Polvo de aleación de níquel

Polvo de aleación de níquel se refiere a las formas pulvimetalúrgicas de diversas aleaciones a base de níquel. Estos polvos pueden transformarse en componentes acabados mediante técnicas de consolidación de polvos como el prensado isostático en caliente y el moldeo por inyección de metales. Las aleaciones de níquel en polvo se caracterizan por su alta resistencia, resistencia a la corrosión, altas temperaturas y otras propiedades especiales.

Tipos de aleaciones de níquel en polvo

Las aleaciones de níquel son materiales complejos con composiciones precisas adaptadas para conseguir determinadas características. Los tipos de polvo de aleación de níquel más comunes son:

Aleación	Contenido en níquel	Otras aleaciones	Propiedades clave
Superaleaciones a base de níquel	Más de 50%	Cromo, cobalto, molibdeno, wolframio, aluminio, titanio	Alta resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación
Aceros inoxidables	8-32%	Hierro, cromo, molibdeno	Resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas
Aleaciones de baja dilatación	36-50%	Hierro, cromo, cobalto	Expansión térmica extremadamente baja
Aleaciones magnéticas	Hasta 79%	Hierro, molibdeno	Elevada permeabilidad y magnetización de saturación
Aleaciones de resistencia	10-30%	Cromo, aluminio, cobre	Alta resistividad eléctrica

Los polvos de aleación de níquel abarcan una amplia gama de variedades composicionales en función de las propiedades del material objetivo que se necesiten. Adaptar la microestructura es fundamental.

Métodos de producción para Polvos de aleación de níquel

Varias técnicas permiten producir polvo de aleación de níquel para consumo industrial:

• Atomización - Las aleaciones fundidas se introducen en un flujo de gas a alta presión y se solidifican rápidamente en polvo
• Electrólisis - Proceso electrolítico acuoso para la obtención directa de polvo a partir de placa
• Proceso carbonílico - Exposición al gas monóxido de carbono a bajas temperaturas/presiones

La atomización es el método más común, ya que permite mayores volúmenes y costes de producción más baratos. En la tabla siguiente se describen algunos pros y contras de cada ruta de producción de polvo de aleación de níquel:

Método	Ventajas	Desventajas
Atomización	Mayor producción y menores costes	Menos control sobre la morfología del polvo
Electrólisis	Buena homogeneidad química	Ritmo de producción lento
Carbonilo	Pureza ultra alta	Aleaciones limitadas, menor densidad

El control de la distribución del tamaño de las partículas, la morfología, el contenido de óxidos y la microlimpieza también son consideraciones de calidad clave durante la fabricación.

Aleación de níquel Composición del polvo

Como ya se ha indicado, las aleaciones de níquel contienen níquel más otros elementos para conseguir los atributos deseados. He aquí algunas composiciones típicas:

Superaleaciones de níquel

Elemento	Peso %
Níquel	50-80%
Cromo	10-25%
Aluminio	0-6%
Titanio	0-5%
Cobalto	0-15%
Molibdeno	0-12%
Tungsteno	0-12%
Hierro	0-10%

Polvos de acero inoxidable

Elemento	Peso %
Níquel	8-32%
Cromo	11-27%
Molibdeno	0-6%
Manganeso	0-2%
Silicio	0-1%
Nitrógeno	0-0.25%
Hierro	Saldo

Aleaciones de baja dilatación

Elemento	Peso %
Níquel	34-38%
Hierro	39-41%
Cromo	19-23%
Cobalto	12-15%

Los porcentajes de peso pueden variar considerablemente incluso dentro de la misma familia de aleaciones para crear versiones con atributos específicos.

Características de los polvos de aleaciones de níquel

Las principales características de los polvos de aleación de níquel son:

• Tamaño de las partículas: Normalmente de 10 a 45 micras
• Morfología: Formas esféricas, satélites, irregulares
• Densidad aparente: Hasta 65% de densidad aparente de la aleación
• Fluidez: Efectos comportamiento de llenado del molde
• Contenido de óxido: Afecta a la consolidación y a las propiedades
• Microlimpieza: Presencia de huecos, grietas o inclusiones

El control de estas características del polvo mediante una fabricación optimizada es esencial para la coherencia de los métodos posteriores de procesamiento del polvo.

Aplicaciones de Polvos de aleación de níquel

Los polvos de aleaciones de níquel se utilizan en todos los sectores en los que se necesitan materiales de alto rendimiento con propiedades especializadas:

Superaleaciones de níquel

• Álabes de turbina
• Cámaras de combustión de motores de cohetes
• Reactores nucleares
• Equipos de procesamiento químico

Polvos de acero inoxidable

• Bombas y válvulas
• Componentes marinos
• Equipos de procesamiento de alimentos
• Instrumental quirúrgico
• Equipos de mezcla

Aleaciones de baja dilatación

• Instrumentos de precisión
• Espejos ópticos y soportes
• Envases electrónicos
• Compuestos aeroespaciales

Aleaciones magnéticas

• Núcleos magnéticos
• Sensores magnéticos
• Actuadores
• Motores eléctricos

Aleaciones de resistencia

• Elementos calefactores
• Resistencias
• Termopares
• Componentes de la batería

Los polvos de aleación de níquel permiten fabricar componentes pequeños y complejos con propiedades superiores a las formas forjadas.

