Alabes Para Turbinas

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES PARA ALABES DE

AVIÓN

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1. Planteamiento del problema

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La aeronáutica siempre demanda el uso de materiales avanzados y dentro de esta, la industria militar y la aeroespacial son las mas exigentes

1. Planteamiento del problema

3

Un motor a reacción presenta los mismos pasos de un motor de combustión interna

1. Planteamiento del problema

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Fotografía de un compresor

1. Planteamiento del problema

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Detalles de la cámara de combustión¡La temperatura puede alcanzar los 2000°C en la cámara de combustión!

1. Planteamiento del problema

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Refrigeración en la cámara de combustión

1. Planteamiento del problema

7La turbina permite la conversión de la energía mecánica en energía

eléctrica

1. Planteamiento del problema

8Figura 2 : Esquema de turbia y alabe [2]

1. Planteamiento del problema

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Las toberas de escape maximizan la velocidad de los gases y permiten la realización de algunas maniobras

2. Requerimientos de los materiales para alabes

• Resistencia al creep: debe resistir el uso durante algún tiempo sometido a esfuerzos y temperaturas altos sin deformarse considerablemente

10RAv

RAm

)( 2RwRAmaF cc

22RwA

F

f

2. Requerimientos de los materiales para alabes

• Resistencia al creep;

Entre mayor sea la temperatura de trabajo, mayor la eficiencia de la maquina

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2. Requerimientos de los materiales para alabes

• Resistencia al creep;

Entre mayor sea la temperatura de trabajo, mayor la eficiencia de la maquina

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2. Requerimientos de los materiales para alabes

• Baja densidad: Debe tener el mínimo peso posible, esto se refleja en el rendimiento de la aeronave

• Resistencia a la fatiga: Debido a los cambios en la potencia de la turbina

• Tenacidad: Posibles colisiones con aves, hielo o arena

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2. Requerimientos de los materiales para alabes

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REQUERIMIENTOS

Función Alabe para turbinas

Objetivo Minimizar el porcentaje de deformación a una temperatura dada(Resistencia al creep)

Restricciones a) Tamaño especificob) El alabe gira a una

velocidad determinadac) Mínimo pesod) Temperaturas de trabajo

> 850ºCe) Tenacidad

3. Deformación por termofluencia (Creep)

El porcentaje de deformación debida al creep en función de la temperatura y esfuerzo viene dado por

15)/(

00 RTQExp

n

Deformación a baja T

Deformación a alta T

3. Deformación por termofluencia (Creep)

Para un alabe con sección transversal uniforme y densidad ρ, el esfuerzo en la base del alabe viene dado por

Por lo que la ecuación para el creep queda como

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2min

2max

22max

min 2rr

wrdrw

r

r

)/(0 RTQExpA

n

f

4. Métodos de selección

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Carta de selección de esfuerzo de falla vs densidad

4. Métodos de selección

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Para hallar materiales resistentes al creep lo primero que se observa son sus temperaturas de fusión dado que este se presenta a partir de

Material

Tem

per

atu

ra d

e fu

sió

n (

K)

Temperaturas de fusión vs material

Por temperatura de fusión los cerámicos son la mejor elección (mejor que las aleaciones de Ni)

4. Métodos de selección

Temperaturas de fusión vs material

En los polímeros el creep se presenta aun a T ambiente

5. Selección (cerámicos)

En general las cerámicas presentan

• Baja densidad menos peso

• Alta resistencia Alto esfuerzo de fluencia

• Alto punto de Fusión Resistencia al creep

• Resistencia a la corrosión

• Baja conductividad térmica choque térmico

• Baja tenacidad muy frágiles

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5. Selección (cerámicos)

De todas las cerámicas, la mejor elección serian las sialonas, los carburos y nitruros de silicio presentando:

• Resistencia al creep hasta 1300 ° C• Baja expansión térmica• Alta conductividad (mejor que aleaciones de níquel!)• Baja tenacidad

Un alabe se puede obtener por:

