Superaleación a base de níquel y piezas hechas con esta superaleación.

Superaleación a base de níquel de composición siguiente, estando las concentraciones de los diversos elementos expresadas en porcentajes de ponderación:

- 1,3% ≤Al ≤2,8%;

- trazas ≤Co ≤11 %;

- 14% ≤Cr ≤17 %;

- trazas ≤Fe ≤12 %;

- 2% ≤Mo ≤5%;

- 0,5% ≤Nb + Ta ≤2,5 %;

- 2,5% ≤Ti ≤4,5%;

- 1% ≤W ≤4%;

- 0,0030% ≤B ≤0,030%;

- trazas ≤C ≤0,1 %;

- 0,01% ≤Zr ≤0,06%;

estando el resto constituido por níquel e impurezas resultantes de la elaboración, y de modo que la composición satisface las ecuaciones siguientes en las cuales las concentraciones se expresan en porcentajes atómicos:

Superaleación a base de níquel y piezas hechas con esta superaleación.

La invención se refiere al ámbito de las superaleaciones a base de níquel, destinadas en especial a la fabricación de piezas para turbinas terrestres o aeronáuticas, por ejemplo discos de turbinas.

La mejora de las prestaciones de las turbinas requiere aleaciones con prestaciones cada vez mejores a altas temperaturas. Deben en especial ser capaces de soportar temperaturas de funcionamiento del orden de 700°C.

Con este objetivo, se han desarrollado superaleaciones que permiten garantizar altas propiedades mecánicas a estas temperaturas (resistencia a la tracción, resistencia a la fluencia y a la oxidación, resistencia a la propagación de fisuras) para las aplicaciones precitadas, manteniendo a la vez una buena estabilidad microestructural que procure una duración de vida elevada a las piezas así fabricadas.

Las aleaciones conocidas que pueden responder a estas exigencias de cargas están generalmente muy cargadas con elementos que favorecen la presencia de la fase gama’ Ni3 (Al, Ti) , cuya proporción es a menudo superior a 45% de la estructura. Esto hace que estas aleaciones sean de ejecución imposible con resultados satisfactorios por la vía convencional (mediante lingote) en los que a la colada de un lingote a partir de metal líquido le siguen una serie de tratamientos de conformación y de tratamientos térmicos. Estas aleaciones solamente se pueden obtener por metalurgia de polvos, con el inconveniente mayor de un coste de obtención muy elevado.

Para disminuir los costes de obtención, se han desarrollado aleaciones que permiten una realización por la vía convencional. Se trata en especial de la superaleación a base de níquel conocida bajo la denominación UDIMET 720, tal como se describe en especial en los documentos US-A-3 667 938 y US-A-4 083 734. Esta superaleación tiene típicamente la composición, descrita en porcentajes de ponderación:

-trazas : Fe : 0, 5%;

-12% : Cr : 20%;

- 13% : Co : 19%; -2% : Mo :3, 5%; -0, 5% : W :2, 5%; -1, 3% : Al : 3%; -4, 75% : Ti : 7%; -0, 005% : C : 0, 045% para las versiones con bajo carbono, pudiendo la concentración de carbono ascender a

0, 15% para las versiones con alto carbono; -0, 005% : B : 0, 03%; -trazas : Mn : 0, 75%; -0, 01% : Zr : 0, 08%; siendo el resto níquel e impurezas resultantes de la elaboración. [0006] También se ha preparado la aleación conocida bajo la denominación TMW 4 de la cual una composición

posible en porcentajes de ponderación es típicamente: -Cr = 15%; -Co = 26, 2%; -Mo = 2, 75%; -W = 1, 25%; -Al = 1, 9%; -Ti = 6%; -C = 0, 015%; -B = 0, 015%;

siendo el resto níquel e impurezas resultantes de la elaboración.

Las superaleaciones del tipo UDIMET 720 o TMW4 permiten alcanzar en parte los objetivos. A altas temperaturas conservan, efectivamente, buenas propiedades mecánicas, debido a sus elevadas concentraciones en 5 Co, y estas aleaciones se pueden obtener por la vía convencional a partir de un lingote, por lo tanto de manera menos costosa que mediante metalurgia polvos.

