breve descripcion de los materiales que se encuentran en un motor aeroreactor.

1. Motor Aerorreactor
Materiales y Construcción
M. en C. GERMANGRAJEDA RODRIGUEZ

2. Parte I Materiales

3. INTRODUCCIÓN
La temperatura es el factor mas limitante y crucial
para las eficiencias de las turbinas de gas. Al
aumentar la temperatura de entrada en la cámara
de combustión se ha observado que el consumo
especifico de combustible (SFC) disminuye sin
embargo las aleaciones y materiales que trabajen a
estas altas temperatura serán mas costosos, los
materiales son una parte medular del motor de
estos depende también su vida útil y la seguridad
que pueda proporcionar el motor en
funcionamiento.

4. Consumo
especifico
de
combustible
(SFC)
lb/hp*h
T=1500 f °
T=2000 f °
T=2500 f °
T=3000 f °
Relación de presiones
Para comprender mejor la
relación que la temperatura
y la presión tienen frente a la
eficiencia y el consumo de
combustible se muestra en la
siguiente grafica de
Consumo Específico de
Combustible SFC versus la
relación de presiones en la
cámara de combustión y la
temperatura de entrada de
la turbina
2 4 6 8 10 12 14 16

5. Los álabes del compresor operan
a una temperatura relativamente
baja pero bajo mucha tensión.
La cámara de combustión
funciona a una temperatura
relativamente alta y
condiciones de bajo esfuerzo.
Los álabes de la turbina
funcionan en condiciones
extremas de esfuerzo,
temperatura y corrosión.
El revestimiento de la cámara de combustión y
los álabes de la turbina son los componentes
más críticos en las turbinas de gas existentes de
alto rendimiento y larga vida.

6. TENSIÓNY RUPTURA
La resistencia del mismo metal puede
cambiar según a la temperatura a la que
trabaje a este fenómeno se le conoce
como termofluencia.
Los datos de ruptura a la tensión a
menudo se presentan en una curva de
Larson-Miller, que indica el rendimiento
de una aleación en un estilo gráfico
completo y compacto.
PLM = parámetro de Larson-Miller
T = temperatura R°
t = tiempo de ruptura, h
𝑃𝐿𝑀 = 𝑇 20 + log 𝑡 ∗ 10−3
1000° 1200° 1400° 1600°
U-500
60
40
10
Tensión
en
(KSI)
IN-738
GTD-111
Temperatura en °F
Parametro de Larson-Miller en diversas aleaciones de alabes

7. FATIGA CÍCLICA
Un tipo muy común de falla, que sufren
los álabes en las turbinas se conoce como
"fatiga de ciclo alto“ ya que todos los
materiales fallarían a una determinada
carga si se ciclaran durante una gran
cantidad de veces.
El diagrama de Goodman a menudo se
usa para determinar la cantidad de
tensión alterna en los alabes a diferentes
cargas.
Tención
Alternada
Fuerza máxima oTención media
Zona de operación

8. FATIGATÉRMICA
La fatiga térmica es esencialmente un
problema de transferencia de calor y en
propiedades tales como el módulo de
elasticidad, el coeficiente de expansión
térmica y la conductividad térmica. Los
factores metalúrgicos más importantes
afectados son la ductilidad y la
tenacidad.
Esta fatiga es causada por los
diferenciales de temperatura
desarrollados durante el arranque y la
parada de la turbina Curvas típicas de distribución de Δε en función de la
profundidad “X” desde la superficie causada por la carga de
fatiga térmica. A cierta profundidad Δε tienen un mínimo.
Δε
X
Deformación durante el calentamiento
Deformación durante el enfriamiento
Deformación resultante durante todo
el ciclo

9. CORROSIÓN
El uso de superlaciones a base de Ni
en los álabes de turbina disminuyen el
deterioro de las propiedades del
material. Este deterioro puede
resultar por la erosión o corrosión. En
la actualidad se conocen dos formas
distintas de corrosión en caliente
reconocidas por la industria.
1. Oxidación acelerada
𝑁𝑎2𝑆𝑂4 + 𝑁𝑖(𝑀𝑒𝑡𝑎𝑙) → 𝑁𝑖𝑂(𝑃𝑜𝑟𝑜𝑠)
2. Oxidación Catastrófica
Ocurre con Mo, W y V presentes se reducen
Capa de NiO: aumenta la tasa de oxidación
Dos mecanismos de corrosión en caliente

10. MATERIALES PARA
ALABES DEL FAN
Se ha utilizado titanio, aluminio y
acero inoxidable en los álabes del
ventilador, y el titanio a menudo se
usa debido a su alta relación
resistencia / peso, resistencia a la
corrosión y resistencia a la fluencia. En
los motores GEnx, los álabes del
ventilador están fabricados de
material compuesto de fibra de
carbono (CFRP) y el borde de ataque
de titanio.

