Los compuestos de matriz cerámica toman vuelo en el motor a reacción LEAP

4 de enero de 2017

por Dawn Levy, Laboratorio Nacional de Oak Ridge

Los materiales compuestos de matriz cerámica (CMC) están hechos de fibras cerámicas recubiertas rodeadas por una matriz cerámica. Son resistentes, livianos y capaces de soportar temperaturas de 300 a 400 grados F más altas de lo que pueden soportar las aleaciones de metal. Si ciertos componentes se fabricaran con CMC en lugar de aleaciones metálicas, los motores de turbina de las aeronaves y las plantas de energía podrían operar de manera más eficiente a temperaturas más altas, quemando el combustible de manera más completa y emitiendo menos contaminantes.

Hace un cuarto de siglo, el Departamento de Energía de EE. UU. inició un programa, dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE, para apoyar el desarrollo de materiales CMC en EE. UU. En 2016, LEAP, un nuevo motor de avión, se convirtió en el primer producto que contiene CMC ampliamente implementado. CFM International, una empresa conjunta 50/50 de Safran y GE, fabrica LEAP.

El motor tiene un componente CMC, una cubierta de turbina que recubre su zona más caliente, por lo que puede funcionar hasta a 2400 F. El CMC necesita menos aire de enfriamiento que las superaleaciones a base de níquel y es parte de un conjunto de tecnologías que contribuyen a 15 por ciento de ahorro de combustible para LEAP sobre su predecesor, el motor CFM 56.

Las ventas anticipadas a aerolíneas ansiosas por reducir los costos de combustible son asombrosas: $ 140 mil millones al precio de lista para más de 11,000 motores. En agosto, el primer motor LEAP comenzó a volar comercialmente en Airbus A320neo. Otros motores LEAP volarán en el Boeing 737 MAX en 2017.

"Los materiales desarrollados en el programa DOE se convirtieron en la base para el material que ahora se usa en los motores de aeronaves", dijo Krishan Luthra, quien dirigió el desarrollo de CMC de GE Global Research durante 25 años.

El CMC de GE está hecho de fibras cerámicas de carburo de silicio (SiC) (que contienen silicio y carbono en cantidades iguales) recubiertas con un material patentado que contiene nitruro de boro. Las fibras recubiertas tienen la forma de una "preforma" que se incrusta en SiC que contiene entre un 10 y un 15 por ciento de silicio.

Rick Lowden de ORNL realizó un trabajo fundamental en la década de 1980 que allanó el camino para los programas del DOE. La clave fue recubrir las fibras cerámicas.

"Un compuesto de matriz cerámica es diferente a casi todos los demás compuestos porque la matriz es cerámica y la fibra es cerámica", dijo Lowden. Por lo general, la combinación de dos materiales frágiles produce un material frágil, dijo. Pero alterar el vínculo entre la fibra y la matriz permite que el material actúe más como una pieza de madera. Las grietas no se propagan a las fibras desde la matriz que las rodea. Las fibras mantienen el material unido y soportan la carga mientras tiran lentamente de la matriz, agregando dureza.

El programa de compuestos cerámicos de fibra continua (CFCC) del DOE se desarrolló entre 1992 y 2002 y apoyó el desarrollo industrial de CMC por parte de AlliedSignal, Alzeta, Amercom, Babcock and Wilcox, Dow Chemical, Dow Corning, DuPont-Lanxide Composites, GE y Textron. Su presupuesto promedió $ 10 millones por año y la industria compartió los costos.

Empresas financiadas por CFCC para fabricar compuestos y laboratorios y universidades nacionales para caracterizar las propiedades de los materiales. Los esfuerzos fueron coordinados y financiados a través de ORNL. Lowden escribió el plan del programa con Scott Richland del DOE y Mike Karnitz de ORNL y codirigió el apoyo a las empresas con Karren More, Pete Tortorelli y Edgar Lara-Curzio de ORNL y Bill Ellingson del Laboratorio Nacional de Argonne. La Asociación de Cerámica Avanzada de EE. UU. representó a la industria al informar al Congreso sobre los beneficios de los CMC.

