Inconel

El Inconel ( / ˈ ɪ n k ən əl / IN -co-nel ) es una superaleación compuesta principalmente de níquel , cromo y hierro que se utiliza a menudo en entornos extremos donde los componentes están sometidos a altas temperaturas, presiones o cargas mecánicas . Las aleaciones de Inconel son resistentes a la oxidación y la corrosión . Al calentarse, el Inconel forma una capa de óxido pasivante gruesa y estable que protege la superficie de un ataque posterior. El Inconel conserva su resistencia en un amplio rango de temperaturas, lo que lo hace atractivo para aplicaciones de alta temperatura en las que el aluminio y el acero sucumbirían a la fluencia como resultado de las vacantes cristalinas inducidas térmicamente. La resistencia a altas temperaturas del Inconel se desarrolla mediante el endurecimiento por solución sólida o el endurecimiento por precipitación , según la aleación. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

El Inconel fue descubierto a principios de la década de 1930 por científicos de la International Nickel Company (más tarde Inco Limited ). Algunos nombres comerciales comunes para diversas aleaciones de Inconel son:

• Aleación 625: Inconel 625 , Chronin 625, Altemp 625, Sanicro 625, Haynes 625, Nickelvac 625, Nicrofer 6020 y designación UNS N06625. ^{[ 3 ]}
• Aleación 600: NA14, BS3076, 2.4816, NiCr15Fe (FR), NiCr15Fe (EU), NiCr15Fe8 (DE) y designación UNS N06600.
• Aleación 718: Nicrofer 5219, Superimphy 718, Haynes 718, Pyromet 718, Supermet 718, Udimet 718 y designación UNS N07718. ^{[ 4 ]}

La familia de aleaciones Inconel se desarrolló por primera vez antes de diciembre de 1932, cuando su marca comercial fue registrada por la International Nickel Company de Delaware y Nueva York. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Un uso temprano significativo se encontró en apoyo del desarrollo del motor a reacción Whittle , ^{[ 7 ]} durante la década de 1940 por equipos de investigación de Henry Wiggin & Co de Hereford, Inglaterra, una subsidiaria de la Mond Nickel Company , ^{[ 8 ]} que se fusionó con Inco en 1928. La Hereford Works y sus propiedades, incluida la marca comercial Inconel, fueron adquiridas en 1998 por Special Metals Corporation . ^{[ 9 ]}

Las aleaciones de Inconel varían mucho en su composición, pero todas son predominantemente de níquel, con el cromo como segundo elemento.

Al calentarse, el Inconel forma una capa de óxido pasivante gruesa y estable que protege la superficie de un ataque posterior. El Inconel conserva su resistencia en un amplio rango de temperaturas, lo que resulta atractivo para aplicaciones de alta temperatura donde el aluminio y el acero sucumbirían a la fluencia como resultado de vacantes cristalinas inducidas térmicamente (véase la ecuación de Arrhenius ). La resistencia a altas temperaturas del Inconel se desarrolla mediante el endurecimiento por solución sólida o el endurecimiento por precipitación , según la aleación. En las variedades de endurecimiento por envejecimiento o por precipitación, pequeñas cantidades de niobio se combinan con níquel para formar el compuesto intermetálico _Ni₃Nb o gamma doble prima (γ″). La gamma prima forma pequeños cristales cúbicos que inhiben el deslizamiento y la fluencia de manera efectiva a temperaturas elevadas. La formación de cristales de gamma prima aumenta con el tiempo, especialmente después de tres horas de exposición a un calor de 850 °C (1560 °F) , y continúa creciendo después de 72 horas de exposición. ^{[ 23 ]}  

Los mecanismos de endurecimiento más frecuentes para las aleaciones de Inconel son el endurecimiento por precipitación y el endurecimiento por solución sólida . En las aleaciones de Inconel, uno de los dos suele predominar. Para aleaciones como Inconel 718, el endurecimiento por precipitación es el principal mecanismo de endurecimiento. La mayor parte del endurecimiento proviene de la presencia de precipitados gamma doble prima (γ″). ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} Las aleaciones de Inconel tienen una fase de matriz γ con una estructura cúbica centrada en las caras ( fcc ). ^{[ 26 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} Los precipitados γ″ están hechos de Ni y Nb, específicamente con una composición Ni ₃ Nb . Estos precipitados son partículas intermetálicas finas, coherentes, en forma de disco con una estructura tetragonal. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} Esta fase será la más importante para estabilizar, por lo que las aleaciones de Inconel se fortalecen limitando el crecimiento de los precipitados γ″ y limitando la transición de fase γ″ a delta (δ).

