Nueva aleación Cr-Mo-Si podría reescribir los límites de calor de los motores a reacción

Los investigadores han desarrollado un nuevo material con una resistencia a altas temperaturas notablemente alta, demostrando un gran potencial para su uso en motores a reacción.

Tecnologías potentes como los motores a reacción, turbinas de gas, maquinaria industrial y equipos de rayos X requieren materiales que puedan soportar temperaturas extremadamente altas. Los metales refractarios como el tungsteno (W), cromo (Cr) y molibdeno (Mo), con puntos de fusión extremadamente altos de alrededor de 2.000 grados Celsius o más y una resistencia excepcional al calor, al desgaste y a la deformación, son ideales para tales aplicaciones.

Sin embargo, aunque estos metales muestran una estabilidad térmica impresionante, se vuelven muy frágiles a temperatura ambiente. Además, estos metales se oxidan rápidamente al exponerse al oxígeno, lo que lleva a fallas del material entre 600 y 700 grados Celsius.

Como resultado, estos materiales solo pueden usarse eficazmente bajo condiciones de vacío complejas, como en ánodos giratorios de rayos X. Para superar estas limitaciones, los ingenieros han confiado durante mucho tiempo en superaleaciones basadas en níquel para construir componentes que deben soportar altas temperaturas.

Superaleaciones basadas en níquel: Fortalezas, límites y por qué están llegando al máximo

Una superaleación es una aleación de alto rendimiento conocida por sus excepcionales propiedades mecánicas y resistencia a lo extremo calor y alto esfuerzo. También tienen buena estabilidad superficial y de fase, y alta resistencia a la oxidación y a la corrosión.

Estas aleaciones se desarrollaron inicialmente para motores de turbina de aviones, solo para expandirse a muchas otras aplicaciones exigentes con el tiempo, incluyendo turbinas de gas, motores de cohete, generación de energía, procesamiento químico y plantas petrolíferas. 

Se basan principalmente en níquel, hierro o cobalto y pueden mantener la integridad mecánica a temperaturas donde la mayoría de las demás aleaciones fallarían. 

El níquel (Ni) es de gran importancia aquí. El metal de transición plateado y brillante es conocido por su uso en aleaciones de acero inoxidable. De hecho, desempeña un papel importante en la densidad energética y el rendimiento de las baterías, permitiendo capacidades de mayor autonomía en vehículos eléctricos. 

Las propiedades del metal también son críticas para los componentes aeroespaciales, que están expuestos a variaciones de temperatura y humedad. Al ser resistentes a la oxidación y corrosión, las aleaciones de níquel prolongan la vida útil de los componentes, por lo tanto mejorando la eficiencia operativa y la seguridad.

Las superaleaciones basadas en níquel son realmente las más utilizadas para las partes más calientes, representando más del 50 % del peso de los motores de avión avanzados, gracias a su sobresaliente resistencia contra la fluencia y la ruptura por esfuerzo a altas temperaturas.

También presentan una resistencia a altas temperaturas, resistencia a la fatiga, durabilidad ligera y buena conductividad eléctrica.

Estas aleaciones multicomponente están compuestas de níquel y pueden incluir elementos de aleación como aluminio (Al), cromo (Cr), cobalto (Co), titanio (Ti) y molibdeno (Mo) para mejorar sus propiedades.

Las superaleaciones basadas en níquel tienen sus propias limitaciones, sin embargo, incluyendo alto costo, dificultad en el mecanizado debido al endurecimiento por trabajo y baja conductividad térmica, y susceptibilidad a grietas durante la soldadura y la fabricación aditiva. También pueden sufrir de oxidación y pueden experimentar propiedades mecánicas degradadas debido a la formación de precipitados indeseables.

“Las superaleaciones existentes están hechas de muchos elementos metálicos diferentes, incluidos algunos de disponibilidad rara, de modo que combinan varias propiedades. Son dúctiles a temperatura ambiente, estables a altas temperaturas y resistentes a la oxidación.”

– Profesor Martin Heilmaier del Instituto de Materiales Aplicados, Ciencia e Ingeniería de Materiales del KIT

Pero el problema son sus temperaturas de operación, que son “las temperaturas en las que pueden ser utilizadas de forma segura,” y alcanzan hasta 1.100 grados Celsius. Añadió:

“Esto es demasiado bajo para explotar todo el potencial de mayor eficiencia en turbinas u otras aplicaciones de alta temperatura. El hecho es que la eficiencia en los procesos de combustión aumenta con la temperatura.” 

Para eliminar estas limitaciones, la Fundación Alemana de Investigación (DFG) proporcionó financiación, y los investigadores desarrollaron desarrollaron¹ una nueva aleación de cromo (Cr), molibdeno (Mo) y silicio (Si).

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Aleación refractaria Cr-Mo-Si: Ductilidad a temperatura ambiente + Resistencia a la oxidación a 1.100 °C

Mientras los automóviles y camiones se electrifican rápidamente para lograr un transporte sostenible y descarbonizar el sector, los motores de combustión en aviones de largo alcance seguirán siendo necesarios, al menos en las próximas décadas.