"Estábamos buscando diferentes fibras y diferentes recubrimientos interfaciales y diferentes matrices", dijo More sobre el papel de ORNL. "Participamos en la comprensión de los mecanismos de degradación y la selección de los compuestos más prometedores y las técnicas rentables para prepararlos".

Lowden agregó: "Estábamos trabajando con el objetivo común de llevar compuestos de matriz cerámica a aplicaciones industriales, incluidos intercambiadores de calor de alta presión, turbinas terrestres, hornos de cementación y quemadores radiantes".

El proyecto CFCC de GE consistía en desarrollar CMC para motores de turbina de gas industriales que producen electricidad. (GE fabrica turbinas tanto de potencia como de propulsión). Un programa de seguimiento del DOE funcionó hasta 2005 y financió a las empresas de CFCC más prometedoras para desarrollar aún más materiales y componentes y, si es posible, probarlos en aplicaciones. El financiamiento total fue de aproximadamente $15 millones, con un costo compartido de la industria cercano al 50 por ciento. GE probó en el campo una cubierta de CMC en una turbina de gas industrial de 170 megavatios en el marco del programa. En total, GE invirtió 1500 millones de dólares después de eso para comercializar la tecnología.

"El capital inicial es fundamental para las tecnologías de alto riesgo y alta rentabilidad", dijo Luthra. "El desarrollo de materiales es una actividad a largo plazo, y Oak Ridge apoyó enormemente la investigación básica".

Como prueba del éxito, Luthra señaló las nuevas fábricas y puestos de trabajo de CMC en la actualidad. En 2002, GE adquirió una instalación de CMC en Newark, Delaware, que ha crecido sustancialmente. En 2014, se inauguró una nueva instalación de GE en Asheville, Carolina del Norte, para fabricar componentes de cubiertas. Además, GE está construyendo dos fábricas adyacentes en Huntsville, Alabama: la primera para aumentar la producción de fibra y la segunda para recubrir fibras y fabricar cintas para procesarlas en componentes. A gran escala, se espera que los sitios de Asheville y Huntsville generen 640 empleos de alta tecnología.

En 2019, GE producirá un motor, GE9X, con cinco piezas de CMC: dos revestimientos de la cámara de combustión, dos boquillas y una cubierta. Las preventas son de aproximadamente $ 29 mil millones a precios de lista para 700 motores.

Mucho antes de que las fibras cerámicas reforzaran los compuestos cerámicos, los investigadores del ORNL recubrieron el combustible nuclear con carbono y SiC para confinar la radiactividad dentro de las partículas de combustible triestructural-isotrópicas (TRISO). Durante los experimentos en los años 70, Jack Lackey de ORNL se dio cuenta de que el proceso podía modificarse para fabricar compuestos cerámicos más rápidamente. Con el apoyo del Programa de Materiales de Energía Fósil del DOE, su grupo fue pionero en un proceso para hacer precisamente eso.

"Se toma una preforma fibrosa, se coloca en un horno y se depositan sólidos al vapor sobre y alrededor de las fibras", explicó Lowden, quien era el técnico de Lackey. Para recubrir todo el objeto de manera uniforme, el proceso de deposición debe ser extremadamente lento: una parte de media pulgada puede tardar seis meses en procesarse.

Sin embargo, el equipo de ORNL descubrió que colocar una estera fibrosa en una placa fría, calentar la parte superior y forzar los gases a través de la estera aceleró el proceso de meses a horas. "Ahí es donde nos involucramos en los compuestos de matriz cerámica", dijo Lowden. ORNL suministró CMC durante años a investigadores que evaluaban CMC para diversas aplicaciones.

En la actualidad, GE produce CMC en masa mediante un proceso de infiltración por fusión. La capacidad de producción se está ampliando para fabricar 36 000 segmentos de cubiertas de calidad perfecta por año para 2020. (Cada motor LEAP requiere 18 segmentos de cubiertas).

