Nimonic 115
Introducción a Nimonic 115
Nimonic 115 es una superaleación de níquel-cromo-cobalto de alta resistencia desarrollada para aplicaciones de temperatura extrema, especialmente en los sectores aeroespacial y de generación de energía. Diseñada para mantener la integridad estructural hasta 1050°C, esta aleación se caracteriza por su alto contenido de gamma-prima (γ′) y su excelente resistencia a la fluencia. Se utiliza ampliamente en álabes de turbina, álabes guía de tobera y componentes de disco, donde la carga térmica y mecánica a largo plazo es crítica.
Debido a sus aplicaciones exigentes, los componentes de Nimonic 115 suelen fabricarse mediante servicios de mecanizado CNC para garantizar tolerancias estrechas y repetibilidad. El mecanizado CNC permite el conformado de precisión de geometrías complejas en este material difícil de mecanizar, aportando el control dimensional requerido para conjuntos críticos de alto rendimiento.
Propiedades químicas, físicas y mecánicas de Nimonic 115
Nimonic 115 (UNS N19115 / W.Nr. 2.4639) es una superaleación endurecida por precipitación, colada al vacío, desarrollada para ofrecer resistencia a largo plazo y resistencia a la oxidación bajo servicio continuo en entornos de alta temperatura.
Composición química (típica)
Elemento | Rango de composición (en % peso) | Función clave |
|---|---|---|
Níquel (Ni) | Balance (≥50.0) | Estabilidad de la matriz y resistencia a la corrosión |
Cromo (Cr) | 14.0–16.0 | Mejora la resistencia a la oxidación y a la corrosión |
Cobalto (Co) | 14.0–16.0 | Aumenta la resistencia y la resistencia a la fatiga térmica |
Molibdeno (Mo) | 3.0–5.0 | Refuerzo a la fluencia mediante endurecimiento por solución sólida |
Aluminio (Al) | 5.0–6.0 | Forma la fase γ′ Ni₃Al para aumentar la resistencia a alta temperatura |
Titanio (Ti) | 1.0–2.0 | Contribuye a la formación de γ′ para el endurecimiento por precipitación |
Carbono (C) | ≤0.15 | La precipitación de carburos mejora la resistencia a la fluencia y a la rotura |
Boro (B) | ≤0.015 | Refuerzo de los límites de grano |
Circonio (Zr) | ≤0.15 | Aumenta la vida a rotura por fluencia |
Hierro (Fe) | ≤1.0 | Elemento residual |
Manganeso (Mn) | ≤1.0 | Mejora la trabajabilidad en caliente |
Silicio (Si) | ≤1.0 | Ayuda a la oxidación |
Propiedades físicas
Propiedad | Valor (típico) | Norma/condición de ensayo |
|---|---|---|
Densidad | 8.40 g/cm³ | ASTM B311 |
Rango de fusión | 1335–1385°C | ASTM E1268 |
Conductividad térmica | 11.5 W/m·K a 100°C | ASTM E1225 |
Resistividad eléctrica | 1.12 µΩ·m a 20°C | ASTM B193 |
Expansión térmica | 13.3 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Capacidad calorífica específica | 440 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 | 1180–1350 MPa | ASTM E8/E8M |
Límite elástico (0.2%) | 880–960 MPa | ASTM E8/E8M |
Elongación | ≥15% | ASTM E8/E8M |
Dureza | 280–310 HB | ASTM E10 |
Resistencia a rotura por fluencia | 240 MPa a 950°C (1000 h) | ASTM E139 |
Resistencia a la fatiga | Excelente | ASTM E466 |
Características clave de Nimonic 115
Alta resistencia a temperaturas extremas Ofrece una resistencia a la tracción superior a 1180 MPa y un límite elástico por encima de 880 MPa a temperaturas que alcanzan 950°C.
Refuerzo por gamma-prima La alta fracción volumétrica de fase γ′ proporciona excelente retención de resistencia y resistencia a la degradación térmica con el tiempo.
