Todo sobre el agrietamiento ambiental en aleaciones a base de níquel

Las aleaciones a base de níquel (Ni) se utilizan en entornos altamente corrosivos y, a menudo, donde otros metales, como los aceros inoxidables, tienen una resistencia a la corrosión insuficiente. Dado que las aleaciones a base de Ni tienden a ser más resistentes a la corrosión que los aceros inoxidables, a menudo reemplazan a los aceros inoxidables donde hay cloruros y, combinados con tensiones residuales mínimas, pueden causar el agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro (SCC) de esas aleaciones. ( Para obtener más información sobre este tema, consulte:Agrietamiento por corrosión bajo tensión con cloruros del acero inoxidable austenítico).

La aleación de elección parece ser la aleación C276, que es prácticamente inmune a SCC.

Además, muchos creen que las aleaciones a base de Ni también son resistentes al agrietamiento asistido por el medio ambiente (EAC). Desafortunadamente, sin embargo, hay algunos entornos específicos, combinados con ciertos cambios microestructurales, donde estas aleaciones también pueden ser susceptibles a EAC. (Tenga en cuenta que la tensión de tracción requerida puede ser aplicada o residual).

Este artículo destacará los entornos en los que varias clases de aleaciones a base de Ni son susceptibles a EAC. Este agrietamiento no siempre es muy común; pero si estos entornos están potencialmente presentes, se recomienda encarecidamente la evaluación del posible agrietamiento a través de pruebas, por ejemplo, evaluaciones de curvatura en U, anillo en C o velocidad de deformación lenta. En este artículo no se distinguirá entre SCC y fragilización por hidrógeno.

Fisuración asistida por el medio ambiente en aleaciones basadas en Ni:conceptos básicos

Para los sistemas de haluros acuosos, una combinación de condiciones puede promover la susceptibilidad de las aleaciones basadas en Ni a EAC. Estos incluyen:

• Temperaturas superiores a 205 grados centígrados.
• Alta concentración de cloruro.
• Condiciones ácidas.
• Presencia de especies oxidantes.
• Presencia de sulfuro de hidrógeno (H₂ S).
• Alta tensión de tracción.

Hay dos clasificaciones principales de aleaciones a base de Ni:resistentes al calor y resistentes a la corrosión. Y la última categoría consta de tres tipos básicos:

• Aleaciones Ni-Mo.
• Aleaciones de Ni-Cr-Mo.
• Aleaciones de Ni-Cr-Fe-(Mo).

Técnicas novedosas para evaluar el agrietamiento asistido por el medio ambiente en Ni- Superaleaciones a base

Aunque las pruebas de velocidad de deformación lenta, también conocidas como pruebas de fatiga por permanencia, pueden proporcionar una medida de la susceptibilidad de una aleación a la EAC, no siempre brindan información suficiente sobre el mecanismo de agrietamiento.

En principio, las técnicas se pueden utilizar para examinar las regiones de punta de grieta de muestras de fatiga. Los posibles métodos incluyen microscopía electrónica de transmisión junto con espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDXA), espectrometría de masas de iones secundarios a nanoescala (nano-SIMS) y tomografía de sonda atómica, todos los cuales se han utilizado para estudiar este problema.

Estos estudios han demostrado que, a menudo, la degradación ambiental está ocurriendo muy localmente en una escala submicrónica. Sin embargo, el efecto del daño ambiental sobre las propiedades mecánicas locales en la región antes de la punta de la grieta no ha sido estudiado hasta el momento. El uso de técnicas de prueba micromecánica ahora se puede aplicar para evaluar el comportamiento mecánico en la escala submicrónica. Usando estas pruebas, podemos hacer mediciones específicas del sitio en una escala de longitud submicrónica; y esto puede desempeñar un papel fundamental en la mejor comprensión de los mecanismos de grietas.

Agrietamiento asistido por el medioambiente en aleaciones Ni-Mo

Las aleaciones de Ni-Mo más comunes son la aleación B, la aleación B2 y la aleación B3. Estas aleaciones tienen una excelente resistencia a la corrosión en ambientes ácidos no oxidantes y reductores y han demostrado ser resistentes a Cl-SCC, como en cloruro de magnesio en ebullición (MgCl₂ ) soluciones.

La aleación B2, y hasta cierto punto la aleación B3, cuando se calienta entre 550 y 850 grados Celsius, pierde ductilidad debido a la formación de estado sólido de una fase intermetálica ordenada como Ni₄ Mo. Tales fases pueden ocurrir en la zona afectada por el calor (HAZ) durante la soldadura. Los estudios de velocidad de deformación lenta han demostrado la susceptibilidad de estas aleaciones al agrietamiento en condiciones ácidas reductoras cuando se tratan térmicamente a 570 grados centígrados o en condiciones típicas de soldadura.

Se atribuyó que la extensión del agrietamiento estaba asociada con la formación de la fase intermetálica y el subsiguiente hidrógeno (H₂ ) fragilización. Este estudio podría explicar el agrietamiento intergranular observado en la ZAT de la aleación B2, expuesta a disolventes orgánicos que contienen trazas de ácido sulfúrico (H₂ SO₄ ) y craqueo transgranular en presencia de yoduro de hidrógeno (HI).

La química de las soluciones catódicas y anódicas cerca de las soldaduras puede ser el factor crítico para EAC. La composición de la aleación B3 retrasa la reacción de envejecimiento y permite que se use en la condición de soldado, lo que puede reducir el potencial de EAC.