Métodos de consolidación de polvos de aleaciones de níquel

Las técnicas habituales para consolidar polvos de aleaciones de níquel en piezas sólidas incluyen:

• Moldeo por inyección de metal (MIM): Aglutinante mezclado con polvo, moldeado y, a continuación, descortezado y sinterizado.
• Prensado isostático en caliente (HIP): Aplicación de calor elevado y presión isostática para compactar el polvo
• Fabricación aditiva: Técnicas de impresión 3D como el chorro de aglutinante y la deposición de energía dirigida.

El MIM produce grandes volúmenes de geometrías pequeñas y complejas a bajo coste. El HIP ofrece una densidad casi total y resultados de forma neta. Las técnicas aditivas ofrecen la mayor libertad de diseño.

Cada proceso de consolidación tiene su propio conjunto de características del polvo recomendadas para obtener resultados óptimos:

Proceso	Tamaño ideal de las partículas	Morfología	Densidad aparente
Moldeo por inyección de metales	10-20 micras	Esférica	Más de 50%
Prensado isostático en caliente	15-45 micras	Irregular	Más de 40%
Fabricación aditiva	15-45 micras	Esférica	Más de 40%

Especificaciones de los polvos de aleación de níquel

Los polvos de aleación de níquel de calidad industrial deben cumplir los límites de composición y los parámetros de calidad establecidos en diversas especificaciones internacionales:

Estándar	Descripción
ASTM B168	Níquel sin alear Calidades en polvo
AMS 2249	Aleaciones de níquel en polvo
ISO 4490	Polvos atomizados con gas
ASTM B214	Sistema de clasificación
ISO 22068	Especificaciones de los polvos MIM

Estas normas ayudan a definir los límites de composición química, los niveles aceptables de impurezas/inclusiones, las expectativas de distribución del tamaño de las partículas, los intervalos de densidad aparente y otros parámetros críticos que influyen significativamente en el rendimiento.

Proveedores de aleaciones de níquel en polvo

Entre los principales proveedores mundiales de diversos polvos de aleaciones de níquel figuran:

Empresa	Productos clave	Capacidad de producción	Precios
VDM Metales	Superaleaciones de níquel, aleaciones de baja expansión	10.000 toneladas al año	$50+ por kg
Sandvik Osprey	Aceros inoxidables, aceros martensíticos	15.000 toneladas al año	$12-$40 por kg
Hoganas	Aceros inoxidables, aleaciones magnéticas	25.000 toneladas al año	$5-$25 por kg
AMETEK	Aleaciones para calentamiento por resistencia	7.000 toneladas al año	$30-$100 por kg
CNPC Polvo	Superaleaciones de níquel	5.000 toneladas al año	$150+ por kg

Los precios varían en función de la complejidad de la aleación, las características del polvo, el método de producción utilizado, las necesidades de personalización, así como la demanda/capacidad del mercado.

Ventajas de los polvos de aleación de níquel

Principales ventajas de utilizar aleaciones de níquel en polvo en lugar de productos forjados:

• Producir geometrías de componentes pequeñas y complejas
• Forma casi neta con un desperdicio mínimo
• Microestructuras finas de solidificación rápida
• Componentes con propiedades superiores
• Permite un uso económico de materiales caros
• Simplifica el procesamiento de aleaciones difíciles de trabajar
• Los componentes pueden fabricarse en serie
• Gama de métodos de consolidación

Las técnicas pulvimetalúrgicas hacen factibles diseños que de otro modo serían imposibles de fabricar.

Limitaciones de los polvos de aleación de níquel

Algunos inconvenientes asociados a los polvos de aleación de níquel:

• Los métodos de producción de polvo pueden consumir mucha energía y recursos.
• Propiedades consolidadas dependientes de múltiples características del polvo
• Menor ductilidad y resistencia a la fractura que las formas forjadas
• Tamaños/volúmenes limitados en comparación con los métodos de fundición/forjado
• Puede ser necesario un tratamiento posterior para conseguir las especificaciones finales de la pieza
• Porosidad en los componentes acabados si la consolidación es incorrecta
• Requiere equipos especializados y un manejo experto

Sin embargo, las propiedades únicas y la flexibilidad geométrica que ofrecen los polvos de aleaciones de níquel los convierten en un material avanzado indispensable en muchos sectores tecnológicos.

