Universidad San Francisco de Quito

Nombres: Jacqueline Lincango 116506 / Juan F. Vásquez 00208549.

Fecha de entrega: 3 de febrero de 2022.

Desgaste, Corrosión y Falla

Corrosión a Alta Temperatura de Inconel 718

INTRODUCCIÓN:

El Inconel 718 es una superaleación austenítica perteneciente a la familia de Super Metales cuya
base es de níquel y cromo. Tiene varias composiciones y propiedades como gran resistencia
mecánica y a la corrosión a altas temperaturas de hasta 650 °C. El Inconel 718 se endurece
mediante la precipitación y contiene grandes cantidades de niquel (55%), hierro (6%), niobio
(6%) y molibdeno (3%) y pequeñas cantidades de aluminio y titanio. Otras incluyen cobalto,
cobre, tungsteno para mejorar la resistencia mecánica.

Es una aleación que se creó en 1959 y su uso industrial empieza en 1965. La fabricación de
piezas en esta aleación es un compleja debido a su mecanizado, por lo que se debe utilizar
técnicas de conformado de tipo “near net shape forming”. (Amandine, 2005)

PROPIEDADES DEL IN-718 Y SUS USOS.

Propiedades mecánicas

• Resistencia a la tracción: La resistencia máxima a la tracción de Inconel 718 depende

del proceso de tratamiento térmico y tiene un aproximado de 1200 MPa.
• Límite de elasticidad: El Límite elástico de Inconel 718 depende de igual forma del
proceso de tratamiento térmico con un aproximado de 1030 MPa.
• Módulo de Young: El Módulo de Young de Inconel 718 es de 200 GPa.
• Dureza: La dureza Brinell de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de
tratamiento térmico y tiene un aproximado de 330 MPa.

Propiedades térmicas
Las propiedades térmicas hacen referencia a los cambios de temperatura y a la aplicación
de calor y son las siguientes:
• Punto de fusión: Es de alrededor de 1400°C.
 • Conductividad térmica: La conductividad térmica es de 6,5 W/(mK). (Nuclear Power,
2018).

A continuación, se muestra una figura con las propiedades resumidas:

Figura 1 Propiedades de Inconel 718

Usos:
Al principio, se lo creó con el objetico de utilizarlos en los motores de pistón de aviones. En la
actualidad, la aplicación más común es en componentes de turbinas de aviones, los cuales tienen
que resistir ambientes muy oxidantes y muy altas temperaturas durante mucho tiempo. Otras
aplicaciones incluyen:
• Procesos químicos.
• Industria aeroespacial.
• Componentes de combustible líquido en motor de cohete.
• Equipo de control de polución.
• Reactores nucleares.
• Tanques de almacenamiento criogénico.
• Válvulas, tornillería, resortes, mandriles, y ganchos para tubos.
• Equipo para terminado de cabezal en pozos y cierre de emergencia (BOP’s)
• Partes del motor de turbinas de gas. (Nuclear Power, 2018).
DESCRIPCIÓN DE MÉTODOS PARA EVALUAR CORROSIÓN A ALTA
TEMPERATURA.
1) Método de ensayo para evaluar la corrosión a alta temperatura de materiales metálicos
mediante la incorporación de sal, cenizas u otros sólidos.
Este método se realiza mediante la norma ISO 17248 la cual es una norma internacional que se
centra en la corrosión a altas temperaturas que se produce en materiales que están en contacto
directo con sustancias corrosivas sólidas, conocida en forma general como corrosión bajo
depósito.
Por lo que se considera un material metálico incrustado por completo o de manera parcial en un
polvo corrosivo el cual es abundante y permanece en estado sólido durante la exposición a altas
temperaturas en un entorno de gas controlado para evaluar su resistencia a la corrosión.

Como se mencionó previamente existen dos opciones de aplicación embebido total o

parcialmente. Esta última tiene la ventaja de que se puede investigar en 3 zonas de interacción
en una sola pieza y son la parte incrustada, la parte no incrustada y la región interfaz de gas o
polvo. Por otro lado, la inmersión de la sal fundida u otro líquido se establece mediante la
norma ISO 17245 y la aplicación de sal u otras sustancias bajo la norma ISO 17224, que no
incluyen en el presente ensayo.

