Nimonic 80A
Introducción a Nimonic 80A
Nimonic 80A es una aleación níquel-cromo endurecida por precipitación, reforzada con titanio y aluminio, diseñada para su uso en entornos de alta temperatura donde la resistencia mecánica excepcional, la resistencia a la fluencia y la resistencia a la oxidación son críticas. Ofrece una mayor resistencia a altas temperaturas que Nimonic 75 y mantiene la integridad estructural en servicio continuo hasta 815°C y en exposición intermitente por encima de 1000°C.
Su excelente resistencia a la fatiga térmica y a la corrosión la convierte en un material preferido para turbinas aeroespaciales, válvulas nucleares, resortes de alta presión y componentes de turbocompresores automotrices. Los componentes fabricados en Nimonic 80A se producen con frecuencia mediante forja o fundición y se acaban con alta precisión mediante mecanizado CNC para aplicaciones críticas de alto rendimiento con tolerancias estrechas.
Propiedades químicas, físicas y mecánicas de Nimonic 80A
Nimonic 80A (UNS N07080 / W.Nr. 2.4952 / ASTM B637, B408) es una aleación reforzada por gamma-prima (γ') diseñada para alta resistencia a temperatura, resistencia a la oxidación y fiabilidad estructural en entornos propensos a la fluencia y la fatiga.
Composición química (típica)
Elemento | Rango de composición (en % peso) | Función clave |
|---|---|---|
Níquel (Ni) | Balance (≥69.0) | Matriz que aporta resistencia a la oxidación y resistencia térmica |
Cromo (Cr) | 18.0–21.0 | Forma una capa protectora de óxido; mejora la resistencia a la corrosión |
Titanio (Ti) | 1.8–2.7 | Endurecimiento por precipitación mediante la formación de γ'-Ni₃(Al,Ti) |
Aluminio (Al) | 1.0–1.8 | Refuerza la aleación mediante la fase gamma-prima |
Hierro (Fe) | ≤3.0 | Elemento residual |
Carbono (C) | ≤0.10 | Controla la precipitación de carburos y el comportamiento a fluencia |
Manganeso (Mn) | ≤1.0 | Mejora la trabajabilidad en caliente |
Silicio (Si) | ≤1.0 | Mejora la resistencia a la oxidación y las propiedades de fundición |
Cobre (Cu) | ≤0.2 | Se limita para minimizar la fragilidad en caliente |
Azufre (S) | ≤0.015 | Se controla para reducir el agrietamiento en caliente durante la soldadura |
Propiedades físicas
Propiedad | Valor (típico) | Norma/condición de ensayo |
|---|---|---|
Densidad | 8.19 g/cm³ | ASTM B311 |
Rango de fusión | 1320–1380°C | ASTM E1268 |
Conductividad térmica | 11.4 W/m·K a 100°C | ASTM E1225 |
Resistividad eléctrica | 1.08 µΩ·m a 20°C | ASTM B193 |
Expansión térmica | 13.3 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Capacidad calorífica específica | 435 J/kg·K a 20°C | ASTM E1269 |
Módulo elástico | 200 GPa a 20°C | ASTM E111 |
Propiedades mecánicas (tratamiento de solución + envejecido)
Propiedad | Valor (típico) | Norma de ensayo |
|---|---|---|
Resistencia a la tracción | 965–1080 MPa | ASTM E8/E8M |
Límite elástico (0.2%) | 690–760 MPa | ASTM E8/E8M |
Elongación | ≥20% | ASTM E8/E8M |
Dureza | 200–230 HB | ASTM E10 |
Resistencia a rotura por fluencia | 180 MPa a 750°C (1000 h) | ASTM E139 |
Resistencia a la fatiga | Excelente | ASTM E466 |
Características clave de Nimonic 80A
Resistencia a altas temperaturas: La precipitación de la fase Ni₃(Al,Ti) permite alta resistencia a tracción y a fluencia hasta 815°C en servicio continuo.
