Importancia de las aleaciones para la fabricación de turbinas de avión, y su desarrollo en México.

1. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA
SEMESTRE ENE-JUN 2019
INGENIERIA EN MATERIALES
TALLER DE MATERIALES PARA LA INDUSTRIA AEROESPACIAL
PEDRO ZAMBRANO
DESARROLLO DE LA INDUSTRIA AEROESPACIAL
BANNELY GEORGINA LOYA 14060739
DANIEL ALBERTO VARGAS 15061022

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Introducción
Los fabricantes de motores de turbina enfrentan desafíos continuos para producir
sistemas de propulsión con mayor eficiencia y menores emisiones. Para lograr estos
objetivos, las tecnologías maduras se están implementando en sistemas heredados,
los materiales en evolución y las tecnologías de procesos se están aplicando en los
sistemas de campo y de próxima generación, y se están desarrollando tecnologías
revolucionarias de materiales y procesos para cambios radicales en los futuros
sistemas de motores de turbina. (Green, 2009)
Numerosas investigaciones de las características mecánicas del material durante el
funcionamiento de la turbina de gas revelan una rápida acumulación de daños y la
degradación de sus propiedades. La degradación general es la disminución de la
ductilidad, la resistencia, el límite de resistencia y, al mismo tiempo, el aumento de
la velocidad de propagación de la fluencia y el agrietamiento, etc. Esto se refiere
especialmente al material de los bordes de las cuchillas anterior y posterior. Las
grietas y distorsiones generalmente aparecen solo en estos lugares, lo que limita la
vida útil del motor. (Karpinos, 2013)
Aleaciones de titanio
Las aleaciones de titanio son utilizadas en fuselajes, componentes del tren de
aterrizaje y en partes de turbinas por su combinación única de propiedades:
- Moderada densidad
- Alta resistencia
- Alta resistencia a la fatiga
- Resistencia a la fractura
- Excelente resistencia a la corrosión
Las aleaciones de titanio tienen buen uso a altas temperaturas (arriba de 500-
600°C), como está encima del límite de temperatura de operación de aleaciones de
bajo peso como aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio y compuestos de
fibra-polímeros. Por esa razón, cuando originalmente las aleaciones de titanio se
usaron en aeronaves fue debidoa sus aplicaciones a alta temperatura. Las primeras

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aplicaciones de titanio fueron en discos de compresores y aspas de ventiladores de
turbinas de gas.
El uso de titanio fue importante en el temprano desarrollo de motores de jet, que
eran construidos originalmente utilizando aceros y aleaciones de níquel de alta
resistencia térmica. Los aceros y la aleación de níquel son “materiales pesados”, y
su remplazo con titanio en discos y aspas redujeron el peso en los primeros motores
de jet por más de 200Kg.
El titanio ha sido un importante material de ingeniería en motores de turbina de gas
por más de cincuenta años, y actualmente cuenta por 25-30% del peso de los
motores más modernos. El titanio puede ser utilizado en componentes de motor que
requieren operar por encima de 500-600°C. Los componentes de motor hechos
usando titanio son aspas de ventiladores, ejes y cubiertas en la región de entrada:
compresores de baja presión; y enchufes y boquillas de ensamble en la sección de
escape.
El titanio es también usado en la estructura de motores, cubiertas, colectores,
ductos y tubos. No es posible utilizar titanio en todas las partes del motor, y es
insustituible en la cámara de combustión y otras secciones en donde la temperatura
excede los 600°C. por encima de esta temperatura el titanio se suaviza y oxida, y
se hace necesario el uso de otros materiales más resistentes al calor como lo son
aleaciones de níquel.
Súper aleaciones para motor de turbina de gas.
Las súper aleaciones son un grupo de aleaciones base níquel, hierro-níquel y
cobalto usadas en turbinas de aeronaves por sus excepcionales propiedades de
resistencia térmica. Los materiales usados en los motores de jet deben resistir
largos periodos de tiempo en un ambiente de alta temperatura, alto estrés y gases
corrosivos calientes. Muchos materiales simplemente no pueden sobrevivir las
severas condiciones en las secciones más calientes del motor. Cuando las
temperaturas alcanzan los 1300°C. las súper aleaciones, poseen muchas
propiedades que son requeridas para el material de un motor como son alta
resistencia, larga vida a la fatiga, resistencia a la fatiga y resistencia a alto estrés a

