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2 Las plataformas de explotación petrolera son sólo un ejemplo de instalaciones en las que es necesario hacer uso de la aleaciones de Níquel

3 PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DEL Ni Metal maleable del sistema cúbico de caras centradas (fcc). Temperatura de fusión: 1453ºC Ferromagnético, con conductividades eléctrica y témicas similares a las del acero. Alta resistencia a la corrosión y oxidación, combinadas con buena resistencia a la tracción a alta temperatura. El Cu y el Co exhiben solubilidad completa en el Ni, mientras que Fe, Cr, y el Mo tienen solubilidades de 60%, 35% y 20% en peso respectivamente.

4 ALEACIONES COMERCIALES DE Ni Son en general de estructura fcc en las cuales los elementos de aleación proveen endurecimiento por solución sólida o también endurecimiento por precipitación. Entre estas últimas, las de mayor resistencia requieren un tratamiento térmico de envejecimiento artificial para alcanzar el máximo de sus propiedades. La microestructura de las aleaciones de Ni es por lo tanto esencialmente monofásica, aunque precipitados en forma de partículas o agujas son frecuentemente visibles en el interior de los granos o en los bordes de los mismos. El origen de estos precipitados pueden ser impurezas o constituyentes para el endurecimiento por precipitación.

5 Ni comercialmente puro: utilizado en plantas químicas debido fundamentalmente a su elevada resistencia a la corrosión en medios cáusticos alcalinos, algunos compuestos orgánicos, gases halógenos e hidruros. Contiene como impurezas más comunes hasta 0.06% C y pequeñas cantidades de Mn, Fe, Cu y Si. Monel: (58 - 65%)Ni - (40 - 30%)Cu frecuentemente con hasta 1.5% Fe como impureza, a veces con adiciones de Al y Ti para volverlo endurecible por precipitación. Por su buena resistencia a la corrosión se lo utiliza en plantas químicas, plantas de generación de energía, industria textil y alimenticia. Inconel: (75 - 80%)Ni - (15 - 20%)Cr aunque eventualmente Fe o Co puede reemplazar parcialmente al Ni. Adiciones de Al y Ti las tornan endurecibles por precipitación.

6 Se las emplea en equipos para tratamiento térmico y en hornos, industria alimenticia, etc. Superaleaciones: Constituyen el grupo más importante de aleaciones de Ni. Desarrolladas originalmente para turbinas de gas de uso aeronáutico, se las emplea también en turbinas de vapor para generación de energía donde se requieren componentes sometidos a tensiones elevadas a altas temperaturas. La aleación de partida para las superaleaciones fue 80% Ni - 20%Cr (Nimonic 75), muy cercano al Inconel pero con adiciones de 0.5% Ti para aumentar la resistencia o de Al - Ti para endurecimiento por precipitación (Nimonic 80 y Nimonic 80A). Actualmente existe una gran variedad de superaleaciones, algunas de las cuales se muestran en la tabla siguiente.

7 COMPOSICION QUÍMICA DE ALGUNAS SUPERALEACIONES ENDURECIBLES POR PRECIPITACION

8 Esencialmente, la microestructura de las superaleaciones es similar, exhibiendo una fase  fcc con carburos precipitados e intermetálicos tales como la fase  (Ni 3 Ti) y  ’ (Ni 3 AlTi). La solubilidad del Ti y Al en la fase  aumenta fuertemente con la temperatura. En forma similar al caso de las aleaciones de Al, el endurecimiento por precipitación se logra solubilizando la aleación por encima de la temperatura de solvus (generalmente en el rango 1040 - 1180ºC), templando en agua o aire y luego envejeciendo a alrededor de 760ºC durante aproximadamente 16 Hs, empleándose a veces más de una temperatura de envejecimiento. La reacción de precipitación que da origen a la fase  ’ es la siguiente:

9 Efecto de los elementos de aleación sobre la temperatura de solvus de la fase  ’ (a) Ti(b) Al

10 (Ni, Cr, Co, Mo, Al, Ti)  Ni 3 (Al, Ti) + (Cr, Co, Mo)    ’ + Matriz donde  ’ es un compuesto precipitado ordenado cuya composición exacta puede ser mucho más complicada que la indicada más arriba. Por ejemplo, en Inconel 713C la composición se ha determinado como: (Ni 0.980 Cr 0.004 Mo 0.004 ) 3 (Al 0.714 Cb 0.099 Ti 0.048 Mo 0.038 Cr 0.103 )  ’ puede adoptar distintas morfologías (esférica, cúbica, elongada, etc), como se muestra en las figuras siguientes. Luego de las precipitación de las partículas  ’ dominantes durante el tratamiento de enevejecimiento, puede seguir una ulterior precipitación de otras partículas  ’ más finas durante el enfriamiento final hasta temperatura ambiente.