Resistencia superior a la oxidación Las adiciones de cromo y aluminio forman una capa de óxido estable que evita la degradación superficial hasta 1050°C.
Rendimiento en fluencia y fatiga La resistencia a rotura por fluencia de 240 MPa a 950°C durante 1000 horas garantiza fiabilidad de larga vida en piezas rotativas de turbina.
Estabilidad dimensional bajo ciclos térmicos Con un coeficiente de expansión térmica de 13.3 µm/m·°C, resiste el alabeo y la deformación en entornos de calor cíclico.
Retos y soluciones de mecanizado CNC para Nimonic 115
Retos de mecanizado
Degradación rápida de la herramienta
La combinación de alta dureza y partículas de fase γ′ provoca un desgaste acelerado de herramientas convencionales.
Baja conductividad térmica
Retiene el calor en la zona de corte, elevando la temperatura del filo y el riesgo de inexactitud dimensional.
Endurecimiento por deformación
Requiere un compromiso constante y herramientas afiladas para evitar la formación de capas endurecidas.
Estrategias de mecanizado optimizadas
Selección de herramientas
Parámetro | Recomendación | Justificación |
|---|---|---|
Material de la herramienta | Carburo (K30), plaquitas cerámicas para acabado | Mantiene la dureza a altas temperaturas |
Recubrimiento | AlCrN o TiSiN PVD (3–5 µm) | Protección térmica y reducción del desgaste |
Geometría | Ángulo positivo (6–10°), filo biselado (~0.05 mm) | Controla fuerzas y acabado superficial |
Parámetros de corte (conformes a ISO 3685)
Operación | Velocidad (m/min) | Avance (mm/rev) | Profundidad de corte (mm) | Presión de refrigerante (bar) |
|---|---|---|---|---|
Desbaste | 10–15 | 0.15–0.25 | 1.5–2.5 | 100–120 |
Acabado | 25–35 | 0.05–0.10 | 0.3–0.8 | 120–150 |
Tratamientos superficiales para piezas de Nimonic 115 mecanizadas
Prensado isostático en caliente (HIP)
HIP reduce la porosidad interna y aumenta la resistencia a la fatiga en más de un 25%, especialmente en componentes rotativos.
Tratamiento térmico
Tratamiento térmico incluye recocido de solución (~1145°C) seguido de envejecido controlado para maximizar la precipitación de γ′ y lograr resistencia óptima.
Soldadura de superaleaciones
Soldadura de superaleaciones con aportes ERNiCrCoMo garantiza uniones sin grietas, manteniendo ≥90% de las propiedades mecánicas del metal base.
Recubrimiento de barrera térmica (TBC)
Recubrimiento TBC reduce la temperatura del sustrato hasta en 200°C en álabes y paletas guía de turbina.
Mecanizado por descarga eléctrica (EDM)
EDM se utiliza para crear orificios de refrigeración con tolerancias estrechas de ±0.005 mm sin impacto de tensiones térmicas.
Taladrado profundo
Taladrado profundo logra un acabado superficial Ra <1.6 µm y concentricidad dentro de 0.3 mm/m para piezas con L/D >30:1.
Ensayos y análisis de materiales
Ensayos de materiales incluye ensayos de fluencia, tracción, XRD, SEM e inspección ultrasónica conforme a normas ASME y ASTM.
Aplicaciones industriales de componentes de Nimonic 115
Motores de turbina aeroespaciales: Álabes de turbina, discos y hardware de combustión expuestos a calor extremo.
Generación de energía: Paletas guía y elementos de fijación para turbinas de vapor a alta temperatura.
Sistemas nucleares: Componentes expuestos a tensión térmica y radiación.
Motores de competición automotriz: Válvulas de escape, ruedas de turbo y guías de válvula.
Turbinas de gas industriales: Rotores y álabes guía en zonas de combustión con ciclos térmicos.
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