Single Crystal Turbine Blades/es

Las turbinas de gas, al igual que en todos los ámbitos de la producción de energía, dependen en gran medida de la eficiencia térmica para generar energía de forma eficaz. Existen diversas maneras en la industria de aumentar la eficiencia térmica del ciclo de potencia de una turbina de gas. Estos métodos de aumento de eficiencia casi siempre están limitados por las propiedades metalúrgicas de los componentes de la turbina. La eficiencia térmica de una turbina de gas puede incrementarse considerablemente con componentes capaces de soportar temperaturas de trabajo más elevadas. El uso de álabes de turbina de superaleación monocristalina permite lograrlo. Los álabes de turbina monocristalina pueden operar a una temperatura de trabajo superior a la de los álabes de turbina cristalina y, por lo tanto, aumentan la eficiencia térmica del ciclo de la turbina de gas.

Una central eléctrica de turbina de gas consta de una turbina conectada a un compresor con una cámara de combustión entre ambos. El aire atmosférico es aspirado por el compresor, comprimido y posteriormente ingresa a la cámara de combustión. En la cámara de combustión, el aire se mezcla con un combustible y se quema. Esto aumenta la temperatura del aire, manteniendo una presión constante. El aire ingresa a la turbina, donde se expande y produce trabajo útil. Cuanto mayor sea la temperatura del aire de entrada, mayor será la cantidad de trabajo útil producido por la turbina. ^{[ 1 ]}

Este ciclo termodinámico se conoce como ciclo de Brayton. La eficiencia de las turbinas de gas viene dada por la^ecuación

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  Ecuación 1: Eficiencia térmica del ciclo Brayton
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  Ecuación 1a: Eficiencia térmica del ciclo Brayton en términos de relación de presión.

Los ciclos de Brayton suelen representarse mediante diagramas de temperatura-entropía (TS). Estos diagramas muestran los estados del aire en cada punto del ciclo de Brayton. En la figura 1 se muestra un ejemplo de un diagrama TS típico.

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  Figura 1: Diagrama TS del ciclo de Brayton
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  Figura 1a: Relación de presión aumentada
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  Figura 1b: Aumento de la relación entre la temperatura máxima y la presión.

Del diagrama TS que se muestra en la Figura 1a, se puede observar que un aumento en la relación de presión relativa ^W incrementará la eficiencia térmica debido a una disminución en la cantidad de calor añadido al sistema. Esto está limitado por la temperatura máxima del ciclo, que se produce en la entrada de la turbina. Este límite provoca una disminución en el trabajo total del ciclo a medida que aumenta la relación de presión. Para producir la misma cantidad de trabajo con una relación de presión relativa mayor, se necesita un aumento en el caudal másico, lo que requiere equipos más grandes y costosos. ^{[ 2 ]} Existen muchas aplicaciones donde se necesita un motor de turbina más pequeño, como en los vehículos. La eficiencia térmica se puede aumentar, al tiempo que se incrementa el nivel de trabajo, aumentando la temperatura del aire en la entrada de la turbina. ^{[ 1 ]}

Existen numerosas aplicaciones donde una disminución en el trabajo neto producido resulta inaceptable. Un aumento en la temperatura máxima del ciclo incrementa tanto la eficiencia como la cantidad total de trabajo neto producido. El aumento de temperatura también permite un mayor incremento en la relación de presión para mejorar aún más la eficiencia, manteniendo un alto nivel de trabajo neto. Esto se muestra en la figura 1b anterior. Las propiedades metalúrgicas limitan la temperatura máxima de entrada a la que puede operar la turbina. Se utilizan diversos métodos para que los álabes de la turbina funcionen en condiciones de temperatura más elevadas. El desarrollo de álabes de turbina monocristalinos fabricados con una superaleación a base de níquel permite alcanzar temperaturas de operación más altas.

