¿Qué materiales de aleación se necesitan para los motores aeroespaciales?

El nivel de desarrollo de los motores aeroespaciales es un reflejo concentrado de la fortaleza nacional integral de un país, de su base industrial y de su nivel científico y tecnológico. Su investigación y desarrollo concentra las tecnologías más avanzadas y los logros industriales de la industria moderna. Este artículo le revelará los materiales utilizados en los motores aeroespaciales.

1. Aleación de aluminio
La aleación de aluminio tiene ventajas destacadas, como un módulo específico y una resistencia específica elevados, buena resistencia a la corrosión, buen rendimiento de procesamiento y bajo costo. Por lo tanto, se considera la más importante en la industria aeroespacial.
Principales ubicaciones de aplicación: compartimiento del motor, estructura de la cabina, paneles de paredes de carga, vigas, marcos de instalación de instrumentos, tanques de combustible, etc.

2. Aleación de titanio
En comparación con materiales metálicos como el aluminio, el magnesio y el acero, la aleación de titanio tiene las ventajas de una alta resistencia específica, buena resistencia a la corrosión, buena resistencia a la fatiga, pequeña conductividad térmica y coeficiente de expansión lineal, etc. Se puede utilizar durante mucho tiempo por debajo de 350 ~ 450 ℃ y se puede utilizar a bajas temperaturas de -196 ℃.
Principales ubicaciones de aplicación: álabes de compresores, carcasas, compartimentos de motores y paneles de aislamiento térmico de motores de aeronaves, etc.

3. Acero de ultra alta resistencia
El acero de ultra alta resistencia tiene alta resistencia a la tracción y suficiente tenacidad, y tiene buena soldabilidad y formabilidad.
Principales ubicaciones de aplicación: carcasa de motor aeroespacial, boquilla de motor, cojinetes y engranajes de transmisión.
4. Aleación de magnesio
La aleación de magnesio es el material estructural metálico más ligero, con baja densidad, alta resistencia específica, fuerte resistencia sísmica y puede soportar grandes cargas de impacto.
Principales ubicaciones de aplicación: carcasa de motor aeroespacial, caja de cambios, etc.
Materiales compuestos
El rápido desarrollo de los motores aeroespaciales, especialmente los requisitos cada vez más estrictos de temperatura y peso, ya no pueden satisfacer los materiales tradicionales que se mejoran gradualmente, y en su lugar, requieren que la ciencia de los materiales abra un nuevo sistema, es decir, los materiales compuestos. Según las características de cada material compuesto, se puede utilizar en diferentes partes del motor.

1. Materiales compuestos a base de metal
Los materiales compuestos a base de metal se refieren principalmente a materiales compuestos con metales ligeros como Al y Mg como matriz. En la aviación y la industria aeroespacial, se utilizan principalmente para reemplazar el berilio, ligero pero tóxico. Este tipo de material tiene un excelente rendimiento lateral, bajo consumo y excelente procesabilidad. Se ha convertido en el material comercialmente más atractivo en muchos campos de aplicación y se ha comercializado en el extranjero.
Ubicación de aplicación principal: adecuado para su uso como componentes de la sección de temperatura media del motor.
Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, algunas tecnologías de vanguardia han avanzado rápidamente, por lo que se han planteado requisitos más altos para el rendimiento de los materiales. Los materiales tradicionales están lejos de satisfacer las necesidades reales de producción. Es en un entorno tan grande que surgieron los materiales compuestos.
Tomemos como ejemplo la aplicación de materiales compuestos en motores de aeronaves. Aunque los materiales tradicionales para motores de aeronaves (aleaciones de níquel y aleaciones de titanio) aún pueden desarrollarse más, su espacio de desarrollo no es grande y es difícil cumplir con los requisitos más estrictos de temperatura y peso de los motores de aeronaves futuros. Hoy en día, el rendimiento de los motores de aeronaves está mejorando constantemente y el peso se ha reducido considerablemente en comparación con el pasado. Si bien se confía en estructuras novedosas como álabes integrales, anillos de álabes integrales, álabes huecas y turbinas contrarrotativas, se prestará más atención a materiales avanzados con alta resistencia específica, baja densidad, alta rigidez y fuerte resistencia a altas temperaturas. Ahora, los compuestos a base de resina, compuestos a base de metal, compuestos a base de cerámica y compuestos C/C se han convertido en materiales candidatos para ventiladores y compresores de motores de aeronaves debido a su excelente rendimiento a baja temperatura.