Durante los años de la CFCC, el mayor éxito del programa fue una turbina de gas industrial que se puso en funcionamiento en la planta de Malden Mills en Massachusetts en 1999. La turbina lucía un revestimiento de cámara de combustión CMC, desarrollado por Solar Turbines con aportes de investigadores de ORNL, Argonne, United Technologies , BF Goodrich y DuPont-Lanxide Composites, que ayudaron a mejorar la eficiencia de la turbina. En ese momento, el secretario de Energía, Bill Richardson, dijo que la planta de Malden Mills tenía "las emisiones más bajas de cualquier instalación industrial combinada de calor y electricidad en los Estados Unidos".

Desde CFCC, GE ha probado CMC durante más de 2 millones de horas, incluidas 40 000 horas en turbinas de gas industriales. Jim Vartuli del programa CMC de GE dijo que el apoyo del DOE en grandes turbinas de gas industriales para obtener esos primeros demostradores le dio a GE la confianza de que la cerámica podría sobrevivir a altas temperaturas y tensiones en las turbinas durante largos períodos.

"GE es la única empresa en el mundo con grandes negocios de turbinas de gas industriales y motores de aeronaves, y esto brinda muchas oportunidades para el desarrollo conjunto de tecnología avanzada. Este es un ejemplo de la 'tienda GE': la transferencia de tecnología y conocimiento entre los negocios de GE", explicó Vartuli. "El éxito de las pruebas de turbinas convenció a nuestro negocio de aviación de que los CMC también serían exitosos para los motores de aeronaves".

Las empresas de CFCC trajeron materiales que habían fabricado a los laboratorios nacionales del DOE en Argonne para la evaluación no destructiva ya Oak Ridge para la caracterización microestructural y las pruebas de estrés y oxidación. "Esta asociación destaca el valor de los laboratorios nacionales", dijo More. “Hacemos un trabajo fundamental y amplio para comprender el comportamiento de los materiales. Brindamos información necesaria para ayudar a la comunidad a tomar decisiones sobre a dónde ir, cómo proceder”. Los nuevos conocimientos sobre cómo se degradaron los materiales ayudaron a la industria a acelerar las mejoras y optimizar los procesos de fabricación.

La investigación en ORNL abarcó desde el desarrollo por parte de Allen Haynes de recubrimientos de barrera ambiental que podrían extender cinco veces la vida útil de los materiales subyacentes hasta la generación de imágenes no destructivas de materiales con cámaras térmicas por Ralph Dinwiddie. En el Laboratorio Nacional de Argonne, Bill Ellingson lideró el desarrollo de métodos de prueba no destructivos más amplios para garantizar el uso continuo y seguro de los componentes al monitorear la degradación del material después de intervalos de uso. Sin dañar los componentes, las inspecciones revelaron cómo respondían los materiales en un entorno a lo largo del tiempo. Con los investigadores de ORNL, los científicos de Argonne desarrollaron varias tecnologías de inspección no destructivas que fueron fundamentales para determinar el rendimiento de los componentes.

Pete Tortorelli y HT Lin de ORNL hicieron hincapié en los materiales en cámaras de exposición ambiental para conocer sus puntos de falla. Los colegas de laboratorio Jim Keizer e Irv Federer expusieron muestras a gases corrosivos, temperaturas de hasta 2550 F y presiones de hasta 500 psi en "plataformas Keiser" que simulaban condiciones en turbinas. Estos también fueron utilizados por More, Tortorelli y Keizer para filtrar los revestimientos protectores necesarios en entornos de combustión.

Por su parte, Estructuras más caracterizadas de materiales tensionados. "Karren More entró en escena como nuestra microscopista, y eso cambió nuestro mundo", recordó Lowden. "Poder ver lo que sucedía con microscopía electrónica de transmisión y comprender lo que sucedía a ese nivel fue increíble". GE tenía acceso a algunas técnicas internamente debido a su gran infraestructura. "Pero recibimos una ayuda invaluable de Karren en los recubrimientos de fibra", dijo Luthra. "Nos ayudó a desarrollar los recubrimientos de fibra más rápido".

Los primeros hallazgos de ORNL animaron a la industria a abandonar el carbono como revestimiento de fibra. Carbono oxidado, convirtiéndose en monóxido de carbono y dióxido de carbono, y volatilizado, adelgazando el recubrimiento. Los ingenieros de ORNL recomendaron en su lugar nitruro de boro resistente a la oxidación.