Las palas de turbina monocristalinas presentan la ventaja mecánica de poder operar a temperaturas mucho más elevadas que las palas de turbina cristalinas. Dada la capacidad de aumentar la eficiencia de la turbina a temperaturas más altas, el desarrollo de estas palas resulta muy beneficioso. Las palas de turbina pueden operar a estas altas temperaturas gracias a su estructura monocristalina y a la composición de la superaleación a base de níquel.

La fluencia ^W es una causa común de falla en las palas de turbina y, de hecho, es el factor limitante de la vida útil. ^{[ 3 ]} Cuando las temperaturas de un material bajo alta tensión se elevan a un punto crítico, la tasa de fluencia aumenta rápidamente. ^{[ 4 ]} La estructura monocristalina tiene la capacidad de soportar la fluencia a temperaturas más altas que las palas de turbina cristalinas debido a la ausencia de límites de grano. Los límites de grano son un área de la microestructura donde comienzan muchos defectos y mecanismos de falla que conducen a la fluencia. ^{[ 5 ]} La ausencia de estos límites de grano inhibe que la fluencia ocurra de esta manera. La fluencia aún ocurrirá en las palas de turbina monocristalinas, pero debido a diferentes mecanismos que ocurren a temperaturas más altas. La pala de turbina monocristalina no tiene límites de grano en las direcciones de tensión axial que sí tienen las palas de turbina cristalinas. Esto también contribuye a aumentar la resistencia a la fluencia.

Se han utilizado diversas superaleaciones para intentar crear álabes de turbina monocristalinos capaces de soportar las temperaturas de funcionamiento más elevadas. Estas superaleaciones suelen estar basadas en níquel y contienen otros elementos que contribuyen a optimizar las propiedades mecánicas del álabe en condiciones de alta temperatura. La composición de cada elemento añadido se somete a pruebas constantes para lograr esta optimización. Un ejemplo de superaleación utilizada para álabes de turbina monocristalinos es la CMSX6. La composición de esta superaleación se muestra en la tabla siguiente.

Dentro del monocristal de la superaleación, existen dos fases: una matriz gamma y un precipitado gamma prima. La fase gamma prima debe tener una fracción volumétrica superior al 50 % en la superaleación para proporcionar un aumento en la resistencia a la fluencia. ^{[ 6 ]} La presencia de la fase gamma prima aumenta la resistencia mecánica de la pala de la turbina al impedir el movimiento de dislocaciones. La fase gamma prima posee la propiedad inusual de aumentar su resistencia con el incremento de la temperatura. Esto se cumple hasta los 973 grados Celsius. ^{[ 3 ]} Este aumento de resistencia, provocado por el incremento de la temperatura, permite que la superaleación pueda operar a temperaturas más elevadas.

La ausencia de límites de grano en el álabe de la turbina permite que la superaleación empleada reduzca la presencia de elementos que normalmente se utilizan para fortalecer dichos límites, como el carbono y el boro. Estos elementos, presentes en concentraciones significativas, disminuyen la resistencia a la fluencia y la temperatura de fusión de la aleación. Al no requerir concentraciones significativas de estos elementos, el álabe de turbina monocristalino puede mantener su resistencia y funcionar a temperaturas más elevadas. ^{[ 7 ]}

Existen varios métodos de fabricación diferentes que se utilizan en la práctica para crear álabes de turbina monocristalinos. Todos los métodos de fabricación utilizan el concepto de solidificación direccional, o solidificación direccional autónoma, donde se controla la dirección de solidificación. Un método común es el método Bridgman para el crecimiento de monocristales. En este método, se utiliza un horno de fundición para el crecimiento del cristal. En este proceso, primero se debe hacer un molde del álabe. Se inyecta cera fundida en un molde metálico del álabe de turbina deseado y se deja solidificar y tomar la forma del álabe. El modelo de cera se utiliza luego para crear un molde cerámico que se utilizará para la producción de los álabes de turbina monocristalinos. Una vez creado el molde cerámico, se calienta para aumentar su resistencia. ^{[ 8 ]} Cuando el molde es adecuado para su uso, la cera se funde desde el interior del molde. El molde se llena entonces con la forma fundida de la superaleación a base de níquel. La superaleación fundida contenida en el molde se coloca en algún tipo de horno de fundición, a menudo un horno de fusión por inducción al vacío ^W , que utiliza técnicas Bridgman.