Investigación sobre aleaciones de níquel en polvo

Las investigaciones en curso pretenden ampliar las capacidades y nuevas aplicaciones con polvos de aleaciones de níquel:

• Desarrollo de aleaciones: nuevas composiciones para mejorar la resistencia a altas temperaturas, la resistencia al desgaste, etc.
• Nuevos métodos de consolidación: sinterización por microondas, densificación por plasma, etc. para un procesamiento más rápido.
• Polvos nanocristalinos - Para microestructuras extremadamente finas y propiedades avanzadas
• Materiales graduados funcionalmente - Composición/estructuras graduadas dentro de los componentes
• Materiales compuestos de matriz metálica - Refuerzo de aleaciones de níquel con carburos/cerámicas
• Optimización topológica - Generación de formas orgánicas y biónicas con técnicas de AM

Existen grandes oportunidades para ampliar los límites y ser pioneros en tecnologías de aleaciones de níquel en polvo mediante I+D interdisciplinar. Entidades gubernamentales como la UE y EE.UU. han introducido planes especiales de financiación para acelerar el desarrollo de centros de innovación en pulvimetalurgia.

Diseño de componentes de aleación de níquel en polvo

Cuando se utilizan polvos de aleaciones de níquel para fabricar componentes de uso final, hay que tener en cuenta varias consideraciones de diseño:

Directrices generales de diseño

• Optimice el grosor de las paredes y evite cambios drásticos
• Incluir filetes en las esquinas afiladas
• Minimizar los elementos altos y aislados
• Comprobar los ángulos de calado mínimos para el proceso seleccionado
• Seguir las geometrías recomendadas por el método de consolidación
• Tener en cuenta los pasos posteriores al tratamiento en las dimensiones

Consejos específicos para el MIM

• Mantener la longitud total por debajo de 50 mm
• Utilice espesores de pared uniformes
• Incluyen cabezales de llenado y compuertas de canal caliente
• Cuidado con el desgaste de las herramientas de acero con polvos abrasivos

Indicadores específicos AM

• Sin restricciones geométricas. Enloquece.
• Utilizar estructuras reticulares y formas orgánicas
• Recuerde los requisitos de la estructura de apoyo

El diseño de los componentes debe tener en cuenta las peculiaridades de las técnicas de consolidación del polvo, así como la funcionalidad prevista.

Medidas de seguridad para Polvos de aleación de níquel

La manipulación de polvos de aleaciones de níquel exige ciertas precauciones:

• Utilizar los EPI adecuados: guantes, mascarillas, gafas según sea necesario.
• Garantizar una ventilación y una captación de polvo adecuadas
• Evitar la exposición al polvo durante la consolidación
• Respete las clasificaciones de inflamabilidad: algunos polvos son pirofóricos.
• Contener inmediatamente los derrames utilizando métodos de limpieza adecuados.
• Eliminar de acuerdo con las regulaciones ambientales locales.

Cualquier actividad de producción o investigación con polvo de aleación de níquel debe incluir evaluaciones exhaustivas de los riesgos e incorporar todos los sistemas necesarios para mitigar adecuadamente los peligros para la salud, las explosiones y el medio ambiente. El personal necesita formación suficiente para aplicar procedimientos de manipulación seguros.

PREGUNTAS FRECUENTES

P: ¿Qué tamaño de partícula de polvo de aleación de níquel es mejor para la fabricación aditiva?

R: Los polvos esféricos de 15-45 micras funcionan bien en la mayoría de los métodos de AM para equilibrar la esparcibilidad, la fluidez y la consolidación de alta densidad. Los polvos más finos de 10-25 micras pueden resolver características más finas si el proceso de AM específico lo permite.

P: ¿Por qué elegir el moldeo por inyección de metal para la fabricación con polvos de aleación de níquel?

R: El MIM permite producir grandes volúmenes de componentes complejos con buena precisión dimensional y acabados superficiales. Mantiene bien las propiedades inherentes de la aleación. El proceso es rentable para piezas pequeñas e intrincadas de aleación de níquel.

P: ¿Cómo se hacen esféricos los polvos de aleaciones de níquel?

R: La atomización con gas inerte utiliza principios de solidificación rápida a través de mecanismos suaves de ruptura de líquidos mediados por turbulencias de flujo de gas para crear formas de partículas de polvo en gran medida esféricas con buenas características de flujo.

P: ¿Qué aplicaciones suelen tener las aleaciones de níquel de baja expansión?

R: Los instrumentos de precisión, los espejos ópticos, los embalajes electrónicos, las estructuras aeroespaciales, los escudos contra la radiación, los enlaces de aislamiento térmico, los compuestos con requisitos de bajo CET utilizan aleaciones de níquel de expansión controlada.

P: ¿Por qué la fluidez es una característica importante del polvo de aleación de níquel?

R: Los polvos deben esparcirse y fluir suavemente en las cavidades del molde de forma completa y rápida para evitar defectos. Los métodos de ensayo como la velocidad de flujo Hall ayudan a cuantificar este comportamiento, que influye en la consolidación y las propiedades.

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