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alta temperatura. Las súper aleaciones resisten la corrosión y la oxidación a altas
temperaturas, cuando esto causa el rápido deterioro de muchos otros materiales
metálicos. Las súper aleaciones pueden operar a temperaturas por encima de los
950-1300°C por largos periodos, haciéndolos materiales adecuados para el uso en
motores jet modernos.
El importante rol de las súper aleaciones en el alcanzar su máxima temperatura de
operación. La figura 1 muestra el mejoramiento usando muestras a alta temperatura
y esos materiales pueden mantenerse sin fallar cuando se les aplican una carga de
137 MPa (20ksi) por 1000h. sobre la era de las aeronaves jet, la máxima
temperatura incremento cerca de 50%. Los beneficios como el incremento de la
temperatura de operación de los motores han incrementado enormemente.
Figura 1 Mejoramientoenel límite de temperatura para superaleacionesen turbinas
de avión. La temperatura de operación está definida por la vida de fluencia del
material cuando es sometido a una carga de 137 Mpa por 1000 horas.
En los anteriores 20 años el empuje de los motores de turbina de gas incremento
por 60% mientras que en el mismo periodo los motores de combustible cayeron un
15-20%. Los impresionantes logros en el poder y eficiencia de motores han sido

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completados en parte por mejoras en la durabilidad de materiales en la sección mas
caliente del motor, y particularmente las partes de más alta presión de la turbina.
La durabilidad ha sido mejorada dramáticamente debido a avances en el diseño de
motores, tecnología de propulsión y materiales. El mejoramiento de durabilidad
permite el mejor uso de aeronaves al incrementar la vida de los motores y
reduciendo las inspecciones de mantenimiento después de 500h de operación.
(Mouritz, 2012)
Como ejemplo claro de una importante aplicación de la aleación TiAl está el GEnx
que es el motor a reacción de alto empuje y más vendido en la historia de GE
Aviation, con más de 1,600 motores en orden. Además de alimentar el Boeing 747-
8 de cuatro motores, el motor GEnx también es el motor más vendido para el Boeing
787 Dreamliner. Basado en la arquitectura probada GE90, el motor GEnx ofrecerá
hasta un 15% de eficiencia de combustible mejorada y un 15% menos de CO2 en
comparación con el motor CF6 de GE. El motor GEnx representa un gran avance
en la tecnología de propulsión, ya que utiliza los últimos materiales y procesos de
diseño para reducir el peso, mejorar el rendimiento y ofrecer un motor de avión
comercial más eficiente.
Entre las características innovadoras de GEnx se encuentran una cámara de
combustión de dos hileras de pre-remolino (TAPS) que reducirá drásticamente los
gases NOx y las aspas del ventilador más grandes y eficientes que ayudarán a que
el GEnx sea el motor de avión comercial más silencioso que jamás haya producido.
El motor GEnx es también el primer motor a reacción comercial del mundo con una
caja de ventilador frontal y aspas de ventilador hechas de compuestos de fibra de
carbono. (GE Aviation, s.f.)
En 2006, GE introdujo las cuchillas TiAl LPT para sus motores GEnx ™. La sección
LPT del motor GEnx ™ emplea aproximadamente 200 cuchillas de TiAl por motor
en dos filas de cuchillas. El motor de aeronave GEnx ™ es el producto preeminente
en su clase, que ofrece mejoras sustanciales en emisiones, ruido, confiabilidad y
costo de propiedad. La certificación de la Administración Federal de Aviación de los