El horno está configurado con una zona de alta temperatura, superior a la de fusión y controlada por calentadores, y una zona de baja temperatura inferior a la de fusión, con una zona de gradiente donde se produce la interfase sólido-líquido. La superaleación se encuentra inicialmente fundida en su totalidad dentro de la zona de alta temperatura. A continuación, se baja muy lentamente, a una velocidad de unos pocos centímetros por hora, de modo que la interfase sólido-líquido asciende lentamente por el molde. La superaleación se solidifica desde la base hacia arriba. La lenta velocidad de solidificación provoca que los granos crezcan como dendritas ^W en la dirección en la que se extrae el molde del horno. ^{[ 8 ]} Las dendritas se forman únicamente como columnas en una dirección debido al efecto del subenfriamiento constitucional. A medida que el sólido comienza a formarse, se encuentra una concentración variable de soluto justo delante de la interfase sólido-líquido. La variación del soluto en el líquido provoca un cambio en la temperatura de solidificación de equilibrio. En este punto, la temperatura del líquido es inferior a la temperatura de solidificación de equilibrio, lo que provoca un efecto de subenfriamiento. El subenfriamiento provoca la transferencia de calor desde las protuberancias sólidas al líquido, promoviendo el crecimiento dendrítico. ^{[ 9 ]} La velocidad de crecimiento de las dendritas está directamente relacionada con la cantidad de subenfriamiento presente. Las dendritas alineadas en ángulo deben crecer más rápido para igualar el crecimiento de las dendritas que siguen una dirección vertical más directa. Para crecer más rápido, se necesita una mayor cantidad de subenfriamiento, lo que significa que estas dendritas angulares crecen más atrás de la interfaz sólido-líquido. ^{[ 8 ]} Finalmente, las dendritas verticales más favorables superan a las dendritas angulares que se encuentran más atrás. Para eliminar los límites de grano del álabe de la turbina, se coloca un selector de grano en la parte inferior del molde de cera. El selector de grano es un tubo en espiral que no es mucho más grande que un solo grano dendrítico. A medida que las dendritas verticales crecen en la base del molde, solo una dendrita podrá pasar a través de la espiral y, finalmente, entrar en el molde del álabe de la turbina. De este modo, una vez completada la solidificación, el álabe de la turbina se crea íntegramente a partir de un solo grano y se convierte en un álabe de turbina monocristalino.

El problema con el método Bridgman es que se necesita un horno de fundición complejo y costoso para producir el producto deseado. Se ha creado otro método de fabricación que elimina la necesidad de extraer lentamente la muestra del horno. Esto simplifica y acelera el proceso, haciéndolo más rentable. Las propiedades mecánicas también mejoran, ya que la solidificación es más rápida, lo que provoca una reducción en la cantidad de segregación en la muestra. ^{[ 10 ]} Este proceso utiliza un molde hecho de cerámica Al ₂ 0 ₃ , que está recubierto con una capa que inhibe la nucleación. La muestra se coloca de manera que haya un calentamiento controlado que la mantenga fundida en todo momento con una placa de enfriamiento refrigerada por agua colocada en la base de la muestra. El selector de grano espiral se utiliza de la misma manera en este método. El calentamiento se apaga y, a medida que el horno se enfría, comienza la solidificación. La capa del molde retrasa la nucleación hasta que se produce una cantidad sustancial de subenfriamiento. ^{[ 10 ]} En este punto, la nucleación comienza en la base de la muestra y las dendritas se forman de la misma manera. Una sola dendrita pasa a través del selector de grano y se produce la pala de turbina monocristalina. El calentamiento controlado y la cantidad de enfriamiento en la base se pueden variar para optimizar las propiedades mecánicas. ^{[ 10 ]}