La fabricación aeroespacial es el campo de alta tecnología más concentrado en la fabricación y pertenece a la tecnología de fabricación avanzada.
Entre los productos destacados se incluyen el motor F119 desarrollado por Hewlett-Packard en Estados Unidos, el motor F120 de General Electric, el motor M88-2 de la empresa francesa SNECMA y el motor EJ200 desarrollado conjuntamente por Reino Unido, Alemania, Italia y España. . .
Estos representan los motores de aviación de alto rendimiento más avanzados del mundo y tienen en común el uso generalizado de nuevos materiales, nuevos procesos y nuevas tecnologías. Echemos un vistazo a estos nuevos materiales utilizados en motores de aviación de alto rendimiento.
1. Aleaciones de alta temperatura
Las aleaciones de alta temperatura se desarrollaron para cumplir con los estrictos requisitos de materiales de los motores a reacción y se han convertido en una clase irremplazable de materiales clave para los componentes calientes de los motores de turbina de gas militares y civiles.
Actualmente, en los motores de aviación avanzados, las aleaciones de alta temperatura representan más del 50% del material utilizado.
El desarrollo de aleaciones de alta temperatura está estrechamente relacionado con el progreso tecnológico de los motores de aviación, especialmente los materiales de los discos y palas de las turbinas y los procesos de fabricación de los componentes de los motores de extremo caliente, que son indicadores importantes del desarrollo de los motores.
Debido a las altas exigencias impuestas a la resistencia a altas temperaturas y la capacidad del material para soportar tensiones, el Reino Unido desarrolló inicialmente la aleación Ni3 (Al, Ti) reforzada Nimonic80 para su uso como material para las palas de turbinas de motores a reacción. También desarrolló secuencialmente la serie de aleaciones Nimonic.
Estados Unidos ha desarrollado aleaciones a base de níquel reforzadas por dispersión que contienen aluminio y titanio, como las series de aleaciones Inconel, Mar-M y Udmit desarrolladas por Pratt & Whitney, General Electric y Special Metals Corporation, respectivamente.
Durante el desarrollo de aleaciones de alta temperatura, los procesos de fabricación desempeñaron un papel importante en el impulso del desarrollo de las aleaciones. Con la aparición de la tecnología de fusión al vacío, la eliminación de impurezas y gases nocivos de las aleaciones, especialmente el control preciso de la composición de la aleación, ha mejorado continuamente el rendimiento de las aleaciones de alta temperatura.
Después de eso, la investigación exitosa sobre nuevos procesos como la solidificación direccional, el crecimiento de monocristales, la pulvimetalurgia, la aleación mecánica, los tipos de núcleo cerámico, la filtración cerámica, la forja isotérmica, etc., impulsó el rápido desarrollo de aleaciones de temperatura de alto rendimiento.
Entre estas destaca la tecnología de solidificación direccional; Las aleaciones producidas mediante este proceso (aleaciones direccionales monocristalinas) se pueden utilizar a temperaturas cercanas al 90% de su punto de fusión inicial.
Como resultado, las palas de las turbinas de los motores de aviación avanzados actuales en muchos países se fabrican a partir de aleaciones direccionales monocristalinas. A nivel mundial, se han formado cristales equiaxiales, cristales columnares solidificados direccionalmente y sistemas de aleaciones monocristalinas a partir de aleaciones fundidas a alta temperatura a base de níquel.
También se han desarrollado aleaciones en polvo de alta temperatura a partir de la primera generación de discos de turbina de polvo de 650 °C a 750 °C y 850 °C y discos de polvo de doble rendimiento, que se utilizan en motores avanzados de alto rendimiento.
2. Acero de ultra alta resistencia
El acero de ultra alta resistencia se utiliza como material para el tren de aterrizaje de los aviones. El avión de segunda generación utilizó acero 30CrMnSiNi2A en su tren de aterrizaje, con una resistencia a la tracción de 1700 MPa. Sin embargo, la vida útil de este tren de aterrizaje era relativamente corta, aproximadamente 2.000 horas de vuelo.
Para el proyecto del caza de tercera generación, se espera que el tren de aterrizaje tenga una vida útil de más de 5.000 horas de vuelo. Debido al aumento del equipamiento a bordo y a la disminución de la relación de peso de la estructura del avión, se imponen mayores exigencias a la selección del tren de aterrizaje y a la tecnología de fabricación.
Los cazas estadounidenses y chinos de tercera generación han adoptado la tecnología de fabricación de trenes de aterrizaje con acero 300M (con una resistencia a la tracción de 1950 MPa).
