Aleación API de níquel-cromo de alta resistencia Inconel 718 (UNS N07718)

Inconel 718 (UNS N07718) es un endurecedor por precipitación níquel-cromo-hierro superaleación que combina un límite elástico y una resistencia a la tracción muy elevados con una excelente resistencia a la corrosión y soldabilidad; cuando se suministra en condiciones de tratamiento térmico API/NACE/API-6A CRA, cumple los límites de dureza y resistencia exigidos para los equipos de petróleo y gas de servicio ácido y es una de las principales aleaciones resistentes a la corrosión utilizadas para componentes de fondo de pozo y de superficie de alta resistencia.

por qué Inconel 718 es diferente

El rendimiento de la aleación 718 se debe a una matriz equilibrada de níquel reforzada por dos precipitados clave (γ″ y γ′) producidos durante el envejecimiento controlado. La particularidad de esta aleación es que su microestructura termotratable permite aumentar considerablemente el límite elástico y la resistencia a la tracción, manteniendo al mismo tiempo una buena ductilidad y soldabilidad. Esto hace posible suministrar componentes que cumplen los límites NACE MR0175/ISO 15156 y API 6A CRA de dureza y límite elástico, algo crítico para los entornos de servicios agrios.

Composición química y características metalúrgicas

Los rangos típicos de composición (wt%) para Inconel 718 son aproximadamente:

(Los rangos químicos contractuales precisos deben seguir la especificación citada en la orden de compra - las variantes API, AMS o ASTM enumeran tolerancias ligeramente diferentes).

Notas metalúrgicas

• Fases de precipitación: γ″ (Ni₃Nb) es la principal fase endurecedora en el 718; γ′ (Ni₃(Al,Ti)) también contribuye. El control de Nb/Ti/Al y la historia térmica dictan el tamaño del precipitado y la fracción de volumen.

• Carburos y fase delta (δ): Un exceso de δ (Ni₃Nb, ortorrómbico) o carburos gruesos puede degradar la tenacidad y la ductilidad; se utilizan programas de recocido y envejecimiento en solución para minimizar las fases perjudiciales.

• Práctica de solidificación: Las rutas de fusión múltiples (VIM/VAR o ESR) se utilizan para piezas forjadas aeroespaciales o de petróleo y gas de alta integridad.

Propiedades mecánicas: variantes API típicas y de alta resistencia

El Inconel 718 se vende en una gama de condiciones que van desde el recocido (menor resistencia) hasta el endurecimiento máximo (mayor). Los grados API/NACE para yacimientos petrolíferos se endurecen por envejecimiento y a menudo se fabrican para cumplir límites mínimos especificados de límite elástico o dureza.

Tabla mecánica representativa (estado típico de envejecimiento / pico)

Clases API 6A CRA / 'API-718': La práctica API/proveedor suele dividir el 718 API en clases según el rendimiento mínimo: ~120 ksi (≈827 MPa) y ~140 ksi (≈965 MPa) y algunas variantes de producto de alta resistencia declaran 150 ksi en formas de producto específicas. Estas variantes se diseñan con un envejecimiento preciso para lograr el rendimiento deseado, controlando al mismo tiempo la dureza para un servicio agrio.

Tratamiento térmico, endurecimiento por envejecimiento y control de la microestructura

La secuencia típica para obtener la alta resistencia es:

1. Recocido en solución (tratamiento en solución): alta temperatura (≈980-1035 °C / ≈1800-1900 °F) para homogeneizar y disolver el Nb y otras fases, seguido de enfriamiento (air cool).

2. Envejecimiento (dos pasos de uso común): por ejemplo, el ciclo de envejecimiento estándar del 718: 720 °C (≈1320-1350 °F) durante 8 horas, enfriamiento a 620 °C (≈1150 °F) y mantenimiento durante 8 horas, luego enfriamiento al aire (existen numerosas variantes patentadas). Esto produce una fina distribución de precipitados γ″/γ′ que da lugar a un alto límite elástico y resistencia a la tracción.