Resistencia a la oxidación: Conserva las propiedades mecánicas en entornos oxidantes, incluso con exposición intermitente por encima de 1000°C.
Excelente resistencia a la fatiga y al choque térmico: Adecuada para aplicaciones de turbinas y resortes bajo esfuerzos térmicos y mecánicos cíclicos.
Vida mejorada a fluencia y rotura: Particularmente adecuada para pernos, guías de válvulas y piezas de sellado a presión en turbinas y reactores.
Retos y soluciones de mecanizado CNC para Nimonic 80A
Retos de mecanizado
Endurecimiento por deformación
La estructura endurecida por precipitación incrementa rápidamente la dureza superficial, causando desgaste prematuro de la herramienta y posibles problemas de tolerancia.
Vida útil reducida de la herramienta
La alta resistencia a temperatura y la abrasión de fases intermetálicas como γ'-Ni₃(Al,Ti) provocan desgaste de flanco y formación de cráteres en herramientas de carburo.
Generación de calor
La conductividad térmica limitada conduce a una mala disipación del calor, aumentando la probabilidad de fisuración térmica y deformación del filo.
Estrategias de mecanizado optimizadas
Selección de herramientas
Parámetro | Recomendación | Justificación |
|---|---|---|
Material de la herramienta | Carburo de grano fino (K20–K30) o CBN para acabado | Alta resistencia al desgaste bajo tensión térmica |
Recubrimiento | AlTiN o TiSiN (PVD de 3–5 µm) | Mejora la vida de la herramienta al resistir la oxidación y la adhesión |
Geometría | Ángulo positivo, filo de corte afilado, bisel de 0.05 mm | Reduce las fuerzas de corte y evita el astillado del filo |
Parámetros de corte (conformes a ISO 3685)
Operación | Velocidad (m/min) | Avance (mm/rev) | Profundidad de corte (mm) | Presión de refrigerante (bar) |
|---|---|---|---|---|
Desbaste | 12–20 | 0.15–0.20 | 1.5–2.5 | 100–120 |
Acabado | 30–45 | 0.05–0.10 | 0.2–1.0 | 120–150 |
Tratamientos superficiales para piezas de Nimonic 80A mecanizadas
Prensado isostático en caliente (HIP)
HIP mejora la vida a fatiga y la estabilidad dimensional al eliminar la porosidad interna en componentes fundidos o de fabricación aditiva (AM).
Tratamiento térmico
Tratamiento térmico estabiliza la fase gamma-prima y optimiza las propiedades mecánicas para condiciones de alta tensión y alta temperatura.
Soldadura de superaleaciones
Soldadura de superaleaciones utilizando material de aporte equivalente garantiza la integridad en uniones confinadas por presión o en ensamblajes.
Recubrimiento de barrera térmica (TBC)
Recubrimiento TBC proporciona protección para piezas de turbina y escape que operan por encima de 900°C.
Mecanizado por descarga eléctrica (EDM)
EDM logra tolerancias inferiores a 10 µm en superficies tratadas térmicamente sin introducir tensiones residuales.
Taladrado profundo
Taladrado profundo para fabricar características internas en pernos, resortes y líneas de combustible con L/D > 20:1.
Ensayos y análisis de materiales
Ensayos de materiales incluyen ensayos de tracción, vida a fluencia, validación de microestructura e inspección ultrasónica o por líquidos penetrantes.
Aplicaciones industriales de componentes de Nimonic 80A
Sistemas de turbinas aeroespaciales
Álabes de turbina, componentes de combustión, sellos y álabes guía de tobera que operan en entornos con ciclos térmicos.
Nuclear y generación de energía
Husillos de válvulas, barras de control y casquillos guía en reactores que requieren estabilidad mecánica y a la fluencia a largo plazo.
Sistemas de turbocompresor automotriz
Resortes, soportes y carcasas sometidos a cargas térmicas y mecánicas fluctuantes.
Hornos industriales y tratamiento térmico
Retortas, colgadores y parrillas expuestos a atmósferas oxidantes o carburantes hasta 1000°C.
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