Cabe señalar que la mejora en la tecnología de aplicación de materiales también está impulsando una mayor extensión de la vida útil del tren de aterrizaje y una mayor adaptabilidad.
Por ejemplo, el tren de aterrizaje del Airbus A380 adoptó tecnología de forjado integral ultragrande, nueva tecnología de tratamiento térmico atmosférico y tecnología de pulverización de llama de alta velocidad, lo que garantiza que la vida útil del tren de aterrizaje cumpla con los requisitos de diseño. Por tanto, el avance de nuevos materiales y tecnologías de fabricación asegura la renovación y modernización de las aeronaves.
El diseño de aviones de larga duración en entornos corrosivos requiere estándares de materiales más altos. En comparación con el acero 300M, el acero AerMet100 proporciona un nivel equivalente de resistencia, pero exhibe una resistencia general a la corrosión y una resistencia a la corrosión bajo tensión superiores.
La tecnología de fabricación del tren de aterrizaje que la acompaña se ha empleado en aviones avanzados como el F/A-18E/F, F-22 y F-35. Actualmente se está investigando el acero Aermet310 de mayor resistencia, que tiene una menor tenacidad a la fractura.
El acero AF1410 de ultra alta resistencia, conocido por su velocidad de propagación de grietas extremadamente lenta, se utiliza en la junta del actuador del ala del avión B-1, logrando una reducción de peso del 10,6 % y una mejora del 60 % en la maquinabilidad en comparación con el Ti-6Al. - 4V, y una reducción de costes del 30,3%. El acero inoxidable de alta resistencia utilizado en el MiG-1.42 ruso representa el 30% del total.
PH13-8Mo es el único acero inoxidable martensítico de endurecimiento por precipitación de alta resistencia ampliamente utilizado en componentes resistentes a la corrosión.
A nivel internacional, el desarrollo de aceros para engranajes (cojinetes) de ultra alta resistencia, como CSS-42L y GearmetC69, se ha probado en motores, helicópteros y en el sector aeroespacial.
3. Compuestos intermetálicos
El desarrollo de motores aeronáuticos de alto rendimiento con una elevada relación empuje-peso impulsó el desarrollo y aplicación de compuestos intermetálicos. Hoy en día, los compuestos intermetálicos han evolucionado hasta convertirse en una familia diversa, normalmente formada por compuestos metálicos binarios, ternarios o multielementales.
Los compuestos intermetálicos tienen un potencial significativo para aplicaciones estructurales de alta temperatura, ofreciendo altas temperaturas de uso, alta resistencia específica y conductividad térmica. Especialmente en condiciones de alta temperatura, tienen una excelente resistencia a la oxidación, alta resistencia a la corrosión y alta resistencia a la fluencia.
Como los compuestos intermetálicos representan un nuevo material que cierra la brecha entre las aleaciones de alta temperatura y los materiales cerámicos, se han convertido en uno de los materiales ideales para componentes de alta temperatura en motores de aviones.
Actualmente, en la estructura de motores de aviones, el principal foco de investigación y desarrollo son los compuestos intermetálicos, con especial énfasis en el titanio aluminio y el níquel aluminio. Estos compuestos de titanio y aluminio comparten una densidad similar a la del titanio pero tienen una temperatura de uso significativamente más alta.
Por ejemplo, sus temperaturas de uso son 816°C y 982°C, respectivamente. Los fuertes enlaces interatómicos y las complejas estructuras cristalinas de los compuestos intermetálicos dan como resultado una deformación difícil, exhibiendo características duras y quebradizas a temperatura ambiente.
Después de años de investigación experimental, se desarrolló e instaló con éxito una nueva aleación con resistencia a altas temperaturas y plasticidad y tenacidad a temperatura ambiente, con excelentes resultados. Por ejemplo, el motor de alto rendimiento F119 de Estados Unidos utiliza compuestos intermetálicos en la carcasa del motor y en el disco de la turbina. Las palas y el disco del compresor del motor de prueba F120 están hechos de un nuevo compuesto intermetálico de titanio y aluminio.
4. Compuestos de matriz cerámica
Cuando piensas en cerámica, naturalmente te viene a la mente la fragilidad. Hace unas décadas, su uso en ingeniería para componentes portantes era impensable. Incluso ahora, cuando hablamos de composites cerámicos, es posible que algunas personas no lo entiendan, suponiendo que la cerámica y los metales son materiales fundamentalmente no relacionados. Sin embargo, la ingeniosa unión de cerámica y metales cambió fundamentalmente nuestra percepción sobre este material, dando origen a los composites de matriz cerámica.