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Los aviones impulsados por electricidad, señaló Heilmaier, “casi no serán adecuados para vuelos de larga distancia en las próximas décadas. Por lo tanto, una reducción significativa del consumo de combustible será un tema vital.”

En una turbina, un aumento de apenas 100 grados Celsius en la temperatura puede reducir el consumo de combustible en aproximadamente un 5 %.

Por lo tanto, una forma de mejorar la eficiencia de la conversión de energía de combustibles fósiles o sintéticos es aumentar sus temperaturas de operación. Pero para lograr eso, las superaleaciones de níquel monocristalinas deben ser reemplazadas por materiales refractarios en las zonas más calientes de las turbinas, que presentan temperaturas de solidus mucho más altas, superiores a 2.000 °C.

Sin embargo, el reemplazo de superaleaciones avanzadas basadas en Ni por nuevos materiales metálico-intermetálicos está obstaculizado por dos limitaciones principales. Esto incluye una falta de resistencia a la oxidación y/o ductilidad a temperatura ambiente (RT). 

El hecho es que la ductilidad y la resistencia a la oxidación no pueden predecirse suficientemente para permitir un diseño de materiales dirigido. 

Actualmente, no existen capacidades de simulación predictiva precisas para cualquiera de las dos propiedades. Esto es a pesar del significativo progreso realizado en el desarrollo asistido por computadora de materiales. Como resultado, los científicos e ingenieros deben depender de observaciones.

Publicado en Nature, el último estudio titulado ‘Una aleación de cromo-molibdeno dúctil resistente a la oxidación a alta temperatura‘ presentó el nuevo material: una aleación de fase única Cr-36.1Mo-3Si.

El aleador basado en metales refractarios “es dúctil a temperatura ambiente, su punto de fusión es tan alto como aproximadamente 2.000 grados Celsius, y – a diferencia de las aleaciones refractarias conocidas hasta la fecha – se oxida solo lentamente, incluso en el rango crítico de temperatura,” dijo el Dr. Alexander Kauffmann, profesor de la Universidad de Ruhr en Bochum, quien jugó un papel importante en este descubrimiento.

El uso de Cr y Mo aquí aborda los problemas de los elementos metálicos refractarios metálicos, mostrando problemas en la oxidación, lo que limita su aplicación. Mientras que el Cr conduce a la formación de una capa protectora de Cr2O3, el Mo hace que las regiones sean resistentes a la nitriación. 

El Si se utiliza como un tercer elemento menor para asegurar el crecimiento lento de la capa de Cr2O3. Su baja cantidad permitió a los investigadores sintetizar soluciones sólidas desordenadas de fase única.

Con sus propiedades sin igual, “esto nutre la visión de poder fabricar componentes adecuados para temperaturas de operación sustancialmente superiores a 1.100 grados Celsius. Por lo tanto, el resultado de nuestra investigación tiene el potencial de permitir un salto tecnológico real,” dijo Kauffmann.

Pero mientras el material cumple con los requisitos críticos más importantes para materiales refractarios, para que sea utilizado a nivel industrial, debe pasar por “muchos otros pasos de desarrollo.”

Aún así, “con nuestro descubrimiento en investigación fundamental, hemos alcanzado un hito importante. Los grupos de investigación de todo el mundo pueden ahora basarse en este logro,” dijo Heilmaier.

¿Quién lidera la carrera de materiales: EE. UU., Europa, China, Turquía

A medida que los investigadores continúan romper las barreras de temperatura y durabilidad de las superaleaciones tradicionales basadas en níquel, los avances similares están tomando forma en todo el mundo.

A principios de este año, un equipo del Laboratorio Nacional Ames descubrió una nueva aleación para potencialmente reemplazar superaleaciones basadas en níquel y cobalto, cuyos límites de tolerancia al calor mejoran la eficiencia energética.

También se recurrió naturalmente a los metales refractarios porque son los únicos con puntos de fusión mucho más altos que los del níquel y cobalto. Pero, por supuesto, está el complejo asunto de fabricarlos y darles forma.

Así que, los investigadores decidieron combinar metales refractarios en aleaciones de múltiples elementos principales, que no se basan en un solo elemento sino en tres o más, sin que ninguno supere el 50 % de la composición total.

“Hemos llegado a comprender que combinar muchos de estos elementos puros, de otro modo frágiles, en cantidades significativas crea estructuras atómicas que poseen propiedades emergentes y únicas.”

– Líder del equipo Nicholas Argibay, científico del Laboratorio Ames, un Laboratorio Nacional del Departamento de Energía de EE. UU. operado por la Universidad Estatal de Iowa. 

Sin embargo, mezclar más de tres elementos significa “millones de combinaciones para buscar,” lo que es un proceso que consume tiempo. Pero gracias a la IA, pudieron ahorrar tiempo y dinero y “acertar” en el primer intento

Así, para encontrar los materiales y su composición, los investigadores utilizaron un marco computacional, que fue desarrollado por dos científicos del Laboratorio Ames, Prashant Singh y Duane Johnson.

“Diseñamos una metodología guiada por teoría que se interconecta con experimentos. Señala a los experimentadores la dirección correcta para nuevas aleaciones con las propiedades específicas que desean en esos materiales.”

