Soluciones de molienda para la industria aeroespacial

Los fabricantes de aeronaves se están enfocando en nuevos estilos de motores que consumen combustible de manera más económica. Estos nuevos motores de mezcla pobre funcionan a temperaturas que superan significativamente los niveles de funcionamiento seguros de los componentes de motores de superaleaciones a base de níquel actuales. Como resultado, están surgiendo nuevos materiales como el aluminuro de titanio (TiAl), que tienen mayor estabilidad térmica o propiedades específicas de fluencia, menor densidad (3,9 a 4,1 g/cm3) y mayor resistencia específica que los materiales anteriores.

Estas aleaciones también tienen un alto límite elástico específico (límite elástico/densidad), alta rigidez específica (módulo de elasticidad/densidad), buena resistencia a la oxidación, resistencia al fuego de titanio y buenas propiedades de fatiga a altas temperaturas. Por ejemplo, TiAl tiene una resistencia equivalente a las superaleaciones hasta 760 °C (1400 °F), pero la densidad de TiAl (4,0 g/cm3) es menos de la mitad de la densidad de 718 Inconel (8,2 g/cm3).

Reemplazar las palas de superaleación con palas de TiAl más livianas en la sección de turbina de baja presión de los motores aeroespaciales reduce el peso y aumenta la eficiencia. La reducción del peso de la hoja también permite el uso de un disco de soporte de aleación de níquel más pequeño, lo que reduce aún más el peso. Las aleaciones de TiAl pueden proporcionar reducciones de peso de hasta un 50 % en etapas de turbinas de baja presión, mejorando la relación empuje-peso, reduciendo el consumo de combustible y las emisiones de escape.

El alto módulo específico o rigidez es valioso para componentes y ensamblajes con espacios reducidos, como soportes de sellos y revestimientos. El alto módulo específico también cambia las vibraciones acústicas a frecuencias más altas, lo que reduce la fricción y la fatiga en otras áreas estructurales. Las aleaciones de titanio convencionales que se frotan contra otros componentes a altas temperaturas (superiores a 400 °C o 752 °F) pueden encenderse en motores a reacción y provocar incendios de titanio. TiAl es casi tan resistente a los incendios de titanio como las superaleaciones, por lo que las barreras de superaleaciones para detener los incendios de titanio podrían reemplazarse con TiAl. Después del éxito de TiAl en palas de turbinas de baja presión (LP), los ingenieros aeroespaciales también están implementando TiAl en palas de compresores de alta presión (HP), paletas y volquetes de palas.

Sin embargo, las mismas propiedades que hacen que el TiAl sea deseable para futuros motores de aviones también dificultan el trabajo. TiAl es un compuesto intermetálico con enlaces covalentes y metálicos mixtos. Los materiales intermetálicos como TiAl exhiben una combinación de propiedades metálicas y cerámicas. Tienen la resistencia a temperatura elevada deseable para aplicaciones de alta temperatura, pero típicamente tienen ductilidad a temperatura ambiente baja, tenacidad y malas características de fabricación. La buena noticia: al estudiar estos materiales y redefinir los procesos de fabricación existentes, una solución rentable está al alcance.

TiAl contiene 45 a 50 por ciento atómico de aluminio. A temperatura ambiente, las aleaciones de TiAl son quebradizas, con una ductilidad que oscila entre el 0,3 % y el 4 %, según la aleación y la microestructura específicas.

Varias variantes de TiAl están disponibles comercialmente, con composiciones y microestructuras adaptadas a diferentes métodos de procesamiento. El TiAl de estructura dúplex contiene una mezcla de colonias gamma laminares y fases hexagonales alfa-dos (Ti₃Al). Duplex TiAl tiende a tener una mejor ductilidad a temperatura ambiente, pero la resistencia a la fluencia es solo el 70% de las superaleaciones de níquel actuales. El aluminuro de titanio gamma completamente laminar y casi laminar (γ-TiAl) tiene mayor tenacidad a la fractura y resistencia a la propagación de grietas con propiedades de fluencia equivalentes a las superaleaciones de hasta 1000 °C. Ser laminado en caliente o forjado después de prensado isostático en caliente, extrusión especializada y tratamiento térmico.