11. ALEACIONES EN LA
FECHA
La resistencia al calor, la resistencia a
altas temperaturas, la alta resistencia
a la fatiga y la tenacidad son
propiedades del material requeridas
para resistir la rotación de alta
velocidad en entornos de baja y alta
temperatura.
Los materiales comunes serían aceros
Cr-Mo-V, Inco-718 y aceros Maraging
(GE1014). El acero Maraging es un
acero muy fuerte que contiene 18-25%
de Ni y tiene una alta resistencia a la
fatiga (2200Mpa o más)

12. MATERIALES DEL
DUCTO DE ADMISIÓN.
Cada ducto está fabricado con el material más
liviano acorde con los esfuerzos y las
temperaturas a las que está sometida en servicio.
Por ejemplo, la aleación de magnesio, los
materiales compuestos y los materiales de
construcción tipo sándwich se utilizan para los
ductos de admisión de aire, las cajas de los
ventiladores y las cajas de compresores de baja
presión, ya que estas son las partes más frías del
motor.

13. Aleaciones en álabes de compresor

14. ALEACIÓNAISI 403
Los aceros inoxidables son aceros de
alta aleación con buena resistencia a la
corrosión debido a la presencia de
grandes cantidades de cromo en estos
aceros.
Están disponibles en tres grupos
diferentes en función de su estructura
cristalina. Estos grupos incluyen
martensíticos, austeníticos y ferríticos.
Composición %
Cromo 12
Níquel -
Hierro 86
Tungsteno -
Molibdeno 3.0
Titanio 0.9
Aluminio 0.2 - 0.8
Cadmio 5.1
Vanadio -
Carbono 0.03
Boro -
Tántalo -

15. ALEACIÓN GTD-450
Es un acero inoxidable martensítico
endurecible por envejecimiento
especializado que proporciona resistencia
moderada y mayor resistencia a la
corrosión. también se fabrica fácilmente y
mantiene una buena ductilidad y tenacidad
en una amplia gama de aplicaciones.
Composición %
Cromo 12
Níquel -
Hierro 86
Tungsteno -
Molibdeno 3.0
Titanio 0.9
Aluminio 0.2 - 0.8
Cadmio 5.1
Vanadio -
Carbono 0.03
Boro -
Tántalo -

16. Materiales
en la cámara de combustión

17. HAYNES® HAST X
Posee una combinación excepcional de
resistencia a la oxidación, capacidad de
fabricación y resistencia a altas
temperaturas.
Exhibe buena ductilidad después de
una exposición prolongada a
temperaturas de 1200, 1400, 1600 ° F
(650, 760 y 870 ° C) durante 16,000
horas
Composición %
Cromo 22
Níquel 50
Hierro 1.5
Tungsteno 1.9
Molibdeno 0.7
Titanio 9
Aluminio -
Cadmio -
Vanadio -
Carbono -
Boro 0.07
Tántalo -

18. HAYNES® N-263
HAYNES® 263 se usa normalmente
para aplicaciones de hasta
aproximadamente 1650 ° F (900 ° C).
Su resistencia a la oxidación es
comparable a la de otras
superaleaciones reforzadas con
gamma-prime.
Composición %
Cromo 20
Níquel 52
Hierro 0.4
Tungsteno -
Molibdeno 6
Titanio 2.1
Aluminio 0.4
Cadmio -
Vanadio -
Carbono 0.06
Boro 0.005
Tántalo -
Punto de fusión
-°C

19. HAYNES 188
combina una excelente resistencia a
altas temperaturas con muy buena
resistencia a entornos oxidantes de
hasta 2000 ° F (1095 ° C) para
exposiciones prolongadas y excelente
resistencia a depósito de sulfato
corrosión en caliente.
La aleación se puede soldar por
métodos de soldadura manuales y
automáticos, incluido el gas arco de
tungsteno (TIG), arco de gas metal
(MIG)
Composición %
Cromo 22
Níquel 22
Hierro 1.5
Cobalto 39
Molibdeno -
Titanio -
Aluminio -
Cadmio -
Vanadio -
Carbono 0.05
Tungsteno 14.0
Tántalo -
Punto de fusión
-°C