Fisuración asistida por el medio ambiente en aleaciones de Ni-Cr-Mo

Las aleaciones de Ni-Cr-Mo son las aleaciones a base de Ni más versátiles debido a la inclusión de molibdeno (Mo), que puede aumentar la resistencia a la corrosión en condiciones reductoras, y la presencia de cromo (Cr), que proporciona una mayor resistencia a la corrosión en condiciones oxidantes. .

Hastelloy C fue la primera aleación de este grupo y fue la base para el desarrollo de muchas aleaciones, incluidas las aleaciones C276, C4, C22, C-2000, 625, 5923hMo y 686. Cuando estas aleaciones se envejecen a temperaturas superiores a 600 grados centígrados, Puede ocurrir la precipitación de fases empaquetadas tetraédricamente cerradas, lo que puede disminuir su ductilidad. El tiempo que tarda cada aleación en transformarse a través de estas fases varía; por ejemplo, la aleación C4 tiene mayor resistencia a tales cambios microestructurales que la aleación C276. La susceptibilidad de EAC también puede aumentar con el trabajo en frío seguido de un tratamiento a baja temperatura. Por lo tanto, estas aleaciones pueden tener susceptibilidad a EAC en ambientes que contienen H₂ S.

También se ha informado que las aleaciones C276 y 625 pueden sufrir grietas intergranulares cuando se exponen a diversas soluciones acuosas cerca del punto crítico del agua. Las pruebas de extensión del crecimiento de grietas en salmuera ácida para simular los desechos nucleares de las aleaciones C4, -22 y 625 parecen estar asociadas con el tiempo, que, para entornos tan agresivos y críticos, debe incluir pruebas a más largo plazo.

Para el fluoruro de hidrógeno (HF) húmedo y caliente, y dependiendo de la temperatura y la concentración de HF, estas aleaciones pueden ser susceptibles a EAC. Las aleaciones que contienen tungsteno parecen ser las más afectadas.

Los altos niveles de Mo en estas aleaciones parecen ser perjudiciales en ambientes cáusticos calientes, con la desaleación de Mo y Cr. Dicho mecanismo puede promover el agrietamiento transgranular en la aleación C276. Sin embargo, la susceptibilidad también puede ser una función de las condiciones de prueba.

La aleación C22 es susceptible a EAC en ambientes que contienen cloruro y bicarbonato (HCO₃ ) o carbonato a temperatura elevada y bajo potenciales anódicos. La pérdida de Cr por disolución por HCO₃ ^- en la película protectora de óxido puede ser la fuente de la susceptibilidad.

Fisuración asistida por el medio ambiente en aleaciones de Ni-Cr-Fe-(Mo)

Las aleaciones de Ni-Cr-Fe-(Mo) incluyen las aleaciones 600, 690, 825 y 800. Se usan ampliamente en una variedad de aplicaciones, como entornos de reactores de agua primaria.

En particular, se ha encontrado que las aleaciones 600 y 690 sufren EAC en agua pura y cáustica con susceptibilidad a agrietarse fuertemente según la temperatura, el nivel de esfuerzo de tracción, la presencia de H₂ gas, solución pH y potencial electroquímico. Los factores metalúrgicos que afectan el agrietamiento incluyen la presencia de elementos menores o impurezas, la extensión del trabajo en frío y el tratamiento térmico para la formación y ubicación de carburos. La aleación 690, que tiene un mayor contenido de cromo, tiene mayor resistencia al agrietamiento que la aleación 600 en estos ambientes; pero aún puede agrietarse.

Se ha sugerido que la difusión interna de oxígeno en los límites de los granos puede resultar en la oxidación intergranular de Cr, donde la fragilización por oxidación intergranular es un precursor del posterior agrietamiento. La aleación 800 también es susceptible a EAC en estas condiciones; pero el mecanismo es diferente. A 300 grados centígrados y un pH superior a 10, puede producirse una desaleación de hierro (Fe) y cromo y dar lugar a un mecanismo de escisión inducido por la película. La presencia de aniones de plomo (Pb) o sulfato puede aumentar la degradación de la aleación 800 en estos entornos.

La aleación 825 es más resistente al Cl-SCC que los aceros inoxidables austeníticos; sin embargo, todavía es susceptible. Las aleaciones 800 y 825, cuando se calientan entre 400 y 800 grados centígrados, se sensibilizan, que son carburos de cromo que se precipitan en los límites de los granos. Si las condiciones del proceso son tales que se forma una incrustación de sulfuro en la superficie del metal, estas aleaciones son susceptibles al agrietamiento por corrosión bajo tensión del ácido politiónico. (Para obtener más información sobre este tema, consulte:Agrietamiento por corrosión bajo tensión con ácido politiónico del acero inoxidable austenítico).

Morfología de grietas en aleaciones basadas en Ni

La morfología de grietas EAC para aleaciones basadas en Ni puede ser transgranular (a través del grano), intergranular (a lo largo de los límites del grano) o de modo mixto, con grietas secundarias ramificadas según las condiciones ambientales, como la temperatura, la presencia de impurezas del proceso, la química del proceso y las variaciones microestructurales. Sin embargo, la existencia de estas grietas no significa automáticamente que el EAC sea el mecanismo de falla, ya que otros mecanismos, como el agrietamiento por relajación de tensiones, se propagan por un modo intergranular. (Para obtener más información sobre este tema, consulte:Agrietamiento por relajación del estrés, un fenómeno olvidado).

Es posible que se requiera un análisis de falla detallado, que incluya una evaluación exhaustiva de las condiciones del proceso y posibles pruebas de EAC, para identificar correctamente el modo de falla exacto.