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INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA SEMESTRE ENE-JUN 2019

INGENIERIA EN MATERIALES

TALLER DE MATERIALES PARA LA INDUSTRIA AEROESPACIAL PEDRO ZAMBRANO

DESARROLLO DE LA INDUSTRIA AEROESPACIAL BANNELY GEORGINA LOYA 14060739 DANIEL ALBERTO VARGAS 15061022

Introducción Los fabricantes de motores de turbina enfrentan desafíos continuos para producir sistemas de propulsión con mayor eficiencia y menores emisiones. Para lograr estos objetivos, las tecnologías maduras se están implementando en sistemas heredados, los materiales en evolución y las tecnologías de procesos se están aplicando en los sistemas de campo y de próxima generación, y se están desarrollando tecnologías revolucionarias de materiales y procesos para cambios radicales en los futuros sistemas de motores de turbina. (Green, 2009) Numerosas investigaciones de las características mecánicas del material durante el funcionamiento de la turbina de gas revelan una rápida acumulación de daños y la degradación de sus propiedades. La degradación general es la disminución de la ductilidad, la resistencia, el límite de resistencia y, al mismo tiempo, el aumento de la velocidad de propagación de la fluencia y el agrietamiento, etc. Esto se refiere especialmente al material de los bordes de las cuchillas anterior y posterior. Las grietas y distorsiones generalmente aparecen solo en estos lugares, lo que limita la vida útil del motor. (Karpinos, 2013)

Aleaciones de titanio Las aleaciones de titanio son utilizadas en fuselajes, componentes del tren de aterrizaje y en partes de turbinas por su combinación única de propiedades: -

Moderada densidad

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Alta resistencia

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Alta resistencia a la fatiga

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Resistencia a la fractura

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Excelente resistencia a la corrosión

Las aleaciones de titanio tienen buen uso a altas temperaturas (arriba de 500600°C), como está encima del límite de temperatura de operación de aleaciones de bajo peso como aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio y compuestos de fibra-polímeros. Por esa razón, cuando originalmente las aleaciones de titanio se usaron en aeronaves fue debido a sus aplicaciones a alta temperatura. Las primeras

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aplicaciones de titanio fueron en discos de compresores y aspas de ventiladores de turbinas de gas. El uso de titanio fue importante en el temprano desarrollo de motores de jet, que eran construidos originalmente utilizando aceros y aleaciones de níquel de alta resistencia térmica. Los aceros y la aleación de níquel son “materiales pesados”, y su remplazo con titanio en discos y aspas redujeron el peso en los primeros motores de jet por más de 200Kg. El titanio ha sido un importante material de ingeniería en motores de turbina de gas por más de cincuenta años, y actualmente cuenta por 25-30% del peso de los motores más modernos. El titanio puede ser utilizado en componentes de motor que requieren operar por encima de 500-600°C. Los componentes de motor hechos usando titanio son aspas de ventiladores, ejes y cubiertas en la región de entrada: compresores de baja presión; y enchufes y boquillas de ensamble en la sección de escape. El titanio es también usado en la estructura de motores, cubiertas, colectores, ductos y tubos. No es posible utilizar titanio en todas las partes del motor, y es insustituible en la cámara de combustión y otras secciones en donde la temperatura excede los 600°C. por encima de esta temperatura el titanio se suaviza y oxida, y se hace necesario el uso de otros materiales más resistentes al calor como lo son aleaciones de níquel.

Súper aleaciones para motor de turbina de gas. Las súper aleaciones son un grupo de aleaciones base níquel, hierro-níquel y cobalto usadas en turbinas de aeronaves por sus excepcionales propiedades de resistencia térmica. Los materiales usados en los motores de jet deben resistir largos periodos de tiempo en un ambiente de alta temperatura, alto estrés y gases corrosivos calientes. Muchos materiales simplemente no pueden sobrevivir las severas condiciones en las secciones más calientes del motor. Cuando las temperaturas alcanzan los 1300°C. las súper aleaciones, poseen muchas propiedades que son requeridas para el material de un motor como son alta resistencia, larga vida a la fatiga, resistencia a la fatiga y resistencia a alto estrés a 3

alta temperatura. Las súper aleaciones resisten la corrosión y la oxidación a altas temperaturas, cuando esto causa el rápido deterioro de muchos otros materiales metálicos. Las súper aleaciones pueden operar a temperaturas por encima de los 950-1300°C por largos periodos, haciéndolos materiales adecuados para el uso en motores jet modernos.

El importante rol de las súper aleaciones en el alcanzar su máxima temperatura de operación. La figura 1 muestra el mejoramiento usando muestras a alta temperatura y esos materiales pueden mantenerse sin fallar cuando se les aplican una carga de 137 MPa (20ksi) por 1000h. sobre la era de las aeronaves jet, la máxima temperatura incremento cerca de 50%. Los beneficios como el incremento de la temperatura de operación de los motores han incrementado enormemente.

