Desarrollo de superaleaciones y aleaciones especiales base titanio para aplicaciones en turbinas para la generación de energía geotérmica

Número de proyecto

P19

Título de proyecto

Desarrollo de superaleaciones y aleaciones especiales base titanio para aplicaciones en turbinas para la generación de energía geotérmica

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Arnoldo Bedolla Jacuinde

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

University of Sheffield

Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, UAEH

Antecedentes y justificación

Los precios actuales de los combustibles fósiles, la escasez de los mismos, así como los altos grados de contaminación producto de su combustión; han hecho que todos los gobiernos volteen sus ojos y dirijan sus esfuerzos a los proceso de producción de energías alternativas o limpias. Entre estas energías alternativas tenemos: la nuclear, la solar, la eólica, la hidráulica, la geotérmica, etc. En el estado actual de la tecnología, la energía nuclear resulta muy peligrosa; mientras que las otras, hasta ahora, son poco eficientes. En el caso particular de México, la naturaleza geográfica y actividad volcánica, nos permiten considerar la producción de energía geotérmica como una buena alternativa a la combustión de carbón.

La “Geotermia”, o calor de la tierra, puede ser aprovechado para generar energía eléctrica. En términos generales, el proceso consiste en aprovechar esa energía y calentar agua hasta convertirla en vapor y elevarlo a muy altas temperaturas (en ocasiones entre 500 y 600ºC). Ese vapor se inyecta en forma de chorro continuo altas temperaturas desde una caldera hasta la entrada de vapor de una turbina. Tal como se muestra en la Figura 1. La turbina consta de uno varios juegos de álabes diseñados y arreglados especialmente para que al contacto con el chorro de vapor, comiencen a girar y produzcan el mismo giro a un rotor. Una vez realizada su función de hacer girar las aspas, el vapor sale y es recirculado o bien condensado como agua líquida. El rotos presenta un bobinado, que al girar genera un campo electromagnético con otro bobinado exterior (estator), la diferencia de potencial así formada por los giros a gran velocidad producen la energía eléctrica.

 

Bajo este esquema, el calor de la tierra provee de una fuente eterna de energía térmica que puede ser convertida en energía eléctrica. Las ventajas de este proceso de producción de energía son: que produce muy poca emanación de gases, el bióxido de carbono que emite es muy bajo, no produce óxidos de nitrógeno y no necesita agua para enfriamiento. Por lo anterior, este proceso representa una muy buena opción para la producción de energía limpia; siempre y cuando se cuente con turbinas eficientes y de larga vida útil.

Una de las problemáticas comúnmente encontradas en el funcionamiento de este tipo de turbinas es la degradación o daño del material. Particularmente los álabes que están en contacto con el vapor, están sometidos a altas temperaturas y altas presiones que les ocasionan esfuerzos. Un metal sometido a altas temperaturas y altos esfuerzos corre el riesgo de deformarse (se deforma a velocidades muy lentas, imperceptibles a simple vista pero que al cabo de meses puede ser notoria). Si esto ocurre, obviamente el funcionamiento y eficiencia de la turbina bajan. Otra problemática que se puede presentar, es el deterioro superficial de los álabes por efectos de corrosión por el contacto constante con ambientes húmedos y a altas temperaturas. Un problema mas es el sometimiento de las piezas a ciclos constantes de calentamiento y enfriamiento que pueden causar fatiga térmica del metal.

Las únicas aleaciones que cumplen simultáneamente con las tres características señaladas anteriormente se llaman “Superaleaciones”.

Estado del arte

Es una aleación desarrollada para ser utilizada a altas temperaturas y bajo esfuerzos relativamente altos, generalmente se basa en elementos del grupo VIIIA, otra característica importante es que se requiere una alta estabilidad superficial.

Las superaleaciones se dividen en tres clases:

  1. Superaleaciones base níquel
  2. Superaleaciones base cobalto
  3. Superaleaciones base hierro

Además existe un subgrupo que presenta características similares a las aleaciones base níquel pero contienen cantidades relativamente altas; estas son llamadas superaleaciones hierro-níquel.

Las superaleaciones que han hecho posible el desarrollo de la tecnología a altas temperaturas, son aquellas que se han requerido en el desarrollo de turbinas de gas para motores de jets (Figura 2). Y esos motores, en turno, son la razón de existencia de las superaleaciones. Sin embargo, además de la industria aeroespacial y la marina, las superaleaciones encuentran aplicación en vehículos espaciales, motores de cohetes, reactores nucleares, submarinos, industria petroquímica, etc. Entre el 15 y 20% de las superaleaciones se ha desarrollado para ser utilizado en aplicaciones de resistencia a la corrosión.

