ALEACION DE NI-CR-CO-MO PARA MOTORES AVANZADOS DE TURBINA DE GAS.

Aleación de Ni-Cr-Co-Mo para motores avanzados de turbina de gas. Campo de la invención Esta invención se relaciona a aleaciones forjables de alta resistencia para uso a temperaturas elevadas. En particular, ésta se relaciona con aleaciones que poseen suficiente resistencia a la deformación plástica, estabilidad térmica, y resistencia a forzar cuarteo con la edad para permitir la fabricación y el servicio en ductos de transición dé turbina de gas y otros componentes de turbina de gas. Antecedentes de la invención Para cumplir con la demanda de una eficiencia operativa creciente, a los diseñadores de motores de turbina de gas les gustaría emplear temperaturas operativas cada vez mayores. Sin embargo, la capacidad de incrementar las temperaturas se limita a menudo por las propiedades del material. Una aplicación con tal limitación son los ductos de transición de turbina de gas. Los ductos de transición son a menudo componentes soldados hechos de lámina o material de placa delgada y así necesitan ser soldables así como también forjables. A menudo las aleaciones reforzadas gama prima se utilizan en ductos de transición debido a su alta resistencia a temperaturas elevadas. Sin embargo, las aleaciones reforzadas gama prima de forjado comercialmente disponibles no tienen la resistencia o estabilidad para ser utilizadas a las temperaturas muy altas demandadas por los conceptos avanzados de diseño de turbina de gas, o pueden presentar dificultades durante la fabricación. En particular, una de tales dificultades de fabricación es la susceptibilidad de muchas aleaciones de forjado reforzadas gama prima a forzar cuarteo con la edad. El problema de forzar cuarteo con la edad se describirá con más detalle posteriormente en este documento. Las aleaciones de forjado reforzadas gama prima se basan a menudo en el sistema níquel- cromo-cobalto, aunque también se utilizan otros sistemas base. Estas, aleaciones tendrán típicamente adiciones de aluminio y titanio que son responsables por la formación de la fase gama prima, Ni 3(Al,Ti). Se pueden emplear también otros elementos formadores de gama prima, tales como el niobio y/o tantalio. Un tratamiento con calor para endurecimiento con la edad se utiliza para desarrollar la fase gama prima en la microestructura de la aleación. Este tratamiento de calor se da normalmente a la aleación cuando ésta esta en condición de recocido. La presencia de la fase gama prima conduce a un reforzamiento considerable de la aleación sobre un amplio rango de temperaturas. Otras adiciones elementales pueden incluir molibdeno o tungsteno para el reforzamiento de la solución sólida, carbono para la formación de carburos, y boro para mejorar la ductilidad a alta temperatura. Forzar cuarteo con la edad es un problema que limita la soldabilidad de muchas aleaciones reforzadas gama prima. Este fenómeno ocurre típicamente cuando una parte soldada se somete a una alta temperatura la primera vez después de la operación de soldado. A menudo esto es durante el tratamiento de recocido post-soldado dado a la mayoría de las fabricaciones de aleación soldada, gama prima. El cuarteamiento ocurre como resultado de la formación de la fase gama prima durante el calentamiento a la temperatura de recocido. La formación de reforzamiento de la fase gama prima en conjunto con la baja ductilidad que muchas de estas aleaciones poseen a temperaturas intermedias, así como también el refrenamiento mecánico típicamente impuesto por la operación de soldado conducirá a menudo a cuarteamiento. El problema de forzar cuarteos con la edad pueden limitar las aleaciones a ser utilizadas hasta solamente un cierto grosor en razón a que mayor grosor de material conduce a mayor refrenado mecánico. Se han desarrollado varios tipos de pruebas para evaluar la susceptibilidad de una aleación a forzar, cuarteos con la edad. Estas incluyen la prueba de parche circular, la prueba de placa refrenada, y varias pruebas termo-mecánicas dinámicas. Una prueba que se puede utilizar para evaluar la susceptibilidad de una aleación a forzar cuarteduras con la edad es la prueba de tensión de tasa de calentamiento controlado (CHRT) desarrollada en los años 60. Pruebas recientes en Haynes International han encontrado que la prueba del CHRT escalafona exitosamente la susceptibilidad de varias aleaciones comerciales en un orden consistente con la experiencia de campo. En la prueba CHRT, una muestra de tensión en lámina se caliento desde una baja temperatura hasta la temperatura de prueba a una tasa constante (una tasa de 14-17ºC (25ºF a 30ºF) por minuto se utilizó en las pruebas efectuadas en Haynes Internacional). Una vez se alcanza la temperatura de prueba la muestra se empuja para fracturar a una tasa de resistencia de ingeniería constante. La muestra de prueba inicia en la condición de recocido (no endurecida con la edad), de tal manera que la fase gama prima se precipita durante la etapa de calentamiento como sería el caso en un componente soldado que se somete a un tratamiento de calor post-soldado. El porcentaje de elongación hasta fractura en la muestra de prueba se toma como una medida de la susceptibilidad a forzar cuarteo con la edad (menores valores de elongación que sugieren mayor susceptibilidad a forzar cuarteo con la edad). La elongación del CHRT es una función de la temperatura de prueba