El fortalecimiento secundario por precipitación proviene de precipitados gamma prima (γ'). La fase γ' puede aparecer en múltiples composiciones como Ni ₃ (Al, Ti) . ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} La fase precipitada es coherente y tiene una estructura fcc , como la matriz γ; ^{[ 34 ] [ 28 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} La fase γ' es mucho menos frecuente que γ″. La fracción de volumen de las fases γ″ y γ' es aproximadamente 15% y 4% después de la precipitación, respectivamente. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Debido a la coherencia entre la matriz γ y los precipitados γ' y γ″, existen campos de deformación que obstruyen el movimiento de dislocaciones. La prevalencia de carburos con composiciones MX(Nb, Ti)(C, N) también ayuda a fortalecer el material. ^{[ 26 ]} Para el fortalecimiento de precipitados, elementos como el niobio, el titanio y el tantalio desempeñan un papel crucial. ^{[ 35 ]}

Debido a que la fase γ″ es metaestable , el sobreenvejecimiento puede resultar en la transformación de precipitados de fase γ″ en precipitados de fase δ, sus contrapartes estables. ^{[ 26 ] [ 28 ]} La fase δ tiene una estructura ortorrómbica , una composición Ni ₃ (Nb, Mo, Ti) y es incoherente. ^{[ 36 ] [ 30 ]} Como resultado, la transformación de γ″ a δ en aleaciones de Inconel conduce a la pérdida de fortalecimiento por coherencia, lo que hace que el material sea más débil. Dicho esto, en cantidades apropiadas, la fase δ es responsable del anclaje y fortalecimiento de los límites de grano. ^{[ 34 ] [ 33 ] [ 30 ]} La composición de las aleaciones de Inconel se ajusta para maximizar la estabilidad de esta fase γ″ metaestable y para ralentizar esta transición. Esto da como resultado un rango estrecho de Nb, Al, Ti, en las aleaciones de Inconel. Estos elementos también son propensos a formar otras fases indeseables que se segregan en los límites de grano y agotan la matriz de elementos importantes. ^{[ 37 ]}

Otra fase común en las aleaciones de Inconel es la fase intermetálica de Laves . Sus composiciones son (Ni, Cr, Fe) _x (Nb, Mo, Ti) _y y Ni _y Nb , es frágil y su presencia puede ser perjudicial para el comportamiento mecánico de las aleaciones de Inconel. ^{[ 28 ] [ 34 ] [ 38 ]} Los sitios con grandes cantidades de fase de Laves son propensos a la propagación de grietas debido a su mayor potencial de concentración de tensiones. ^{[ 32 ]} Además, debido a su alto contenido de Nb, Mo y Ti, la fase de Laves puede agotar la matriz de estos elementos, limitando en última instancia la formación de la fase γ″ y resultando en una menor precipitación y un endurecimiento por solución sólida más difícil. ^{[ 33 ] [ 38 ] [ 29 ]}

Durante el envejecimiento, la precipitación de carburo de niobio en la aleación 718 ocurre predominantemente en los límites de grano y progresa desde precipitados aislados hasta capas límite en forma de película a lo largo de los límites de grano a medida que aumentan la temperatura y el tiempo de mantenimiento. El carburo principal del límite de grano es de tipo MC rico en niobio. Los límites que contienen carburos MC a menudo están bordeados por regiones distintas que carecen de precipitados γ″ y, en menor medida, de precipitados γ'. Estas zonas libres de precipitados surgen del agotamiento local de elementos de soluto y vacantes cerca del límite de grano. Alrededor de 700–750 °C (1292–1382 °F) , la fracción de límites cubiertos de carburo crece con el tiempo; a temperaturas más altas, se observa frecuentemente la coprecipitación con la fase δ. La cobertura progresiva del límite por carburos se correlaciona con un cambio en el modo de fractura de transgranular a intergranular , con microfisuras que a menudo se inician en las interfaces matriz-carburo donde las bandas de deformación impactan en el límite. ^{[ 39 ]}  