Figura 2. Vista seccional de una turbine de gas modelo Rolls Royce RB 211.

La necesidad de avance de la industria aeroespacial ha forzado el desarrollo de motores y turbinas de propulsión de aeronaves, con el propósito de reducir tiempos. A su vez, el desarrollo de estas turbinas ha exigido avances en el diseño de las aleaciones que se utilizan, cada vez a mas altas temperaturas. El area tecnológica para el desarrollo de las superaleaciones está definida por las turbinas de gas: los discos, las aspas, la cámara de combustión y muchas otras partes estructurales.

El metal

Entre 1910 y 1915 la era de los aceros inoxidables austeníticos era descubierta y desarrollada. Lo importante de esto, es que el campo gama de los aceros inoxidables austeníticos se convirtió eventualmente en la fase fértil a partir de la cual se desarrollaron las superaleaciones.

En 1909, mediante pequeñas adiciones de titanio y aluminio al la entonces conocida aleación fcc níquel-cromo 80-20; se obtuvo una excelente resistencia al creep. Era el inicio del desarrollo de las superaleaciones. Para 1930, en Inglaterra, Estados Unidos, Alemania e Italia se logró con éxito la creación de aleaciones muy fuertes, basadas en la solución sólida austenítica de níquel conteniendo cromo (llamada g), en carburos y en una fase finamente precipitada. Sin embargo, aun 10 años después, la vital fase coherente fcc g´ no se había identificado visualmente.

En ese mismo tiempo se desarrolló de manera competitiva una aleación base cobalto austenítica endurecida por carburos, cuya ventaja era que se podía colar en formas mas complejas. El desarrollo paralelo en la tecnología de los motores de jets demandaba aleaciones austeníticas mas fuertes y mas fuertes ya que la potencia de los nuevos motores era relativamente ilimitada.

A partir de los años 40 y con la Segunda Guerra Mundial, la historia de las superaleaciones obtuvo un desarrollo muy notable en la invención de nuevas composiciones de aleaciones y de nuevos procesos. El motivo fundamental fueron los motores de jets, pero la industria energética y del transporte ya necesitaban turbinas para la generación de electricidad, el bombeo de lineas de gas; esas turbinas con frecuencia requerían superaleaciones con diferentes características.

El desarrollo de aleaciones explotó virtualmente en los 50´s y 60´s y el desarrollo de los procesos en los 70´s y los 80´s.

Desarrollo de la tecnología de las superaleaciones:

  • Composición química
  • Constitución de fases
  • Microestructura

Composición química

La composición química de las superaleaciones es la base fundamental de la constitución de dichas aleaciones y lo que en turno determina las propiedades de la materia sólido. Esta composición ha ido evolucionando desde el inicio del desarrollo de ellas. Antes de los años 30´s las aleaciones estaban basadas en niquel y hierro con cantidades pequeñas de cromo para resistencia a la corrosión. Entonces, la adición de pequeñas cantidades de Al, Ti y/o Nb produjeron la formación de un precipitado coherente que proporcinaba resistencia al creep. Las aleaciones típicas eran: Rex 78, K41B, Nimonic 75 y 80, y la Inconel X.

Para la decada de los 50´s, las aleaciones base hierro prácticamente desaparecieron para dar lugar a las aleaciones base níquel y cobalto ya que en ellas se estabilizaba mas fuertemente la fase fcc. La presencia de cromo siempre para dar rsistencia a la corrosión, sin embargo, se presento una reducción para bajar contenidos en la formación de colonias de carburos M23C6 que fragilizaban la aleación. La presencia de Al,Ti y Nb por supuesto siempre en uso para dar lugar a la formación de precipitados que ayudan a mejorar la resistencia al creep. Para los 40´s, la adición de Mo mostró un significante incremento en la resistencia por efectos de solución sólida y formación de carburos. Después otros elementos como W, Nb, Ta y Re fueron utilizados con el mismo propósito (Figura 3).

Figura 3. Tendencia de la composición de las superaleaciones con el tiempo.


Figura 4. Constitución de las fases en las superaleciones.