Las formas rugosas de γ-TiAl fabricadas con forja, fundición y pulvimetalurgia se convierten en formas acabadas que cumplen con las dimensiones, el acabado y la integridad de la superficie requeridos mediante mecanizado, rectificado o métodos no tradicionales. El procesamiento complejo y los tratamientos térmicos necesarios para lograr microestructuras dúctiles a temperatura ambiente y propiedades a alta temperatura dan como resultado una mayor relación de compra por vuelo o altos costos de material para TiAl en comparación con las superaleaciones convencionales.

La baja ductilidad o fragilidad (baja tensión de fractura), la alta resistencia, la baja conductividad térmica, el bajo módulo de elasticidad y la reactividad del TiAI hacen que sea un material extremadamente difícil de mecanizar o moler. Las herramientas de corte se degradan rápidamente, lo que provoca bajas tasas de eliminación de material y afecta la calidad de la superficie de los componentes mecanizados de TiAI, lo que puede deteriorar la resistencia a la fatiga del material. Las herramientas de corte tienen una tendencia a reaccionar con TiAI y causar excoriación, manchas, acumulación de filo y desgaste rápido de la herramienta. TiAI tiene una alta sensibilidad a la velocidad de deformación y tiende a endurecerse por deformación, creando astillas con dientes de sierra. El desgaste de la herramienta se acelera por las fases abrasivas con la microestructura TiAI. La baja conductividad térmica del TiAI concentra el calor en el borde de corte y la resistencia a altas temperaturas del TiAI tiende a aplastar el borde de la herramienta de corte sobrecalentado. El calentamiento concentrado en la interfaz herramienta-pieza acelera las reacciones de titanio-herramienta y el desgaste de los flancos de la herramienta y la formación de cráteres.

Por lo tanto, TiAl es difícil de mecanizar, logrando solo una fracción de la maquinabilidad del aluminio, las aleaciones de titanio convencionales o la superaleación 718 Inconel. En las pruebas realizadas por Seco Tools, la maquinabilidad de TiAl fue un tercio de 718 Inconel y siete veces menor que la aleación Ti-6Al-4V. Se requirieron veinte insertos para completar las pruebas de mecanizado de TiAl, en comparación con los 6,6 insertos para Inconel 718. El astillado de piezas de trabajo frágiles de TiAl es un problema común en el corte y fresado de alta velocidad debido a la mala maquinabilidad del material y al alto desgaste de la herramienta.

Los metalúrgicos ven al titanio como el "solvente universal" porque el titanio en estado fundido o de alta temperatura reaccionará y disolverá prácticamente todos los metales y cerámicas. Durante la molienda abrasiva, la reactividad del titanio da como resultado el desarrollo de superficies desgastadas o granos romos, y el recubrimiento o la adherencia del TiAl a los granos abrasivos. El quemado, el agrietamiento, la deformación del subsuelo o la tensión residual y otros daños en la superficie son desafíos que deben abordarse adecuadamente durante la molienda de TiAl. El titanio absorbe fácilmente oxígeno, nitrógeno y otros contaminantes intersticiales, lo que puede provocar decoloración, quemado y endurecimiento o fragilización.

Desde 2011, Norton | Saint Gobain Abrasives ha realizado pruebas para determinar los mejores productos abrasivos y parámetros de proceso para moler y terminar este y otros materiales similares. Cuando se aplica correctamente, el maquinado o esmerilado abrasivo supera muchos de los problemas de agrietamiento y daño superficial que ocurren con el maquinado convencional de un solo punto. La tecnología de rectificado avanzada es generalmente el mejor método para lograr las dimensiones de la pieza final y las características de la superficie en γ-TiAl y otros componentes intermetálicos mientras se mantiene la integridad de la superficie.