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EE. UU. Para el motor GEnx ™ se emitió en abril de 2011. A lo largo de las pruebas
de certificación y en servicio, las aspas de TiAl diseñadas y fabricadas por GE han
tenido un desempeño impecable. Como se mencionó anteriormente, actualmente
se han producido más de 1,600,000 lb de aleación 48-2-2 de TiAl, se han moldeado
más de 18 configuraciones distintas de piezas de motores de avión y se han
producido más de 250,000 palas. Estas cantidades son muy impresionantes para la
introducción de una nueva tecnología, pero el volumen de producción de aleación
de TiAl es aún bajo en comparación con, por ejemplo, los grados comerciales de
aleación de titanio. Hay aproximadamente 190,000 cuchillas de TiAl que vuelan
diariamente en 229 Boeing 787 y 101 Boeing 747-8s. Los motores de estas
aeronaves han acumulado más de 6,600,000 h y 1,100,000 ciclos de operación.
La decisión de utilizar TiAl en el LPT de GEnx se tomó después de muchos años de
desarrollo diligente, disciplinado y extenso, incluidas pruebas sustanciales. Se han
pedido más de 1600 motores GEnx; los años siguientes verán una producción
continua de gran volumen de cuchillas de TiAl LPT. (Bewlay, 2016)
Futuro desarrollo de las turbinas
Se estima que el transporte como sector aporta aproximadamente el 20% de las
emisiones globales. Por lo tanto, los fabricantes de motores de turbina están
intensificando la investigación sobre la combustión de combustible más eficiente.
Una reducción significativa de las emisiones puede ser posible si se mejora el
consumo de combustible específico, lo que reduce los requisitos de combustible del
motor y también aliviará la carga de extraer recursos naturales cada vez más
escasos. La Unión Europea está trabajando para implementar un plan de comercio
de emisiones, que incluirá la aviación, para 2012. Para enfrentar esto y las
regulaciones previsibles, se requieren reducciones en el consumo de combustible y
las emisiones. (Green, 2009)
La vinculación del diseño, los materiales y las tecnologías de fabricación mediante
simulación y modelado por computadora es ahora un requisito para los
componentes y sistemas de alto rendimiento y alta eficiencia. Los diseños dependen

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de materiales cuyas propiedades dependen de la ruta de fabricación. Los modelos
permiten la predicción de propiedades mecánicas específicas de la ubicación, que
respalda el diseño para la fabricación y la optimización de materiales y la
fabricación. El modelado y la simulación también están siendo aplicado para
optimizar materiales y procesos establecidos. Los materiales y tecnologías de
proceso revolucionarios tienen el potencial de mejorar significativamente la
eficiencia y la capacidad “verde” de los motores de turbina. Por definición,
comienzan con un bajo nivel de madurez y requieren desarrollo, evaluación y
validación antes de ser aplicados a cualquier sistema futuro. Sin embargo, estas
tecnologías de alto riesgo / alta rentabilidad, si tienen éxito en lograr objetivos de
rendimiento agresivos, pueden habilitar nuevos componentes y / o diseños de
sistemas que permitan mejoras importantes en la capacidad y el rendimiento en
general.
Un ejemplo de esto podría ser los materiales cerámicos de temperatura ultra alta,
que si se pueden diseñar y fabricar en componentes reales, podrían cambiar
radicalmente los diseños actuales del sistema. Incluso si no se logra el objetivo final,
los beneficios del esfuerzo de desarrollo de tecnología deben ser capturados y
utilizados en la mayor medida posible. (Green, 2009)
Figura 2 La inserción de materiales avanzados en los sistemas actuales y futuros
del motor permitirá un funcionamiento más eficiente.

