Los materiales que se utilizan por poseer unas propiedades específicas que les hacen operar a temperaturas por encima de los 500ºC se les define como “materiales para alta temperatura” [11]. Estas propiedades abarcan desde las mecánicas hasta las de resistencia a la corrosión.
El uso de estos materiales es de gran importancia en muchos sectores industriales, como por ejemplo el procesado de materiales, químico, energético, transporte y aeroespacial, ya que en la mayoría de los casos un aumento de la temperatura de operación implica una mayor eficiencia en los procesos.
En el estudio y diseño de un material para alta temperatura, igual de importante es la temperatura máxima de operación, como el tiempo al que esté sometido a esas condiciones, así por ejemplo, las toberas de un cohete espacial sufren temperaturas de 3000ºC durante unos minutos, mientras que, componentes de plantas de generación de energía están sometidos a temperaturas de alrededor de 600ºC durante 100.000 horas [11]. En la figura I.1 se expone un diagrama de temperatura de operación-vida en servicio para materiales en varias aplicaciones industriales.
En general, el trabajar a temperatura más elevada implica una mayor eficiencia en el proceso, confiriendo así una rentabilidad mayor. Pero puede repercutir negativamente sobre el comportamiento del material, pudiéndose producir, por ejemplo, más problemas de corrosión, un mayor deterioro mecánico por procesos de fatiga o ruptura. Las industrias más destacables en que la óptima selección y diseño de materiales es crucial, el rango de operación de temperatura es elevada.
• Aeroespacial • Petroquímica • Cerámica • Electrónica • Automoción • Papelera • Pirometalurgia • Tratamiento de residuos • Generación de energía • Nuclear
Por otro lado, las diferentes aplicaciones que requieren materiales para alta temperatura deberán exigir a los materiales el mantenimiento de unas determinadas propiedades tanto mecánicas como de resistencia a la corrosión a esas temperaturas de trabajo.
La tendencia de muchos procesos industriales y aplicaciones es la de aumentar la temperatura en servicio con el fin de obtener mayores rendimientos. Así, en las plantas de producción energética, la tendencia actual pasa por aumentar la temperatura y presión del vapor en las turbinas de vapor (se consigue aumentar el rendimiento del proceso en un 15% aumentando la temperatura 110ºC y la presión 10 MPa [12]), pero sin disminuir la vida en servicio de los componentes de la planta, siendo así imprescindible el uso de materiales de altas prestaciones en áreas determinadas [13].
Dentro de los materiales para alta temperatura se encuentran los metálicos, los cerámicos y los materiales compuestos. A continuación se exponen los materiales para alta temperatura más representativos de cada uno de los tipos anteriores, y en la tabla I.I se muestran, dentro de los principales, algunos ejemplos con el rango de temperatura de operación que normalmente soportan.
Figura I.1. Diagrama temperatura-vida en servicio de materiales en diferentes aplicaciones. 0 1000 2000 3000 4000 100 101 102 103 104 105 106 V ida en serv icio (h) Temperatura operación (ºC) Turbinas de vapor Petroquímica
Turbinas de gas industriales
Motor a reacción Filamentos de lámparas Calentamiento eléctrico de hornos y equipamiento industrial Nave espacial hipersónica Nave espacial Apolo
Inyectores de cohete 0 1000 2000 3000 4000 100 101 102 103 104 105 106 V ida en serv icio (h) Temperatura operación (ºC) Turbinas de vapor Petroquímica
Turbinas de gas industriales
Motor a reacción Filamentos de lámparas Calentamiento eléctrico de hornos y equipamiento industrial Nave espacial hipersónica Nave espacial Apolo
Inyectores de cohete
Turbinas de vapor
Petroquímica
Turbinas de gas industriales
Motor a reacción Filamentos de lámparas Calentamiento eléctrico de hornos y equipamiento industrial Nave espacial hipersónica Nave espacial Apolo
Inyectores de cohete
• Aceros. Los aceros utilizados en aplicaciones a alta temperatura han sido desarrollados para solucionar problemas mecánicos, de corrosión y de
oxidación. Los aceros ferrítico-martensíticos con un 9-12 % en cromo cumplen bien el primer requerimiento mecánico [14, 15], aunque sufren cierto deterioro por oxidación. Sin embargo, en los aceros austeníticos, el requerimiento fundamental es la resistencia a la oxidación y a la corrosión [16-18].
• Fundiciones. Son usadas como materiales de alta temperatura en numerosos componentes estructurales de hornos, contenedores, maquinaria
pesada, junto con otros materiales específicos. Las principales ventajas que presentan son el bajo coste, fácil conformado y buena resistencia a la
erosión [19, 20].