Inicialmente, se requiere un esmerilado basto para eliminar tapajuntas de piezas forjadas o compuertas de piezas fundidas. Las bandas abrasivas recubiertas juegan un papel clave aquí debido a la velocidad de remoción de metal y la facilidad de acceso. Las aleaciones de titanio se pueden rectificar manualmente o, cuando las cantidades de producción lo justifiquen, con automatización robótica.

Norton ha tenido éxito en el esmerilado en seco de puertas de titanio utilizando bandas de grano de alúmina-zirconio con una capa de gran tamaño. Este hallazgo será relevante para los clientes a medida que comiencen a fabricar con TiAl, ya que se espera que el comportamiento de los materiales sea consistente bajo esta aplicación. Los granos abrasivos de zirconio y otros aditivos patentados en el abrasivo reducen el recubrimiento del borde de corte de los granos abrasivos. Los productos químicos en la capa de gran tamaño suprimen la quema del titanio e inhiben aún más el recubrimiento o la adhesión del titanio a los granos abrasivos. En varias pruebas de campo de rectificado manual con bandas en máquinas de soporte, los productos de banda Norton BlueFire R801 superaron a los productos de la competencia dos a uno. Además, el producto de correa Norton BlueFire R801P proporciona un rendimiento de eliminación de metal aún mayor, al mismo tiempo que mantiene las piezas de titanio libres de daños (grietas y quemaduras).

A medida que los fabricantes pasan de la producción a pequeña escala a la producción en masa, estas pruebas de campo establecen una especificación inicial crítica para la extracción de calibres de TiAI. Norton recomienda realizar pruebas adicionales para identificar los parámetros de especificación exactos.

Las pruebas de conformación y acabado de superficies se centraron en la evaluación de muelas abrasivas con tres tipos de abrasivo de núcleo, con el objetivo de identificar la solución adecuada para un rectificado eficiente y sin daños. Los tres abrasivos de núcleo probados fueron carburo de silicio (SiC), nitruro de boro cúbico (cBN) y diamante. Las ruedas de SiC requerían mayor potencia y fuerzas, y tenían el mayor nivel de recubrimiento o adhesión del metal al grano, lo que provocaba el agrietamiento y la quema de las piezas de TiAl. La muela cBN exhibió menos capping y un menor aumento de potencia durante el rectificado. Las ruedas superabrasivas de diamante extrajeron constantemente la potencia más baja con una limitación mínima. Las muelas de diamante también tenían la curva de potencia más estable en función del material eliminado y eran capaces de eliminar 48 000 mm3 de material sin dañar los componentes.

También se evaluó la eficacia de la tecnología de esmerilado con el disco de diamante Norton Winter Paradigm. Las muelas Paradigm combinan tecnologías abrasivas y de aglomerante metálico, lo que es ideal para mantener un perfil preciso durante el rectificado de materiales difíciles de desgastar, como el TiAl. Inicialmente, las ruedas de diamante Paradigm tienen un rendimiento superior al de las ruedas de diamante Paradigm galvanizadas (EP) o de metal, pero las ruedas no se pueden arreglar. Una vez que los abrasivos de diamante están desafilados en las ruedas EP, se retiran de la máquina y se envían para reacondicionamiento. El tiempo de inactividad y el manejo asociados son costosos. Las ruedas Paradigm tienen un rendimiento significativamente mejor, con el doble de la tasa de eliminación de material de SiC. El costo total de herramientas de la rueda Paradigm también es una fracción del precio de las ruedas de diamante SiC o EP cuando se rectifica TiAl.

Después de rectificar la geometría de precisión, un paso final de desbarbado y pulido suaviza y mezcla las marcas o coloca productos de grano grueso anteriores y genera el acabado superficial requerido. Los discos de cambio rápido, las correas de pulido NoRax y los abrasivos no tejidos se utilizan en las operaciones de desbarbado y pulido.

