En la industria aeronáutica y aeroespacial se persigue no solo una mayor eficiencia de los motores, sino también reducir las emisiones de CO2 y el consumo de combustible, lo que se puede conseguir a través de la disminución del peso de los motores de aviación. “Esta reducción de peso es la clave para el desarrollo de materiales ligeros innovadores y resistentes a altas temperaturas que puedan sustituir a los materiales empleados en la actualidad”, señala Leire Usategui Frias investigadora de la UPV/EHU.  “Las aleaciones de titanio-aluminio (denominadas TiAl) muestran un gran potencial para satisfacer dichas demandas”, añade.

Hasta ahora, las superaleaciones de base níquel han sido el material predominante en la fabricación de los álabes de las turbinas de los aviones, debido a su capacidad para soportar las elevadas cargas mecánicas y térmicas a las que son sometidos en condiciones de servicio. Una desventaja de dichas superaleaciones es su alta densidad, que en los TiAl queda reducida a casi la mitad. “Además de ser más ligeras, las principales ventajas que presentan las aleaciones TiAl son una buena resistencia a la oxidación, al sobrecalentamiento y sobre todo a la fluencia (una deformación que tiene lugar cuando los materiales trabajan bajo tensión a alta temperatura y que es necesario evitar a toda costa)”, explica la doctora Usategui. Por todo ello, “las aleaciones TiAl se han convertido en la mejor alternativa para reemplazar las hasta ahora empleadas en las turbinas de aviación, ya que reducirían el peso de los motores entre un 20 y 30 % consiguiendo así un aumento significativo en el rendimiento del propio motor y una mayor eficiencia del combustible”, apunta la investigadora de la UPV/EHU.

Nuevas aleaciones de TiAl mejoradas

Con el propósito de aumentar la temperatura de servicio de los componentes aeronáuticos, este trabajo estudia los efectos de la incorporación de distintos elementos químicos en las aleaciones TiAl a fin de desarrollar materiales competitivos mejorados. “Una de las aleaciones más relevantes y recientes, aparte de los elementos químicos principales (titanio y aluminio), presenta un contenido equilibrado de niobio y molibdeno y pequeñas cantidades de silicio y carbono”, explica la autora del trabajo.

Se requiere una alta estabilidad estructural y un buen comportamiento de resistencia a la fluencia para que estas nuevas aleaciones cumplan los requerimientos de la ingeniería aeronáutica. Esas propiedades vienen controladas por los procesos de difusión y de deformación, por ello resulta crucial identificar los mecanismos atómicos que controlan esos procesos. “Hemos determinado, por ejemplo, que la presencia del carbono retarda los procesos de difusión”, señala Leire Usategui Frias. “Estamos hablando —añade la investigadora— de movimientos a nivel atómico que no son fáciles de detectar ni de analizar, pero que en este trabajo hemos conseguido estudiar con éxito mediante una compleja técnica experimental denominada espectroscopia mecánica. También hemos comprobado cómo se comporta el material a diferentes temperaturas, es decir, lo que le ocurriría a medida que el motor del avión se va calentando. Esta información es absolutamente necesaria para asegurar la fiabilidad y la eficiencia de los álabes que vayan a ser producidos con ese material, tanto en condiciones de vuelo como en reposo”, indica la doctora Usategui.

Con todo ello, “los resultados obtenidos han permitido conocer los efectos de añadir molibdeno, niobio, carbono y silicio en las aleaciones de TiAl y detectar cuándo y cómo se activa la difusión de esos elementos químicos. Ese conocimiento es indispensable para poder retrasar los procesos de difusión, lo que aseguraría retardar la deformación, así como incrementar las temperaturas a las que esas aleaciones podrían llegar a trabajar”, explica la investigadora de la UPV/EHU. “Además –concluye- el comportamiento mecánico y térmico que se ha medido en una de las aleaciones estudiadas, una aleación con microestructura nanolaminar, nos ha llevado a identificarla como una firme candidata para ser empleada en las turbinas de los aviones en los próximos años”.

Información complementaria

Esta investigación se ha llevado a cabo en el marco de la tesis doctoral de Leire Usategui Frías (Vitoria-Gasteiz, 1984), titulada ‘TiAl intermetallics for aerospace applications: atomic relaxation processes, microstructure and mechanical properties at high temperature’ y dirigida por José María San Juan Núñez, catedrático de Metalurgia Física de la UPV/EHU. La tesis se ha desarrollado en la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU en colaboración con la Universidad Montanuniversität de Leoben (Austria).