Nuevas aleaciones para soldadura fuerte mejoran la barrera térmica en la sección caliente del motor a reacción

Por editor | 8 de noviembre de 2013

PorTom Sandin, Morgan Advanced Materials Wesgo, gerente de productos de soldadura fuerte de metales

Los científicos de materiales y los fabricantes de componentes cerámicos han estado desarrollando nuevos materiales y procesos que permiten que los motores funcionen cada vez más calientes en respuesta al enfoque de la industria aeroespacial en un mayor rendimiento y menores costos.

En los motores de turbina de gas, se utiliza una gran cantidad de aire del compresor para enfriar la paleta y los álabes de la turbina. La cantidad de aire necesaria está determinada por la temperatura de la turbina y los materiales que deben enfriarse. Si los materiales de la turbina necesitan menos enfriamiento o pueden estar hechos de materiales que pueden soportar temperaturas más altas, esto haría que hubiera más aire disponible para la propulsión. Por lo tanto, aumentar la capacidad de temperatura de la turbina es clave para mejorar la eficiencia del motor. Sin embargo, los motores se calientan más a medida que aumenta la temperatura de procesamiento, y este aumento de calor tiende a degradar los metales.

En el interior de las turbinas, se utilizan preformas presinterizadas (PSP) para reparar las paletas que se están descomponiendo debido al calor excesivo y al desgaste. Los PSP, con una pequeña cantidad de aleación de soldadura fuerte mezclada con el metal base, se usan principalmente en la sección de la turbina para reparar grietas en las paletas y áreas de desgaste. A medida que las temperaturas siguen subiendo en estas zonas, se desarrollan nuevos materiales y tecnologías para crear una mejor barrera térmica. Se espera que estos desarrollos reduzcan significativamente los costos de mantenimiento, reparación y revisión (MRO). Los ejemplos incluyen el desarrollo de aleaciones de soldadura fuerte avanzadas, el uso de cerámica en componentes de metal a cerámica de alta temperatura y la introducción de soldadura fuerte activa, que permite que el metal se una directamente a la cerámica sin metalización.

Las aleaciones de soldadura fuerte se utilizan en una variedad de aviones militares y componentes de motores aeroespaciales comerciales y se están desarrollando grados que unen directamente la cerámica al metal u otros materiales. Las composiciones de aleación varían e incluyen aquellas diseñadas para uso funcional en aplicaciones de alta temperatura (750-850°C).

Las aleaciones se seleccionan para cumplir con las condiciones específicas de temperatura de servicio, así como con los requisitos de todos los componentes que se unirán. Los ejemplos incluyen las aleaciones utilizadas en las nuevas secciones calientes de la turbina, la soldadura fuerte de cerámica de nitruro de silicio para las nuevas piezas del motor de súper aleación. La Tabla 1 ofrece una descripción general de las aleaciones de soldadura fuerte disponibles que muestra la pieza del motor en la que se utiliza y el componente/material base.

La mayoría de los aviones de pasajeros modernos utilizan motores turbofan debido a su alto empuje y buena eficiencia de combustible. Un turboventilador obtiene parte de su empuje del núcleo y parte del ventilador. El aire entrante es capturado por la entrada del motor. Parte del aire entrante pasa a través del ventilador y continúa hacia el compresor central y luego hacia el quemador, donde se mezcla con el combustible y se produce la combustión. El escape caliente pasa a través del núcleo y las turbinas del ventilador y luego sale por la boquilla. El resto del aire entrante pasa a través del ventilador y no pasa por el motor, de forma similar al aire a través de una hélice. El aire que pasa por el ventilador tiene una velocidad ligeramente mayor.

Este diagrama de un motor turboventilador típico muestra las ubicaciones más comunes para el uso de aleaciones, incluidas las que se usan para la "sección fría" del motor (entrada de aire y compresor) y su "sección caliente" (turbina y cámara de combustión).

La Figura 1 es un diagrama de un motor turboventilador típico, que muestra las ubicaciones más comunes para el uso de aleaciones, incluidas las que se usan para la "sección fría" del motor (entrada de aire y compresor) y su "sección caliente" (turbina y cámara de combustión).

El sitio de Wesgo Metals de Morgan Advanced Materials en Hayward, California, produce más de 15 composiciones de aleaciones de soldadura fuerte para usar en la sección de compresores. Nioro® se usa en Inconel X750 o 718 para alcanzar la temperatura de recocido de la solución sin el crecimiento excesivo de grano que se produce en las aleaciones a base de níquel. Nioro® es una aleación de oro/níquel de alta pureza para soldadura fuerte al vacío. Las aleaciones de níquel para soldadura fuerte se utilizan en la soldadura fuerte de compresores y secciones de turbinas. En su forma de lámina, se puede utilizar para soldar tiras de sellado de panal y de metal.

En la sección del estator de un motor turboventilador, el estator atrae el aire frío y pasa por alto el motor, creando un empuje adicional. El estator también tiene un papel en la reducción de la turbulencia, por lo que se minimizan los cabeceos y balanceos del aire.

En los sistemas de combustible de turbofan, se utilizan níquel dorado y níquel dorado platino para soldar los tubos y las boquillas del sistema de combustible. La boquilla de combustible, ubicada donde tienen lugar la primera y la segunda etapa de combustión, ve una cantidad considerable de calor. Se necesita ductilidad en las juntas de soldadura fuerte para ayudar con la expansión y vibración en la sección de combustión. Las aleaciones de soldadura fuerte de oro y platino también exhiben un contraste superior en la unión de soldadura fuerte, lo que permite el uso de tecnología de rayos X para verificar la integridad de la unión de soldadura fuerte. Además, estas aleaciones demuestran una buena resistencia a la corrosión. Esta es una área en la que los fabricantes de motores han expresado un gran interés en materiales que puedan soportar temperaturas extremas, donde fallan las superaleaciones convencionales.

Un área de creciente interés es la soldadura fuerte activa de metal, que permite unir el metal directamente a la cerámica sin metalización, eliminando así varios pasos en el proceso de unión y creando un sello hermético extremadamente fuerte que puede alcanzar temperaturas de funcionamiento más altas. Las aplicaciones aeroespaciales incluyen boquillas para motores de turbinas aeroespaciales e industriales, nuevos sistemas de paletas de turbinas y componentes de sensores de motores.

La soldadura fuerte activa de metales se puede realizar con cualquier combinación de cerámica, carbono, grafito, metales y diamante. Las aleaciones de soldadura fuerte activa (ABA) se utilizan para sensores de motor que emplean tiras de metal a cerámica para monitorear las funciones del motor. La soldadura fuerte se realiza con ABA de alta temperatura para que el sensor pueda soportar 1000 °C (1830 °F) en servicio.

La soldadura fuerte de metal activa facilita la unión de algunos materiales y componentes que nunca antes se pudo lograr, y es especialmente beneficiosa en aplicaciones militares y aeroespaciales.

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