El comportamiento de precipitación del Inconel 718 está regido por sus características de transformación tiempo-temperatura , que describen cómo evoluciona la microestructura bajo diferentes condiciones de tratamiento térmico. Después del recocido de solución cerca de 1165 °C (2129 °F) , la mayoría de las fases como γ', γ″, δ y Laves se disuelven de nuevo en la matriz γ cúbica centrada en las caras. Luego se utilizan tratamientos de envejecimiento controlado para precipitar selectivamente fases de fortalecimiento o estabilización. El envejecimiento corto a aproximadamente 960 °C (1760 °F) favorece la formación de la fase delta a lo largo de los límites de grano, lo que refina la estructura de grano pero puede reducir el niobio disponible para la precipitación de γ″. Esto no es favorable ya que γ″ es el precipitado principal responsable del fortalecimiento. El envejecimiento posterior a unos 760 °C (1400 °F), seguido de una etapa a menor temperatura cerca de 680 °C (1256 °F), precipita una fina dispersión de partículas coherentes de gamma prima y γ″ en toda la matriz.        

A tiempos más prolongados o temperaturas más altas, la fase metaestable γ″ se transforma gradualmente en δ, y pueden formarse partículas gruesas de Laves ricas en niobio o carburo de niobio en los límites de grano. Estas transformaciones consumen el niobio de la matriz y provocan un sobreenvejecimiento, lo que disminuye la resistencia. El control preciso de la temperatura y el tiempo de mantenimiento durante el envejecimiento en múltiples etapas determina el equilibrio entre el endurecimiento y la estabilidad microestructural en Inconel 718. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

Para aleaciones como Inconel 625 , el endurecimiento por solución sólida es el principal mecanismo de fortalecimiento. En Inconel 625, los niveles elevados de Mo (~9 % en peso) y Cr (~22 % en peso) actúan como fuertes rigidizadores de matriz de solución sólida que mejoran la resistencia a la fluencia y la resistencia a altas temperaturas sin depender de los precipitados de endurecimiento por envejecimiento de superaleaciones convencionales. Nb y Ta también pueden contribuir al fortalecimiento por solución sólida en menor medida. ^{[ 35 ]} En el fortalecimiento por solución sólida, los átomos de Mo se sustituyen en la matriz γ de las aleaciones de Inconel. Debido a que los átomos de Mo tienen un radio significativamente mayor que los de Ni (209 pm y 163 pm, respectivamente), la sustitución crea campos de deformación en la red, que dificultan el movimiento de las dislocaciones, fortaleciendo finalmente el material.

La combinación de la composición elemental y los mecanismos de fortalecimiento es la razón por la cual las aleaciones de Inconel pueden mantener sus propiedades mecánicas y físicas favorables, como alta resistencia y resistencia a la fatiga, a temperaturas elevadas, específicamente aquellas de hasta 650 °C (1202 °F) . ^{[ 24 ]}  

El Inconel es un metal difícil de conformar y mecanizar con técnicas tradicionales de conformado en frío debido a su rápido endurecimiento por deformación . Tras la primera pasada, el endurecimiento por deformación tiende a deformar plásticamente la pieza o la herramienta en las pasadas posteriores. Por este motivo, los Inconel endurecidos por envejecimiento, como el 718, se mecanizan normalmente con un corte agresivo pero lento y una herramienta dura, minimizando así el número de pasadas necesarias. Como alternativa, la mayor parte del mecanizado puede realizarse con la pieza en estado de "solubilización", y solo los pasos finales se llevan a cabo tras el endurecimiento por envejecimiento. Sin embargo, algunos afirman que el Inconel puede mecanizarse con extrema rapidez a velocidades de husillo muy altas utilizando una herramienta cerámica multicanal con un ancho de corte pequeño y altas velocidades de avance, ya que esto provoca un calentamiento y ablandamiento localizados delante de la ranura.

Las roscas externas se mecanizan mediante un torno para obtener roscas de un solo punto o mediante laminación en estado de tratamiento térmico (para aleaciones endurecibles) con una máquina de tornillos . El Inconel 718 también se puede roscar mediante laminación después del envejecimiento completo, aplicando calor por inducción a 700 °C (1290 °F) sin aumentar el tamaño del grano. Los orificios con roscas internas se realizan mediante fresado de roscas. Las roscas internas también se pueden formar mediante mecanizado por descarga eléctrica (EDM) por penetración.  