Sin embargo, siguen presentando un coste elevado debido, justamente, a su concentración importante en Co que está generalmente comprendida entre 12 y 27 %. Además, son difíciles de lograr por la vía del lingote convencional, debido a una reducida aptitud para el forjado debida, en especial, a una fracción por volumen de fase gama’ que sigue siendo importante (aproximadamente 45%) . Efectivamente, debido a la fracción por volumen de fase gama’ importante, los intervalos de temperatura en los cuales es posible un forjado sin riesgo de formar grietas son estrechos, e imponen realizar recocidos en el horno frecuentes para mantener permanentemente una temperatura conveniente durante el forjado. Por otro lado, para estas aleaciones el forjado en supersolvus gama’ (es decir por encima de la temperatura de solvus gama’ y por lo tanto a una temperatura a la cual la fase gama’ se pone en solución, ) es imposible, porque habría un riesgo de aparición de grietas. Estas aleaciones solamente se pueden forjar en subsolvus (por lo tanto a una temperatura inferior al solvus gama’) , lo cual conduce a unas estructuras heterogéneas que comprenden haces de fase gama’ y conllevan defectos de permeabilidad durante controles no destructivos por ultrasonidos. Para estas aleaciones el procedimiento de forjado es por lo tanto delicado, difícil de controlar y costoso.

Para reducir los costes de obtención, se han desarrollado nuevas superaleaciones de níquel que permiten las aplicaciones precitadas a unas temperaturas de utilización cercanas a 700°C. Una aleación de este tipo conocida bajo la denominación « 718 PLUS», que se describe en el documento WO-A-03/097888 tiene típicamente la composición siguiente en porcentajes de ponderación:

-trazas : Fe : 14%;

-12% : Cr : 20%;

-5% : Co : 12%;

-trazas : Mo : 4%;

-trazas : W : 6%;

-0, 6% : Al : 2, 6%;

-0, 4% : Ti : 1, 4%;

-4% : Nb : 8%;

-trazas : C : 0, 1 %;

-0, 003% : P : 0, 03%;

-0, 003% : B : 0, 015%;

siendo el resto níquel e impurezas resultantes de la elaboración.

Para disminuir los costes de obtención debidos a las materias primas (elementos de aleación) utilizadas, con respecto a las aleaciones anteriores precitadas, el 718 PLUS tiene una concentración de Co menos importante. Por otro lado, para disminuir los costes de obtención debidos al tratamiento termomecánico, se ha mejorado la aptitud

para el forjado de esta aleación disminuyendo considerablemente la fracción por volumen de la fase gama’. La reducción de la fracción por volumen de fase gama’ se hace, sin embargo, en detrimento de las propiedades mecánicas en caliente y de las prestaciones de las piezas en general, que, de hecho, son claramente inferiores a las de las aleaciones anteriormente mencionadas.

En el ámbito de las turbinas terrestres o aeronáuticas, la utilización de la aleación 718 PLUS está por lo tanto limitada a determinadas aplicaciones cuyas exigencias en términos de solicitaciones termo-mecánicas son menos 45 críticas.

Por otro lado, la aleación 718 PLUS tiene una concentración elevada en Nb (comprendida entre 4 y 8 %) , que es nefasta para su homogeneidad química durante la elaboración. Efectivamente, el Nb es un elemento que conduce a unas segregaciones importantes tras la solidificación. Estas segregaciones pueden conducir a laformación de defectos de elaboración (manchas blancas) . Únicamente unas ventanas de velocidades de refusión estrechas y precisas durante la elaboración del lingote permiten reducir estos defectos. La elaboración de la 718 PLUS implica por lo tanto un procedimiento que es complejo y difícil de controlar. Unas concentraciones elevadas en Nb en las superaleaciones son también conocidas por ser bastante nefastas para la propagación de fisuras a alta temperatura.

El documento EP 0 803 585 A1 divulga una superaleación a base de Ni, destinada en especial a la 5 fabricación de piezas para turbinas, por ejemplo discos de turbinas.

El objetivo de la invención es el de proponer una aleación que tenga un reducido coste de obtención, es decir con un coste en elementos de aleación menos importante que el de aleaciones del tipo de la UDIMET 720, y cuya aptitud para el forjado aumente con respecto a aleaciones del tipo de la UDIMET 720, y todo ello presentando a la vez propiedades mecánicas elevadas a altas temperaturas (700°C) , es decir superiores a las de la 718 PLUS. Dicho de otro modo, se tiene como objetivo proponer una aleación cuya composición permitiría obtener un compromiso entre propiedades mecánicas en caliente elevadas y un coste de obtención aceptable para las aplicaciones precitadas. Esta aleación también debería poder obtenerse en condiciones de elaboración y de forjado no demasiado restrictivas para hacer fiable esta obtención.

