Per a què s'utilitzen habitualment els superaliatges?
Què són els aliatges d'alta temperatura?
Els superaliatges són un grup de metalls que tenen una millor resistència a la fluència, l'oxidació i la corrosió que els aliatges tradicionals, alhora que mantenen excel·lents propietats mecàniques fins i tot a altes temperatures. En cert sentit, actuen com a aliatges d'alt rendiment.
Els superaliatges, utilitzats habitualment en components de motors de turbina de gas a la indústria aeroespacial, es basen en níquel, cobalt o ferro i ofereixen propietats molt superiors a les tradicionals d'acer o d'alumini.
Tot i que la majoria dels aliatges convencionals a base de ferro comencen a perdre una resistència important del material a 400 graus centígrads (aliatges d'alumini encara més baixos), molts superaliatges en realitat presenten un augment de resistència entre 750 i 900 graus centígrads.
Per què són importants?
Per lliura, els superaliatges són més cars que l'acer, l'alumini o l'acer inoxidable; també són més complexes de mecanitzar i modelar en la forma desitjada. Aleshores, per què s'utilitzen tan àmpliament en determinades aplicacions?
Resistència a la fluència
La fluència és un mode de fallada de material en què un component es deforma a nivells de tensió molt per sota de la seva resistència a la tracció final.
Quan es va descobrir per primera vegada, es coneixia molt sobre la resistència a la tracció final, la tensió/deformació i la fatiga, però aquest nou fenomen semblava desafiar la metal·lúrgia tradicional.
Després de proves i anàlisis exhaustives, es va descobrir que l'estrès a llarg termini (encara que relativament lleu) de la peça pot provocar el que es coneix com a "flux fred", on la peça es deforma plàsticament per sota de la meitat del seu UTS. Per obtenir més informació sobre creep, consulteu el nostre article.
A més, es va trobar que la calor de qualsevol font accelera la fluïdesa. Aquest és un problema potencialment catastròfic per als components dels motors a reacció.
Els superaliatges permeten que peces com les pales de les turbines funcionin sota forces centrípetes extremes i calor mentre mantenen la seva força i, el més important, la seva forma.
Les proves a llarg termini de materials no resistents a la fluència abans de l'ús de superaliatges van produir resultats interessants, amb les pales de la turbina que s'allargaven a mesura que giraven, provocant interferències amb la carcassa del motor.
Resistència a altes temperatures
En aplicacions com ara motors aeroespacials i turbines de gas, la resistència a altes temperatures és imprescindible.
Els superaliatges no només funcionen bé a altes temperatures, en alguns casos la UTS del material augmenta, permetent majors tensions de funcionament o menys massa. Tots dos punts són beneficiosos per a la indústria de l'aviació.
Com que els superaliatges tenen una millor resistència a la calor que els aliatges convencionals, s'han fet moltes millores en el disseny del motor de turbina a reacció.
Les turbines de reacció poden produir una empenta tan elevada perquè comprimeixen l'aire d'admissió i el combustible; com més alta sigui la compressió, més potència produeix el motor. A mesura que augmenten la pressió i la velocitat de combustió, també augmenta la quantitat de calor produïda.
Afortunadament, la resistència a la calor i la fluència dels superaliatges permet pressions de combustió més altes, donant lloc a una eficiència significativament més alta. Quants? Només als EUA, amb més de 760.000 milions de milles aèries de passatgers recorreguts el 2019, les petites eficiència poden equivaler a un estalvi de combustible important.
