Nimonic 105
Introducción a Nimonic 105
Nimonic 105 es una superaleación a base de níquel conocida por su excepcional resistencia a altas temperaturas, resistencia a la fatiga y estabilidad estructural bajo condiciones de operación extremas. Se refuerza mediante una alta fracción volumétrica de precipitados gamma-prima (γ′) y elementos de endurecimiento por solución sólida como el cobalto y el molibdeno. Esta aleación funciona de manera fiable a temperaturas de hasta 1050°C, lo que la hace ideal para discos de turbinas de gas, componentes de motores a reacción y elementos de fijación expuestos a tensiones térmicas de largo plazo.
Nimonic 105 suele procesarse mediante servicios de mecanizado CNC para lograr las tolerancias estrechas requeridas en sistemas aeroespaciales y energéticos. El mecanizado CNC ofrece la precisión y repetibilidad necesarias para fabricar geometrías complejas y piezas críticas a partir de este material de alta resistencia.
Propiedades químicas, físicas y mecánicas de Nimonic 105
Nimonic 105 (UNS N13021 / W.Nr. 2.4634 / BS HR6) es una aleación de níquel de alta resistencia endurecida por precipitación, utilizada ampliamente para piezas rotativas de alta carga a temperaturas elevadas.
Composición química (típica)
Elemento | Rango de composición (en % peso) | Función clave |
|---|---|---|
Níquel (Ni) | Balance (≥50.0) | Proporciona resistencia a la corrosión y estabilidad de la matriz |
Cobalto (Co) | 19.0–21.0 | Mejora la resistencia y la vida a fatiga |
Cromo (Cr) | 14.0–16.0 | Proporciona resistencia a la oxidación hasta 1050°C |
Molibdeno (Mo) | 4.5–5.5 | Endurecimiento por solución sólida y resistencia a la fluencia |
Titanio (Ti) | 1.0–1.5 | Refuerzo por precipitación de γ′ |
Aluminio (Al) | 4.5–5.5 | Formación de fase γ′, mejora la resistencia a alta temperatura |
Carbono (C) | ≤0.12 | Forma carburos para resistir la fluencia |
Hierro (Fe) | ≤1.0 | Elemento residual |
Manganeso (Mn) | ≤1.0 | Mejora la trabajabilidad en caliente |
Silicio (Si) | ≤1.0 | Apoya la resistencia a la oxidación |
Boro (B) | ≤0.01 | Mejora la cohesión en los límites de grano |
Circonio (Zr) | ≤0.15 | Refina los límites de grano y aumenta la resistencia a la fluencia |
Propiedades físicas
Propiedad | Valor (típico) | Norma/condición de ensayo |
|---|---|---|
Densidad | 8.25 g/cm³ | ASTM B311 |
Rango de fusión | 1335–1380°C | ASTM E1268 |
Conductividad térmica | 11.8 W/m·K a 100°C | ASTM E1225 |
Resistividad eléctrica | 1.10 µΩ·m a 20°C | ASTM B193 |
Expansión térmica | 13.2 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Capacidad calorífica específica | 435 J/kg·K a 20°C | ASTM E1269 |
Módulo elástico | 210 GPa a 20°C | ASTM E111 |
Propiedades mecánicas (tratamiento de solución + envejecido)
Propiedad | Valor (típico) | Norma de ensayo |
|---|---|---|
Resistencia a la tracción | 1100–1300 MPa | ASTM E8/E8M |
Límite elástico (0.2%) | 850–960 MPa | ASTM E8/E8M |
Elongación | ≥15% | ASTM E8/E8M |
Dureza | 260–290 HB | ASTM E10 |
Resistencia a rotura por fluencia | 230 MPa a 950°C (1000 h) | ASTM E139 |
Resistencia a la fatiga | Excelente | ASTM E466 |
Características clave de Nimonic 105
Resistencia excepcional a altas temperaturas Mantiene una resistencia a la tracción por encima de 1100 MPa y un límite elástico superior a 850 MPa a temperaturas de servicio de hasta 950°C.
Resistencia a la fluencia y a la fatiga La resistencia a rotura por fluencia supera 230 MPa a 950°C durante 1000 horas, garantizando estabilidad prolongada bajo carga térmica y mecánica.
Refuerzo por gamma-prima Una alta fracción volumétrica de fase γ′ Ni₃(Al,Ti) mejora la retención de resistencia a temperaturas elevadas y resiste la degradación microestructural.
Resistencia a la oxidación La capa protectora de óxido Cr₂O₃ permite resistencia a largo plazo frente a la oxidación y la formación de cascarilla en entornos de turbina hasta 1050°C.
Estabilidad dimensional Un bajo coeficiente de expansión térmica (13.2 µm/m·°C) minimiza la distorsión térmica durante el calentamiento cíclico.
Retos y soluciones de mecanizado CNC para Nimonic 105
Retos de mecanizado
Desgaste y rotura de la herramienta
Los precipitados γ′ y las fases ricas en Mo provocan un intenso desgaste de flanco y formación de cráteres en herramientas sin recubrimiento.
Retención de calor
La baja conductividad térmica da lugar a temperaturas elevadas en la herramienta y a fallos rápidos del filo bajo un corte agresivo.
Endurecimiento por deformación
La dureza superficial aumenta de manera significativa durante el mecanizado, complicando las operaciones de acabado en múltiples pasadas.
Estrategias de mecanizado optimizadas
Selección de herramientas
Parámetro | Recomendación | Justificación |
|---|---|---|
Material de la herramienta | Carburo (K20-K30), cerámica o CBN para acabado | Alta dureza en caliente y tenacidad |
Recubrimiento | TiAlN o AlCrN (3–5 µm) | Reduce el desgaste y la penetración de calor |
Geometría | Ángulo positivo (6–8°), filo biselado (~0.05 mm) | Controla la carga de viruta y la deflexión |
Parámetros de corte (conformes a ISO 3685)
Operación | Velocidad (m/min) | Avance (mm/rev) | Profundidad de corte (mm) | Presión de refrigerante (bar) |
|---|---|---|---|---|
Desbaste | 12–18 | 0.15–0.25 | 2.0–3.0 | 100–120 |
Acabado | 25–35 | 0.05–0.10 | 0.5–1.0 | 120–150 |
Tratamientos superficiales para piezas de Nimonic 105 mecanizadas
Prensado isostático en caliente (HIP)
HIP elimina la porosidad y mejora la vida a fatiga en >20%, especialmente crítico para discos de turbina y piezas de cámara de combustión.
Tratamiento térmico
Tratamiento térmico implica recocido de solución a ~1140°C seguido de envejecido a 850°C para promover una precipitación óptima de γ′.
Soldadura de superaleaciones
Soldadura de superaleaciones con metal de aporte ERNiCrCoMo-1 proporciona uniones con >90% de la resistencia del metal base y una microsegregación mínima.
Recubrimiento de barrera térmica (TBC)
Recubrimiento TBC aplica una capa de YSZ de 100–300 µm para reducir la absorción de calor en perfiles aerodinámicos de turbina.
Mecanizado por descarga eléctrica (EDM)
EDM permite una resolución de microcaracterísticas de hasta ±0.005 mm sin dañar térmicamente zonas endurecidas.
Taladrado profundo
Taladrado profundo logra L/D >30:1 con desviación de concentricidad <0.3 mm/m para pasajes de refrigeración y líneas de combustible.
Ensayos y análisis de materiales
Ensayos de materiales incluye ensayos de rotura por fluencia a 950°C, validación microestructural por SEM y detección ultrasónica de discontinuidades para asegurar componentes críticos libres de defectos.
Aplicaciones industriales de componentes de Nimonic 105
Motores de turbina aeroespaciales: Discos de turbina, toberas de escape y raíces de álabes en sistemas de propulsión a reacción.
Generación de energía: Ejes de turbina, pernos y sellos para ciclos de vapor de alta temperatura.
Reactores nucleares: Sistemas de fijación resistentes a radiación y alta presión, y soportes estructurales.
Rendimiento automotriz: Componentes de turbocompresor, escudos térmicos y asientos de válvula de motor.
Turbinas de gas industriales: Componentes rotativos de alta velocidad expuestos a ciclos térmicos y vibración.
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