Consejos prácticos

• Control del envejecimiento: Pequeñas desviaciones en la temperatura/tiempo de envejecimiento alteran la resistencia y la dureza. Para el cumplimiento de la norma NACE/MR0175, los productores utilizan secuencias adaptadas para mantenerse por debajo del límite máximo de dureza (normalmente 40 HRC) y lograr al mismo tiempo un rendimiento mínimo.

• Efectos del tamaño de la sección: Las secciones transversales más grandes envejecen y se enfrían más lentamente; las propiedades mecánicas pueden variar con el grosor de la sección. En ocasiones, las especificaciones exigen ensayos de propiedades en secciones representativas.

Normas internacionales y requisitos API / NACE para petróleo y gas

Documentos y especificaciones importantes citados habitualmente para el 718 en petróleo y gas:

• API 6A / API 6A CRA (suplemento): define los requisitos para las aleaciones de níquel endurecibles por envejecimiento utilizadas en equipos de boca de pozo, de árbol y de fondo de pozo. Establece las expectativas de procesamiento y ensayo para los materiales utilizados en equipos a presión.

• NACE MR0175 / ISO 15156 (parte 3): establece los requisitos para los materiales resistentes al agrietamiento utilizados en entornos que contienen H₂S; la aleación 718 puede enumerarse con límites de temperatura/presión y restricciones de dureza. El cumplimiento requiere un tratamiento térmico específico y límites de dureza (a menudo Rockwell C ≤ 40 en estado envejecido).

• AMS / ASTM / ASTM B637 / AMS5662 / AMS5663: especificaciones de adquisición aeroespacial e industrial que describen las condiciones de recocido, envejecimiento u otras, con las pruebas de aceptación correspondientes.

Puntos contractuales clave de las órdenes de compra

• Especifique el número UNS (UNS N07718).

• Consulte la norma exacta (API 6A CRA rev X, NACE MR0175 ed Y).

• Indique explícitamente el rendimiento mínimo y la dureza máxima requeridos.

• Incluya los ensayos requeridos (mecánicos, PMI/químicos, END, microestructura) y la trazabilidad (números térmicos, certificados de laminación).

Comportamiento de la corrosión y límites medioambientales

La aleación 718 ofrece una gran resistencia a la corrosión general, a las picaduras y a la corrosión por intersticios en muchos entornos clorados y tiene una resistencia razonable al agrietamiento inducido por H₂S siempre que el material cumpla los controles de dureza y tratamiento térmico NACE/ISO.

Entornos H₂S (agrios)

• NACE MR0175/ISO 15156 clasifica los CRA y establece límites de temperatura/presión parcial. En el caso del UNS N07718, la tabla A.32 impone restricciones a la temperatura y presión máximas para el servicio ácido y hace hincapié en la necesidad de un tratamiento térmico controlado y la supervisión de la dureza. El incumplimiento del límite de dureza aumenta la susceptibilidad al agrietamiento por tensión de sulfuro y a la fragilización por hidrógeno.

Otros entornos

• Agua de mar y salmueras de cloruro: La aleación 718 resiste mejor las picaduras que muchos aceros inoxidables, pero aún puede sufrir ataques localizados en condiciones de estancamiento o de cloruros muy agresivos.

• Resistencia a la oxidación: Las temperaturas de servicio de hasta ~650-700 °C (≈1200-1300 °F) son típicas para mantener la resistencia; para una resistencia continua a la oxidación a temperaturas más altas, pueden preferirse otras aleaciones de níquel.

Fabricación, soldadura y unión

Una de las razones por las que el 718 se utiliza ampliamente es su soldabilidad en comparación con muchas aleaciones de alta resistencia.

• Soldabilidad: El 718 se suelda bien utilizando metales de aportación adecuados; los problemas surgen si se descuida el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). El recocido por disolución más el envejecimiento en conjuntos soldados es habitual en piezas críticas.

• Selección del relleno de soldadura: utilizar rellenos compatibles o aprobados que permitan el envejecimiento posterior a la soldadura para producir un comportamiento mecánico y de corrosión compatible.

• Distorsión y tensión residual: Debido a su gran resistencia, para las piezas con tolerancias estrechas se requiere una fijación correcta y secuencias de soldadura controladas.