Procedimiento:
Las mediciones de cambio de masa se realizan con probetas integradas. En este caso se realizan
con 3 probetas de cada material, las dos primeras determinarán el cambio de masa y la tercera
para observar la superficie o la sección transversal.

Reactivos y materiales:
• Probetas:
Las probetas para la integración deben tener una forma rectangular con una superficie mínima
de 300 mm2 y un espesor mínimo de 1.5mm. Por otro lado, las probetas para el empotramiento
parcial deben tener forma de una placa rectangular con una longitud mínima de 60mm y un
espesor mínimo de 1.5mm. Luego estas probetas deben ser mecanizadas para eliminar los
estratos afectados por el corte. El acabado final de la superficie se debe realizar mediante
abrasivos con un diámetro de 15 micras en sus partículas. A continuación, la designación y
diámetro de las partículas de abrasivos recubiertos según las normas regionales:
 Tabla 1 Designación y diámetro medio de las partículas de abrasivos recubiertos según las normas regionales.

Diámetro medio
Estándar Designación Región
µm

a
FEPA 43-1984 R 1993: Tamaños de grano para abrasivos recubiertos
P1200 15,3 ± 1,0 Europa

ISO 6344 Abrasivos recubiertos - Análisis del tamaño del grano

JIS R6001–87 #1000 15,5 ± 1,0 Japón

ANSI B74.12-92 - Especificaciones para el tamaño del grano abrasivo

600 16,0 América
- Muelas, pulido y usos industriales generales

Federación
de Productores Europeos de Abrasivos.

Los bordes afilados de las probetas pueden crear un comportamiento anómalo. Por lo que se
recomienda redondearlas ligeramente durante las fases finales de preparación de la probeta.
Después de desengrasar por ultrasonidos el isopropanol o el etanol, las probetas se secarán al
aire caliente o en un desecador.

• Polvo corrosivo:

El tipo de polvo se seleccionará de acuerdo con el entorno que se destine el ensayo. Este se
puede preparar al tomar cenizas o mezclando sustancias químicas de grado reactivo. El
tamaño de las partículas de polvo no debe excederse de las 100 micras. Se debe tomar en
cuenta que, al trabajar con sustancias peligrosas, se deben tomar todas las medidas
necesarias de seguridad.

Equipos de Ensayo.

• Diseño del aparato:

El aparato estará compuesto de un dispositivo de regulación de la temperatura para calentar

todas las probetas a una temperatura uniforme. El dispositivo de calentamiento estará
equipado con una porción de ensayo capaz de separar las probetas del aire exterior. El
suministro de gas se controlará mediante un caudalímetro de gas. Un diseño básico de un
aparato cerrado, horizontal, se muestra en la siguiente figura:
 Figura 2 Equipo que utiliza un horno horizontal

1. entrada de gas de prueba

2. cámara de pruebas
3. unidad de calefacción
4. crisol
5. probeta
6. sustancia corrosiva
7. termopar
8. salidas de gas

• Monitoreo de temperatura:

El dispositivo de regulación de la temperatura deberá ser capaz de garantizar que la

temperatura de la probeta se mantenga dentro del intervalo admisible que muestra la
siguiente tabla:

Tabla 2 Tolerancia admisible de la temperatura de las probetas

Rango de temperatura, °C ≤300 300 a 600 600 a 800 800 a 1 000 1 000 a 1 200 >1 200

Tolerancia a la
temperatura, °C ±2 ±3 ±4 ±5 ±7 De acuerdo
 • Suministro de gas:

El sistema de alimentación de gas deberá poder suministrar los gases de ensayo a un caudal
constante a la cámara de la probeta. La línea de gas entre el regulador de humidificación y
la cámara de ensayo se mantendrá por encima del punto de rocío para evitar la
condensación. El caudal de gas se controlará mediante un caudalímetro de gas. El
caudalímetro se situará lo más cerca posible de la entrada de la cámara de ensayo.

