Modificación de la superficie de aleaciones de temperatura elevada.

Un material de FeCrAl, resistente a la oxidación y al calor, caracterizado porque el material que contiene al menos 1.

5% de aluminio, y el material que comprende al menos uno de, silicio y compuestos que contienen silicio, aplicados sobre su superficie, estando la superficie en estado metálico u oxidado, dando como resultado por ello una capa o región superficial que contiene cantidades de, al menos uno de, silicio y compuestos que contienen silicio, y que tienen un espesor medio de 0, 9 nm a 10 micrómetros.

Modificación de la superficie de aleaciones de temperatura elevada

Campo de la invención

La presente se invención se refiere, de forma general, a la modificación de la superficie de materiales metálicos y de aleaciones que resisten altas temperaturas. En particular, se refiere a aleaciones de FeCrAl que son modificadas por la aplicación de un fluido, en particular una dispersión de sílice, de base acuosa.

Antecedentes de la invención

El aluminio puro, bajo condiciones atmosféricas normales, forma un revestimiento protector que consiste principalmente en óxido de aluminio sobre su superficie, que lo hace muy resistente a la corrosión ordinaria durante, prácticamente, una cantidad ilimitada de tiempo. Las aleaciones que tienen un contenido suficientemente alto de aluminio, tales como las aleaciones de FeCrAl, forman también óxido de aluminio sobre la superficie, con la exposición a altas temperaturas, por ejemplo, a 1000ºC. Sin embargo, tales aleaciones pueden tener una vida limitada, especialmente cuando la aleación está en forma de dimensiones más delgadas, tales como hojas de 50 micrómetros de espesor. Esto es debido a la oxidación que produce desprendimiento de material, y a la oxidación del hierro y del cromo cuando se ha agotado el aluminio en la matriz, debido a la formación de óxido de aluminio. La manera más eficaz de aumentar el tiempo de vida, especialmente de las hojas delgadas, es construir una primera capa protectora de óxido de aluminio.

Los métodos convencionales comunes para incrementar la vida de aleaciones resistentes a altas temperaturas son:

a) alear con metales de las tierras raras para disminuir la tasa de crecimiento del óxido de aluminio; y

b) la introducción de una dispersión de pequeñas inclusiones, por ejemplo de óxidos, carburos o nitruros, en la aleación.

A altas temperaturas, los materiales ferríticos del tipo FeCrAl tienen buenas propiedades frente a la oxidación, pero tienen una resistencia relativamente baja. Se sabe que la resistencia a una alta temperatura, y en particular la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la fluencia se pueden mejorar añadiendo materiales que obstaculicen el deslizamiento de los límites de grano y los movimientos de las dislocaciones en la aleación. Por eso, el deslizamiento de los límites de grano puede ser contrarrestado, por un lado, mediante una reducción de la superficie del límite de grano, es decir aumentando el tamaño de grano y, por otro lado, mediante la introducción de partículas estables que impidan la movilidad de las superficies de los granos que permanecen, siendo el orden de magnitud de estas partículas introducidas, de 50 a 1000 nm. Además, la resistencia a alta temperatura de la aleación se puede aumentar impidiendo los movimientos de las dislocaciones. Las partículas para este fin tendrán preferiblemente un tamaño medio igual, o inferior, a aproximadamente 10 nm, y estarán uniformemente distribuidas con una distancia media entre partículas de 100 a 200 nm. Estas partículas tienen que ser extremadamente estables hacia la matriz metálica con el fin de evitar que se lleguen a disolver o hacerse más gruesas con el tiempo. Los materiales adecuados formadores de partículas que contrarresten el deslizamiento de los límites de grano y los movimientos de las dislocaciones pueden ser nitruros estables, principalmente de titanio, hafnio, circonio y vanadio, óxidos de Al, Y, Th, Ca, …, carburos de Ti, Zr, V, Ta, y mezclas de los anteriores.

Sin embargo, al hacer uso del método anterior, se ha establecido que la presencia de Al, que es un formador relativamente fuerte de nitruros, da lugar a una solubilidad disminuida del nitrógeno y hace más difícil el transporte del nitrógeno en el material. A su vez, esto ocasiona el inconveniente de que no se logra una separación suficientemente fina del nitruro de titanio. Además, hay un riesgo de que el aluminio se asocie en forma de nitruro de aluminio, que es perjudicial para las propiedades de oxidación de la aleación. Este nitruro de aluminio se puede disolver únicamente a altas temperaturas dando lugar a la formación de nitruro de titanio. Sin embargo, esto da como resultado un nitruro de titanio demasiado grueso para contrarrestar satisfactoriamente los movimientos de las dislocaciones. Además, la presencia de aluminio puede dar lugar también a la separación de nitruro de aluminio y titanio que, de nuevo es demasiado grueso para los fines perseguidos.

Menciones de la técnica anterior que ilustran la técnica formadora de nitruros, son los documentos EP-A-225047, EP-A-256555, EP-A-161756, EP-A-165732, EP-A-363047, GB-A-2156863, GB-A-2048955, EP-A-258969, US-A3847682, US-A-3992161, US-A-5073409, y US-A-5114470.