La figura 4 muestra las fases físicas significantes que han creado un endurecimiento considerable. Algunas de esas fases son detrimentes. Todas esas fases son interactivas unas con otras y por supuesto con la matriz. La matriz siempre consiste de austenita fcc. La austenita evoluciona desde una pequeña region en el sistema Fe-Cr y se expande con níquel o cobalto; entonces las superaleaciones son hijas de los aceros inoxidables. El endurecimiento por solución sólida de la matriz es el que mas contribuye a su mejaora en capacidad mecanica. La fase que mayor endurecimiento generaba eran carburos hasta 1930, cunado fue creada en la austenita la fase coherente gamma cúbica primaria (g´ o Ni3Al). Un endurecimiento inusual en esta fase ya que es de composición muy similar a la de la matriz, puede ser ampliamente aleada, su resistencia la cedencia aumenta con la temperatura y presenta muy buena resistencia a la oxidación.

Posteriormente apareció la fase g´´; miesntras que g´ es caracterizada por una estructura fcc, g´´ presenta una bct.

También se ha tenido la presencia de las fases o compuestos indeseables tales como mu, sigma, y Laves. El reto del metalurgista es evitar esas fases.

Microestructura

Como la coposición química establece las fases, las fases en turno crean la microestructura. Los primeros metalurgistas de superaleaciones no detectaron las pequeñas partículas coherentes prescipitadas de g´ que hacian a las superaleaciones muy resistentes. Fue hasta la epoca de los 50´s con el uso del microscopio electrónico que se empezó a entender la complejidad de la estructura de manera visual en relación con las fases y su comportamiento. Sobre todo, la interacción entre dislocaciones y el sistema de aleación g/g´.

Figura 5. Evolución de la microestructura de las superaleaciones base níquel.

La figura 5 muestra la evolución de las superaleaciones base niquel desde los años 40´s. Es claramente observado un constante refinamiento de la estructura en los ultimos dos tercios de ese periodo de tiempo, generando asi una mayor resistencia. La parte de abajo de la foto muestra las fases indeseables, que han causado fragilidad y creado problemas en las superaleaciones; mientras que la parte superior, en los ultimos dos tercios, se muestran las fases que retienen la ductilidad util.

Desde los 30´s hasta los 50´s las aleaciones fueron llenadas con mas estructura para hacerlas mas resistentes. En los 50´s el empaquetamiento con elementos endurecedores aceleró el endurecimiento, pero también provocó problemas por la creación de fases fragilizadoras como sigma y Laves. Tambien en esa época se observaron complejos límites de grano con carburos englobados en la fase g´, creando capas de enlace entre granos endurecidas por dispersión.

Para los 70´s, se había descubierto el efecto del hafnio y al estructura g´englobando carburos era menos escencial. El hafnio contorna los límites de grano para crear una resistencia y ductilidad de una manera puramente mecánica así como la generación de g´ adicional.

Los procesos de solidificación direccional en los 80´s crearon estructuras de granos alineados, límites de grano alineados e incluso particulas como filamentos alineados. Estructuras de uni-cristales homogeneos, etc.

Propiedades físicas

La primera característica es la estructura de empaquetamiento compacto fcc. Es el mejor arreglo atómico que provee resistencia a altas fracciones del punto de fusión. La densidad es de alrededor de 8.3 gr/cm3 dependiendo del elemento base.

El bajo coeficiente de expansión térmica de las aleaciones base níquel y base cobalto (comparados con el del hierro), tiene muchas ventajas para componentes de muy baja tolerancia y máxima eficiencia.

La alta conductividad térmica ayuda en el enfriamiento de las partes mas calientes de la turbina.

Propiedades mecánicas

La principal razón de la existencia de las superaleaciones es la necesaria resistencia en un rango de temperaturas que exigen los componentes de turbinas de gas. Su estructura compacta fcc tiene la capacidad de mantener una adecuada resistencia tensil, resistencia a la ruptura, al creep, y a la fatiga termomecánica a temperaturas relativamente altas. La amplia solubilidad de elementos en esta estructura y sus características fisicoquímicas que permiten la preciptación de compuestos intermetálicos para generar endurecimiento.

Figura 6. Comparación entre algunas aleaciones con respecto a su resistencia a la oxidación y su resistencia mecánica.

La figura 6 muestra que algunas aleaciones de metales refractarios como el W pueden presentar mayor resistencia mecánica a mas altas temperaturas, pero su resistencia a la oxidación es pobre, mientras que aleaciones de platino son muy reistentes a la oxidación pero su resistencia mecánica es solo considerable a bajas temperaturas. Son las superaleaciones las que nos presentan las mejores combinaciones de estas dos propiedades que son fundamentales en el uso de las partes de turbinas.