A tal efecto, la invención tiene por objeto una superaleación a base de níquel de composición siguiente, 15 estando las concentraciones de los diversos elementos expresadas en porcentajes de ponderación:

-1, 3 % : Al : 2, 8 %;

-trazas : Co : 11 %;

- % : Cr : 17 %;

-trazas : Fe : 12 %;

-2% : Mo : 5%;

-0, 5% : Nb+Ta : 2, 5%;

- 2, 5% : Ti : 4, 5%; -1 % : W : 4 %; -0, 0030 % :B : 0, 030 %;

-trazas : C : 0, 1 %; -0, 01 % : Zr : 0, 06%; estando el resto constituido por níquel e impurezas resultantes de la elaboración, y de modo que la composición satisface las ecuaciones siguientes en las cuales las concentraciones... [Seguir leyendo]

1. Superaleación a base de níquel de composición siguiente, estando las concentraciones de los diversos elementos expresadas en porcentajes de ponderación:

-1, 3% : Al : 2, 8%;

- trazas : Co : 11 %;

-14% : Cr : 17 %;

- trazas : Fe : 12 %;

-2% : Mo : 5%;

-0, 5% : Nb + Ta : 2, 5 %;

-2, 5% : Ti : 4, 5%;

-1% : W : 4%;

- 0, 0030% : B : 0, 030%;

- trazas : C : 0, 1 %;

- 0, 01% : Zr : 0, 06%;

estando el resto constituido por níquel e impurezas resultantes de la elaboración, y de modo que la composición satisface las ecuaciones siguientes en las cuales las concentraciones se expresan en porcentajes atómicos:

2. Superaleación según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que su composición satisface la ecuación siguiente en la cual las concentraciones se expresan en porcentajes atómicos:

3. Superaleación según la reivindicación 1 ó la 2 caracterizada por el hecho de que contiene en porcentajes de ponderación entre 3 y 12 % de Fe,

4. Superaleación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que su composición es, expresada en porcentajes de ponderación:

-1, 3% : Al : 2, 8%;

-7% : Co : 11 %;

-14% : Cr : 17 %;

-3% : Fe : 9%;

-2% : Mo : 5%;

-0, 5% : Nb + Ta : 2, 5%;

-2, 5% : Ti : 4, 5%;

-1% : W : 4%;

- 0, 0030% : B : 0, 030%;

- trazas : C :0, 1 %;

- 0, 01% : Zr : 0, 06%;

y su composición satisface las ecuaciones siguientes en las cuales las concentraciones se expresan en porcentajes atómicos:

estando el resto constituido por níquel e impurezas resultante de la elaboración.

5. Superaleación según la reivindicación 4, caracterizada por el hecho de que 1 : (Ti at% + Nb at% + Ta at%) / Al art% : 1, 3.

6. Superaleación según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que su composición es, expresada en porcentajes de ponderación:

-1, 8% : Al : 2, 8%;

-7% : Co : 10%;

-14% : Cr : 17%.

15. 3, 6% : Fe : 7%;

-2% : Mo : 4%;

-0, 5% : Nb+Ta : 2%;

-2, 8% : Ti : 4, 2%;

-1, 5% : W : 3, 5%.

20. 0, 0030% : B : 0, 030%;

- trazas : C :0, 07 %;

- 0, 01% : Zr : 0, 06%; y su composición satisface las ecuaciones siguientes en las cuales las concentraciones se expresan en porcentajes

atómicos: 25

estando el resto constituido por níquel e impurezas resultante de la elaboración.

7. Superaleación según la reivindicación 6, caracterizada por el hecho de que 0, 7 : (Ti at% + Nb at% + Ta at%) / Al at% : 1, 15.

8. Superaleación según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que 1 : (Ti at% + Nb at% + Ta at%) / Al at% : 1, 3.

9. Superaleación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que comprende una fracción de fase gama’ comprendida entre 30 y 44% preferentemente entre 32 y 42 % y por el hecho de que el solvus de la fase gama’ del superaleación es inferior a 1145°C

10. Superaleación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que la composición de la aleación satisface la ecuación siguiente, en la cual las concentraciones de los elementos están calculadas en la matriz gama a 700°C y se expresan en porcentaje atómico:

11. Superaleación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por el hecho de que la concentración de Cr (expresada en porcentaje atómico) es, en la matriz gama a 700°C, superior a 24 at%.

12. Superaleación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por el hecho de que la concentración de Mo + W (expresada en porcentaje atómico) es ; 2, 8 at% en la matriz gama.

13. Pieza de superaleación de níquel, caracterizada por el hecho de que su composición es según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

14. Pieza de superaleación de níquel según la reivindicación 12, caracterizada por el hecho de que se trata de un componente de turbina de gas aeronáutica o terrestre.