Simulando el comportamiento de superaleaciones para mejorar el diseño de motores de avión
Actualmente las turbinas de los aviones utilizan componentes de superaleaciones o aleaciones de alto rendimiento. Estos materiales deben tener unas propiedades específicas para poder utilizarse en aquellas zonas del motor donde mayores temperaturas se alcanzan.
Un ejemplo de este tipo de materiales son las superaleaciones de base-Níquel, que poseen un elevado rendimiento mecánico y una gran resistencia a la oxidación. Esto los convierte en materiales óptimos para su uso en estructuras y componentes sometidos a altos niveles de estrés y a temperaturas elevadas. Pero además de la industria aeronáutica, estas aleaciones son fundamentales también en el sector espacial y en reactores nucleares.
Las superaleaciones base-Níquel se utilizan en varias partes del motor como son los discos del compresor, el disco de turbina, rodamientos, carcasa, álabes y en otras áreas de alta temperatura donde se alcanzan entre 760 y 980 grados centígrados.
Pero, ¿sería posible predecir el comportamiento a altas temperaturas de estas superaleaciones antes incluso de fabricarse? Esto es viable hoy en día gracias a las herramientas computacionales multiescala, capaces de desarrollar modelos que relacionan el comportamiento real de estos materiales con la microestructura obtenida en los procesos de fabricación.
Desarrollar este tipo de herramientas ha sido el objetivo principal del proyecto europeo MICROMECH (Microstructure based material mechanical models for superalloys), que ha permitido crear modelos computacionales para simular el comportamiento mecánico a altas temperaturas de superaleaciones base-Níquel utilizadas en motores de aviones. De esta manera se puede predecir la resistencia mecánica de superaleaciones policristalinas en función de su microestructura real (tamaño de grano, distribución de forma y orientación). MICROMECH ha sido desarrollado en el Instituto IMDEA Materiales en colaboración con la empresa española ITP y ha contado con financiación del programa de investigación aeronáutico europeo Clean Sky. Como referencia para este estudio se ha utilizado la aleación Inconel 718, ampliamente utilizada en el sector aeroespacial.
Tal y como explica Koldo Ostolaza (Ingeniero de Materiales y Procesos en ITP), «las herramientas desarrolladas en el marco del proyecto MICROMECH han proporcionado información muy valiosa para nuestros ingenieros, particularmente en la predicción de resistencia a la fatiga. Estamos trabajando con IMDEA Materiales para mejorar las funcionalidades actuales del modelo que nos permita solucionar fenómenos adicionales en otros materiales metálicos».
El planteamiento llevado a cabo por el Instituto IMDEA Materiales en el proyecto está basado en la homogeneización computacional de policristales, una técnica que relaciona la microestructura y el comportamiento cristalino del material con su respuesta mecánica mediante ensayos virtuales. En pocas palabras, se puede decir que esta técnica necesita una serie de datos de la microestructura real del material y unos sencillos y económicos ensayos mecánicos a esta escala microscópica y con ellos es capaz de reproducir las curvas que describen el comportamiento mecánico del material.
El gran número de ensayos micromecánicos realizados, así como la base física de los modelos mecánicos desarrollados, han permitido obtener un modelo realista y preciso capaz de predecir las propiedades mecánicas de probetas usadas como referencia en el diseño de componentes. Entrando en detalles más técnicos, los modelos obtenidos son capaces de predecir el comportamiento monótonico (curva tensión-deformación), comportamiento en fluencia (deformación vs. tiempo en función de la tensión aplicada), resistencia a la fatiga (número de ciclos de vida para una carga cíclica determinada), en función de la temperatura y la microestructura real. Además, también se ha desarrollado un modelo estocástico para predecir el efecto de algunos defectos en el comportamiento final (acabado superficial, presencia de carburos).
El Proyecto MICROMECH (Ref.: CS-GA-2013-620078) ha sido financiado dentro del programa Sustainable and Green Engines (SAGE) Integrated Technology Demonstrators (ITD) de Clean Sky, que tiene como objetivo mejorar el impacto medioambiental de las tecnologías aeronáuticas europeas y garantizar la futura competitividad internacional del sector europeo de la aeronáutica.