Figura 1 Mejoramiento en el límite de temperatura para superaleaciones en turbinas de avión. La temperatura de operación está definida por la vida de fluencia del material cuando es sometido a una carga de 137 Mpa por 1000 horas. En los anteriores 20 años el empuje de los motores de turbina de gas incremento por 60% mientras que en el mismo periodo los motores de combustible cayeron un 15-20%. Los impresionantes logros en el poder y eficiencia de motores han sido

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completados en parte por mejoras en la durabilidad de materiales en la sección mas caliente del motor, y particularmente las partes de más alta presión de la turbina. La durabilidad ha sido mejorada dramáticamente debido a avances en el diseño de motores, tecnología de propulsión y materiales. El mejoramiento de durabilidad permite el mejor uso de aeronaves al incrementar la vida de los motores y reduciendo las inspecciones de mantenimiento después de 500h de operación. (Mouritz, 2012) Como ejemplo claro de una importante aplicación de la aleación TiAl está el GEnx que es el motor a reacción de alto empuje y más vendido en la historia de GE Aviation, con más de 1,600 motores en orden. Además de alimentar el Boeing 7478 de cuatro motores, el motor GEnx también es el motor más vendido para el Boeing 787 Dreamliner. Basado en la arquitectura probada GE90, el motor GEnx ofrecerá hasta un 15% de eficiencia de combustible mejorada y un 15% menos de CO2 en comparación con el motor CF6 de GE. El motor GEnx representa un gran avance en la tecnología de propulsión, ya que utiliza los últimos materiales y procesos de diseño para reducir el peso, mejorar el rendimiento y ofrecer un motor de avión comercial más eficiente.

Entre las características innovadoras de GEnx se encuentran una cámara de combustión de dos hileras de pre-remolino (TAPS) que reducirá drásticamente los gases NOx y las aspas del ventilador más grandes y eficientes que ayudarán a que el GEnx sea el motor de avión comercial más silencioso que jamás haya producido. El motor GEnx es también el primer motor a reacción comercial del mundo con una caja de ventilador frontal y aspas de ventilador hechas de compuestos de fibra de carbono. (GE Aviation, s.f.) En 2006, GE introdujo las cuchillas TiAl LPT para sus motores GEnx ™. La sección LPT del motor GEnx ™ emplea aproximadamente 200 cuchillas de TiAl por motor en dos filas de cuchillas. El motor de aeronave GEnx ™ es el producto preeminente en su clase, que ofrece mejoras sustanciales en emisiones, ruido, confiabilidad y costo de propiedad. La certificación de la Administración Federal de Aviación de los 5

EE. UU. Para el motor GEnx ™ se emitió en abril de 2011. A lo largo de las pruebas de certificación y en servicio, las aspas de TiAl diseñadas y fabricadas por GE han tenido un desempeño impecable. Como se mencionó anteriormente, actualmente se han producido más de 1,600,000 lb de aleación 48-2-2 de TiAl, se han moldeado más de 18 configuraciones distintas de piezas de motores de avión y se han producido más de 250,000 palas. Estas cantidades son muy impresionantes para la introducción de una nueva tecnología, pero el volumen de producción de aleación de TiAl es aún bajo en comparación con, por ejemplo, los grados comerciales de aleación de titanio. Hay aproximadamente 190,000 cuchillas de TiAl que vuelan diariamente en 229 Boeing 787 y 101 Boeing 747-8s. Los motores de estas aeronaves han acumulado más de 6,600,000 h y 1,100,000 ciclos de operación. La decisión de utilizar TiAl en el LPT de GEnx se tomó después de muchos años de desarrollo diligente, disciplinado y extenso, incluidas pruebas sustanciales. Se han pedido más de 1600 motores GEnx; los años siguientes verán una producción continua de gran volumen de cuchillas de TiAl LPT. (Bewlay, 2016)

Futuro desarrollo de las turbinas Se estima que el transporte como sector aporta aproximadamente el 20% de las emisiones globales. Por lo tanto, los fabricantes de motores de turbina están intensificando la investigación sobre la combustión de combustible más eficiente. Una reducción significativa de las emisiones puede ser posible si se mejora el consumo de combustible específico, lo que reduce los requisitos de combustible del motor y también aliviará la carga de extraer recursos naturales cada vez más escasos. La Unión Europea está trabajando para implementar un plan de comercio de emisiones, que incluirá la aviación, para 2012. Para enfrentar esto y las regulaciones previsibles, se requieren reducciones en el consumo de combustible y las emisiones. (Green, 2009)