• Aleaciones base níquel. La característica fundamental de este tipo de materiales es su alta resistencia a la corrosión a elevada temperatura, y
actualmente, se están desarrollando nuevas aleaciones para aumentar la resistencia mecánica y la capacidad de operar a mayores temperaturas [21, 22].
• Aleaciones base cobalto. El uso más específico es en componentes estructurales como turbinas de gas o conductos de motores de la industria aeronáutica comercial y militar, combinando su resistencia mecánica a temperaturas elevadas y la buena resistencia a fenómenos de corrosión en caliente “hot corrosion”, durante la vida en servicio [23].
• Metales refractarios. En este tipo de materiales se engloban metales como el molibdeno, wolframio, tantalio o niobio, que son utilizados a temperatura muy alta, debido a su elevado punto de fusión y alta densidad [24].
• Aleaciones base titanio. Son materiales interesantes desde el punto de vista estructural ya que su relación resistencia mecánica/peso es elevada y tienen buena resistencia a la corrosión, siendo su principal campo de aplicación la industria aeronáutica [25-27].
• Materiales intermetálicos. La principal ventaja que presentan este tipo de materiales radica en la resistencia a la corrosión, teniendo el inconveniente de la fragilidad, para ser aplicados como materiales estructurales. Dentro de este
grupo de materiales, destacan los aluminuros de titanio [28], de níquel [29] y de hierro [30].
• Cerámica refractaria. Su principal aplicación se centra en el revestimiento de hornos y contenedores de metales fundidos, donde la integridad estructural y resistencia a la corrosión es crucial.
• Cerámica ingenieril. Su mayor aplicación en ingeniería se centra, por un lado, en la resistencia estructural a temperaturas muy elevadas y por otro, en la gran resistencia al choque térmico. Las más importantes son la alúmina, la circonia y el carburo y nitruro de silicio [31].
• Materiales compuestos. El desarrollo de los materiales compuestos para aplicaciones a elevadas temperaturas implica la búsqueda o la mejora de alguna propiedad que no aporte un material por sí solo. Este tipo de materiales, históricamente, han sido utilizados ampliamente en las industrias aeronáutica y aeroespacial, siendo los más importantes los materiales compuestos de matriz metálica como aluminio, cobre, níquel y titanio reforzados con cerámicos, como los materiales compuestos carbono y carbono/carbono (grafito, fibra…), de matriz cerámica o de matriz intermetálica, que se pueden utilizar en aplicaciones a elevadas temperaturas.
Tabla I.I. Temperaturas de operación de diferentes materiales considerados para alta temperatura.
Material Temperatura de operación (ºC)
Metálicos
• Superaleación base níquel 250-1000
• Aleación base titanio 300-650
• Aleación base aluminio 200-300
• Metales refractarios 650-1850 Cerámicos • Carburo de silicio 1100-1500 Compuestos • Ti MMC ( refuerzo de SiC ) 100-500 • Nicalon/SiC 1000-1550 • Carbono/carbono 950-2250
I.1.2. REQUERIMIENTOS DE LOS MATERIALES DE ALTA TEMPERATURA.
La selección de materiales que vayan a operar a temperatura elevada implica, una búsqueda del equilibrio entre los requerimientos de operación que se ha de exigir al componente y la viabilidad económica, un factor fundamental, que en la mayoría de los casos hace que se elijan materiales a priori menos capacitados para desempeñar con el mayor éxito posible el requerimiento que se les exige, pero que su reemplazo tras un tiempo de vida menor resulta más rentable.
Los criterios fundamentales de selección han de estar relacionados con la resistencia química al medio ambiente en que vayan a operar, el comportamiento mecánico o las propiedades físicas específicas para una aplicación determinada.
I.1.2.1. Requerimientos mecánicos.
En el estudio de los requerimientos mecánicos que son necesarios exigir a los materiales que operan a alta temperatura se van a analizar, primeramente, los principales problemas que se encuentran al trabajar a esas temperaturas, y porteriormente, se profundizará en el estudio de los aceros ferrítico-martensíticos. Éstos son utilizados como materiales estructurales a temperaturas elevadas y en particular en las plantas de generación de energía y en partes de las turbinas de vapor, debido a sus excelentes propiedades mecánicas, especialmente su alta resistencia a la fluencia en caliente.
Los principales problemas mecánicos que pueden aparecer en un material que trabaja a temperaturas elevadas son la deformación a tiempo cero, la fluencia en caliente, la fatiga mecánica, termomecánica y procesos de corrosión fatiga.