Desarrollo de nuevas aleaciones con propiedades mejoradas al creep y a la oxidación

Las demandas del mercado, en términos de rendimiento y de coste, obligan al continuo desarrollo de nuevas aleaciones metálicas con características optimizadas, capaces de dar respuesta a aplicaciones cada vez más específicas y exigentes. Se trata de un proceso complejo y altamente técnico, que involucra un profundo conocimiento de la metalurgia de los materiales metálicos, sus propiedades y su comportamiento, así como el dominio de técnicas avanzadas de modelización y la capacidad de diseñar o de realizar ensayos que permitan evaluar de manera acelerada el desempeño de estos nuevos materiales.   

En aquellos sectores y aplicaciones en los que los equipos y/o componentes trabajan expuestos a entornos agresivos, como son los entornos corrosivos y las altas temperaturas que se dan en el sector energético o el Oil&Gas, conseguir nuevas aleaciones más resistentes a la oxidación y al creep (la deformación de tipo plástico que puede sufrir un material cuando se somete a temperatura elevada y durante largos periodos, aun cuando la tensión o esfuerzo aplicado sea menor que su coeficiente de resistencia a la fluencia) es una estrategia clave para mejorar su eficiencia y su durabilidad. 

El Centro de Investigación Metalúrgica AZTERLAN cuenta con una larga trayectoria y una amplia experiencia en el desarrollo de aleaciones con propiedades mejoradas. Parte de su actividad investigadora se centra en el desarrollo de nuevas aleaciones, férreas y no-férreas, así como de superaleaciones, dirigidas a distintos ámbitos específicos de aplicación y coordinada desde la línea de Corrosión y Protección de Materiales.

"Además de mejorar las propiedades y el comportamiento funcional de aleaciones ya conocidas, los nuevos materiales desarrollados deben ser competitivos en costes y debe de ser factible su proceso de producción para la aplicación industrial requerida."

Proceso de desarrollo de una aleación metálica más resistente al creep y a la oxidación

A la hora de abordar un reto tan específico como este, el equipo investigador tiene como punto de partida las aleaciones metálicas ya conocidas y aplicadas por la industria, así como su conocimiento experto sobre las propiedades y los procesos de transformación de metales y componentes metálicos.

La metodología de desarrollo pasa por los siguientes estadios:

• En un primer momento, se seleccionan aleaciones estandarizadas referentes, cuyo comportamiento es evaluado con el fin de identificar los elementos de mayor incidencia ante estos fenómenos. Estas aleaciones se someten a ensayos normalizados, como los realizados bajo las normas ASTM E139 (creep) o ISO 21608 (oxidación), o a ensayos de caracterización avanzada diseñados ex profeso, con objeto de evidenciar de manera rápida y eficaz su comportamiento ante los requisitos funcionales que se solicitan.

• Una vez identificados los elementos con mayor incidencia en la funcionalidad buscada (resistencia al creep y a la corrosión), se realizan procesos de simulación avanzada, tanto en el ámbito termodinámico como en el termoquímico, consiguiendo una predicción teórica de la formación, difusión y precipitación de elementos químicos, compuestos y fases, generalmente dependientes de los parámetros de proceso y del tiempo. De esta manera, se realizan ajustes mucho más eficaces en la composición química y si es necesario, en los procesos posteriores de tratamiento térmico. Los procesos de modelización son una herramienta clave para realizar una aproximación teórica relativamente precisa y ágil a las nuevas aleaciones, evitando un proceso experimental largo y costoso. 

• La última fase que se plantea consiste en la fabricación de aleaciones prototipo que, finalmente, serán sometidas a los mismos ensayos de funcionalidad previamente definidos (creep y de resistencia a la oxidación) para poder realizar un estudio comparativo y demostrar que, efectivamente, la nueva aleación diseñada mejora las propiedades buscadas..

Otros retos a tener en cuenta en el desarrollo e implantación de una nueva aleación

No obstante, el diseño químico de una nueva aleación y el cumplimiento funcional de ciertas exigencias no asegura por sí mismo la posibilidad de modificar las especificaciones de diseño de un componente.

Los nuevos materiales deberán demostrar que cumplen a su vez con otros requerimientos (geométricos, de proceso, económicos, …) y que el desarrollo de componentes específicos es igualmente viable. Introducir una aleación disruptiva o muy novedosa en el mercado requiere, en muchos casos de complejos procesos de homologación. Sin embargo, las normas de los materiales permiten generalmente unas horquillas de trabajo tales, que posibilitan combinaciones muy variadas con la capacidad de mejorar determinadas características sin tener que pasar por estos procesos tan largos y costosos.