Procedimiento:

Cada crisol contendrá una sola pieza de ensayo y los crisoles se hornearán al aire para eliminar
los compuestos volátiles antes de su primer uso. La condición de cocción recomendada es de al
menos 24 h a una temperatura de 1 000 °C.

Para los ensayos de incrustación completa, se colocará una capa de al menos 3 mm de polvo
corrosivo en el crisol y la parte superior del polvo se aplanará aplicando una presión uniforme
Una vez colocada la probeta sobre el lecho de polvo, el polvo adicional se colocará encima de la
probeta para cubrirla con una capa de polvo de al menos 3 mm de espesor. Por último, la capa
superior se aplanará mediante el procedimiento descrito anteriormente. La distancia entre la
parte superior del polvo y la parte superior del crisol no debe exceder los 3 mm.

Los ensayos de incrustación parcial se colocarán en posición vertical en crisoles con una altura
de al menos la longitud de los ensayos y un diámetro que deje al menos 5 mm en cada borde de
los ensayos. El polvo corrosivo se rellenará en los crisoles hasta la mitad de la altura de las
piezas de ensayo y su capa superior se aplanará mediante el procedimiento descrito
anteriormente.

Las piezas serán colocadas como se muestra a continuación:

Figura 3 Pieza de ensayo totalmente incrustada y parcialmente incrustada en polvo corrosivo.

1. Crisol
2. pieza de prueba
 3. polvo corrosivo
a. Máximo. 3 mm.
b. Mín. 3 mm.
c. Mín. 5 mm.

Método de calentamiento:

Las piezas de ensayo de los crisoles se colocarán en el horno a temperatura ambiente o a

temperatura de ensayo. Cuando las piezas de ensayo se carguen en un horno frío, el
calentamiento se efectuará en el gas de ensayo. Cuando las piezas de prueba se cargan en un
horno caliente, se puede utilizar un flujo de gas inerte durante el procedimiento de carga. El
calentamiento se llevará a cabo de manera que la temperatura de las piezas de ensayo no supere
el límite superior del intervalo admisible.

Duración de la prueba:

El ensayo empieza cuando la temperatura de la pieza de ensayo supera el 97 % de la

temperatura deseada y finaliza cuando la temperatura de la probeta cae por debajo del 97 % de
la temperatura. Por lo que, todo el tiempo de exposición será de al menos 300 h.

Enfriamiento de piezas

Si se utiliza la refrigeración del horno, se llevará a cabo en el gas de ensayo hasta 200 °C y se
registrará el tiempo de enfriamiento hasta 50 °C. Las piezas de prueba también se pueden retirar
del horno a temperatura de prueba. (ISO, 2015).

2) Mecanismo de corrosión en caliente en recubrimientos de barrera térmica de suspensión

multicapa pulverizados por plasma. Gd2Zr2O7 / YSZ en presencia de V2O5 + Na2SO4

Para este método se estudian varias capas cuyos recubrimientos fueron fabricados por
pulveración por plasma. Los ensayos de corrosión se realizaron a 900 °C durante 8 h utilizando
V2O5 y Na2SO4 como sales corrosivas a una concentración de aproximadamente 4 mg/cm2.

Estos recubrimientos se emplean ampliamente en turbinas de gas para proteger componentes

que funcionan a altas temperatura y se depositan típicamente mediante tecnología de
pulverización térmica utilizando polvo como materia prima. Las placas cuando se exponen a las
duras condiciones de la turbina de gas sufren regularmente de oxidación y / o corrosión

Materiales:

Los sistemas TBC estudiados en este trabajo consistieron en sustrato Hastelloy X. La

superficie superior es una barra de forma rectangular, de 50x 9x 30 mm y 5 mm de espesor,
que fue granallada utilizando partículas de aluminio de 220 de tamaño de grano, y se obtuvo
una rugosidad superficial (Ra) de 3 lm En la parte superior de los sustratos se depositó una
capa de enlace metálico utilizando el sistema de combustible de aire de alta velocidad (HVAF)
para obtener un espesor nominal de 220 lm. El material de la capa de enlace utilizado fue
AMDRY 9951 (Co32Ni17Cr8Al0.5Y).