• Mecanizado: En estado envejecido, el 718 es difícil de mecanizar debido a su alta resistencia; muchos fabricantes lo mecanizan en estado blando (recocido por disolución) y luego aplican el ciclo de envejecimiento.

Aplicaciones en petróleo y gas y en el sector aeroespacial

Petróleo y gas (enfoque principal para API 6A CRA 718):

• Empaquetaduras, colgadores, acoplamientos, conectores de fondo de pozo, válvulas de seguridad/alivio, juntas y fijaciones de alta resistencia. La combinación de resistencia y capacidad de servicio en condiciones ácidas del 718 lo convierte en un pilar de los equipos de terminación y perforación.

Aeroespacial y turbinas de gas:

• Los discos, ejes y elementos de fijación de las turbinas utilizaban históricamente variantes más antiguas del 718 (condiciones AMS). La demanda aeroespacial impulsó el desarrollo inicial de la aleación debido a sus propiedades de resistencia a la fluencia y a la fatiga.

Otros sectores:

• Componentes nucleares, ejes de bombas de alta presión y determinados equipos de procesamiento químico en los que se requiere una gran solidez y resistencia a la corrosión.

Inspección, pruebas y cualificación para un servicio ácido

La matriz de prueba común para el suministro API 718 incluye:

• Identificación positiva del material (IMP): confirmar composición.

• Pruebas mecánicas: tracción, límite elástico, alargamiento en muestras representativas.

• Pruebas de dureza: Rockwell C y/o Brinell en todo el lote - obligatorio para el cumplimiento de la norma NACE MR0175.

• Examen microestructural: para la distribución de precipitados, el tamaño de grano y la ausencia de fases perjudiciales.

• Ensayos no destructivos (END): partículas magnéticas (para inclusiones ferromagnéticas), líquidos penetrantes, ultrasonidos, según se especifique.

• Ensayos de fragilización por hidrógeno / SSC: obligatorio en determinadas aplicaciones ácidas; las directrices de la NACE indican cuándo es obligatorio el ensayo SCC.

Formularios de adquisición, marcado y trazabilidad

Los proveedores suelen suministrar 718 en barras, piezas forjadas, placas, anillos, varilla sin soldadura y componentes mecanizados. Los pedidos para uso API/NACE suelen requerir:

• Certificados de ensayo del laminador (EN 10204 tipo 3.1 o equivalente).

• Trazabilidad del número de colada desde la masa fundida hasta la pieza acabada.

• Documentación de los ciclos de tratamiento térmico realizados (perfiles de temperatura/tiempo).

• Registros de dureza e informes de pruebas mecánicas para cada lote.

Selección comparativa (718 frente a otras aleaciones comunes)

Lógica de selección: cuando se requiere un límite elástico muy alto combinado con resistencia al agriamiento, se prefieren las variantes API 718.

Consideraciones de diseño: fatiga, fluencia y temperatura

• Fatiga: El 718 presenta un buen comportamiento a la fatiga en estado envejecido; sin embargo, el acabado superficial, las tensiones residuales y las variaciones del tratamiento térmico son factores críticos. El granallado y los tratamientos superficiales pueden aumentar la vida a fatiga.

• Creep: 718 conserva una resistencia útil a la fluencia hasta ≈650-700 °C. Para una exposición continua por encima de esos rangos, pueden seleccionarse otras superaleaciones de níquel (por ejemplo, las variantes de las aleaciones 713 y 625).

• Límites de temperatura para servicio agrio: Las tablas NACE/ISO dan límites; los ingenieros deben cotejar la temperatura real y la presión parcial de H₂S para determinar si el 718 está permitido para el servicio específico.

Casos representativos y modos de fallo que deben evitarse

Causas habituales de avería de los componentes 718 sobre el terreno:

• Tratamiento térmico inadecuado: un envejecimiento insuficiente o un recocido en solución incorrecto que provoque una baja resistencia o una fragilidad localizada.

• Superación de los límites de dureza NACE: Los componentes endurecidos por encima del HRC admisible o con tensiones residuales elevadas pueden sufrir grietas por tensiones de sulfuro.