La soldadura de algunas aleaciones de Inconel (especialmente la familia de aleación gamma prima endurecida por precipitación; por ejemplo, Waspaloy y X-750) puede resultar difícil debido al agrietamiento y la segregación microestructural de los elementos de aleación en la zona afectada por el calor . Sin embargo, se han diseñado varias aleaciones, como la 625 y la 718, para superar estos problemas. Los métodos de soldadura más comunes son la soldadura por arco de tungsteno con gas y la soldadura por haz de electrones . ^{[ 42 ]}

El Inconel se usa a menudo en entornos extremos. Es común en álabes de turbinas de gas , sellos y cámaras de combustión, así como en rotores y sellos de turbocompresores , ejes de motores de bombas sumergibles eléctricas para pozos, sujetadores de alta temperatura, procesamiento químico y recipientes a presión , tubos de intercambiadores de calor , generadores de vapor y componentes centrales en reactores nucleares de agua a presión , ^{[ 43 ]} procesamiento de gas natural con contaminantes como H ₂ S y CO ₂ , deflectores de explosión de supresores de sonido de armas de fuego y sistemas de escape de Fórmula Uno , NASCAR , NHRA y APR, LLC . ^{[ 44 ] [ 45 ]} También se usa en el sistema turbo del Mazda RX-7 de tercera generación y en los sistemas de escape de motores Wankel de alta potencia y motocicletas Norton donde las temperaturas de escape alcanzan más de 1000 °C (1830 °F) . ^{[ 46 ]} El Inconel se usa cada vez más en las calderas de incineradores de residuos . ^{[ 47 ]} Las cámaras de vacío de los tokamaks Joint European Torus y DIII-D están hechas de Inconel. ^{[ 48 ]} El Inconel 718 se usa comúnmente para tanques de almacenamiento criogénico , pozos de fondo de pozo, piezas de cabezales de pozo, ^{[ 49 ]} y en la industria aeroespacial, donde se ha convertido en un material candidato principal para la construcción de turbinas resistentes al calor. ^{[ 50 ]}  

Las aleaciones de Inconel incluyen:

• Inconel 188: Fácil de fabricar para aplicaciones comerciales en turbinas de gas y en la industria aeroespacial.
• Inconel 230: Placas y láminas de aleación 230 utilizadas principalmente en las industrias energética, aeroespacial, de procesamiento químico y de calefacción industrial.
• Inconel 600: En términos de resistencia a altas temperaturas y corrosión, el Inconel 600 sobresale. ^{[ 70 ]}
• Inconel 601
• Inconel 617: Reforzado por solución sólida (níquel-cromo-cobalto-molibdeno), alta resistencia a la temperatura, resistente a la corrosión y la oxidación, alta trabajabilidad y soldabilidad. ^{[ 71 ]} Incorporado en el Código ASME de Calderas y Recipientes a Presión para aplicaciones nucleares de alta temperatura, como reactores de sales fundidas , c. abril de 2020. ^{[ 72 ]}
• Inconel 625 : Resistente a los ácidos, buena soldabilidad. ^{[ 73 ]} La versión LCF se usa típicamente en fuelles . Se usa comúnmente para aplicaciones en las industrias aeronáutica , aeroespacial, naval, química y petroquímica. ^{[ 74 ]} También se usa para componentes de núcleos de reactores y barras de control en reactores de agua a presión y como tubos de intercambiadores de calor en plantas de craqueo de amoníaco para la producción de agua pesada. ^{[ 75 ]}
• Inconel 690: Bajo contenido de cobalto para aplicaciones nucleares y baja resistividad ^{[ 76 ]}
• Inconel 706
• Inconel 713C: Aleación fundida de base níquel-cromo endurecible por precipitación ^{[ 2 ]}
• Inconel 718: Gamma doble prima reforzado con buena soldabilidad ^{[ 77 ]}
• Inconel 738
• Inconel X-750: Se utiliza comúnmente para componentes de turbinas de gas, incluyendo álabes, juntas y rotores.
• Inconel 751: Mayor contenido de aluminio para una mejor resistencia a la rotura en el  rango de 1600 °F ^{[ 78 ]}
• Inconel 792: Mayor contenido de aluminio para mejorar sus propiedades de resistencia a la corrosión a altas temperaturas, utilizado especialmente en turbinas de gas.
• Inconel 907
• Inconel 909
• Inconel 925: El Inconel 925 es un acero inoxidable austenítico no estabilizado con bajo contenido de carbono. ^{[ 79 ]}
• Inconel 939: Reforzado con Gamma Prime para aumentar la soldabilidad.