Por eso, al aplicar métodos de nitruración a las anteriores aleaciones que, a alta temperatura forman óxido de aluminio, el nitrógeno se unirá principalmente formando nitruro de aluminio. Esto ocasiona dos inconvenientes. En primer lugar, se limita la capacidad de la aleación para formar una capa protectora de óxido de aluminio. En segundo lugar, que los nitruros formados lleguen a ser demasiado grandes y no sean suficientemente estables.

En vista de estos inconvenientes con los nitruros, es muy deseable otro método para mejorar la vida de los materiales delgados resistentes al calor, en particular de artículos con paredes delgadas. Este método implica:

c) aumentar el contenido de aluminio, o los contenidos de otros elementos con alta afinidad hacia el oxígeno, en la matriz.

Esto se puede conseguir de diferentes maneras. Según una técnica, se realiza una atomización gaseosa del metal aluminio con un gas inerte adecuado, como el argón, y al que se introduce un polvo de la aleación en el gas de atomización. A partir del proceso de atomización, se obtiene una mezcla de polvo de aluminio y polvo de la aleación. La cantidad introducida de polvo de la aleación se adapta a las condiciones del flujo de aluminio, de forma que se obtiene en la mezcla un contenido deseado de aluminio. Después de eso, se puede encapsular la mezcla de polvos y compactarla según métodos conocidos. Según un método conocido, la mezcla de polvos se introduce en cápsulas hechas de láminas metálicas a las que se les hace el vacío y se cierran herméticamente. Una cápsula llenada con una mezcla consistente en >3% en volumen de polvo de aluminio, preferiblemente entre el 8 y 18% en volumen, y el resto del polvo de la aleación, se puede comprimir en frío isotácticamente hasta una densidad relativamente alta. Luego se calienta la cápsula a una temperatura próxima al punto de fusión del aluminio. La fase sólida o líquida de Al forma entonces una solución sólida junto con la fase ferrítica de la aleación.

Las cápsulas compactadas según lo anterior, se pueden tratar luego térmicamente para formar, por ejemplo, barras, alambres, tubos y bandas, mediante un método adecuado, tal como extrusión, forja o laminación.

El polvo de la aleación se puede también mezclar mecánicamente con un polvo de aluminio en proporciones tales que se obtenga un contenido final de aluminio deseado. Después de eso, el polvo mixto se puede encapsular y compactar según la descripción anterior.

Sin embargo, al usar métodos de mezcla, siempre hay un riesgo de separar los componentes introducidos, dando lugar a aleaciones heterogéneas. Además, los procedimientos pueden ser costosos y complicados, por ejemplo en vista de los riesgos de que los componentes en polvo sean oxidados. Además, estos métodos, con frecuencia, dan lugar a la producción de dificultades tales como la fragilización durante el laminado.

Otra técnica más para aumentar la vida de las aleaciones a alta temperatura es:

d) revestir el material con hojas delgadas de aluminio, véase, por ejemplo, el documento US-A-5366139.

Según esta técnica, se funde, se moldea y se lamina una banda de FeCr inoxidable ferrítico y se suelda en frío aluminio sobre ambos lados al final de la etapa. Mediante un tratamiento térmico, el Al se disuelve en la banda de FeCr y se consigue la composición FeCrAl. La ventaja está en que se evitan varias de las dificultades que hay con la producción convencional de FeCrAl. Por ejemplo, las masas fundidas de FeCrAl requieren revestimientos más caros en hornos y en cucharas de colada. Además, es más difícil extruir las aleaciones de FeCrAl y son más frágiles, lo que... [Seguir leyendo]

1. Un material de FeCrAl, resistente a la oxidación y al calor, caracterizado porque el material que contiene al menos 1.5% de aluminio, y el material que comprende al menos uno de, silicio y compuestos que contienen silicio,

aplicados sobre su superficie, estando la superficie en estado metálico u oxidado, dando como resultado por ello una capa o región superficial que contiene cantidades de, al menos uno de, silicio y compuestos que contienen silicio, y que tienen un espesor medio de 0, 9 nm a 10 micrómetros.

2. El material de la reivindicación 1, en el que dicha capa superficial comprende SiO2 amoría.

3. El material de la reivindicación 1, en el que el espesor medio de dicha capa superficial es de 5 a 60 nm.

4. El material de la reivindicación 1, en el que dicho material comprende una aleación de FeCrAl con un 2 – 10% en peso de Al, 10 – 40% en peso de Cr, y el resto básicamente Fe, con o sin adiciones de metales de las tierras raras y/o otras adiciones aleantes, con las inevitables impurezas.

5. El material de la reivindicación 1, en el que dicho material es un material compuesto.

6. El material de la reivindicación 1, en el que dicho material está en una forma elegida de entre hoja delgada, 15 alambre, tira, barra, tubo, fibra o polvo con granos esféricos o de forma irregular.