Técnicas para el refinamiento de grano en la aleación Fe78 Al10 V12

Abstract

Las aleaciones base Fe-Al son estudiadas como alternativa al uso de aceros ferríticos en las centrales eléctricas en alta temperatura. Sus principales ventajas en comparación con éstos, radican en primer lugar en que ofrecen una menor densidad y una buena resistencia a la corrosión en alta temperatura, en combinación con alta resistencia mecánica a temperaturas intermedias. Además, cuentan con un bajo costo de materias primas, facilidad de producción de lingotes o partes de piezas mediante técnicas convencionales de colada o metalurgia de polvos y la posibilidad de tratamientos termomecánicos con parámetros normales para los aceros. Sin embargo, las aleaciones binarias Fe-Al presentan una fuerte caída de su resistencia sobre los 600 °C. Una mejora en la resistencia se obtuvo por precipitación de una segunda fase coherente con la matriz en aleaciones ternarias Fe-Al-V. Sin embargo, en estas aleaciones se registraron temperaturas de transición dúctil-frágil (BDTT) demasiado elevadas para su aplicación. Seguimos en este trabajo el concepto de Joffé, quien mostró que una reducción del tamaño de grano puede derivar bajo ciertas condiciones en una disminución de la BDTT. Ensayamos en una aleación Fe78Al10V12 dos técnicas metalúrgicas para refinar el tamaño de grano: i) agregado de refinadores durante la fundición y ii) trabajado mecánico. Para la primera técnica, se fundieron lingotes cilíndricos de 2 kg utilizando materias primas comerciales y se estudió el efecto de tres compuestos como potenciales agentes de nucleación durante la solidificación. Esta primera estrategia no mostró resultados positivos. En segundo lugar, se estudió el efecto del trabajado en caliente sobre la microestructura. Se aplicaron procesos consecutivos de forja y laminación a 1100 °C y 950 ºC, respectivamente. Se logró refinar el tamaño de grano de fundición entre 110 y 160 veces (hasta 44 y 31 µm).

Fe-Al alloys have been studied as an alternative to the use of high-temperature ferritic steels at modern electric power plants. Their advantages over them lie, in first place, in their lower density and good corrosion resistance at high temperature combined with a high mechanical resistance intermediate temperatures. Further advantages are the low materials costs and the possibility of applying conventional metallurgical and thermomechanical production techniques used for steels. However, binary Fe-Al alloys present a strong loss of strength above 600 °C. It was possible to enhance their strength using ternary Fe-Al-V alloys hardened by second phase coherent precipitates, but the brittle-ductile transition temperature (BDTT) registered in these alloys is excessively high for their application. According to Joffé´s criterion, a reduction in grain size can be reflected, under certain conditions, in a reduction of the BDTT. We tested two metallurgical techniques to reduce grain size in a Fe78Al10V12 alloy: i) the incorporation of refinement agents during casting and ii) hot working. The first technique was carried out casting 2 kg cylindrical ingots from commercial materials and studying the effect of three compounds as potential nucleation agents during solidification. This first strategy did not show positive results. In the second technique, we studied the effect of hot working on the microstructure. Two successive processes of forging at 1100 ºC followed by rolling at 950 ºC were applied. We succeeded in refining the as-cast grain size from 110 to 160 times (up to 44 and 31 µm).