Requerimientos de una superaleación

  • Estabilidad superficial
    • Resistencia a la oxidación
    • Resistencia a la corrosión en caliente
  • Resistencia mecánica a elevada temperatura
    • Resistencia a la tensión
    • Resistencia al creep
    • Resistencia a la fatiga

Superaleaciones base níquel. Una superaleación es una aleación metálica que puede ser utilizada a altas temperaturas, con frecuencia arriba del 0.7 su punto de fusión. Los principales requerimientos son resistencia al creep (fluencia) y resistencia a la oxidación, como criterios de diseño. Las superaleaciones pueden ser base hierro, cobalto o níquel. Estas últimas han sido las mas apropiadas para aplicaciones en turbinas de aeronaves, por lo que resultan ser las mas atractivas y con mayor futuro.

Los solutos escenciales en las superaleaciones base níquel, son aluminio y/o titanio, en concentraciones usualmente menores al 10% atómico. Esto genera una microestructura de equilibrio de dos fases, que son gamma (γ) y gamma prima (γ´). Esta ultima fase es la responsable de la resistencia a alta temperatura y su gran resistencia a la fluencia. La cantidad de esta fase depende de la composición química y la temperatura.

Para una composición específica, la fracción de γ´ disminuye a medida que la temperatura aumenta. Este fenómeno es utilizado para disolver esta fase a una alta temperatura y posteriormente precipitarla a temperaturas mas bajas en forma de finas partículas dispersas, generando un endurecimiento por envejecido.

La fase gamma es una solución sólida FCC con una distribución aleatoria de las especies atómicas que participan. En contrastye, la fase gamma prima en una fase cúbica primitiva con los átomos de níquel en el centro de las caras y los átomos de aluminio o titanio en las esquinas. Este arreglo atómico tiene la estequiometría Ni3Al, Ni3Ti o Ni3(Ti,Al).

Cristal de la estructura de γ


Cristal de la estructura γ´

En adición al alumino y el titanio, el niobio, el hafnio y el tantalo particionas preferentemente a la fase gamma prima.

La fase gamma es la matriz en la cual precipita la fase gamma prima, como ambas son cúbicas y con parámetros de red similares, la fase gamma prima precipita con una relación de orientación cubo-cubo con la fase gamma. Las fases son coherentes cuando el precipitado es pequeño. Las dislocaciones deslizándose por la fase gamma encuentran difícil penerar las partículas de gamma prima porque es una fase atómicamente ordenada, ese orden interfiere en el movimiento de las dislocaciones y endurece las aleaciones. Con esta hipótesis, es posible desarrollar aleaciones mas resistentes mediante la estrategia de fortalecer y adecuadamente precipitar la fase gamma prima mediante variaciones químicas.

(a)


(b)

Fotomicrogtrafias de microscopía electrónica de transmisión. (a) partícluas cuboidales de la fase gamma prima en la matriz gamma. (b) partícluas esferoidales de la fase gamma prima en la matriz gamma.

El desarrollo de este tipo de microestructuras es lo que genera la resistencia mecánica a altas temperaturas de las superaleaciones y particularmente las aleaciones base níquel.

Objetivos y metas

El objetivo general del proyecto es fortalecer las capacidades tanto físicas como humanas del laboratorio de fundición del IIM-UMSNH y de su personal, al adquirir el equipo necesario para fabricar Superaleaciones y Aleaciones  Especiales Base Titanio por procesos de fundición con composiciones químicas estrictamente controladas. Esto se puede lograr mediante la adquisición de un horno de inducción al vacío y un espectrómetro. Como meta general se espera que al final del proyecto, se tenga un laboratorio funcional, procesos de producción de aleaciones bien desarrollados, y estar en condiciones de ofrecer servicio industrial en la fabricación de partes, a empresas consumidoras de este tipo de aleaciones.

Objetivos específicos

  • Formación de recursos humanos especializados en procesos de fabricación de Superaleaciones y Aleaciones especiales base titanio.
  • Fortalecimiento del laboratorio de fundición ya existente, mediante la adquisición de un horno de inducción al vacío y un espectrómetro.
  • Desarrollo de la metodología de procesos de fundición y solidificación mediante el uso de software MAGMA y PRO_CAST.
  • Desarrollo de los tratamientos térmicos mas adecuados para cada aleación en función de su composición química.
  • Establecimiento de técnicas de solidificación direccional a velocidad controlada para la generación de estructuras texturizadas en álabes de turbinas.
  • Generar información básica y ciencia aplicada en el campo de las superaleaciones, principalmente base níquel; así como en aleaciones base titanio.

Número de proyecto

P19

Título de proyecto

Desarrollo de superaleaciones y aleaciones especiales base titanio para aplicaciones en turbinas para la generación de energía geotérmica

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Arnoldo Bedolla Jacuinde

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

University of Sheffield

Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, UAEH