superaleación a base de níquel tiene una resistencia mucho mayor que la mayoría de los materiales. Es por eso que son tan buenos a altas temperaturas.
La superaleación a base de níquel tiene un límite elástico anormal debido a su estructura única γ/γ '( números primos γ y γ significativos).
La razón por la cual la microestructura produce este fenómeno es muy complicada y difícil de entender sin los antecedentes de la ciencia de los materiales. Le presentaré una explicación completa en otro artículo. Me siento frustrado, nunca aprendí esto en la universidad, así que si quieres que use las palabras que no conoces ahora, el límite elástico anormal se debe a algunas dislocaciones bloqueadas por deslizamiento cruzado.
Pero suficiente, ¿qué es gamma y gamma?
Gama es la tercera letra del alfabeto griego, γ. Por alguna razón, esto históricamente se ha referido a las letras de la fase de la FCC. γ también se usa para referirse a la austenita en acero (porque la austenita es FCC).
FCC significa "cubo centrado en la cara" y es una de las estructuras cristalinas más comunes y estables. Para comprender cómo es un cristal de FCC, imagine un cubo con un átomo en cada esquina y en cada cara del cubo. FCC es así!
γ 'es un compuesto intermetálico que tiene una estructura L12. Este es un arreglo ordenado de la FCC.
Hay átomos de Ni en la superficie de γ 'y otro átomo en el ángulo. Normalmente, otro átomo es Al.
Veamos una mezcla de 75% Ni, 25% Al para ilustrar la diferencia entre γ y γ '.
γ es una solución alternativa de craqueo catalítico. Como viste antes, Pure Ni será una FCC convencional. Al puede disolverse en Ni. Suponiendo que el aluminio 25% se disuelva en níquel, obtendrá algo como la imagen de la izquierda. Una cuarta parte de los átomos de Ni serán reemplazados aleatoriamente por Al (le sugiero que lea este artículo si no está seguro de cómo calculé los átomos para determinar si una cuarta parte de ellos es Al).
En γ', la estructura está ordenada. Los átomos de Al siempre se sientan en la esquina, mientras que Ni se sienta en la cara. γ' también puede tener un reemplazo: no hay reglas para evitar que Ni vaya a la esquina, pero la imagen de la derecha muestra el estado preferido. Si los átomos tienden a estar dispuestos de esta manera, la fase es L12. Si no hay preferencia, la fase es solo FCC.
Si no explica la dislocación, es difícil explicar demasiado sobre γ ', pero haré todo lo posible. La combinación de γ y γ 'es excelente porque γ es resistente y combina γ 'duro. Debido a la fase de precipitación/relación matriz, la aleación se beneficia de la resistencia y la tenacidad.
Este refuerzo se llama fortalecimiento de la precipitación y es común en la mayoría de las aleaciones avanzadas.
Además, γ 'es especial porque es relevante.
Los resultados muestran que la distancia entre los átomos en Ni y Ni3Al no es grande. Ni3Al puede ser 1% más pequeño que el resto de la red γ. Como resultado, la interfaz entre γ 'y γ está conectada. Este no es el caso (más común) en la precipitación incoherente.
Si imaginas que una fila de átomos necesita deslizarse sobre otra fila, la interfaz entre γ y γ 'permite que esto sea posible. Esta es la razón por la cual la precipitación γ 'es más dura que la mayoría de los otros tipos de precipitación. Debido a la existencia de una tensión reticular, no es fácil que los átomos se deslicen entre sí, pero esto es posible.
Para los precipitados incoherentes, la diferencia entre la matriz y los precipitados es abrupta. No hay forma de empujar una fila de átomos en la matriz porque no están conectados a la precipitación. Si hay suficiente fuerza para empujar una fila de átomos, el material puede agrietarse.
Además del fortalecimiento de la precipitación de superaleación, pero también se beneficia del fortalecimiento de la solución. Este refuerzo existe en todas las aleaciones, pero es particularmente notable en las superaleaciones, ya que estas aleaciones están tan desarrolladas que una superaleación comercial puede contener más de una docena de elementos.
