Mejorando la vida y el rendimiento de componentes aeroespaciales críticos

La industria aeroespacial recurre cada vez más a los recubrimientos PVD y PACVD para incrementar la durabilidad, el rendimiento y la vida útil de sus componentes y como una alternativa al cromo duro.

Los OEM y MRO de la industria aeroespacial buscan continuamente nuevas formas de aumentar el rendimiento y la longevidad de componentes aeroespaciales críticos tales como los empleados en turbinas, sistemas de control de vuelo, trenes de aterrizaje y sistemas hidráulicos. Para lograrlo, estos componentes se deben diseñar y fabricar de modo que resistan la erosión, la corrosión, las temperaturas extremas, las cargas elevadas e incluso el contacto de metal con metal.

Sin embargo, existen retos adicionales a tener en cuenta a la hora de prolongar la vida útil de los componentes. En concreto, hablamos del objetivo más inmediato de hallar nuevas formas de aumentar el rendimiento operativo y la eficiencia de combustible de las aeronaves mediante el perfeccionamiento del diseño de componentes y sistemas, los materiales y los recubrimientos. Incluso los factores en apariencia menores, tales como el acabado superficial de las palas de compresor, tienen un papel clave en el aumento de la economía de combustible de los motores turbofán con alto índice de derivación.

Este factor es objeto en la actualidad de una mayor atención en cuanto a opciones de recubrimiento, cromado o nitruración capaces de modificar la superficie de los componentes críticos a fin de mejorar la resistencia al desgaste y la corrosión, pero proporcionando a la vez el coeficiente de fricción requerido para el contacto de metal con metal o la resistencia a la erosión deseada para satisfacer unos requisitos de acabado superficial que proporcionen un óptimo flujo de aire en las turbinas de gas y, con ello, la eficiencia del motor.

El momento es oportuno, dado que la industria está en plena transición para dejar atrás la deposición de cromo en favor de alternativas más ecológicas. Durante muchos años, el cromo duro fue la norma cuando se buscaba protección contra el desgaste y la corrosión. La llegada del reglamento europeo REACH endureció considerablemente la regulación de este tipo de tratamiento. En la actualidad, cada vez es más frecuente superar estos retos mediante recubrimientos de capa fina aplicados por medio de PVD y PACVD, así como otras técnicas, la nitruración entre ellas, que proporcionan una durabilidad aún mayor que el cromo duro, pero con propiedades funcionales similares.

Uno de los más inmediatos retos de la industria aeronáutica es hallar nuevas formas de aumentar el rendimiento operativo y la eficiencia de combustible de las aeronaves mediante el perfeccionamiento del diseño de componentes y sistemas, los materiales y los recubrimientos.

La deposición física de vapor (PVD, por sus siglas en inglés) y la deposición química de vapor asistida por plasma (PACVD), ya contrastadas y evaluadas en el campo en la industria aeroespacial, se puede emplear para depositar recubrimientos de capa fina que endurece la superficie de los componentes. Con ello se prolonga considerablemente la vida útil de los componentes, además de reducir el mantenimiento y las paradas.

Estos recubrimientos también tienen la ventaja de ser muy finos, típicamente con un espesor de 1-5 µm, aunque pueden ser de hasta 25 µm para obtener propiedades específicas de resistencia a la erosión. Las tolerancias de los recubrimientos pueden ser de tan solo +/-0,5 µm a lo largo de una superficie. Esta característica, unida a sus tolerancias reducidas, supone que el componente conserva su forma, su encaje y sus dimensiones después del recubrimiento, sin necesidad de rectificación alguna.

Un recubrimiento PVD en concreto, Balinit Turbine Pro de Oerlikon Balzers, se ha concebido específicamente para la protección de palas de compresor de motores, álabes o rotores de álabes integrados (blisks) frente a la erosión, la contaminación y la corrosión. Hasta no hace mucho, estos álabes se solían dejar desprotegidos.

Oerlikon Balzers, una empresa de recubrimientos de larga trayectoria y que trabaja para la industria de la aviación desde hace más de 20 años, obtuvo recientemente la acreditación Nadcap en su planta de Guelph, Canadá, que da servicio a los mercados aeroespaciales de los Estados Unidos y Canadá. La empresa también opera centros de clientes con acreditación Nadcap en Francia, el Reino Unido y Luxemburgo.

“En la industria aeronáutica, el objetivo es reducir al mínimo el consumo de combustible”, explica Toby Middlemiss, responsable Global del segmento aeroespacial de Oerlikon Balzers. “Para lograrlo, es frecuente que los fabricantes pulan las palas de los compresores y los blisks para lograr un acabado espejo. Con ello se incrementa el flujo de aire del motor, lo que a su vez aumenta la eficiencia de combustible”. Sin embargo, Middlemiss afirma que los álabes se ensucian durante el funcionamiento y, en consecuencia, el sistema de compresión va perdiendo eficiencia.