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Los futuros sistemas de propulsión de transporte requerirán materiales y procesos
para una capacidad máxima "ecológica". Estos materiales, que se encuentran
actualmente en la etapa de viabilidad del concepto, deberán utilizar aire de
refrigeración mínimo con mayor eficiencia, o no requerirán refrigeración alguna.
• Los materiales compuestos de cerámica de alta temperatura para las
cámaras de combustión, las turbinas y los sistemas de escape será
necesitados por los motores avanzados.
• Las cerámicas monolíticas pueden ser adecuadas para rodamientos de
elementos. Sin embargo, estas cerámicas deben tener una alta pureza y
deben demostrar una confiabilidad mejorada como resultado de una
inspección no destructiva.
• Los materiales intermetálicos de menor densidad también pueden ser
aplicados más ampliamente en componentes rotativos.
Desarrollo en México
En México existen instalaciones de Chromalloy en Guaymas que suministran
maquinado de precisión en componentes de motores de turbina de gas de nueva
producción, alta y baja presión, incluidas cuchillas y segmentos. Los clientes
incluyen fabricantes de motores de avión y fabricantes de turbinas de gas
industriales pesadas. (CISION PR Newswire, s.f.)
La compañía proporciona fabricantes y operadores de motores de turbina en el
sector aeroespacial comercial, defensa y energía, con soporte completo de
fabricación y gestión de materiales y cadena de suministro. Las instalaciones de
Chromalloy incluyen operaciones, anexos y oficinas de ventas en 11 países.
(Chromalloy, s.f.)
La nueva instalación desde el 2016 tiene la capacidad de mecanizar hasta 68,000
componentes de motores de turbina de gas al año y fue diseñada para reemplazar
las instalaciones adyacentes de 17,000 pies cuadrados de Chromalloy en el Parque
Industrial Roca Fuerte, en operación desde 2009.

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Los servicios incluyen mecanizado multieje, rectificado, fresado, mecanizado de
electro descarga (EDM) e inspección. Chromalloy también opera un centro de
reparación de componentes de motores de turbinas de gas en Mexicali, México.
Chromalloy opera una red de centros de fabricación y reparación de motores de
turbinas de gas en todo el mundo que proporciona una amplia gama de servicios en
componentes en la ruta de gas del motor o en la sección caliente. La compañía es
un proveedor líder de reparaciones tecnológicamente avanzadas, recubrimientos,
fundiciones de inversión y servicios para perfiles aerodinámicos de turbinas y otros
componentes críticos del motor.
Chromalloy se ha expandido de un negocio de reparación de partes de turbinas de
gas a un proveedor OEM de partes de producción y reparaciones y servicios
avanzados para turbinas de gas utilizadas en aplicaciones de aviación y terrestres.
Chromalloy atiende a los segmentos de aerolíneas, militares, marinos y de energía
con una amplia gama de servicios en ubicaciones en todo el mundo. Chromalloy
está autorizada por la FAA y EASA y muchas otras NAA, y está calificada según
ISO y NADCAP. Chromalloy es una subsidiaria de Sequa Corporation. (CISION PR
Newswire, s.f.)
Figura 3 Actividad de operadores con una turbina, en una de las instalaciones de
Chromalloy

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Bibliografía
Bewlay, B. N. (2016). TiAl alloys in comercial aircraft engines. Materials at High
Temperatures , 549-559.
Chromalloy. (s.f.). Obtenido de https://www.chromalloy.com/
CISION PR Newswire. (s.f.). Obtenido de https://www.prnewswire.com/news-
releases/chromalloy-unveils-new-gas-turbine-engine-component-machining-
facility-in-guaymas-mexico-during-grand-opening-and-tour-300177688.html
GE Aviation. (s.f.). Obtenido de
https://www.geaviation.com/commercial/engines/genx-engine
Green, K. A. (2009). Advanced turbine engine materials. Advanced Materials &
Processes, 21-23.
Karpinos, B. S. (2013). Thermal Cyclic Creep and Long-Term Strength of the
Material of Aircraft Gas Turbine Blades after Operation. Strength of
Materials , 542-548.
Mouritz, A. P. (2012). Introduction to Aerospace Materials. En A. P. Mouritz,
Introduction to Aerospace Materials (pág. 253). eBook Academic Collection
(EBSCOhost).