La vinculación del diseño, los materiales y las tecnologías de fabricación mediante simulación y modelado por computadora es ahora un requisito para los componentes y sistemas de alto rendimiento y alta eficiencia. Los diseños dependen 6

de materiales cuyas propiedades dependen de la ruta de fabricación. Los modelos permiten la predicción de propiedades mecánicas específicas de la ubicación, que respalda el diseño para la fabricación y la optimización de materiales y la fabricación. El modelado y la simulación también están siendo aplicado para optimizar materiales y procesos establecidos. Los materiales y tecnologías de proceso revolucionarios tienen el potencial de mejorar significativamente la eficiencia y la capacidad “verde” de los motores de turbina. Por definición, comienzan con un bajo nivel de madurez y requieren desarrollo, evaluación y validación antes de ser aplicados a cualquier sistema futuro. Sin embargo, estas tecnologías de alto riesgo / alta rentabilidad, si tienen éxito en lograr objetivos de rendimiento agresivos, pueden habilitar nuevos componentes y / o diseños de sistemas que permitan mejoras importantes en la capacidad y el rendimiento en general. Un ejemplo de esto podría ser los materiales cerámicos de temperatura ultra alta, que si se pueden diseñar y fabricar en componentes reales, podrían cambiar radicalmente los diseños actuales del sistema. Incluso si no se logra el objetivo final, los beneficios del esfuerzo de desarrollo de tecnología deben ser capturados y utilizados en la mayor medida posible. (Green, 2009)

Figura 2 La inserción de materiales avanzados en los sistemas actuales y futuros del motor permitirá un funcionamiento más eficiente.

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Los futuros sistemas de propulsión de transporte requerirán materiales y procesos para una capacidad máxima "ecológica". Estos materiales, que se encuentran actualmente en la etapa de viabilidad del concepto, deberán utilizar aire de refrigeración mínimo con mayor eficiencia, o no requerirán refrigeración alguna. •

Los materiales compuestos de cerámica de alta temperatura para las cámaras de combustión, las turbinas y los sistemas de escape será necesitados por los motores avanzados.

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Las cerámicas monolíticas pueden ser adecuadas para rodamientos de elementos. Sin embargo, estas cerámicas deben tener una alta pureza y deben demostrar una confiabilidad mejorada como resultado de una inspección no destructiva.

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Los materiales intermetálicos de menor densidad también pueden ser aplicados más ampliamente en componentes rotativos.

Desarrollo en México En México existen instalaciones de Chromalloy en Guaymas que suministran maquinado de precisión en componentes de motores de turbina de gas de nueva producción, alta y baja presión, incluidas cuchillas y segmentos. Los clientes incluyen fabricantes de motores de avión y fabricantes de turbinas de gas industriales pesadas. (CISION PR Newswire, s.f.) La compañía proporciona fabricantes y operadores de motores de turbina en el sector aeroespacial comercial, defensa y energía, con soporte completo de fabricación y gestión de materiales y cadena de suministro. Las instalaciones de Chromalloy incluyen operaciones, anexos y oficinas de ventas en 11 países. (Chromalloy, s.f.) La nueva instalación desde el 2016 tiene la capacidad de mecanizar hasta 68,000 componentes de motores de turbina de gas al año y fue diseñada para reemplazar las instalaciones adyacentes de 17,000 pies cuadrados de Chromalloy en el Parque Industrial Roca Fuerte, en operación desde 2009.

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Los servicios incluyen mecanizado multieje, rectificado, fresado, mecanizado de electro descarga (EDM) e inspección. Chromalloy también opera un centro de reparación de componentes de motores de turbinas de gas en Mexicali, México.

Chromalloy opera una red de centros de fabricación y reparación de motores de turbinas de gas en todo el mundo que proporciona una amplia gama de servicios en componentes en la ruta de gas del motor o en la sección caliente. La compañía es un proveedor líder de reparaciones tecnológicamente avanzadas, recubrimientos, fundiciones de inversión y servicios para perfiles aerodinámicos de turbinas y otros componentes críticos del motor. Chromalloy se ha expandido de un negocio de reparación de partes de turbinas de gas a un proveedor OEM de partes de producción y reparaciones y servicios avanzados para turbinas de gas utilizadas en aplicaciones de aviación y terrestres. Chromalloy atiende a los segmentos de aerolíneas, militares, marinos y de energía con una amplia gama de servicios en ubicaciones en todo el mundo. Chromalloy está autorizada por la FAA y EASA y muchas otras NAA, y está calificada según ISO y NADCAP. Chromalloy es una subsidiaria de Sequa Corporation. (CISION PR Newswire, s.f.)

Figura 3 Actividad de operadores con una turbina, en una de las instalaciones de Chromalloy

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Bibliografía Bewlay, B. N. (2016). TiAl alloys in comercial aircraft engines. Materials at High Temperatures , 549-559. Chromalloy. (s.f.). Obtenido de https://www.chromalloy.com/ CISION PR Newswire. (s.f.). Obtenido de https://www.prnewswire.com/newsreleases/chromalloy-unveils-new-gas-turbine-engine-component-machiningfacility-in-guaymas-mexico-during-grand-opening-and-tour-300177688.html GE Aviation. (s.f.). Obtenido de https://www.geaviation.com/commercial/engines/genx-engine Green, K. A. (2009). Advanced turbine engine materials. Advanced Materials & Processes, 21-23. Karpinos, B. S. (2013). Thermal Cyclic Creep and Long-Term Strength of the Material of Aircraft Gas Turbine Blades after Operation. Strength of Materials , 542-548. Mouritz, A. P. (2012). Introduction to Aerospace Materials. En A. P. Mouritz, Introduction to Aerospace Materials (pág. 253). eBook Academic Collection (EBSCOhost).

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