Los compuestos de matriz cerámica son un nuevo material estructural prometedor en la industria aeroespacial, particularmente en la fabricación de motores de aviones, donde sus atributos únicos son cada vez más evidentes. Además de ser livianos y duros, los compuestos de matriz cerámica también tienen una resistencia excepcional a altas temperaturas y a la corrosión a temperaturas elevadas.
Actualmente, los compuestos de matriz cerámica han superado a los materiales metálicos resistentes al calor en resistencia a altas temperaturas, demostrando excelentes propiedades mecánicas y estabilidad química, lo que los convierte en un material ideal para zonas de alta temperatura de motores de turbina de alto rendimiento.
Actualmente, países de todo el mundo están centrando su investigación en cerámicas reforzadas con nitruro de silicio y carburo de silicio para satisfacer los requisitos de materiales de la próxima generación de motores avanzados, y han logrado avances significativos. Algunos ya han comenzado a incorporar estos materiales en los motores de aviones modernos.
Por ejemplo, el motor de prueba F120 de Estados Unidos utiliza materiales cerámicos en los dispositivos de sellado de su turbina de alta presión y en algunos componentes de alta temperatura de su cámara de combustión. El motor francés M88-2 también utiliza compuestos de matriz cerámica en su cámara de combustión y boquilla.
5. Materiales compuestos de carbono/carbono
Los materiales compuestos carbono/carbono (C/C), que se han convertido en los materiales resistentes a altas temperaturas más notables en los últimos años, son actualmente los únicos materiales considerados adecuados para su uso en palas de rotores de turbinas, con una relación empuje-peso superior a 20 y temperaturas de entrada del motor que alcanzan 1930-2227°C.
Estos materiales son un área clave de atención para Estados Unidos en el siglo XXI y un objetivo principal perseguido por las naciones industriales avanzadas de todo el mundo. Los materiales compuestos C/C, o compuestos de matriz de carbono reforzados con fibra de carbono, combinan de manera única la naturaleza refractaria del carbono con la alta resistencia y rigidez de las fibras de carbono, lo que conduce a fallas no frágiles.
Con su peso ligero, alta resistencia, estabilidad térmica superior y excelente conductividad térmica, son los materiales resistentes a altas temperaturas más ideales en la actualidad. En particular, en condiciones de alta temperatura que oscilan entre 1000 y 1300 °C, su resistencia no disminuye sino que aumenta. Incluso a temperaturas inferiores a 1650°C, mantienen su fuerza y forma a temperatura ambiente. En consecuencia, los materiales compuestos C/C tienen un importante potencial de desarrollo en la industria de fabricación aeroespacial.
El principal problema de la aplicación de materiales compuestos C/C en motores de aviación es su escasa resistencia a la oxidación. Sin embargo, en los últimos años, Estados Unidos ha ido resolviendo este problema mediante una serie de medidas de proceso y aplicándolas progresivamente a los nuevos motores.
Por ejemplo, los tubos de escape del postquemador del motor F119, las boquillas y conductos de la cámara de combustión del motor F100 y ciertas partes de la cámara de combustión del motor de validación F120 ahora están fabricados con compuestos C/C. De manera similar, los motores franceses M88-2 y Mirage 2000, incluidas sus barras de combustible de postcombustión, escudos térmicos y conductos, también emplean compuestos C/C.
6. Materiales compuestos a base de resina
La investigación sobre la aplicación de materiales compuestos a base de resina en motores turbofan de aviación comenzó en la década de 1950. Después de más de 60 años de desarrollo, empresas como GE, PW, RR, MTU y SNECMA han invertido importantes esfuerzos en la investigación y el desarrollo de estos. materiales, logrando avances sustanciales. Han diseñado con éxito estos compuestos para motores turbofan de aviación en servicio activo y existe una tendencia a aumentar aún más su uso.
La temperatura de servicio de los materiales compuestos a base de resina generalmente no supera los 350°C. Por tanto, estos materiales se utilizan principalmente en la parte fría de los motores de aviación. A continuación se ilustran las principales áreas de aplicación de materiales compuestos a base de resina en motores de aviación extranjeros avanzados.
Aspas del ventilador: Las aspas del ventilador del motor son un componente crítico representativo del motor turbofan, estrechamente relacionado con su rendimiento. En comparación con las aspas de ventilador de aleación de titanio, las aspas de ventilador compuestas a base de resina tienen una ventaja muy clara en la reducción de peso. Además de la clara reducción de peso, el impacto en la carcasa del ventilador es menor después de golpear las aspas del ventilador compuesto a base de resina, lo que resulta beneficioso para aumentar la capacidad de contención de la carcasa del ventilador.