En las variedades endurecidas por envejecimiento o por precipitación, las adiciones de aleación de aluminio y _titanio se combinan con níquel para formar el compuesto intermetálico Ni₃ (Ti,Al) o gamma prima (γ′). La gamma prima forma pequeños cristales cúbicos que inhiben eficazmente el deslizamiento y la fluencia a temperaturas elevadas.

La fluencia (deformación) , que es la deformación plástica de un material que depende del tiempo y que se produce bajo una carga mecánica constante a alta temperatura, es un factor de diseño fundamental para los componentes de Inconel 718, como los discos de turbinas de gas y las piezas de motores de cohetes.

• Mecanismo de fluencia: En el rango de temperatura operativa de 650 °C a 700 °C, el mecanismo de fluencia dominante se identifica como ascenso de dislocaciones. ^{[ 80 ]} Este proceso implica el movimiento de dislocaciones mediante la difusión de vacantes para sortear precipitados endurecedores, lo que resulta en una deformación continua y lenta.
• Dependencia de la tensión : La velocidad de fluencia en Inconel 718 presenta una relación altamente no lineal con la tensión aplicada, mostrando típicamente un alto valor del exponente de tensión de alrededor de n=36. Este alto exponente indica que el comportamiento de fluencia es extremadamente sensible incluso a pequeños aumentos en la tensión de operación. ^{[ 80 ]}
• Modo de fractura: La falla durante la carga de fluencia depende en gran medida de la temperatura y el tiempo. Si bien la fractura puede ser dúctil a temperaturas altas más bajas, a aproximadamente 675 °C, el modo de falla tiende a cambiar hacia la fractura intergranular .

Los componentes de las turbinas de gas, como las palas y los discos, experimentan ciclos simultáneos de tensión mecánica y temperatura, un fenómeno conocido como fatiga termomecánica (FTM). La FTM suele ser más dañina que la fatiga isotérmica simple, ya que incorpora tanto la deformación por fluencia como los efectos ambientales, como el daño por oxidación.

• Carga TMF : Las pruebas TMF simulan condiciones reales mediante ciclos de temperatura y deformación mecánica en dos modos límite. Las grietas por fatiga se inician desde la superficie independientemente de las condiciones TMF.
  1. TMF en fase (IP): La tensión mecánica máxima se produce al mismo tiempo que la temperatura máxima, mientras que la tensión de compresión máxima se produce a la temperatura mínima.
  2. TMF fuera de fase (OOP): La tensión máxima de tracción se produce a la temperatura mínima, y ​​la tensión máxima de compresión se produce a la temperatura máxima.
• Mecanismo de daño para Inconel 718
  1. El Inconel 718 presenta un comportamiento TMF distinto para las condiciones IP y OOP. Bajo TMF IP, la iniciación y propagación de grietas ocurren principalmente a lo largo de los límites de grano debido a la fase δ y los mayores efectos de la fluencia y la oxidación, lo que resulta en una vida a fatiga más corta. ^{[ 81 ]} En TMF OOP, las grietas crecen principalmente de forma transgranular, impulsadas por la oxidación, lo que generalmente conduce a una vida a fatiga más larga en comparación con las condiciones IP. ^{[ 82 ]} La diferencia en la vida entre los modos IP y OP se vuelve menos pronunciada a amplitudes de deformación más bajas, pero los mecanismos de daño distintos siguen siendo evidentes. ^{[ 81 ] [ 82 ]}
• Impacto de la fabricación aditiva: Investigaciones recientes sobre Inconel 718 producido mediante fabricación aditiva (como la fusión selectiva por láser, SLM) indican que las microestructuras de grano fino resultantes pueden ofrecer un mejor equilibrio entre el rendimiento de fluencia y fatiga, a menudo mediante el control del tamaño de grano. ^{[ 83 ]}

• Hastelloy
• Incoloy
• Monel
• Nicromo
• Nimonic
• Stellite