• Correspondencia incorrecta entre la sección y el tratamiento térmico: Las piezas forjadas de gran tamaño necesitan controles ajustados de envejecimiento o postmecanizado porque las propiedades varían con el grosor de la sección.

• Metalurgia mixta sin aislamiento galvánico adecuado: Los conectores que combinan metales distintos en el agua de mar pueden favorecer el ataque localizado en el componente menos noble.

Tablas de referencia rápida

Tabla A - Composición química típica (normalizada)

(Las gamas de especificaciones varían ligeramente según las variantes AMS, ASTM o API; especifique siempre qué documento necesita).

Tabla B - Ejemplos de ciclos de tratamiento térmico (ilustrativos)

(Los ciclos reales pueden variar; los proveedores suelen documentar los perfiles de tratamiento térmico).

Preguntas frecuentes

1) ¿Es adecuado el Inconel 718 para el servicio ácido (H₂S)?
Sí, siempre que el material se fabrique y se someta a un tratamiento térmico que cumpla los requisitos NACE MR0175 / ISO 15156-3 y API 6A CRA (incluidos los límites máximos de dureza y el tratamiento térmico documentado). Verifique los informes de ensayo del proveedor.

2) ¿Cuál es la diferencia entre AMS y API 6A CRA 718?
Las especificaciones AMS (por ejemplo, AMS5662/5663) definen normalmente las condiciones de tratamiento térmico y las pruebas de aceptación en el sector aeroespacial; API 6A CRA añade límites de procesamiento, pruebas y dureza específicos para el sector del petróleo y el gas, adaptados a los servicios ácidos. Elija la especificación que mejor se adapte a su aplicación.

3) ¿Qué dureza es aceptable para la conformidad NACE?
Típicamente Rockwell C ≤ 40 en la condición de recocido en solución + envejecido, pero debe confirmar la edición y la tabla específica para la aplicación (NACE/ISO tiene restricciones dependientes de la temperatura).

4) ¿Puede soldarse el 718 y seguir utilizándose en servicio agrio?
Sí, pero los ensamblajes soldados deben recibir los ciclos correctos de recocido en solución y envejecimiento (o el tratamiento térmico posterior a la soldadura especificado) y verificarse mediante inspección de dureza y microestructural para garantizar el cumplimiento de la norma NACE.

5) ¿Cuáles son los valores típicos de rendimiento mínimo para las clases API 718?
La práctica común de la industria suministra clases en torno a 120 ksi y 140 ksi de límite elástico mínimo; algunos proveedores ofrecen un producto especial de alta resistencia de 150 ksi en formas restringidas. Especifique siempre el mínimo requerido en el pedido.

6) ¿Existen límites de temperatura para el 718 en servicio ácido?
Sí. Las tablas NACE MR0175 / ISO 15156 establecen una guía de temperatura/presión; los ingenieros deben validar la combinación específica de temperatura y presión parcial de H₂S con esas tablas.

7) ¿Cómo afecta el grosor de la sección a las propiedades mecánicas?
Las secciones grandes se enfrían y envejecen de forma diferente; las propiedades de fluencia y tracción y la dureza pueden variar con el tamaño de la sección. Los proveedores suelen ensayar secciones representativas o facilitar orientaciones sobre la reducción de potencia.

8) ¿Es magnético el 718?
En la mayoría de las condiciones, el 718 es débilmente magnético o casi no magnético debido a su matriz de níquel austenítico; sin embargo, el trabajo en frío o ciertas distribuciones de precipitados pueden hacerlo ligeramente magnético.

9) ¿Qué ensayos END y de cualificación se requieren normalmente para las piezas críticas?
PMI, ensayos de tracción, ensayos de dureza, examen microestructural y END apropiados (UT/MT/PT), además de cualquier ensayo de fragilización por hidrógeno o SSC exigido por la especificación de compra.

10) ¿Alternativas si la aplicación exige una mayor resistencia general a la corrosión?
Si la resistencia a las picaduras o al cloruro es primordial, considere aleaciones como 625, 725 o CRA más nobles; si se requiere resistencia a la fluencia a temperaturas más elevadas, evalúe otras superaleaciones de base níquel adaptadas a la fluencia.