Procedimiento
Las pruebas de corrosión se las realizar al utilizar una mezcla de pentóxido de vana-dium
(V2O5) y sulfato de sodio (Na2SO4) en una proporción de 55:45 % en peso. Las sales se
mezclan manualmente y se extienden sobre la superficie del recubrimiento para obtener una
concentración de aproximadamente 4 mg / cm2. Las muestras se colocaron posteriormente en el
horno ya calentado a 900 °C, durante 8 horas, después se debe retirar y dejar enfriar en el aire.
(Praveen,etc, 2016).

3) Comportamiento de corrosión en caliente de los recubrimientos HVOF pulverizados 700

°C y 900 °C.
Para este método se utilizaron recubrimientos para tubos de caldera conocidos como as-
sprayed, cuyo método de corrosión en caliente se realizó por medio de sales fundidas de
Na2SO4–60 % V2O5 durante 50 ciclos a 700 °C o 900 °C. seguido de 20 min de enfriamiento
a temperatura ambiente. Se utilizó tecnología termogravimétrica para establecer la cinética de
la corrosión en caliente de los aceros no recubiertos y recubiertos. Se utiliza el proceso de
HVOF que es una pulverización térmica casi nueva que ofrece recubrimientos con mayor
resistencia y dureza. (Sidhu,2006).

Procedimiento
El polvo Cr3C2-NiCr se debe alear con un 5 % de silicio. Se deben realizar las pruebas de
corrosión en caliente termo cíclicas y los aceros de tubo de caldera recubiertos y no recubiertos
de Si al 5 % se los debe fundir en entorno de sales de Na2SO4–60 % V2O5 durante 50 ciclos a
700 °C.

Materiales:
La Superaleación a base de Fe designada como Superfer 800 (Grado Midhani), el acero al
cromo moly y el acero austenítico designado como MDN 310 (Grado Midhani) se utilizaron
como materiales de sustrato. Estos materiales se emplean para aplicaciones en equipos de
hornos, calderas de vapor y tubos de súper calentadores en centrales eléctricas de carbón.
Equipo

La pulverización HVOF se ha llevado a cabo utilizando un equipo HIPOJET 2700 que utiliza el
chorro supersónico generado por la combustión de gas licuado de petróleo y mezcla de oxígeno
(Somasundaram,etc, 2014).

MÉTODOS USADOS PARA EVALUAR LA CORROSIÓN.

Previo a la utilización de los siguientes métodos de evaluación, el material a ensayar debe

ser preparado como se indicó anteriormente en este documento y ser sometido a un proceso
de corrosión cíclica dentro de un horno.

- Weight change measurements.

La corrosión debido a la degradación de las propiedades de un material cuando es

expuesto a un ambiente corrosivo (Ali & Ali Fulazzaky, 2019), provoca una pérdida
de material. Dicho cambio en la masa del material es medido en los ensayos de
laboratorio, en donde dentro de un horno se recrea un ambiente corrosivo
cíclicamente y se evalúa el peso de la probeta en las diferentes etapas del ensayo
mediante una balanza, comúnmente digital, con una tolerancia definida.

- X-ray Diffraction (XRD)

Las especies constituyentes de los productos de la corrosión de un metal son

identificadas mediante la difracción de rayos X (Takahashi, y otros, 2005). Este
ensayo se realiza mediante la incidencia de rayos X sobre la probeta en cuestión,
dicha radiación se propaga por el material de acuerdo a la naturaleza de los
elementos de los que están compuestos los productos presentes en el metal corroído.
Dado a que se conoce la magnitud de la amplitud de cada uno de los productos, se
puede determinar cuál es la composición de estos de acuerdo con los patrones de
difracción de rayos X.

- X-ray Mapping

El mapeo de las distribuciones elementales oscuras sobre la superficie de un

espécimen se puede generar por medio de las señales características de la incidencia
de rayos X en función de la posición de estos (Friel & Lyman, 2004). Las diferentes
formaciones en la superficie de la probeta ensayada son observadas y se determina
 la presencia de ciertos compuestos según su incidencia y con ello se obtiene un
mapeo de las áreas que han abarcado los compuestos (Jung & Choo, 2020).