y exhibirá normalmente un mínimo a una temperatura particular. La temperatura en la cual esto ocurre es de alrededor de 816ºC (1500ºF) para muchas aleaciones reforzadas gama prima de forjado. La buena resistencia y la estabilidad térmica a altas temperaturas demandadas por los conceptos avanzados de turbina de gas son dos propiedades que faltan en muchas aleaciones reforzadas gama prima de forjado habitualmente disponibles comercialmente. La resistencia a la alta temperatura se ha evaluado largamente con el uso de pruebas de ruptura con deformación plástica, donde las muestras se someten isotérmicamente a una carga constante hasta que la muestra se fractura. El tiempo hasta fractura, o la vida hasta ruptura, se utiliza entonces como una medida de la resistencia de la aleación a esa temperatura. La estabilidad térmica es una medida de si la microestructura de la aleación 2 ES 2 335 503 T3 permanecerá relativamente no afectada durante una exposición térmica. Muchas aleaciones de alta temperatura pueden formar fases intermetálicas o de carburo quebradizas durante la exposición térmica. La presencia de estas fases puede reducir dramáticamente la ductilidad a temperatura ambiente del material. Esta pérdida de ductilidad se puede medir efectivamente utilizando una prueba de tensión estándar. Muchas aleaciones con resistencia a forjado gama prima están disponibles en forma de lámina hoy en el mercado de hoy. La aleación Rene-41 o R-41 (Patente U.S. No. 2,945,758) se desarrolló por General Electric en 1950 para el uso en motores de turbina. Ésta tiene excelente resistencia a la deformación plástica, pero está limitada por una pobre estabilidad y resistencia térmica a forzar cuarteos con la edad. Una aleación similar de General Electric, la aleación M- 252 (Patente U.S. No. 2,747,993), también se desarrolló en los, años 50. Aunque habitualmente disponible solamente en forma de barra, la composición se prestaría fácilmente a manufactura de lámina. La aleación M-252 tiene buena resistencia a la deformación plástica para forzar cuarteos con la edad, pero como la aleación R-41 está limitada por una estabilidad térmica pobre. La aleación desarrollada por Pratt & Whitncy conocida comercialmente como aleación WASPALOY (aparentemente que no tiene cubrimiento de patente en los Estados Unidos) es otra aleación reforzada gama prima destinada para el uso en motores de turbina y disponible en forma de lámina. Sin embargo, esta aleación tiene una resistencia a la deformación plástica marginal por encima de 1500ºF, estabilidad térmica marginal, y tiene una resistencia muy pobre a forzar cuarteo con la edad. La aleación comercialmente conocida como aleación 263 (Patente U.S. 3,222,165) se desarrolló a finales de los años 50 y se introdujo en 1960 por Rolls-Royce Limited. Esta aleación tiene excelente estabilidad térmica y resistencia a forzar cuarteduras con la edad, pero tiene muy pobre resistencia a la deformación plástica a temperaturas mayores de 816ºC (1500ºF). La aleación PK-33 (Patente U.S. No. 3,248,213) se desarrolló por la International Nickel Company y se introdujo en 1961. Esta aleación tiene buena estabilidad térmica y resistencia a la deformación plástica, pero está limitada por una pobre resistencia a forzar cuarteos con la edad. La US 3207599 también describe un níquel resistente a la deformación plástica basado en una aleación que tiene buen forzado de ductilidad con la edad y soldabilidad pero contiene silicio y manganeso. Como se sugiere...

1. Una aleación a base de níquel-cromo-cobalto que tiene una composición que consiste en porcentaje en peso de: con un balance de níquel e impurezas, la aleación que satisface además la siguiente relación composicional definida con cantidades elementales están en términos de porcentaje en peso: 2.2 < Al + 0.56Ti + 0.29Nb < 2.9 6.5 < Mo + 0.52W < 9.5 2. La aleación a base de níquel-cromo-cobalto de la reivindicación 1, en donde la aleación es una forma forjada seleccionada del grupo que consiste de láminas, placas, barras, alambres, tuberías, tubos, y forjas. 3. La aleación a base de níquel-cromo-cobalto de la reivindicación 1, en donde la aleación está en forma de fundido. 4. La aleación a base de níquel-cromo-cobalto de la reivindicación 1, en donde la aleación se ha formado por rociado. 5. La aleación a base de níquel-cromo-cobalto de la reivindicación 1, en donde la aleación es una forma de metalurgia en polvo. 13 ES 2 335 503 T3 6. Una aleación a base de níquel-cromo-cobalto, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que tiene una composición que consiste en porcentaje en peso de: con un balance de níquel e impurezas, la aleación además satisface la siguiente relación . composicional definida con cantidades elementales que están en términos de porcentaje en peso: 2.35 < Al + 0.56Ti + 0.29Nb < 2.84 7.1 < Mo + 0.52W <9.3 7. La aleación a base de níquel-cromo-cobalto de la reivindicación 1 o 6, en donde la aleación se forma como un componente para un motor de turbina a gas. 8. Un motor de turbina a gas del tipo que tiene una pluralidad de componentes de metal en donde al menos uno de los componentes de metal consiste de una aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 6. 9. El motor de turbina a gas mejorado de acuerdo con la reivindicación 9, en donde , al menos uno de los componentes de metal es un ducto de transición. 14 ES 2 335 503 T3 ES 2 335 503 T3 16