20. Materiales en inyectores

21. ALEACIÓN GTD111
Estos componentes están sujetos a
entornos operativos extremos que
resultan en fluencia, oxidación y fatiga
de los componentes durante la
operación. Después de la operación
continua, estos modos de daño deben
repararse y los componentes pasan por
extensos procesos de reparación, que
incluyen varios tratamientos térmicos
para recuperar las propiedades
mecánicas
Composición %
Cromo 14
Níquel 60
Cobalto 9.5
Hierro -
Tungsteno 3.8
Molibdeno 1.5
Titanio 4.9
Aluminio 3.0
Cadmio -
Vanadio -
Carbono 0.10
Boro 0.01
Tántalo 2.8
Punto de fusión
-°C

22. ALEACIÓN FSX414
Durante el servicio, boquillas están
expuestos a un bajo ciclo de fatiga, lo
que puede provocar grietas en estos
componentes. Las grietas en estas
boquillas generalmente están soldadas
con soldadura por arco de tungsteno
(TIG) utilizando metales de relleno
basados en Co. En este artículo, el
efecto de TIG sobre la fatiga por
tensión y bajo ciclo
Composición %
Cromo 28
Níquel 10
Cobalto 48.7
Hierro 1
Tungsteno 7
Molibdeno -
Titanio -
Aluminio -
Cadmio -
Vanadio -
Carbono 0.25
Boro 0.01
Tántalo -

23. Aleaciones en alabes de turbina

24. ALEACIÓN U500
Estas son superaleaciones a base de
níquel endurecibles por precipitación
que se desarrollaron para proporcionar
una excelente resistencia a altas
temperaturas, resistencia a la fluencia
y resistencia a la corrosión. Las
aleaciones muestran buena tenacidad
después de una larga exposición a altas
temperaturas.
Cromo 18.0
Níquel 53
Hierro -
Tungsteno -
Molibdeno 4
Titanio 3
Aluminio 3
Cadmio -
Vanadio -
Carbono 0.07
Boro 0.006
Tántalo -

25. ALEACIÓN RENE 77
Superalloy Rene 77 es muy utilizado
para álabes de turbina, discos de
turbina de motores de aeronaves que
funcionan hasta 1050 ° C. Estos
elementos generalmente se producen
por el método de fundición de
inversión. Las palas de la turbina
producidas por los métodos
convencionales de fundición de
precisión tienen una estructura de
grano grueso e inhomogéneo.
Composición %
Cromo
Níquel
Hierro
Tungsteno
Molibdeno
Titanio
Aluminio
Cadmio
Vanadio
Carbono
Boro
Tántalo

26. Aleaciones del disco de turbina

27. ALEACIÓN 718 BASE DE NÍQUEL.
La aleación 718 contiene una alta
concentración de elementos de
aleación y, por lo tanto, es difícil de
producir en los tamaños de lingote muy
grandes necesarios para la gran rueda
de turbina tipo marco y piezas forjadas
de espaciador.
Composición %
Cromo 17 - 21
Níquel 50 - 55
Hierro 18.5
Tungsteno -
Molibdeno 3.0
Titanio 0.9
Aluminio 0.2 - 0.8
Cadmio 5.1
Vanadio -
Carbono 0.03
Boro -
Tántalo -

28. ALEACIÓN 706 BASE NÍQUEL
Esta aleación endurecida por
precipitación a base de níquel está
siendo utilizada en las unidades de
discos grandes por GE, como la aleta
de rueda y espaciador de turbina de
bastidor 7FA, 9FA, 6FA y 9EC, y ofrece
un aumento muy significativo en la
ruptura por fatiga y ruptura por
tensión.
Composición %
Cromo 14.5-17.5
Níquel 39-44
Hierro 38
Tungsteno -
Molibdeno -
Titanio 1.8
Aluminio -
Cadmio 2.9
Vanadio -
Carbono 0.03
Boro -
Tántalo -

29. FUTURO CERÁMICO
El día en que las turbinas operen a
2500–3000 ◦F (1371–1649 ◦C),
produciendo el doble de la potencia
actual a la mitad del tamaño actual del
motor, puede que no esté muy lejos.
Antes se desestimaba la cerámica por
ser demasiado frágil, Sin embargo, la
adición de aluminio a la cerámica
forma un compuesto que es más
dúctil.