• Prensado en caliente polvos finos• Nitruración de silicio que ya está presionado con la

forma del alabe21

5. Selección (metales)

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Súper aleaciones de base níquel

23Esfuerzos de ruptura para la superaleaciones base níquel usadas para alabes

5. Selección (metales)

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Refrigeración en alabes

Alabes obtenidos por distintos métodos de crecimiento

5. Selección (metales)

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Composición de las supera aleaciones con distintas formas de crecimiento

5. Selección (compuestos)

Cerámicos• Baja densidad

• Alta resistencia

• Muy alto punto de Fusión

• Excelente resistencia a la corrosión

• Baja conductividad térmica

• Baja tenacidad

Superaleaciones• Alta densidad

• Alta resistencia

• Alto punto de fusión

• Buena resistencia a la corrosión

• Alta conductividad

• Alta tenacidad

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Un primer esfuerzo…

La eficiencia y la relación P/W son limitadas por la temperatura de los gases y esta por los materiales

El uso de los sistemas refrigeración permitió aumentar la temperatura de trabajo hasta en 100ºC

27Aumento en la temperatura de trabajo por e uso de canales refrigerantes

5. Selección (compuestos)

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Sustrato: Superaleacion de base Ni rico en elementos refractarios Ta, W y Re a expensas del Al y Cr. Soporta las propiedades mecánicas del alabe.

Bond Coat: Conformado por alúminas (NiAl, Ni2Al3, α-Al2O3 , Pt – Aluminas y MCrAlY donde M es un Fe, Cr o Ni). Provee las propiedades de resistencia a la corrosión y permite la adherencia de la TCB.

TBC: Compuesta por Zirconia, mejora la resistencia al creep al proteger la superaleacion

Alabes de materiales compuestos

5. Selección (compuestos)

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La barrera térmica es permeable a los óxidos

5. Selección (compuestos)

30Evolución de las técnicas para aumentar la temperatura de trabajo

5. Selección (compuestos)

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El uso de recubrimientos de barreras térmicas (TBC) con espesores de 1/5mm permiten aumentar las temperaturas de 100-300ºC

Avances en T de trabajo usando distintas técnicas

5. Selección (compuestos)

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Desafortunadamente no se ha podido conseguir recubrimientos térmicos que duren tanto como el alabe, es común que los alabes sean recubiertos varias veces

5. Selección (compuestos)

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5. Selección (formación de Bond coat)

Alúminas: Proceso CVD, problemas de fatiga termomecánica

• El componente se sumerge en una mezcla en polvo de Al2O3 y partículas de aluminio

• Se agrega 1-2%wt de activadores de haluros de aluminio

• Se calienta entre 800-1000ºC en una atmosfera rica en Ar o H2

• El haluro se difunde y reacciona sobre el sustrato depositando Al metálico. La actividad del Al permite clasificar el proceso

Baja actividad: el recubrimiento se forma por difusión de Ni, conformando NiAl (1000-1100ºC)

Alta actividad: La capa se forma por difusión hacia adentro de Al formando Ni2Al3 y posiblemente β-NiAl (700-1100ºC)

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Pt -Aluminas: Similar al anterior

• Se deposita una capa de unos 5-10um de Pt (esto aumenta hasta en tres veces el tiempo de vida del alabe)

• El Pt permite una mejor difusión del Al, mejora la adherencia y la resistencia a la corrosión

5. Selección (formación de Bond coat)

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MCrAlY: Procesos de proyección por plasma, proyección de plasma a baja presión, EBPVD. La presencia del Cr ofrece buena resistencia a la corrosión y a la oxidación.

• Son difíciles de obtener ya que se debe controlar la actividad de cada elemento

• Posterior a la deposición, se realiza un tratamiento térmico para mejorar la difusión

Proyección térmica y sputtering EBPVD

5. Selección (formación de Bond coat)

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• Proceso: EBPVD. Aumenta la resistencia a los esfuerzos

• α parecida a la del sustrato, baja k

• Materiales: yttria(Y2O3)-zirconia estabilizada(ZrO2) (YSZ)

Zirconia (ZrO2): satisface ambos los requerimientos α=11-13x10-6 K-1 y k=2.3 W/(m.K)

A 1000 oC es bastante denso lo que reduce la porosidad previniendo la oxidación del alabe.