“Las partículas contaminantes presentes en el aire erosionan el acabado superficial de los álabes, que adquieren gradualmente un acabado mate y terminan perdiendo rendimiento”, afirma Middlemiss. “Gracias al recubrimiento —Balinit Turbine Pro— se conserva este acabado superficial altamente pulido y se retiene esa mejora de la eficiencia”.

Balinit Turbine Pro aplica una estructura de nitruro de aluminio metálico (MeAIN) que resulta en una relación óptima de elevada dureza a tensión residual compresiva incluso en condiciones de alta temperatura. Se puede aplicar sobre aceros, superaleaciones y componentes de titanio, y presenta una rugosidad superficial extremadamente baja (de tan solo 0,05 Raµm) una vez aplicado el proceso.

La elevada dureza de Balinit Turbine Pro se ha contrastado ya en ensayos de partículas sólidas, gotas líquidas, cavitación en líquidos, chorro de agua y otros métodos de erosión, con el recubrimiento aplicado a distintos sustratos (acero, Inconel y titanio) en distintos espesores y a altas temperaturas.

Por ejemplo, en el ensayo de erosión por partículas sólidas, que evalúa los materiales por su pérdida de masa, Balinit Turbine Pro demostró una protección contra la erosión cuatro veces superior a la de otros recubrimientos PVD, incluido el de nitruro de titanio (TiN). Esta cifra es 40 veces mayor que la del titanio no tratado e incluso superior en el caso del acero.

Los recubrimientos PVD y PACVD también constituyen una alternativa viable en sustitución del cromo duro. El cromo duro se ha empleado repetidamente en la industria aeroespacial para proteger componentes contra la oxidación de contacto, la corrosión y el desgaste. Sin embargo, debido a las sales cancerígenas de cromo hexavalente empleadas en el proceso de cromo duro, la OSHA de los Estados Unidos y el reglamento REACH de la Unión Europea imponen restricciones estrictas a la deposición de cromo y cadmio.

Por tanto, los componentes existentes que presentaban recubrimientos de cromo y cadmio deberán ser reemplazados por piezas de nueva fabricación basadas en materiales seguros para el medio ambiente.

Según Middlemiss, ciertos OEM han intentado reemplazar el acero con cromo duro por acero inoxidable endurecido y sin tratar. El problema de este método es que el acero inoxidable presenta malas propiedades de deslizamiento y desgaste por baja fricción.

Otra opción que se ha adoptado es la pulverización térmica basada en carburo de tungsteno. Sin embargo, estos recubrimientos suelen requerir cierto procesamiento tras la aplicación y lentos procesos de rectificación que disparan los costes. Si los componentes presentan paredes delgadas, estos recubrimientos de pulverización térmica relativamente gruesos también pueden suponer otros efectos no deseados, por ejemplo, tensiones y distorsiones.

Una mejor opción es Balinit C, un recubrimiento de carburo y carbono WC/C dúctil de la familia de los DLC (a-C:H:Me) que proporciona una excelente resistencia al desgaste y el rozamiento a la vez que reduce el desgaste y la fricción de los rodamientos, ejes y pasadores empleados en trenes de aterrizaje y monturas de motor.

El recubrimiento Balinit C presenta una alta capacidad de carga incluso en condiciones de lubricación deficiente o contacto en seco. Gracias a su bajo coeficiente de fricción, reduce la corrosión por picado y fricción en los componentes deslizantes o móviles de las aeronaves, tales como los empleados en actuadores, compresores y bombas.

Los rodamientos son otro componente que sufre un desgaste abrasivo considerable y desigual según las zonas. Balinit C resulta especialmente adecuado para la cementación y los aceros de los rodamientos de bolas y de rodillos, dado que se puede aplicar a temperaturas inferiores a los 200 °C.

Este recubrimiento PVD se puede aplicar no solo a los caminos de rodadura interior y exterior y los propios rodillos, sino también a las bolas de los rodamientos de bolas, y con un espesor de recubrimiento altamente uniforme de tan solo 0,5-1 μm. El leve aumento de la rugosidad se compensa con las buenas cualidades de pulido del recubrimiento, que alisa el camino de rodadura de los aros interiores y exteriores y proporciona una protección adicional contra la fricción y el picado.

“Dados unos requisitos de rendimiento en constante aumento, la construcción más ligera de una nueva generación de aeronaves y el uso de conceptos de operación y mantenimiento más ecológicos, se exige cada vez más de los componentes y herramientas”, afirma Middlemiss. “Los recubrimientos PVD y PACVD son una forma eficaz de mejorar el rendimiento operativo, reducir los costes de explotación, prolongar el tiempo de funcionamiento y reducir la frecuencia del mantenimiento”.