Aleación a base de níquel, un misterioso material metálico con níquel como matriz y elementos añadidos como el cromo, el molibdeno y el cobalto, juega un papel vital en el proceso de la civilización industrial humana. Desde las llamas calientes de la boquilla del motor Boeing 787 hasta la presión extrema de las plataformas de perforación en aguas profundas, desde las complejas tuberías de los generadores de vapor de las centrales nucleares hasta los dispositivos médicos de precisión implantados en el cuerpo humano, aleaciones a base de níquel apoyan silenciosamente el funcionamiento del sistema industrial moderno con su combinación de rendimiento único. Este material especial, que nació a principios del siglo XX, se ha convertido en un criterio importante para medir las capacidades de fabricación de alta gama de un país después de un siglo de evolución tecnológica.
1. Punto de apoyo estratégico del sistema industrial
En el campo de los motores de aviación, el avance de las aleaciones de alta temperatura a base de níquel ha promovido directamente el progreso revolucionario de la historia de la aviación humana. Las cuchillas del motor GE9X desarrolladas por General Electric utilizan la aleación de níquel monocristalino de tercera generación, que aún puede mantener la integridad estructural en un entorno de alta temperatura de 1700 ℃, lo que hace que la relación empuje/peso del motor se rompa a través de la marca 10:1. Esta innovación material ha aumentado la eficiencia de combustible de los aviones civiles en un 20%, y un solo motor ha reducido las emisiones de dióxido de carbono en aproximadamente 3.000 toneladas por año.
En el campo de los equipos de energía, el C-276 Hastelloy ha creado milagros en el desarrollo de campos de gas amargo de alta presión en el campo petrolero del Mar del Norte. Esta aleación a base de níquel que contiene molibdeno tiene una vida útil de más de 50 veces la del acero inoxidable tradicional en condiciones extremas con una concentración de sulfuro de hidrógeno del 15% y una presión de más de 100MPa. En el campo de la energía nuclear, el tubo de transferencia de calor del generador de vapor hecho de aleación INCONEL 690 ha extendido con éxito la vida útil de diseño de las centrales nucleares de 40 años a 60 años, y ha aumentado la disponibilidad de unidades de energía nuclear de un millón de kilovatios al 92%.
En la fabricación de equipos químicos, la tasa de corrosión anual del reactor de aleación Monel 400 en medio de ácido sulfúrico concentrado es de solo 0,02mm, que es 50 veces mayor que la del acero inoxidable ordinario. Esta característica ha extendido el ciclo de operación continua de la unidad de PTA (ácido tereftálico purificado) de 3 meses a 2 años, y el costo de mantenimiento anual de un solo conjunto de equipos se ha ahorrado en más de 20 millones de yuanes.
El código científico y tecnológico para los avances de rendimiento
El secreto de la resistencia a altas temperaturas de las aleaciones a base de níquel proviene de su estructura de fase de fortalecimiento única γ'. Al controlar con precisión el contenido de elementos como el aluminio y el titanio, se forma una fase ordenada de Ni3Al a nanoescala, que permite que el material mantenga una resistencia de más de 600MPa a 800 °C. Esta estabilidad de fase proviene del control preciso del número de vacantes de electrones. A través del diseño de elementos de nivel cuántico, los científicos han aumentado con éxito la temperatura de disolución de la fase γ' a 1200 ° C.
El gran avance en la resistencia a la corrosión se debe al descubrimiento de una película de pasivación autorreparable. En la superficie de una aleación con un contenido de cromo del 20%, se formará una película densa de óxido de Cr2O3 de 2nm de espesor. Cuando se produce la corrosión de iones halógenos, el elemento de molibdeno migrará al área dañada para formar una capa protectora de MoO2. Este mecanismo de reparación dinámico reduce la velocidad de corrosión del material en ácido clorhídrico en ebullición a menos de 0,1mm/año.