Una clave del éxito en la fabricación de piezas de TiAl es controlar y reducir la generación de calor durante el rectificado. El refrigerante y la aplicación óptimos de la muela abrasiva eliminan el calor de la zona de rectificado. Los métodos adecuados de preparación de ruedas mantienen la nitidez de las ruedas para minimizar la generación de calor por fricción. Para productos abrasivos revestidos, el uso de bandas de gran tamaño y bajas velocidades puede reducir el calentamiento y la quema de piezas.

Las velocidades lentas de la banda son críticas para minimizar el calentamiento por fricción en la interfaz grano-pieza cuando se rectifican aleaciones de titanio. Se recomiendan velocidades de banda en un rango de 2500 a 3500 SFPM, que es la mitad de los 5000 a 6000 SFPM típicos para el rectificado de acero o superaleaciones. Las velocidades lentas de la banda permiten una mejor penetración de los bordes del grano abrasivo en las piezas de titanio. Este corte más profundo desgasta virutas grandes o partículas de virutas, lo que reduce la acumulación de calor y la quema de piezas para producir una pieza de alta calidad. Las bajas velocidades y el gran tamaño de las virutas crean un entorno de rectificado seguro, ya que las partículas de titanio pequeñas y el calor aumentan el riesgo de ignición e incendios del titanio.

Una inundación de refrigerantes a base de agua durante el rectificado de precisión mantiene las piezas más frías y reduce el daño por calor a las piezas de TiAl. El suministro adecuado de refrigerante a la zona de la pieza de trabajo abrasiva maximiza la vida útil de la rueda y evita que se quemen las piezas. Norton recomienda usar una boquilla limpiadora de alta presión adicional (>800 psi) junto con la boquilla de refrigerante normal con las ruedas Paradigm, lo que ayuda a mantener limpia la cara de la rueda al eliminar las virutas. Las altas presiones y la corriente de refrigerante dirigida también deben coincidir con la velocidad de la rueda de 6000 SFPM.

El cepillado rotatorio continuo reduce el tiempo de inactividad y mantiene la nitidez de la rueda, lo que elimina la quema parcial. El reavivado giratorio se optimiza ajustando la relación de velocidades entre el rodillo reavivado y la muela abrasiva, que varía según el grano abrasivo y los tipos de aglomerante. Las muelas de SiC deben revestirse con una frecuencia mucho mayor para mantener la nitidez en comparación con las muelas superabrasivas de diamante.

Norton | Saint-Gobain Abrasives tiene cuatro centros globales de I+D donde se estudia continuamente el rectificado de materiales actuales y nuevos. El acceso a estos centros de investigación, así como al Programa de soluciones de procesos (PSP) de Norton, da como resultado la solución de molienda óptima para los clientes. El programa PSP brinda a los clientes de Norton acceso interno a expertos técnicos y una colección de datos históricos de rectificado y acabado. Esta es una ventaja clave para la fabricación y productividad óptimas con materiales emergentes como TiAl. Una evaluación de PSP también va más allá de las recomendaciones de productos abrasivos y evalúa toda la operación de fabricación.

TiAl representa solo uno de los cambios en los materiales que se están introduciendo en la industria aeroespacial. Se están desarrollando intermetálicos adicionales como los siliciuros de molibdeno y niobio, los compuestos de matriz metálica, los compuestos de matriz cerámica a base de nitruro, carburo y óxido para mejorar la eficiencia del motor y las relaciones empuje-peso. Con el éxito de los discos de diamante Paradigm en el rectificado de TiAl, así como herramientas de corte de carburo y cerámica, Norton | Saint Gobain Abrasives está evolucionando junto con los requisitos de los clientes aeroespaciales para abordar estos materiales emergentes adicionales.

Este artículo aparece en Engineering360 de GlobalSpec. Reproducido con autorización.

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