gamma-TiAl, el material del futuro que ya vuela

En la indústria aeronáutica existe la imperiosa necesidad de encontrar materiales ligeros que respondan a las exigentes demandas de servicio. Una parte crítica de cualquier avión son las turbinas, donde los requerimientos de los materiales deben satisfacer condiciones de servicio a alta temperatura, junto con un buen comportamiento a corrosión. En el entorno de esta aplicación aparecieron hace unos años los aluminuros de titanio, que combinan una baja densidad con unas prometedoras propiedades a alta temperatura. Su principal inconveniente es la fragilidad, por lo que cualquier investigación encaminada a la mejora de la tenacidad de estos materiales es de un valor muy alto.

Fig 1. (a) Microestructura de partida compuesta por granos equiaxiales. (b) Microestructura cuasi laminar obtenida después de una solubilización seguida de un enfriamiento lento en el horno. (c) Microestructura completamente laminar obtenida después de una solubilización seguida de un enfriamiento rápido al agua y una maduración posterior.

Los aluminuros de titanio gamma (gamma-TiAl) son intermetálicos de gran importancia para la fabricación de turbinas de baja presión (Low Pressure Turbine, LPT) porque pueden proporcionar una relación elevada de potencia frente a peso. Los álabes de las turbinas LPT soportan unas agresivas condiciones de servicio, ya que operan a temperaturas superiores a los 750 ºC. El procesado de estas aleaciones mediante pulvimetalurgia supondría una gran ventaja en la reducción de costes y una atractiva alternativa a la complicada mecanización de estos materiales. Además, el estudio de los mecanismos de deformación y fractura de estas aleaciones a elevadas temperaturas es crucial para la mejora de sus microestructuras y, así, su comportamiento en servicio. El análisis in situ de este material mediante microscopia electrónica de barrido (SEM, Scanning Electron Microscopy) y difracción de electrones retrodispersados (EBSD, Electron backscatter diffraction) realizado en este trabajo, permitirá por tanto avanzar en la investigación de los álabes de los nuevos aviones.
Fig 2. Secuencia de micrografías que muestran la evolución de la microestructura cuasi laminar: durante el ensayo de tracción a 700 ºC, para distintas deformaciones (a) 0.77%, (b) 1.17 %, (c) 1.35%, máxima; durante el ensayo de tracción a 580 ºC, para distintas deformaciones (d) 0.75%, (e) 1.15 %, (f) 1.38%, máxima.

El Grupo de Tecnología de Polvos (GTP) de la Universidad Carlos III de Madrid y el Instituto IMDEA Materiales, investigan el comportamiento mecánico in situ a altas temperaturas de una aleación comercial gamma-TiAl procesada mediante técnicas pulvimetalúrgicas avanzadas, tratando de aportar más conocimiento en esta familia de materiales de tanto interés comercial.

La aleación gamma-TiAl estudiada, Ti-45Al-2Nb-2Mn-0.8v.%TiB2, fue procesada a partir de la compactación isostática en caliente (HIP, Hot Isostatic Pressing) de polvo prealeado. La fabricación del polvo y su consolidación fue llevada a cabo en el instituto Helmholtz-Zentrum (Geestacht, Alemania). Este material de partida presentaba una microestructura de granos equiaxiales como se observa en la Figura 1a. Posteriormente, se llevaron a cabo una serie de tratamientos térmicos en atmósferas inertes, que permitieron desarrollar las distintas microestructuras laminares que caracterizan a estas aleaciones (Fig 1b,c). Estas microestructuras se han analizado in situ mediante SEM y EBSD durante ensayos de tracción a 580 ºC y 700 ºC (Fig 2 y 3). Estos últimos experimentos se han llevado a cabo en la Michigan State University en un programa de colaboración con el proyecto. Los resultados apuntan a un deslizamiento entre láminas y colonias laminares para los ensayos a 700 ºC. Para temperaturas inferiores, a 580 ºC, se observan trazas de posibles deslizamientos cristalográficos en el interior de las propias láminas.

Fig 3. Mapa obtenido mediante EBSD de las orientaciones cristalográficas de la fase -TiAl antes del ensayo de tracción a 700 ºC (a) y microestructura cuasilaminar correspondiente a la zona del análisis (b). Mapa obtenido mediante EBSD de las orientaciones cristalográficas de la fase -TiAl después del ensayo de tracción a 700 ºC (c) y la correspondiente microestructura cuasilaminar deformada (d).

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