Materiales compuestos avanzados utilizados en motores de aeronaves

Revestimiento de alcantarilla
En comparación con la carcasa de alcantarilla de ventilador de aleación de titanio convencional, la carcasa de alcantarilla hecha de materiales compuestos a base de resina puede reducir el peso del motor y el costo de desarrollo del motor al tiempo que garantiza que pueda realizar todas las funciones y soportar las cargas estáticas y de vuelo de todo el motor.
El motor F404 de GE se mejoró primero, pasando de una carcasa de alcantarilla de aleación de titanio a una carcasa de alcantarilla de material compuesto PMR15, con lo que se logró una reducción del peso del 30 % y una reducción del coste del 30 %. Más tarde, GE aplicó esta tecnología a motores como el motor de mejora de empuje F414 y el motor GenX.
Los motores F191 y F135 de Pratt & Whitney en Estados Unidos y el motor M88 de Snecma en Francia utilizan carcasas de alcantarilla fabricadas con materiales compuestos a base de resina. Los efectos de reducción de peso y de costes son muy evidentes.

Palas del estator
En comparación con las palas de estator de aleación de titanio, las palas de estator compuestas a base de resina pueden reducir el peso en un 50% y los costos en más del 50%. Al mismo tiempo, al optimizar la orientación de la fibra, la frecuencia natural de las palas de estator compuestas se puede modificar para aumentar el espacio de diseño mecánico y aerodinámico permitido.
Los álabes del estator del ventilador de los motores PW4084 y PW4168 de Pratt & Whitney utilizan materiales compuestos a base de resina epoxi PR500. Entre ellos, el motor PW4084 con un diámetro de 3,04 metros tiene una reducción del 39% en peso y una reducción del 38% en costo. La empresa alemana MTU utiliza materiales compuestos PMC en los álabes guía de entrada y los álabes del estator ajustables de primera o segunda etapa del compresor de baja presión y alta velocidad del motor PW8000. Se ha verificado la capacidad de estos álabes para resistir daños externos, resistencia a la vibración, resistencia a la corrosión e integridad estructural.

Palas del rotor
Las características de baja densidad y alta resistencia de los materiales compuestos no solo pueden reducir el peso, sino que también permiten que las palas de rotor tengan formas de diseño aerodinámico en 3D, como palas en flecha y palas en arco. Además de reducir los costos de fabricación, las palas de rotor compuestas también tienen características no destructivas que se muestran en accidentes por desprendimiento, lo que reduce los requisitos de contención.
El uso de materiales compuestos para las aspas de los ventiladores no solo puede reducir significativamente el peso de las aspas en sí, sino también el peso de su sistema de contención, el disco y todo el sistema de rotor. Tiene las características de bajo costo, buena resistencia a las vibraciones y fuerte resistencia a los daños. En la actualidad, los motores GenX y GE90-115B de GE utilizan aspas de ventilador compuestas curvas de alto flujo y carcasas de ventilador de base orgánica, y planea estudiar más a fondo los ventiladores de alta relación de presión con aspas huecas compuestas.

Materiales compuestos a base de metal
En comparación con los materiales compuestos a base de resina, los materiales compuestos a base de metal tienen una buena tenacidad, no absorben la humedad y pueden soportar temperaturas relativamente altas. Las fibras de refuerzo de los materiales compuestos a base de metal incluyen fibras metálicas, como acero inoxidable, tungsteno, benceno, níquel, compuestos intermetálicos de níquel-aluminio, etc.; fibras cerámicas, como alúmina, óxido de silicio, carbono, boro, carburo de silicio y boruro de titanio.

