aluminuro de níquel

El aluminuro de níquel se refiere a cualquiera de los dos compuestos intermetálicos ampliamente utilizados, _Ni₃Al o NiAl, pero el término a veces se usa para referirse a cualquier aleación de níquel-aluminio. Estas aleaciones son ampliamente utilizadas debido a su alta resistencia incluso a altas temperaturas, baja densidad, resistencia a la corrosión y facilidad de producción. ^{[ 1 ]} El _Ni₃Al es de particular interés como precipitado en superaleaciones a base de níquel , donde se denomina fase γ' (gamma prima). Proporciona a estas aleaciones alta resistencia y resistencia a la fluencia hasta 0,7–0,8 de su temperatura de fusión. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Por otro lado, el NiAl presenta excelentes propiedades como menor densidad y mayor temperatura de fusión que las del Ni₃Al _, y buena conductividad térmica y resistencia a la oxidación. ^{[ 2 ]} Estas propiedades lo hacen atractivo para aplicaciones especiales de alta temperatura, como recubrimientos en álabes de turbinas de gas y motores a reacción . Sin embargo, ambas aleaciones presentan la desventaja de ser bastante frágiles a temperatura ambiente, y la aleación Ni₃Al _sigue siendo frágil incluso a altas temperaturas. ^{[ 1 ]} Para solucionar este problema, se ha demostrado que la aleación Ni₃Al _puede volverse dúctil al fabricarse en forma monocristalina en lugar de policristalina. ^{[ 3 ]}

Una desventaja importante de las aleaciones policristalinas de Ni₃Al _es su fragilidad a temperatura ambiente y a altas temperaturas, lo que interfiere con sus posibles aplicaciones estructurales. Esta fragilidad se atribuye generalmente a la incapacidad de las dislocaciones para moverse en las redes altamente ordenadas. ^{[ 5 ]} La introducción de una pequeña cantidad de boro puede aumentar drásticamente la ductilidad al suprimir la fractura intergranular. ^{[ 6 ]}

Las superaleaciones a base de Ni derivan su resistencia de la formación de precipitados γ' (Ni ₃ Al) en la fase γ (Ni) que fortalecen las aleaciones mediante endurecimiento por precipitación . En estas aleaciones, la fracción volumétrica de los precipitados γ' es tan alta como el 80%. ^{[ 7 ]} Debido a esta alta fracción volumétrica, la evolución de estos precipitados γ' durante los ciclos de vida de las aleaciones es importante: una preocupación importante es el crecimiento de estos precipitados γ' a alta temperatura (800 a 1000  °C), lo que reduce considerablemente la resistencia de las aleaciones. ^{[ 7 ]} Este crecimiento se debe al equilibrio entre la energía interfacial y elástica en la fase γ + γ' y generalmente es inevitable a lo largo de períodos de tiempo prolongados. ^{[ 7 ]} Este problema de crecimiento se aborda mediante la introducción de otros elementos como Fe, Cr y Mo, que generan configuraciones multifásicas que pueden aumentar significativamente la resistencia a la fluencia. ^{[ 8 ]} Esta resistencia a la fluencia se atribuye a la formación de precipitado no homogéneo Cr _4.6 MoNi _2.1 , que fija las dislocaciones y evita un mayor crecimiento de la fase γ'. ^{[ 8 ]} La adición de Fe y Cr también aumenta drásticamente la soldabilidad de la aleación. ^{[ 8 ]}

A pesar de sus propiedades beneficiosas, el NiAl generalmente presenta dos problemas: una fragilidad muy alta a bajas temperaturas (< 330 °C (626 °F) ) y una rápida pérdida de resistencia a temperaturas superiores a 550 °C (1022 °F) . ^{[ 9 ]} La fragilidad se atribuye tanto a la alta energía de los límites de antifase como al alto orden atómico a lo largo de los límites de grano. ^{[ 9 ]} De forma similar a las aleaciones basadas en Ni₃Al, _estos problemas generalmente se abordan mediante la integración de otros elementos. Los elementos que se intentan incorporar se pueden dividir en tres grupos según su influencia en la microestructura:    

• Elementos que forman fases intermetálicas ternarias como Ti y Hf ^{[ 9 ]}
• Elementos formadores de eutécticos pseudobinarios como el Cr ^{[ 9 ]}
• Elementos con alta solubilidad en NiAl como Fe, Co y Cu ^{[ 9 ]}

Se ha demostrado que algunos de los elementos más exitosos son Fe, Co y Cr, que aumentan drásticamente la ductilidad a temperatura ambiente, así como la trabajabilidad en caliente. ^{[ 10 ]} Este aumento se debe a la formación de la fase γ que modifica los granos de la fase β. ^{[ 10 ]} También se ha demostrado que la aleación con Fe, Ga y Mo mejora drásticamente la ductilidad a temperatura ambiente. ^{[ 11 ]} Más recientemente, se han añadido metales refractantes como Cr, W y Mo, lo que ha dado como resultado no solo aumentos en la ductilidad a temperatura ambiente, sino también aumentos en la resistencia y la tenacidad a la fractura a altas temperaturas. ^{[ 12 ]} Esto se debe a la formación de microestructuras únicas, como la aleación eutéctica Ni _45.5 Al ₉ Mo y las inclusiones de α-Cr que contribuyen al endurecimiento por solución sólida. ^{[ 12 ]} Incluso se está demostrando que estas aleaciones complejas (Ni ₄₂ Al ₅₁ Cr ₃ Mo ₄ ) tienen el potencial de ser fabricadas mediante procesos de fabricación aditiva como la fabricación selectiva por láser , lo que aumenta enormemente las posibles aplicaciones de estas aleaciones. ^{[ 12 ]}

En las superaleaciones a base de níquel, las regiones de Ni₃Al ₍ denominada fase γ') precipitan a partir de la matriz rica en níquel (denominada fase γ) para proporcionar alta resistencia y resistencia a la fluencia. Existen numerosas formulaciones de aleaciones que suelen incluir otros elementos, como cromo, molibdeno y hierro, para mejorar diversas propiedades.

Ejemplos

IC-221M

Una aleación de Ni₃Al _, conocida como IC-221M, está compuesta de aluminuro de níquel combinado con otros metales como cromo , molibdeno , circonio y boro . La adición de boro aumenta la ductilidad de la aleación al modificar positivamente la química de los límites de grano y promover el refinamiento del grano. Los parámetros de Hall-Petch para este material fueron _σ₀ = 163 MPa y kᵧ ₌ 8,2 MPaˑcm¹ ^/² . ^{[ 13 ]} El boro aumenta la dureza del Ni₃Al en masa _mediante un mecanismo similar.

Esta aleación es extremadamente resistente para su peso, cinco veces más resistente que el acero inoxidable SAE 304 común . A diferencia de la mayoría de las aleaciones, la resistencia de la IC-221M aumenta desde la temperatura ambiente hasta los 800 °C (1470 °F) .  

La aleación es muy resistente al calor y a la corrosión , y se utiliza en hornos de tratamiento térmico y otras aplicaciones donde su mayor vida útil y menor corrosión le confieren una ventaja sobre el acero inoxidable . ^{[ 14 ]} Se ha descubierto que la microestructura de esta aleación incluye la fase eutéctica Ni ₅ Zr y, por lo tanto, el tratamiento térmico de solución es eficaz para el trabajo en caliente sin agrietamiento. ^{[ 15 ]}