Las superaleaciones se basan, normalmente, en los elementos químicos Fe, Ni, Co y Cr (hierro, níquel, cobalto, y cromo) que, por ser elementos de alto punto de fusión, dan origen a aleaciones que pueden operar a temperaturas muy altas. Al combinarse con otros elementos como el W, Mo, Ta, Nb, Ti y Al (wolframio, molibdeno, tantalio, niobio, titanio, y aluminio), entre otros (figura 2), las propiedades resultantes se modifican de manera sobresaliente, variando de acuerdo con las propiedades originales de los elementos aleantes. Las superaleaciones con base Ni se utilizan a temperaturas más altas que cualquier otro sistema de aleación común (se aplica una temperatura cercana a 90% de su punto de fusión). La clave es la adición de Al o Ti, ya que se ha encontrado que, al añadir estos elementos al Ni, la aleación resultante se hace más resistente a altas temperaturas.¹

Si se aplica una fuerza a un metal, provocando que se estire hasta un cierto punto, el metal regresa a su forma original; pero más allá de un determinado nivel de carga, el metal comienza a modificarse, permanentemente. A esto llamamos el límite elástico de un metal. 
     En el caso de la mayoría de los materiales, dicho límite disminuye a medida que la temperatura se eleva, porque, cuando se calienta un metal, generalmente, se hace más suave; pero, en las superaleaciones que tienen base de Ni el límite elástico permanece constante y luego comienza a aumentar, alcanzando un máximo cercano a 700 °C, que es la temperatura de trabajo de un motor de turbina.²

En una aleación, pequeñas partículas comienzan a precipitarse e incrustarse en todo el material. Visto en el microscopio electrónico, en las superaleaciones los precipitados semejan pequeños cubos que se organizan a sí mismos como edificios y carreteras en una gran ciudad vista desde el aire (figura 3), pero no son otra cosa que los átomos dispuestos en diferentes configuraciones o estructuras cristalinas.
     La carretera o matriz está hecha de una estructura denominada por la letra griega γ,  conocida como fase gamma y, llamaremos a los edificios gamma prima, que denominaremos γ’ (figura 4). La fase γ’ se forma a una concentración y temperatura determinadas; los átomos, por su parte, se organizan espontáneamente para colocarse en las esquinas de cada una de las caras de la celda unitaria. Engañosamente, puede parecer que hay más átomos del elemento aleante (Al, Ti) que los de Ni, pero, en realidad, hay tres veces más átomos de Ni: Ni₃(Al,Ti). Esto se debe a que las celdas se apilan para formar un cristal; así, cada átomo en la esquina es compartido con otras ocho celdas, pero los átomos en los centros de las caras son compartidos sólo por una celda.³

FIGURA 4. La estructura cristalina a) del camino y b) del edificio en una superaleación.

     La cantidad de elementos aleantes (Al, Ti) que se añaden está en función de la fracción volumétrica de la fase ?’ que se desee en la matriz. En algunas superaleaciones, la fracción volumétrica es cercana a 70% y, a su vez, el tamaño de la fase puede ser controlado con precisión, aplicando un tratamiento térmico.

Cuando los precipitados son extremadamente pequeños, precipitan siempre con morfologías de esferas. De hecho, para un precipitado de volumen dado, una esfera tiene menos área superficial que un cubo y, por lo tanto, es la forma capaz de minimizar la energía generada en la superficie. Con un precipitado coherente —es decir, cuando el parámetro de red del precipitado es similar a la red atómica de la matriz— se generan distorsiones en ambas redes por efecto del aumento en el tamaño del precipitado (figura 5), y la energía generada en la superficie se puede minimizar, mediante la formación de cubos. Así, cuando crecen dichos precipitados, la morfología puede cambiar de esferas a cubos o placas (figura 6).⁴

FIGURA 6. Micrografías obtenidas por microscopia electrónica de transmisión, donde se muestra la evolución morfológica de los precipitados, en función del tiempo, que va desde esférica a placas, pasando por cuboidal y paralelepípedos. 

Las superaleaciones de primera generación aumentaron el contenido de Al, Ti, Ta y Nb (aluminio, titanio, tantalio y niobio), con el fin de aumentar la fracción volumétrica de los precipitados. Las de la segunda y tercera generación adicionaron, aproximadamente, entre 3 y 6% de Re (renio), para aumentar la temperatura de trabajo. Las de cuarta, quinta, y sexta generación han sido desarrolladas para incorporar adiciones de Ru (rutenio) con el mismo fin.
     Por otro lado, una nueva área de investigación en la creación de aleaciones y superaleaciones se está desarrollando a través de la adición de nanopartículas que actúen como reforzantes. Además, mediante estudios sobre nanopartículas, sería posible ampliar la investigación de superaleaciones a otros aspectos como la formación de superaleaciones nanoestructuradas.
     Alrededor de la mitad de las superaleaciones que se utilizan actualmente trabajan con temperaturas muy cercanas a la temperatura de fusión de la aleación, y sufren de un nivel inaceptable de fluencia. Por lo tanto, el desarrollo de superaleaciones se centra en: la reducción de peso; el mejoramiento de la oxidación y la resistencia a la corrosión; así como el mantener la resistencia de la aleación a altas temperaturas para, incluso, poder incrementar las temperaturas de trabajo.⁵