30. RED MUNDIAL DE PROVEEDORES

31. Parte II Construcción

32. El funcionamiento del Motor Aero-reactor , con
sus altas relaciones potencia / peso, exige el
más alto rendimiento posible de cada
componente. De acuerdo con este requisito,
cada componente debe fabricarse con el peso
más bajo, costo y también proporcionan
integridad mecánica a través de una larga vida
útil lo que se traduce en un proceso de
manufactura especializado para cada
componente .
INTRODUCCIÓN

33. MAQUINADO.
Los métodos de maquinados de componentes del
motor incluyen rectificado, torneado, taladrado,
mandrilado y brochado siempre que sea posible,
y los materiales y configuraciones más difíciles se
maquinan mediante electrodepósito,
electroquímica, perforación de barrenos con
carga láser y reducción de dimensiones mediante
proceso químicos.

34. COMPONENTES
ESTRUCTURALES.
Los componentes estructurales, es decir, el
spoiler frío, los anillos de ubicación y los
conductos de derivación, se benefician de un
considerable ahorro de peso al usar materiales
compuestos y mas recientemente los alabes de la
etapa de fan de algunos motores como General
Electric GE9X y el Rolls-Royce UltraFan

35. TRATAMIENTOS
QUÍMICOSY
TÉRMICOS.
También se utilizan procesos químicos y térmicos
en los componentes terminados. Estos incluyen
tratamiento térmico, electro-depositado. La
electrodeposición se emplea principalmente para
agregar una capa con una propiedad especifica
(por ejemplo, resistencia a la abrasión y al
desgaste, protección frente a la corrosión, la
necesidad de lubricación, cualidades estéticas,
etc.) a una superficie que de otro modo carece de
esa propiedad

36. FORJA.
los discos del compresor, los discos de la
turbina y los trenes de engranajes llevan
un proceso de forjado en caliente.
la forja de precisión de alabes es una
práctica que requiere de alta precisión y
permite que se produzca a partir de una
matriz conformada con el mínimo de
trabajo adicional.

37. FORJA DE ALABES
Primero la aleación se recubre
cerámicamente y se calienta a continuación y
se coloca en una prensa hidráulica que la
comprime con 1000 toneladas de presión
para darle la forma en seguida se mete en
agua para enfriarse y se lija para
redondearla.

38. FORJA DE ALABES
Se usa otro proceso de calentamiento para
templar el alabe y al final un robot pone el
alabe en otra prensa que aplica 1600
toneladas de presión que las recorta y les
da la forma final .
Antes de pasar a la siguiente fase una
maquina de coordenadas comprueba todas
sus medidas con una tolerancia de 0.005
mm.

39. FORJA DE ALABES
La cola de milano que es la parte del alabe que
se acopla a los discos se hace por fundición en
una matriz donde se incrusta e alabe , para
terminar los alabes se sumergen en un liquido
que penetra en las imperfecciones del alabe y se
muestran como partes fluorescentes con esto
se corrobora que no tenga micro facturas y que
estén listas.

40. Un porcentaje creciente del motor de
turbina de gas se produce a partir de
componentes de fundición a presión y
técnicas de fundición de inversión, este
último se convierte en el más utilizado
debido a su capacidad para producir
componentes con superficies que no
requieren maquinado adicional
FUNDICIÓN

41. La formación química, la perforación
electroquímica y el rectificado electrolítico
son técnicas de maquinado electroquímico
empleadas en la producción de
componentes de motores de turbina de
gas.
MAQUINADO
ELECTROQUÍMICO
(E.C.M.)

42. BIBLIOGRÁFICAY ENLACES
• Libros
• The jet Engine Rolls-Royce plc 1986 Fifth edition Reprinted 1996 with revisions.
• GasTurbine Engineering HandbookThird Edition Meherwan P. Boyce
• Enlaces
• http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=NINC34
• https://www.neonickel.com/es/alloys/aleaciones-de-niquel/alloy-718/
• https://www.researchgate.net/figure/The-chemical-composition-of-GTD-111-and-selected-TIG-filler-
materials-wt_tbl1_266449725
• https://www.rolls-royce.com/products-and-services/civil-aerospace/
• https://metfusion.wordpress.com/2013/08/20/fatiga-termica/
• https://www.haynesintl.com/alloys/alloy-portfolio_/High-temperature-Alloys/HASTELLOY-X-
alloy/HASTELLOY-X-principal-features.aspx