- Scanning electron microscopy (SEM)

Este método brinda información de la morfología exterior de un espécimen en

cuestión por medio de la aceleración de electrones. La interacción entre la probeta y
el haz de electrones genera una variedad de señales cuando los electrones son
desacelerados, lo que produce las imágenes del ejemplar (Farré & Barceló, 2012).
Los productos de la corrosión son identificados mediante el SEM.

- Field emission scanning electron microscope (FESEM)

El principio de funcionamiento de este microscopio funciona de manera similar al

SEM, la diferencia es que el FESEM genera el haz de electrones mediante un cañón
de emisión de campo. La formación de productos de la corrosión es observada
mediante este método ya que este brinda una mayor resolución y calidad de imagen.

- Electron Probe Microanalysis (EPMA)

Este ensayo no destructivo, funciona de igual manera mediante el bombardeo de un

haz de electrones sobre el material en cuestión, lo cual provoca la emisión de rayos
X con longitudes de onda características de cada uno de los elementos que se
generan en la superficie de la probeta(Goodge, 2020), como producto de la
corrosión.

RESULTADOS RELEVANTES ENCONTRADOS EN PAPERS.

- Luego de corrosión caliente (900 °C) en sal fundida, la aleación IN-718 ha presentado
productos de la corrosión desde el quinto ciclo, los cuales se intensificaron con el
avance del ensayo, mostrándose en forma de chisporroteos y astillamientos (Kamal,
Jayaganthan, & Prakash, 2010).
- El color del espécimen durante los ciclos iniciales al principio fue de un color gris
oscuro, y progresivamente, se formaron parches de color gris claro en torno al mismo.
Se formó una escala de grises claros y oscuros en los bordes de la muestra, con la
aparición de varios puntos blancos (Kamal, Jayaganthan, & Prakash, 2010).
- La ganancia de peso por unidad de área en la aleación IN-718, medida en miligramos
por centímetro cuadrado (mg/cm2), tuvo un comportamiento parabólico a partir del ciclo
numero veinticinco, y cesó desde el ciclo número 70. Entre ambos ciclos mencionados
 anteriormente, los productos de la corrosión empezaron a caer de la probeta a medida
que el chisporroteo y astillamiento se intensificaron.
- Por medio de la difracción de rayos X, se pudieron observar los patrones de difracción,
en donde las principales fases que se identificaron fueron óxido de níquel (NiO), óxido
de titanio (TiO2), NiFe2O4, Ni(VO3)2, NiCr2O4, y 𝛾-Fe2O3 (Kamal, Jayaganthan, &
Prakash, 2010).
- De la figura 4, se puede observar que la ganancia de peso por corrosión caliente es
mayor, por alrededor del doble, que la de la oxidación cíclica, en el caso de la aleación
IN-718.

Figura 4. Diagrama de barras de la ganancia de peso por unidad de área para las aleaciones mostradas sometidas a
corrosión caliente y oxidación cíclica (Kamal, Jayaganthan, & Prakash, 2010).

- La escala de morfología superficial muestra que, mediante micrografías con FESEM de

la aleación después de la oxidación cíclica, el Cr2O3 es la fase de óxido con mayor
abundancia. Se muestra la micrografía en la figura 5.

Figura 5. Análisis con FESEM de la aleación IN-718 (Kamal, Jayaganthan, & Prakash, 2010).
- Del mapeo con rayos X, se pudo observar la escala superficial de la aleación luego de la
corrosión caliente consiste principalmente de hierro y níquel (Figura 6).

Figura 6. Mapeo con rayos X mediante FESEM (Kamal, Jayaganthan, & Prakash, 2010).

- Durante el proceso de oxidación, el níquel y el hierro depositados en la superficie del

espécimen fueron oxidados y sirven de protección hasta cierta extensión, por debajo el
cromo también es oxidado y forma una capa continua de Cr2O3, la cual es la que brinda
mayor resistencia a la corrosión caliente en sulfatos fundidos.
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