11 Algunas de las morfologías adoptadas por la fase  ’

12 La precipitación de la fase  ’ empobrece en Al y Ti en sus adyacencias a la matriz  lo que resulta en una reducción localizada del parámetro de red que dificulta la relajación de tensiones por deformación plástica en la HAZ y puede ser causa de fisuración en el tratamiento térmico post-soldadura. En la mayoría de las aleaciones base Ni, el carburo MC de alta temperatura puede reaccionar con la fase  y formar carburos menores, tales como M 23 C 6 y M 6 C: (Ti,Mo)C + (Ni,Cr,Al,Ti)  Cr 21 Mo 2 C 6 + Ni 3 (Al,Ti) MC +   M 23 C 6 +  ’ (Ti,Mo)C + (Ni,Co,Al,Ti)  Mo 3 (Ni,Co) 3 C + Ni 3 (Al,Ti) MC +   M 6 C +  ’

13 La figura muestra una microestructura típica de algunas superaleaciones. La elevada resistencia mecánica de estas aleaciones y su resistencia al creep se deben fundamentalmente al endurecimeinto por precipitación producido por la fase  ’ y a la resistencia al deslizamiento de borde de grano provisto por los carburos intergranulares.

14 Características de envejecimiento de aleaciones de Ni. (a) Inconel X-750 (b) Otras aleaciones de base Ni (760ºC)

15 Si bien en general las aleaciones de base Ni son fácilmente soldables por fusión, muchas aleaciones son susceptibles a la fisuración si se sueldan en la condición de endurecidas por deformación, por lo que deben ser soldadas en estado recocido. Las aleaciones no tratables térmicamente no presentan en general dificultades y la soldadura tiene escasos efectos en su microestructura por lo que pueden obtenerse eficiencias de junta del 100% Las aleaciones termoendurecibles se sueldan generalmente mejor en la condición solubilizada y las mejores propiedades mecánicas son obtenidas luego por un tratamiento de redisolución y envejecimiento. Si bien es posible muchas veces soldar en la condición de envejecida, resulta inevitable la pérdida de propiedades mecánicas con relación al material base, como se muestra en la figura siguiente para el Inconel 718.

16 Pérdida de resistencia mecánica en la ZAC por solubilización de una aleación Inconel 718 soldada en la condición de envejecida. La pérdida de dureza localizada puede dar origen a fisuras en la ZAC debido a la relajación de tensiones como consecuencia de la deformación plástica localizada en dicha zona.

17 Fisuras en una soldadura en chapa de aleación X- 750 de 51 mm de espesor soldada en la condición de envejecida

18 Perfiles de dureza del cordón y la ZAC en una soldadura en Udimet 700. En la condición “as welded” la caída localizada de dureza en la ZAC se debe en este caso a la redisolución de la fase  ’ fina. La dureza aumenta hacia el cordón debido a la precipitación de  ’ fina durante el enfriamiento que se produce por la sobresaturación de Al y Ti como consecuencia de la disolución de la fase  ’ gruesa. El tratamiento de envejeci- miento completa el endureci- miento del cordón y de la ZAC.

19 Las aleaciones termoendurecibles de base Ni puede sufrir una tipo de fisuración denominado “PWHT cracking” o fisuración por tratamiento térmico post- soldadura. Esto se debe a que si bien durante la soldadura se produce solubilización, durante el calentamiento posterior por el tratamiento térmico de resolubilización puede producirse endurecimiento por precipitación y fisuración como se muestra esquemáticamente en la siguiente diapositiva. Este tipo de fisuración se inicia generalmente, aunque no siempre, en la ZAC pudiéndose propagar a regiones no afectadas por el ciclo térmico de soldadura. Las aleaciones endurecibles por precipitación de la fase  ’, con altos contenidos de Al y Ti son particularmente susceptibles a este tipo de fisuración. Varios mecanismos han sido propuestos que en general tienen que ver con la fragilización de los bordes de grano.

20 Representación esquemática del ciclo térmico conducente a fisuración por tratamiento térmico post-soldadura en aleaciones de Ni.

21 Efecto del contenido de Al y Ti sobre la susceptibi- lidad a la fisuración por tratamien- to térmico post- soldadura en distintas aleaciones termoen- vejecibles de base Ni

22 Fisuración por tratamiento témico post- soldadura en un “patch test” de Rene 41 y una micrografía SEM de la superficie de fractura mostrando la naturaleza intergranular de la fisuración(X 175).

23 Curvas “C” de susceptibilidad al PWHT cracking en Waspaloy y alloy 718

24 Fisuración por licuación constitucional en la ZAC de Udimet 700. Se produce por la interacción entre la matriz y los carburos precipitados tales como M6C y MC. Esta interacción resulta en la formación de un eutéctico en la interfase entre la matriz y el precipitado y su licuación a una temperatura inferior a la de sólidus de equilibrio de la aleación. Puede también observarse licuación intergranular.