En la actualidad, los principales representantes de las palas de ventilador compuestas utilizadas comercialmente en el extranjero incluyen los motores de la serie GE90 para el B777, los motores GEnx para el B787 y los motores LEAP-X para el C919 de Chinese Commercial Aircraft Corporation.
En 1995, el motor GE90-94B equipado con aspas de ventilador compuestas a base de resina entró oficialmente en operación comercial, lo que significó la aplicación formal de ingeniería de compuestos a base de resina en motores de aviación modernos de alto rendimiento. Teniendo en cuenta factores como la aerodinámica y la fatiga de ciclo alto y bajo, GE desarrolló nuevas aspas de ventilador compuestas para el siguiente motor GE90-115B.
Al entrar en el siglo XXI, la fuerte demanda de compuestos de alta tolerancia al daño en motores de aviación ha impulsado el desarrollo de la tecnología de compuestos. Sin embargo, se ha vuelto cada vez más difícil cumplir con los requisitos de alta tolerancia al daño y al mismo tiempo mejorar continuamente la resistencia del preimpregnado de fibra de carbono/resina epoxi. En este contexto, han surgido aspas de ventilador compuestas por una estructura tejida en 3D.
Caja del ventilador: La caja del ventilador es la parte estacionaria más grande de un motor de aviación. Su reducción de peso afectará directamente a la relación empuje-peso y a la eficiencia del motor. Por lo tanto, los fabricantes de equipos originales extranjeros de motores de aviación avanzados siempre han estado comprometidos con la reducción de peso y la optimización estructural de la carcasa del ventilador. En la figura se muestra la tendencia de desarrollo de las carcasas de ventiladores en motores de aviación extranjeros avanzados.
Cubierta del ventilador: debido a que no es un componente principal de carga, la cubierta del ventilador fue una de las primeras partes de un motor de avión fabricada con materiales compuestos. El uso de estos materiales para las cubiertas de los ventiladores permite un peso más liviano, una estructura anticongelante simplificada, una resistencia superior a la corrosión y una resistencia mejorada a la fatiga.
Los materiales compuestos a base de resina se utilizan actualmente en la construcción de cubiertas de ventilador en los motores RB211 de Rolls-Royce, así como en los motores PW1000G y PW4000 de Pratt & Whitney.
En comparación con el cuerpo principal de los motores de avión, los compuestos a base de resina tienen una aplicación más amplia en carenados cortos de motores, como se muestra en la figura. Según los recursos, los fabricantes extranjeros han empleado ampliamente compuestos a base de resina en tomas de aire cortas, carenados, inversores de empuje y revestimientos reductores de ruido.
Los compuestos a base de resina también se aplican en diversos grados a otras partes del motor de la aeronave, como paletas guía de flujo del ventilador, sellos de cojinetes y placas de cubierta, según los recursos.
7. Compuestos de matriz metálica
Los compuestos de matriz metálica, en comparación con los compuestos a base de resina, tienen una tenacidad excelente, no absorben la humedad y pueden soportar temperaturas relativamente altas. Las fibras de refuerzo de compuestos de matriz metálica incluyen fibras metálicas tales como compuestos intermetálicos de acero inoxidable, tungsteno y níquel y aluminio; fibras cerámicas como alúmina, sílice, carbono, boro y carburo de silicio.
Los materiales de matriz de los compuestos de matriz metálica incluyen aluminio, aleaciones de aluminio, magnesio, titanio y aleaciones de titanio, y aleaciones resistentes al calor. Los composites basados en aleaciones de aluminio y magnesio, titanio y aleaciones de hierro son actualmente las principales opciones. Por ejemplo, se pueden utilizar compuestos de aleación de titanio reforzados con fibra de carburo de silicio para fabricar palas de compresor.
Se pueden utilizar compuestos de magnesio o aleación de magnesio reforzados con fibra de carbono o fibra de alúmina para producir aspas de ventilador de turbina. Los compuestos de aleación de níquel reforzados con fibra de níquel-cromo-aluminio-iridio se pueden utilizar para fabricar sellos para turbinas y compresores.
Otras piezas, como carcasas de ventiladores, rotores y discos de compresores, se fabrican en el exterior con carcasas con compuestos de matriz metálica. Sin embargo, uno de los mayores problemas de estos compuestos es que las fibras de refuerzo y los metales base tienden a reaccionar y formar fases quebradizas, deteriorando las propiedades del material.
Esto es especialmente pronunciado durante el uso prolongado a temperaturas más altas. Las soluciones actuales incluyen la aplicación de un recubrimiento apropiado a la superficie de la fibra basado en diferentes fibras y matrices, así como la aleación de la matriz metálica, para ralentizar la reacción de la interfaz y mantener la confiabilidad de los materiales compuestos.