Además, Edgar Lara-Curzio modeló y probó el desempeño mecánico de los materiales CMC bajo diferentes condiciones de carga y su resistencia a la fatiga, la fluencia y la ruptura en el Laboratorio de Materiales de Alta Temperatura de ORNL. En colaboración con Matt Ferber y Chun-Hway Hsueh, implementó métodos analíticos y experimentales para caracterizar la micromecánica de las interfaces fibra-matriz. "Estas medidas fueron esenciales para cuantificar la unión química entre las fibras y la matriz, las tensiones residuales experimentadas por las fibras y la fricción entre las fibras y la matriz durante el deslizamiento de las fibras", dijo Lara-Curzio, y señaló que las CMC son resistentes principalmente porque los recubrimientos interfaciales permiten que las fibras se deslicen y Grietas en la matriz del puente. Él y Hsueh proporcionaron información clave sobre cómo se desliza una sola fibra en una matriz cerámica. Lara-Curzio, Ferber y Lowden luego cuantificaron el efecto del espesor de los revestimientos de fibra sobre el deslizamiento y descubrieron un valor que optimizaba las propiedades mecánicas. Las empresas adoptaron ampliamente esta correlación para optimizar sus compuestos.

Hoy en GE, Luthra sueña con colocar CMC en todos los lugares donde el motor se calienta: palas, boquillas, revestimientos. Para lograr esta visión, la comunidad tiene muchas montañas tecnológicas que escalar. Uno está desarrollando procesos de fabricación que, a diferencia de la infiltración por fusión, no produzcan un exceso de silicio que pueda volatilizarse y formar grietas en la matriz.

"Cada década hemos aumentado [el calor que pueden soportar los metales] en unos 50 grados", señaló Luthra. Hoy en día, el material CMC puede soportar hasta 2400 F, pero a Luthra le gustaría que la próxima generación alcance los 2700 F. "Esto va a ser tan desafiante como el desarrollo del primer compuesto cerámico", dijo.

Para resaltar estos desafíos, la Asociación de Cerámica Avanzada de EE. UU. está creando una hoja de ruta impulsada por la industria para el desarrollo de CMC de 2700 F para turbinas de gas avanzadas. Esta hoja de ruta informará al Congreso sobre los éxitos de los CMC 2400 F, fomentará la inversión en el desarrollo de los CMC 2700 F y destacará las contribuciones de los CMC a la creación de empleos manufactureros bien remunerados en EE. UU., la seguridad nacional y el medio ambiente. La hoja de ruta de USACA respalda los hallazgos de un estudio reciente de la Academia Nacional de Ciencias que concluye que la inversión en materiales y recubrimientos para turbinas de gas debe ser una alta prioridad y que los CMC de 2700 F podrían reducir drásticamente o eliminar la necesidad de refrigeración en los motores, aumentar la eficiencia y reducir el peso. Los laboratorios nacionales del DOE pueden ser llamados una vez más para ayudar a descubrir materiales y procesos de alto rendimiento que pueden operar a temperaturas más altas e incluso en entornos más extremos.

Los futuros CMC tendrán que soportar condiciones extremas en cuatro escalas de tiempo, según la aplicación: 1 hora o menos de tiempo caliente para los vehículos de lanzamiento; días para combustibles tolerantes a accidentes (p. ej., si falla un sistema de enfriamiento en una planta de energía nuclear); miles de horas, la vida útil de las turbinas de los aviones; y más de 30.000 horas para turbinas de gas industriales para la producción de energía.

Una turbina de gas terrestre para generar electricidad puede ser más exigente que una aplicación de motor de avión porque pasa mucho más tiempo operando a alta temperatura, dijo Luthra. Los avances en la próxima generación de materiales 2700 F permitirían mejoras revolucionarias en la eficiencia y las emisiones que podrían reducir el costo de la electricidad.

El cielo, después de todo, puede no ser el límite.

Más información:Investigación de sistemas de energía y propulsión de aeronaves comerciales para reducir las emisiones globales de carbono: www.nap.edu/read/23490/chapter/1

Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge