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Jul 11, 2023

Joya de la corona: Rollos

La fundición es uno de los métodos más antiguos y básicos de la metalurgia. Si puedes

La fundición es uno de los métodos más antiguos y básicos de la metalurgia. Si puede hacer un fuego lo suficientemente caliente como para derretir un metal y fabricar un crisol para fundirlo y un molde que pueda resistir el calor, puede moldear formas de metal complejas; y lo hemos estado haciendo durante milenios. La fundición más antigua conocida es una rana de cobre hecha hace 6.000 años en Mesopotamia. Muchas de las relucientes esculturas de mármol de la antigua Grecia son, de hecho, copias romanas más recientes de originales fundidos en bronce: los pocos originales que se conservan, como los bronces de Riace de guerreros griegos encontrados en el mar frente a Sicilia, muestran la increíble sofisticación y nivel de detalle logrado por estos maestros de los metales muertos hace mucho tiempo.

Sin embargo, esta habilidad, la más antigua, todavía se usa hoy en día y, de hecho, todavía se está desarrollando. Podría decirse que su encarnación más reciente es el procedimiento más avanzado jamás realizado en metales, y es vital para una de las actividades emblemáticas del mundo moderno: los viajes aéreos de rutina. Se encuentra en el centro histórico de metalurgia del Reino Unido, Sheffield, en la instalación de fundición avanzada de palas de Rolls-Royce (ABCF), una instalación construida especialmente cerca del centro de investigación de fabricación avanzada de la Universidad de Sheffield en Rotherham.

Los componentes que produce ABCF no son los que la mayoría de la gente ve: son las palas de las turbinas que están escondidas en la parte más caliente de los motores a reacción. Lejos del brillo decorativo de los bronces griegos, combinan una apariencia utilitaria con la complejidad de la forma y la función y una perfección interna similar a una joya: con un peso de solo unos 300 g y lo suficientemente pequeño como para caber en la palma de una mano, son de hecho perfectos solos. cristales de una aleación de metal cuya composición ha sido afinada durante muchos años para operar en las condiciones infernales de la parte de movimiento más rápido de un motor a reacción.

"Cuando nació el motor a reacción, los prototipos de Sir Frank Whittle estaban hechos completamente de acero", dijo el jefe de materiales de Rolls-Royce, Neil Glover. "El acero es excelente para la resistencia y la dureza de la superficie, pero si necesita un rendimiento a alta temperatura, en realidad no es muy bueno; 450–500°C es su límite".

Su inadecuación condujo a la búsqueda de un material más resistente a la temperatura, y los fabricantes de aviones recurrieron a las aleaciones de níquel. Relativamente abundante, con grandes depósitos en Australia y de bajo precio, el níquel se funde a 1.728 K (1.455 °C) y es resistente a la corrosión, ambas propiedades valiosas para los componentes que funcionan dentro de un motor a reacción. Aún más importante es su capacidad para formar aleaciones y la propiedad particular de una de esas aleaciones, un compuesto conocido como gamma-prime en el que el níquel se combina con el aluminio, para conservar su resistencia a altas temperaturas. "En el acero o incluso en el titanio, la resistencia disminuye rápidamente a medida que se alcanza el 40-50 por ciento del punto de fusión", dijo Glover. Las aleaciones de níquel conservan su resistencia hasta el 85 por ciento del punto de fusión.

Y los fabricantes de motores aprovechan al máximo esta propiedad. Los motores a reacción funcionan colocando las paletas de la turbina, que giran en la corriente de gases calientes que se expanden fuera de la cámara de combustión, en el mismo eje que las paletas del compresor que fuerzan el aire hacia el motor a alta presión. Entonces, en la parte trasera del motor, las paletas de la turbina de baja presión, que operan en una corriente de gas que se ha enfriado un poco, están en el mismo eje que las paletas grandes del ventilador en la parte delantera del motor, que aceleran el aire para generar el empuje del motor. Este eje pasa por el medio del eje de presión intermedia (IP) más corto y más ancho, que nuevamente tiene paletas de turbina en la parte posterior y paletas de compresor en la parte delantera. Fuera de este está el eje de alta presión, que hace funcionar el compresor que empuja el aire hacia la cámara de combustión. La cámara de combustión es anular, con un anillo de salida en la parte posterior que controla el flujo de gases de escape, y es aquí donde se encuentran las palas monocristalinas. Los gases, recién salidos de la combustión, están a unos 1.700°C; y el eje gira a velocidades superiores a 12.000 rpm.

Esto significa que las aspas funcionan en un ambiente varios cientos de grados más caliente que el punto de fusión de la aleación de níquel. Para evitar que se derritan, el metal debe enfriarse. Esto se hace a través de dos mecanismos: las palas están recubiertas con una cerámica de baja conductividad; y están plagados de una compleja estructura ramificada de canales internos. "El aire se extrae del compresor HP, se dirige a través del núcleo del motor y hacia la raíz de las palas", explicó Glover.

"Pasa a través de los canales de enfriamiento y sale a través de una miríada de orificios en la superficie de la hoja, para crear una envoltura de aire frío alrededor de la hoja. De modo que el metal nunca está por encima de su punto de fusión, aunque el entorno lo esté. El enfriamiento el aire no es realmente tan frío, está entre 600 y 650 °C, pero tenemos que sacarlo del núcleo caliente del motor para que tenga suficiente presión para atravesar los canales y salir por los agujeros. mantener la temperatura de la cuchilla a unos 1150 °C".

El calor es vital para los jets; cuanto más calientes puedan funcionar, más energía podrán extraer de su combustible. Este es el principal punto de competencia entre los fabricantes de motores, por lo que durante las seis décadas que los jets han estado en funcionamiento, forzando la temperatura más alta y desarrollando palas de turbina que pueden soportar el calor, ha sido una de las carreras tecnológicas más importantes del sector. Ha sido un proceso gradual, dijo Glover, que culminó con el desarrollo de álabes monocristalinos a fines de la década de 1980.

Sin embargo, la estructura monocristalina no está diseñada para hacer frente a la temperatura; es hacer que las palas sean resistentes a las enormes cargas mecánicas que resultan de su velocidad de rotación. "Cada pala extrae energía de la corriente de gas equivalente a un motor de automóvil de Fórmula Uno", dijo Glover. "Y la fuerza centrífuga sobre ellos es equivalente al peso de un autobús de dos pisos".

Normalmente, los metales se componen de muchos cristales: estructuras ordenadas de átomos dispuestas en una red regular, que se forman naturalmente cuando el metal se enfría desde un estado fundido. Estos cristales son típicamente del orden de decenas de micras de tamaño, colocados en muchas orientaciones. A altas temperaturas y bajo tensión, los cristales pueden deslizarse unos contra otros y las impurezas pueden difundirse a lo largo de los límites entre los granos. Esto se conoce como fluencia y afectó gravemente a las primeras palas de las turbinas, que se forjaron con acero y luego con barras de níquel.

La primera etapa en el desarrollo fue deshacerse de los límites de grano en ángulo recto con la carga centrífuga, lo que condujo al desarrollo de cuchillas que se moldearon de modo que los cristales metálicos se desplazaran de arriba hacia abajo. Más tarde, esto se optimizó aún más mediante la fundición de monocristales, sin límites de grano en absoluto. Es un proceso muy complejo: no solo se deben moldear las palas con los canales de refrigeración internos ya colocados, sino que los cristales no son homogéneos. Más bien, existen zonas de diferente composición y estructura cristalográfica dentro de la hoja.

"Se puede pensar que las superaleaciones de níquel como estas son como compuestos", dijo Neil D'Souza, tecnólogo de materiales de turbinas aerodinámicas de Rolls-Royce. "Es una mezcla de dos fases, una de las cuales, gamma-prime, da lugar al aumento sostenido de la fuerza a alta temperatura".

Cuando cristaliza, el níquel forma una estructura conocida como cúbica centrada en las caras (fcc); cada cubo tiene una cara con cinco átomos, uno en cada esquina y uno en el medio. Cuando se fabrican aleaciones, generalmente los átomos simplemente entran y salen de la red fcc. Pero bajo las condiciones adecuadas, el aluminio y el níquel se combinan de tal manera que el níquel va al centro de las caras y el aluminio a las esquinas. Esto se conoce como precipitado; forma islas de mayor orden dentro del grueso de la aleación, de aproximadamente medio micrómetro de dimensión, empaquetadas muy juntas en una formación rectilínea. Debido a que el tamaño de las redes del precipitado y la aleación a granel menos ordenada son casi idénticos, todos forman parte del mismo cristal.

"Se podría imaginar la construcción de un modelo de celosía de bolas y palos", dijo Glover. "En la aleación a granel, colocarías las bolas que representan los componentes de la aleación, alrededor de 10 elementos diferentes, incluidos níquel, aluminio, cromo, tántalo y titanio, de forma bastante aleatoria, y cuando llegaras al precipitado gamma-primo, tendrías coloque esta disposición ordenada de aluminio en las esquinas y níquel en el medio. Todo está en la misma red regular, orientada de la misma manera, por lo que es todo el mismo cristal, pero tiene estas regiones mucho más fuertes donde está la matriz de gamma- precipitado principal".

Pero esto no sucede de forma natural. Para fabricar las palas, la primera etapa es un 'núcleo' de cerámica, en forma de tortuosos canales de refrigeración internos. Se inyecta cera alrededor de esto para formar la forma de la hoja aerodinámica, además de varias otras características que ayudan en el proceso de fundición. Se insertan alfileres de platino para sostener el núcleo dentro de la cera; luego, la forma se 'descascarilla' recubriéndola con una suspensión de material de alúmina-silicato para formar una capa de cerámica. Se aplican varias capas más de diferentes composiciones y luego se derrite la cera para dejar un vacío en la forma de la hoja. Esta es una fundición de inversión o de 'cera perdida', la misma técnica que usaron los escultores de la Antigua Grecia para hacer los Bronces de Riace.

Luego, el metal fundido se vierte en el molde, que se coloca dentro de un horno para mantener el metal fundido. En la base del molde se encuentra una de las características adicionales de fundición: una estructura helicoidal con la misma forma que las tres vueltas de un sacacorchos estándar. Conocido como la coleta, esto se une a un plato que se enfría con agua. Una vez lleno, el molde se retira lentamente del horno a una cámara más fría. El metal comienza a solidificarse en la placa enfriada y los cristales comienzan a crecer en la cola de cerdo. Los cristales crecen en línea recta en la dirección en que se retira el molde, pero debido a la forma torcida de la cola de cerdo, se eliminan todos los cristales excepto los de crecimiento más rápido. Solo un cristal con la orientación correcta emerge en el molde de la cuchilla propiamente dicho, y la retirada gradual del molde asegura que el cristal continúe creciendo a través de la masa fundida hacia el resto del espacio.

La formación de los precipitados vitales resulta del control cuidadoso de la temperatura externa y del diseño del molde; esas múltiples capas de cerámica determinan qué tan rápido se puede disipar el calor del metal fundido, y esto proporciona la delicadeza adicional para lograr la estructura interna requerida. Los pasadores de platino que sujetan el núcleo en su lugar se difunden en la aleación sin afectar sus propiedades.

Una vez solidificada, la fundición se retira del molde y el primero de unos 20 procesos comienza a prepararla para ensamblarla en un motor. Primero, los núcleos cerámicos se disuelven con álcalis cáusticos. Luego, las características adicionales para la fundición se mecanizan. Los orificios para que escape el aire de refrigeración se perforan mediante mecanizado por descarga eléctrica, que forma la geometría de orificio requerida para dirigir el aire a los puntos donde se necesita. Finalmente, la hoja recibe su recubrimiento cerámico aislante por deposición de plasma de haz de electrones.

La ABCF en Rotherham se concentra en componentes para motores de grandes aviones civiles porque, con la llegada de aviones como el Airbus A350 XWB, para el que Rolls-Royce ha desarrollado el motor Trent XWB, es de ahí de donde la empresa ve su principal crecimiento.

Con un costo de alrededor de £ 110 millones, el ABCF fue construido para automatizar la mayor parte posible del proceso de producción. "La fundición de un solo cristal es costosa y muchas partes del proceso tradicionalmente han sido muy prácticas", dijo el gerente de fabricación de ABCF, Steve Pykett. "Nuestra gente está increíblemente capacitada, pero son humanos, y ningún ser humano producirá la misma calidad de trabajo al final de un turno que al principio".

La producción del conjunto de cera es un buen ejemplo de esta filosofía. "Siempre encontrará una sala de cera en una fundición de inversión", dijo Pykett. "Se requiere coordinación mano-ojo y destreza para hacer que la cera se forme, pero eso no brinda consistencia".

Trabajando con el Centro de Tecnología de Fabricación cerca de Coventry, Rolls-Royce desarrolló un sistema automatizado para sujetar el núcleo de cerámica, inyectar cera, sujetar el núcleo en su lugar y realizar el proceso de ensamblaje. "Solía ​​tomar un turno completo hacer un ensamblaje; ahora toma una hora", dijo Pykett. "Pero el tiempo no fue el factor principal aquí. Ahora sabemos que tenemos un producto consistente que sale del proceso de cera, sin importar la hora del día, y eso nos brinda una plataforma sólida desde la cual podemos reducir costos".

También se han automatizado algunos otros procesos, incluida la operación de preparación para eliminar las características de sacrificio del yeso. Luego, las palas pasan a inspección, donde Rolls-Royce ha reemplazado cinco procesos por dos. Luego, las piezas fundidas se envían a otra planta en Crosspointe, Virginia, para el mecanizado adicional de las características que les permitirán unirse a sus discos en el motor y para perforar los orificios de enfriamiento; regresan a una planta en Annesley, Nottinghamshire, para el recubrimiento.

"Este proceso es muy complejo, con un control preciso de las temperaturas y el manejo de materiales para administrar, prácticamente átomo por átomo, cómo se forman las palas", dijo el ejecutivo de fabricación de fundición Mark Hulands. "Lo que hemos hecho es transferir algunas de las habilidades para fabricar estos componentes de los ingenieros de fabricación en la línea a los desarrolladores de procesos", dijo Hulands. "Y eso no significa que hayamos perdido las habilidades. Nuestros ingenieros todavía necesitan estar altamente capacitados para que los procesos funcionen sin problemas, pero son habilidades diferentes y hemos mejorado la consistencia para poder reducir los costos".

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