25 La fisuración intergranular puede explicarse por la presencia de licuación constitucional a la temperatura de crecimiento de grano que resulta en bordes de grano interceptando dichas zonas licuadas con la consiguiente penetración del líquido en el borde de grano

26 El metal depositado es también susceptible a la fisuración por licuación en presencia de algunas impurezas, particularmente S debido a la formación de compuestos de bajo punto de fusión del tipo níquel/sulfuro de níquel, que tiene punto de fusión de 650ºC. El Si, Pb y el P también contribuyen a la fisuración en caliente por lo que son cuidadosamente controlados. Prácticamente todos los procesos de soldadura utilizados en la soldadura de aceros puede ser utilizados en la soldadura de aleaciones de Ni. Las diferencias fundamentales entre la soldadura de los aceros y las aleaciones de Ni son: Necesidad de cuidadosa limpieza de la zona a soldar. Metal de soldadura fundido muy viscoso Baja penetración

27 Comparación de la sección transversal de tres depósitos efectuados con distintos consumibles pero con los mismos parámetros de soldadura, donde se observa la baja penetración del electrodo de aleación 600

28 Composición nominal del metal de aporte puro obtenido con electrodos comúnmente utilizados para la soldadura de aleaciones de níquel Actualmente, más de 60 aleaciones de base Ni han sido clasificados por AWS/ASME como consumibles de soldadura y este número aumentará en el futuro

29 Una aplicación importante de las aleaciones de Ni es en las soldaduras de transición austenítico/ferrítico. Si bien inicialmente para esto se empleaban (y aún se utilizan) electrodos tipo 310 (25 Cr - 20 Ni) o del tipo 309 (23 Cr - 13 Ni), pueden ocurrir problemas con el primero en tratamientos térmicos o en el servicio a alta temperatura (>320ºC) debido a la tendencia inherente de estos depósitos a generar microfisuras que debido a la gran diferencia en el coeficiente de expansión térmica con respecto al material ferrítico se propagan como fisuras. El reemplazo de electrodos 310 por 309 en tales aplicaciones, aunque menos tolerantes a la dilución que los 310, reduce el problema de la formación de microfisuras ya que el material depositado contiene algo de ferrita delta, pero no impide eventuales problemas de fatiga térmica ya que persiste la gran diferencia entre los coeficientes de expansión térmica en la interfase.

30 En tales situaciones es frecuente hoy recurrir a aportes de la serie 600 (  72 Ni - 15 Cr - 8 Fe) o Inconeles, que tienen un coeficiente de expansión térmica intermedio entre los austeníticos y los ferríticos, lo que reduce las tensiones térmicas al repartirlas entre dos interfases siendo además menos sensibles a la dilución y a la microfisuración. Ejemplos de estos son los electrodos ENiCrFe-2 y ERNiCrFe-6 (Inconel 92) o el más reciente ENiCrFe-3 (Inconel 182) o el ERNiCr-3 (Inconel 82) que no endurece cuando se lo expone a servicios a alta temperatura (>700ºC) y no pierde ductilidad como ocurre con el Inconel 92.

31 A temperaturas superiores a 370ºC los depósitos conteniendo una relación alta Ni/Cr son susceptibles a corrosión por sulfuros por lo que en tal caso se emplean consumibles con mayor contenido de Cr y algo de Mo como la aleación 671 (ERNiCr-4 con  44%Cr) o la aleación 625 (ERNiCrMo-3 o ENiCrMo-3 con  22%Cr - 9%Mo). Esta última sin embargo no debe emplearse a alta temperatura (>540ºC) por problemas de fragilización con el tiempo. Para aplicaciones hasta 1000ºC se utiliza en general la aleación 617 con adiciones de Co (ENiCrCoMo-1 o ERNiCrCo-1), especialmente desarrolladas para esta aplicación. Los consumibles de la serie 600 son también empleados para la soldadura de aleaciones de la serie 800 (Incoloy  33%Ni -21%Cr - Fe) de uso difundido en refinerías y plantas químicas, ya que AWS/ASME no tiene aún clasificados electrodos de la serie 800, como ocurre en Europa.

32 La serie 400 (Monel  65%Ni - 30%Cu) tiene electrodos clasificados y por lo tanto de similar composición a la del material base. Un ejemplo importante es el electrodo ENiCu-7 o ERNiCu-7 utilizado para soldar la aleación 400, o esta con aceros o con otras aleaciones de níquel. Es necesario destacar si embargo que es necesario evitar confusiones con las denominaciones de las aleaciones de Ni. Por ejemplo, a veces se denominan Monel a aleaciones Cu-Ni con  70%Cu - 30%Ni a las que AWS/ASME clasifican (mas correctamente) como ECuNi o ERCuNi.

33 Diseños típicos de junta para solda- dura a tope de alea- ciones de níquel