– Johnson

Esta nueva aleación muestra más resistencia a la deformación a temperaturas más altas y las propiedades de ductilidad necesarias para ser fabricada mediante métodos comercialmente establecidos. 

El enfoque del equipo de Ames destaca cómo el diseño puede acelerar descubrimientos que antes tomaban años de prueba y error. Basándose en esta colaboración entre computación y experimentación, los investigadores del MIT fusionaron aprendizaje automático (ML) con impresión 3D de metal² diseñaron una aleación basada en Al cuyas piezas impresas igualan la resistencia del 7075 forjado, y después de un envejecimiento a 400 °C, son ~50 % más fuertes que el referente de Al imprimible más resistente. 

Para crear este nuevo metal, el equipo mezcló aluminio con otros elementos identificados mediante simulaciones y ML.

Los investigadores esperan que su nuevo metal imprimible se convierta en productos más fuertes, más ligeros, y resistentes a la temperatura, como palas de ventilador en motores a reacción, que se fabrican con titanio más costoso y más pesado.

“Si podemos usar material más ligero y de alta resistencia, esto ahorraría una cantidad considerable de energía para la industria del transporte,” dijo la líder del estudio Mohadeseh Taheri-Mousavi, ahora profesora asistente en la Universidad Carnegie Mellon.

Además del sector aeroespacial y de transporte industrial, los investigadores imaginan que su aleación imprimible se utilice en dispositivos de refrigeración para centros de datos y automóviles de alta gama. Su trabajo enfatiza cómo la fabricación aditiva y el diseño de aleaciones impulsado por IA se están uniendo para crear materiales más ligeros, más fuertes y más eficientes térmicamente, propiedades esenciales para la futura propulsión de jets y sistemas energéticos.

En otra parte del mundo, el fabricante turco de motores aeroespaciales TEI ha informado el desarrollo de más de 20 superaleaciones únicas y aleaciones de titanio para su uso en tecnología de motores de aviones de combate y helicópteros.

“Las guerras se ganan ahora en laboratorios y fábricas. La tecnología que produces determina el destino de la guerra.”

– Gerente General de TEI Mahmut Faruk Aksit

Con temperaturas dentro de los motores de avión alcanzando niveles extremadamente altos, “la mitad de la temperatura de la superficie del sol,” se requieren metales que puedan operar en ese calor extremo. Esto hace que “los sistemas de refrigeración, recubrimientos especiales y tecnologías de materiales sean críticamente importantes,” añadió.

Un impulso similar se está desarrollando en China, donde los investigadores actualmente están trabajando en una nueva técnica de enfriamiento de superaleaciones para mejorar el rendimiento y la durabilidad de componentes de turbinas de motor de alta temperatura, lo que puede habilitar motores a reacción avanzados.

Los investigadores chinos también crearon una nueva técnica para producir palas de turbina de aleación que pueden soportar temperaturas hasta un 15 % más altas que las versiones existentes. Esta mayor resistencia al calor se espera que proporcione un mayor empuje del motor, mejor eficiencia energética y una vida útil más larga.

“Este método incorpora una estructura compuesta de cobre-magnesio-acero dentro de la pala usando técnicas de procesamiento termo-mecánico,” indica la patente de la tecnología. “Esto permite que la pala mantenga una funcionalidad a largo plazo bajo condiciones extremas de alta temperatura.”

El uso de la conductividad térmica del cobre y la resistencia al calor del acero hace que el compuesto sea adecuado para aplicaciones futuras en aviones y  cámaras de combustión de motores de cohete. Así, así es como científicos de todo el mundo están trabajando en mejorar varios aspectos de los motores a reacción, ayudando a revolucionar la aviación y la generación de energía.

Haga clic aquí para aprender cómo una aleación nanocristalina mejorada podría revolucionar los sectores aeroespacial y automotriz.

Invertir en el avance de los motores a reacción 

Empresa aeroespacial y de defensa, Raytheon Technologies (RTX ), es uno de los principales inversores globales en materiales avanzados e innovación en propulsión a través de su subsidiaria Pratt & Whitney. Este segmento suministra motores de avión para clientes militares, de jets ejecutivos, comerciales y de aviación general.

Tiene dos segmentos más: Collins Aerospace ofrece productos aeroespaciales y de defensa tecnológicamente avanzados y soluciones de servicio postventa, y Raytheon desarrolla capacidades avanzadas en defensa aérea y de misiles, armas inteligentes y otros.

La compañía financia y colabora regularmente con iniciativas de investigación académica y gubernamental en busca de materiales de mayor eficiencia y mayor temperatura para motores a reacción de próxima generación. Está explorando aleaciones refractarias, composites de matriz cerámica (CMCs) y técnicas de fabricación aditiva. 

Con una capitalización de mercado de $239.5 mil millones, RTX cotiza actualmente a $178.75, un 54.38 % este año hasta ahora. La semana pasada, las acciones de RTX alcanzaron un máximo histórico (ATH) de $180.50. Hace apenas dos años, el precio de sus acciones estaba por debajo de $100.