Superalloy Innovaciones para vehículos de lanzamiento espacial de próxima generación
Las agencias espaciales y los proveedores privados de lanzamiento ahora apuntan de manera rutinaria a la reutilización, las fracciones de carga mayor y las vidas de servicio más largas. Cumplen estos objetivos exige materiales que puedan sobrevivir temperaturas de combustión superiores a 1.500 °C, ciclos térmicos rápidos y entornos de escape corrosivos. Superalaciones – una clase de aleaciones metálicas diseñadas para condiciones extremas – se han convertido en indispensables para la próxima generación de lanzamiento-.
El papel pivial de las superallas en vehículos de lanzamiento de próxima generación
El impulso constante hacia los cohetes reutilizables y el aumento de las relaciones de empuje a peso ha puesto exigencias sin precedentes en los componentes estructurales y de sección caliente. Motores de primera etapa, como los utilizados en el Raptor SpaceX o el origen azul BE-4, funcionan a presiones y temperaturas que causan que los aceros convencionales o las aleaciones de aluminio colapn en segundos.
¿Qué son las superallas?
Las superallas son aleaciones de alto rendimiento típicamente basadas en níquel, cobalto o hierro-nickel, aleadas con elementos como cromo, aluminio, titanio, tungsteno, molibdeno y tantalio. Su característica definitoria es la capacidad de mantener la fuerza útil en una gran fracción de su punto de fusión. La mayoría de las superallas suelen derivar su fuerza de una combinación de endurecimiento de la solución sólida
Las superallas basadas en níquel dominan la industria de cohetes debido a su resistencia superior a la crep y la oxidación hasta cerca de 1.100 °C. Las variantes basadas en cobalto se utilizan donde la resistencia a la fatiga térmica o la resistencia a la corrosión caliente es primordial. La introducción de una tecnología de fundición de un solo cristal, que elimina los límites de grano que debilitan el material a alta temperatura, ha extendido el rango de temperatura utiliza a menudo la superfluencia de un solo 50–100 °C.
Innovaciones recientes en tecnología de Superaleoy
Durante la última década, varios avances discretos han impulsado el rendimiento de superaleación en un nuevo régimen. Estas innovaciones abarcan la química de aleación, el procesamiento y los revestimientos protectores.
Composición avanzada: Microalación con metales refractarios
Los elementos de la hoja de superallas modernas incorporan niveles más altos de elementos refractarios para elevar la temperatura del solvus de la fase de alto riesgo y mejorar la fuerza de alta temperatura. El renacimiento, el rutenio y el tantalio ahora son adiciones comunes en superalaciones de un solo núcleo de tercera generación y cuarta generación.
Fabricación aditiva para geometrías complejas
El tratamiento de la microestación de los pólvora y el desperdicio de los electrones permite la fabricación de piezas de forma casi neta que serían imposibles de fundir o de la máquina. Los fabricantes de cohetes utilizan AM para producir canales de refrigeración intrincados dentro de las cámaras de combustión y las boquillas, reduciendo el recuento de piezas y eliminando la impresión de la marca.
Protective Thermal and Environmental Barrier Coatings
La mejor superalla no puede soportar los entornos de combustión más severos indefinidamente. Los revestimientos de barrera térmica (TBCs) basados en la circonia estabilizada (YSZ) reducen la temperatura del metal hasta 150 °C, mientras que los revestimientos de barrera ambiental (EBCs) basados en silicatos de poca profundidad protegen contra la corrosión de gases calientes.
Aplicaciones en vehículos de lanzamiento espacial
Las superalaciones se despliegan en múltiples subsistemas de un vehículo de lanzamiento. Las secciones siguientes detallan sus usos primarios y los beneficios derivados de innovaciones recientes.
Torbinas de motores y Turbo-maquinaria
El tratamiento de la turbobulina debe girar a decenas de miles de RPM mientras se manejan por gases calientes y parcialmente combustibles. Las cuchillas y discos de turbina se enfrentan a cargas centrífugas extremas y altas temperaturas. Superallas de niquel sin crítmica (por ejemplo, René N4, PWA 1480) se han convertido en doble resistencia a la fatiga en polvo
Salas de combustión y boquillas
La cámara de combustión experimenta el flujo de calor más alto de cualquier componente. Los revestimientos de cámara están hechos a menudo de aleaciones de cobre para la conductividad térmica, pero la pared de gas caliente requiere una chaqueta estructural de superaleación o forro. En muchos motores, la cámara es un forro interior de cobre-aleación con una carcasa estructural exterior de niquel-superalleación.
Escudos de calor y protección térmica
Mientras que muchos escudos de calor son materiales ablativos, ciertas naves espaciales reutilizables requieren protección térmica metálica. La capa de nariz y los bordes de ala de la transbordador espacial utilizados carbono-carbono reforzado, pero vehículos alatados de próxima generación como el Chaser Dream están evaluando paneles de superalleación recubiertos con TBCs. Estos paneles deben soportar múltiples ciclos de re-entrada sin excesiva oxidación o distorsión.
Desafíos actuales y fronteras de investigación
Sin embargo, este tipo de óxido de carbono no puede ser más que 1.000 dólares por kilogramo. La pulverización de la fabricación aditiva también se enfrenta a obstáculos de control de calidad, especialmente en relación con la porosidad y la consistencia microestructura.
Los enfoques impulsados por los datos están acelerando el descubrimiento de nuevas superalaciones. Los modelos de aprendizaje automático formados en grandes bases de datos de propiedades termodinámicas y mecánicas pueden predecir composiciones prometedoras antes de experimentos costosos. El Integrado Computational Materials Engineering (ICME)] está siendo utilizado por la NASA y los socios de la industria para simular todo el tiempo de un desarrollo térmico de la superciclaje.
Future Outlook
La investigación continua pretende aumentar la temperatura de funcionamiento de las superalaciones por otros 50–100 °C al tiempo que reduce el costo y la mejora de la manufactura. Nuevas técnicas de fabricación, como el accionamiento de accionamiento de accionamiento de abejas y la deposición de energía dirigida de polvos de superalleación, se están refinando para manejar partes más grandes y geometrías más complejas.