Los materiales de matriz de los materiales compuestos a base de metal incluyen aluminio, aleaciones de aluminio, magnesio, titanio y aleaciones de titanio, aleaciones resistentes al calor y aleaciones de cobalto. Entre ellos, los materiales compuestos a base de aleaciones de aluminio-carbono, titanio y aleaciones de hierro son actualmente las principales opciones. Por ejemplo, los materiales compuestos a base de aleaciones de titanio reforzadas con fibras de carburo de silicio se pueden utilizar para fabricar álabes de compresores. Los compuestos de matriz de aleación de magnesio o magnesio reforzados con fibra de carbono o fibra de alúmina se pueden utilizar para fabricar álabes de turbofán. Otro ejemplo son los compuestos de matriz de aleación a base de níquel reforzados con fibra de níquel-cromo-aluminio-iridio que se pueden utilizar para fabricar elementos de sellado para turbinas y compresores.

GE ha estudiado ejes de baja presión compuestos a base de titanio para el programa de verificación de motores de tecnología conjunta. El peso es un 30% más ligero que las aleaciones de inco, la rigidez es un 40% mayor que las aleaciones de titanio y la vida útil y durabilidad son mejores. Si el motor F110 utiliza este eje compuesto, el peso se puede reducir en 68 kg. En un futuro próximo, los compuestos metálicos reemplazarán a las aleaciones de níquel y titanio y se convertirán en los materiales principales para los futuros motores de aeronaves.

Nuevas aleaciones de titanio/aleaciones de titanio-aluminio/aleaciones deformadas de alta temperatura y materiales compuestos de alta resistencia y tenacidad
Las aleaciones de titanio y las aleaciones de titanio y aluminio (TiAl) siguen desarrollándose con la demanda de motores ligeros. La temperatura máxima de funcionamiento actual de las aleaciones de titanio es de 600 a 650 ℃, y el rango de temperatura de funcionamiento de las aleaciones de TiAl es de 650 a 950 ℃, pero su extraordinaria fragilidad a temperatura ambiente y su sensibilidad a las muescas hacen que solo sea un sustituto parcial de las aleaciones de alta temperatura o las aleaciones monocristalinas. Además, a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento de cada sección del motor, es necesario desarrollar nuevas aleaciones deformables de alta temperatura que sean más resistentes al calor y más duras.
Mi país ha desarrollado de forma independiente aleaciones de titanio de alta temperatura desde la década de 1980. En la actualidad, ha dominado tecnologías clave como la composición de la aleación, la organización, el control de la correspondencia del rendimiento y la optimización. El nivel de investigación y aplicación ha logrado básicamente la sincronización con el nivel avanzado internacional, pero es necesario mejorar aún más la uniformidad del rendimiento organizacional y aprovechar el potencial de las aleaciones. Para las aleaciones de TiAl, se han logrado avances clave en tecnologías clave como el diseño de materiales, el proceso de preparación, la optimización y el control organizacionales y la mejora de la tenacidad plástica, y se han desarrollado varias aleaciones representativas, pero aún es necesario profundizar la investigación en tecnologías como la correspondencia organizacional de alta resistencia y tenacidad y el diseño de aplicaciones de materiales de baja tenacidad plástica para expandir sus aplicaciones. Con el avance de los métodos de diseño de aleaciones y el desarrollo de equipos y procesos de fundición-forja, se han aplicado con éxito una variedad de nuevas aleaciones deformables de alta temperatura, pero con el aumento del grado de aleación, la dificultad de los procesos de fundición de aleaciones y adición en caliente ha aumentado considerablemente. Es necesario superar los cuellos de botella técnicos como la refundición y el refinado de lingotes de gran tamaño y la deformación uniforme, lograr un desempeño organizacional uniforme y estable, y lograr un equilibrio integral de desempeño, eficiencia y costo, acelerar la investigación y el desarrollo y la aplicación, y sentar las bases para la investigación y el desarrollo independientes de aleaciones deformables de alta temperatura de mayor rendimiento en el futuro.
En la actualidad, la aplicación de la estructura de disco de álabes integral en el rotor de extremo frío ha alcanzado el límite de diseño, mientras que el anillo de álabes integral integra una estructura y materiales avanzados, tiene un excelente rendimiento integral y puede lograr un peso ligero, y es la opción icónica para el rotor ligero del motor de próxima generación. La tendencia de aplicación de materiales compuestos a base de titanio reforzado con fibra de SiC (Ti-MMC), a base de TiAl (TiAl-MMC) y a base de níquel (Ni-MMC) está aumentando rápidamente. MTU y Rolls-Royce han producido anillos de álabes integrales de Ti-MMC (como se muestra en la Figura 1), ejes de turbinas y otras piezas de prueba, y han realizado evaluaciones, con efectos de peso ligero significativos. Se predice que Ti-MMC representará aproximadamente el 30% de los materiales utilizados en los motores futuros, y TiAl-MMC representará aproximadamente el 15%.

Desde la década de 1990, mi país ha iniciado la investigación y el desarrollo de Ti-MMC y sus componentes. Hasta ahora, ha logrado avances sucesivos en tecnologías clave como la producción en masa de fibra de SiC monofilamento de alto rendimiento, la preparación de alambre pionero de alta calidad y la formación de componentes, y ha abierto la ruta de la tecnología de fabricación integrada de anillos de cuchillas integrales de Ti-MMC. Sin embargo, todavía es necesario fortalecer la investigación en tecnologías como el control mejorado de la forma del núcleo del anillo y la regulación de la tensión residual para aprovechar al máximo las ventajas de Ti-MMC.

Nuevas aleaciones monocristalinas y aleaciones en polvo
A medida que aumenta la temperatura antes de la turbina, el material de la pala de la turbina ha evolucionado a partir de aleaciones de alta temperatura deformadas y fundidas a aleaciones de alta temperatura orientadas y monocristalinas, y el material del disco de la turbina ha evolucionado a partir de acero de aleación y aleaciones de alta temperatura deformadas a aleaciones de alta temperatura en polvo. En los últimos cincuenta o sesenta años, la temperatura antes de la turbina ha aumentado alrededor de 600 K, y los materiales y el proceso de fundición han contribuido entre un 30% y un 40%. Desde que Pratt & Whitney inventó la primera aleación monocristalina del mundo PW1480, la industria ha desarrollado con éxito múltiples generaciones de aleaciones monocristalinas a base de níquel y níquel-aluminio (Ni3Al). China es uno de los países del mundo que estudió las aleaciones monocristalinas antes, y se han aplicado gradualmente muchos grados. Sin embargo, con el desarrollo de los motores, las aleaciones monocristalinas actuales están limitadas por la resistencia a la temperatura y la capacidad de procesamiento de la fundición, y su aplicación ha llegado al límite. Es urgente desarrollar nuevas aleaciones monocristalinas con mayor temperatura de fusión inicial, mejor microestructura y rendimiento, buena procesabilidad de fundición y soldadura y un coste aceptable.
Desde que Estados Unidos tomó la delantera en el desarrollo de aleaciones en polvo de alta temperatura y las aplicó con éxito en discos de turbina a principios de la década de 1960, los discos de turbina de aleación en polvo han acumulado decenas de millones de horas de funcionamiento seguro en múltiples motores, y las aleaciones en polvo se han convertido en el material preferido para los discos de turbina de motores de aeronaves avanzados. La industria ha desarrollado aleaciones en polvo de alta generación con temperaturas de servicio más altas y un mejor rendimiento integral, y ha desarrollado discos de turbina de doble rendimiento/doble aleación y de doble radio de acuerdo con el énfasis en el rendimiento de diferentes partes del disco de turbina. Mi país ha desarrollado con éxito las aleaciones en polvo de primera y segunda generación, y actualmente está desarrollando las aleaciones en polvo de tercera y cuarta generación. Sin embargo, con el desarrollo de los motores, aún se necesita una investigación en profundidad en polvos de alta calidad, preparación de discos de turbina de doble rendimiento/doble aleación/doble radio y procesos de bajo costo.

Los materiales y procesos avanzados, estratégicos, revolucionarios, ligeros, de alta resistencia y resistentes a altas temperaturas son la opción emblemática para los motores aeronáuticos avanzados del futuro. Debemos centrarnos más en los cuellos de botella básicos, las aplicaciones de ingeniería, la inversión en recursos y la integridad de doble cadena, fortalecer la tracción de la demanda, fortalecer la gestión general de la industria, fortalecer el diseño del sistema, fortalecer la integración colaborativa y fortalecer la inversión centralizada, a fin de embarcarnos en un camino de independencia, autosuficiencia y automejora en materiales y procesos de motores con características chinas.