Comprender el agrietamiento ambiental en aleaciones base níquel: Causas, prevención e impacto

Las aleaciones base níquel (Ni) se usan 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 base Ni tienden a ser más resistentes a la corrosión que los aceros inoxidables, a menudo los reemplazan donde hay cloruros presentes y, combinados con tensiones residuales mínimas, pueden causar Agrietamiento por Corrosión bajo Tensión (SCC) por cloruros en esas aleaciones. (Para más información sobre este tema, véase: Agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruros en acero inoxidable austenítico.)

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

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

Este artículo destacará los entornos en los que varias clases de aleaciones base Ni son susceptibles al EAC. Este agrietamiento no siempre es muy común; pero si estos entornos están potencialmente presentes, se recomienda encarecidamente la evaluación del agrietamiento potencial mediante pruebas, por ejemplo, U-bend, C-ring o evaluaciones de tasa de deformación lenta. No se distinguirá entre SCC y fragilización por hidrógeno en este artículo.

Agrietamiento asistido ambientalmente en aleaciones base Ni: Lo básico

Para sistemas acuosos de haluros, una combinación de condiciones puede promover la susceptibilidad de las aleaciones base Ni al EAC. Estas incluyen:

• Temperaturas superiores a 205 °C.
• Alta concentración de cloruros.
• Condiciones ácidas.
• Presencia de especies oxidantes.
• Presencia de sulfuro de hidrógeno (H₂S).
• Alta tensión de tracción.

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

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

Técnicas novedosas para evaluar el agrietamiento asistido ambientalmente en superaleaciones base Ni

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

En principio, se pueden usar técnicas para examinar las regiones de la punta de grieta de especímenes de fatiga. Los posibles métodos incluyen microscopía electrónica de transmisión acoplada con Espectroscopía de Rayos X por Energía Dispersiva (EDXA), espectrometría de masas de iones secundarios a nanoescala (nano-SIMS) y tomografía de sonda atómica, todas las cuales se han usado para estudiar este problema.

Estos estudios han demostrado que, a menudo, la degradación ambiental ocurre muy localmente a escala sub-micrónica. Sin embargo, el efecto del daño ambiental en las propiedades mecánicas locales en la región delante de la punta de la grieta no se ha estudiado hasta ahora. El uso de técnicas de prueba micro-mecánicas ahora puede aplicarse para evaluar el comportamiento mecánico a escala sub-micrónica. Usando estas pruebas, podemos realizar mediciones específicas del sitio a una escala de longitud sub-micrónica; y esto puede desempeñar un papel crítico en la mejor comprensión de los mecanismos de grieta.

Agrietamiento asistido ambientalmente en aleaciones Ni-Mo

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

Aleación B2, y en cierta medida Aleación B3, cuando se calientan entre 550 y 850 °C, pierden ductilidad por la formación en estado sólido de una fase intermetálica ordenada como Ni₄Mo. Tales fases pueden ocurrir en la zona afectada por el calor (ZAC) durante la soldadura. Estudios de tasa de deformación lenta han demostrado la susceptibilidad de estas aleaciones al agrietamiento en condiciones ácidas reductoras cuando se tratan térmicamente a 570 °C o condiciones típicas de soldadura.

La extensión del agrietamiento se atribuyó a la formación de la fase intermetálica y la posterior fragilización por hidrógeno (H₂). Este estudio podría explicar el agrietamiento intergranular observado en la ZAC de Aleación B2, expuesta a disolventes orgánicos que contienen trazas de ácido sulfúrico (H₂SO₄) y agrietamiento 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 el EAC. La composición de la Aleación B3 retrasa la reacción de envejecimiento y permite su uso en condición de soldada, lo que puede reducir el potencial de EAC.

Agrietamiento asistido ambientalmente en aleaciones Ni-Cr-Mo

Las aleaciones Ni-Cr-Mo son las aleaciones base 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 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 incluyendo Aleaciones C276, C4, C22, C-2000, 625, 5923hMo y 686. Cuando estas aleaciones se envejecen a temperaturas superiores a 600 °C, puede ocurrir la precipitación de fases empaquetadas tetraédricamente cerradas, lo que puede reducir 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 al EAC también puede aumentar por trabajo en frío seguido de un tratamiento a baja temperatura. Por tanto, estas aleaciones pueden tener susceptibilidad al EAC en entornos que contienen H₂S.

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

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

Altos niveles de Mo en estas aleaciones parece ser perjudicial en entornos cáusticos calientes, con desaleación de Mo y Cr. Tal mecanismo puede promover agrietamiento transgranular en Aleación C276. Sin embargo, la susceptibilidad también puede ser una función de las condiciones de prueba.

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

Agrietamiento asistido ambientalmente en aleaciones Ni-Cr-Fe-(Mo)

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

En particular, las Aleaciones 600 y 690 han demostrado sufrir EAC en agua pura y cáustica, con susceptibilidad al agrietamiento fuertemente dependiente de la temperatura, nivel de tensión de tracción, presencia de gas H₂, pH de la solución 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, con mayor contenido de Cr, tiene mayor resistencia al agrietamiento que la Aleación 600 en estos entornos; pero aún puede agrietarse.

Se ha sugerido que la difusión hacia dentro de oxígeno en los bordes de grano puede resultar en la oxidación intergranular de Cr, donde el embritamiento por oxidación intergranular es un precursor del agrietamiento subsiguiente. La Aleación 800 también es susceptible al EAC bajo estas condiciones; pero el mecanismo es diferente. A 300 °C y pH mayor que 10, puede ocurrir desaleación de hierro (Fe) y cromo y llevar a un mecanismo de fractura inducida por película. La presencia de plomo (Pb) o aniones sulfato puede mejorar la degradación de la Aleación 800 en estos entornos.

Aleación 825 es más resistente al SCC por Cl que los aceros inoxidables austeníticos; sin embargo, sigue siendo susceptible. Aleaciones 800 y 825, cuando se calientan entre 400 y 800 °C, se sensibilizan, lo que es la precipitación de carburos de Cr en los bordes de grano. Si las condiciones del proceso son tales que se forma una escala de sulfuro en la superficie del metal, estas aleaciones son susceptibles al agrietamiento por corrosión bajo tensión por ácido politiónico. (Para más información sobre este tema, véase: Agrietamiento por corrosión bajo tensión por ácido politiónico en acero inoxidable austenítico.)

Morfología de grieta en aleaciones base Ni

La morfología de grieta EAC para aleaciones base Ni puede ser transgranular (a través del grano), intergranular (a lo largo de los bordes de grano) o modo mixto, con agrietamiento secundario ramificado dependiendo de condiciones ambientales como temperatura, presencia de impurezas del proceso, química del proceso y variaciones microestructurales. Sin embargo, la existencia de estas grietas no significa automáticamente que EAC sea el mecanismo de fallo, ya que otros mecanismos como el agrietamiento por relajación de tensión se propagan en modo intergranular. (Para más información sobre este tema, véase: Agrietamiento por relajación de tensión, un fenómeno olvidado.)

Un análisis de fallo detallado, incluyendo una evaluación exhaustiva de las condiciones del proceso y posibles pruebas para EAC, puede ser necesario para identificar correctamente el modo exacto de fallo.