YSZ: Presenta una muy baja conductividad térmica debido a una alta concentración de defectos de punto

5. Selección (formación de TCB)

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Proyección térmica

EBPVD

Comparación de las microestructuras obtenidas por proyección térmica y sputtering EBPVD

5. Selección (formación de TCB)

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5. Selección (alabes con recubrimiento)

Alabes antes y después del recubrimiento

6. MATERIALES AVANZADOS PARA ALABES DE AVIÓN

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6.1. Compuestos de Matriz Metálica

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Los nuevos materiales para alabes se centran en compuestos de cerámicos dentro de una matriz metálica

Conformación del material compuesto

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Estos compuestos presentan las siguientes características:

• Alto punto de fusión• Mayor resistencia al creep• La matriz metálica mejora las propiedades de tenacidad

Cerámicas típicas utilizados y la respectiva matriz

6.1. Compuestos de Matriz Metálica

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• La unión de las fibras y la matriz se da a nivel atómico por lo que se obtiene una estructura fina (Ø~µm)

• Por la razón anterior, la ruptura de una fibra tienen pocos efectos sobre el material como un todo.

Si el compuesto resulta exitoso, se aumenta la temperatura de trabajo en ~100ºC con respecto a las solidificaciones direccionales de Ni y aun mas por el uso de refrigeración

6.1. Compuestos de Matriz Metálica

6.2. Compuestos Cerámico-Cerámico

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Temperatura > 1000ºC.

Presentan excelente resistencia al creep a 1000ºC

En las alúminas el alto α y las bajas k y tenacidad generan poca resistencia al choque térmico

Comparación entre las cerámicas de uso estructural y las superaleaciones de Ni

6.2. Compuestos Cerámico-Cerámico

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La fragilidad de las cerámicas es su punto débil, para tratar de superarla, se piensa en crear un compuesto de cerámicas con una estructura fibrosa, como una especie de madera.

La combinación de fibras (tales como carburo de silicio o alúmina crecidas por técnicas especiales) en una matriz cerámica (carburo de silicio o alúmina nuevamente), hecha de manera convencional podría resultar en un material en el que se puede pensar como una madera de alta temperatura. Estos materiales se hallan actualmente bajo intensivo estudio

6.3. Estudios

45Investigación para compuestos de cerámica

6.3. Estudios

• Programa de Tecnología de Motores de Ultra Alta Eficiencia (UEET)

• Se fabrico y analizo experimentalmente un aspas de turbinas hecha completamente de una mezcla de fibra de carburo de silicio dentro de una matriz de carburo de silicio (SiC/SiC )

• El aspa es sometida a 1000 h a T= 1315ºC

46Aspas puestas a prueba

6.3. Estudios

• Modelación del proceso

47Modelado por elementos finitos

6.3. Estudios

48Resultados de las pruebas

7. REFERENCIAS

1. http://www.taringa.net/posts/videos/919256/Megapost-turbinas-de-aviones.html

2. http://personales.ya.com/universal/TermoWeb/Turbinas/Gas/PDFs/7-Turbinasgas.pdf

3. Ashby Michael. Materials selection in mechanical desing, segunda edición. Butterworth

4. Michael F. Ashby, David R.H. Jones, Engineering Materials 1. Cambridge U.England 1993

5. Espejo E. Notas de clase

6. http://www.ultraligero.net/Cursos/mecanica/TURBINAS_DE_AVIACION__.pdf

7. M. Ashby y H. Shercliff. Materials Enginering, Science Processing and Desing. UK 2007

8. http ://www.msm.cam.ac.uk/phase-traris/2003/Superallovs/coatings/inde...

9. D. Brewer. Probabilistic Analysis of a SiC/SiC Ceramic Matrix Composite Turbine Vane. NASA/TM-2004-213331

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