Fabricación de piezas de motores a reacción

Los requisitos exigidos a los materiales utilizados en motores a reacción son necesariamente muy rigurosos. Deben soportar condiciones extremas de esfuerzos y temperatura, a la vez que deben ser lo más ligeros posible y de la máxima fiabilidad. Un motor turborreactor se puede dividir en tres partes: compresor, cámara de combustión y turbina. El compresor presuriza el aire que fluye a través del motor antes de entrar en la cámara de combustión, donde el aire se mezcla con combustible, se produce la ignición y se quema. Los componentes del compresor son principalmente de aleaciones de titanio, mientras que los de la cámara de combustión y los de la turbina suelen ser de súper aleaciones con base níquel como el inconel 718.

Las excelentes propiedades físicas que caracterizan a las aleaciones a altas temperaturas con base níquel las hacen ideales para la fabricación de piezas de aeronáutica. Propiedades como el elevado límite elástico, la excelente resistencia a la tracción, a la fatiga, a la corrosión y a la oxidación, incluso a muy altas temperaturas, permiten el uso de las súper aleaciones de níquel en múltiples aplicaciones y para un amplio espectro de temperaturas.

La industria aeronáutica utiliza estas aleaciones de níquel para fabricar cerca del 80% de las piezas rotativas de las turbinas de gas (incluyendo discos, álabes y carcasas), soportes de motores y componentes de motores de cohetes (misiles) y bombas. Las aleaciones a altas temperaturas con base níquel contienen entre el 35 y el 75% de níquel y entre un 15 y un 22% de cromo, constituyen alrededor del 30% de los materiales necesarios para construir el motor de un avión y también se utilizan en estructuras de diferentes componentes del motor principal de los transbordadores espaciales.

Las mismas propiedades que hacen que las aleaciones de níquel sean idóneas para fabricar componentes de reactores son las que generan importantes dificultades en su mecanizado. Las fuerzas de corte y las temperaturas en la zona de corte son extremadamente elevadas debido al gran esfuerzo cortante y la baja conductividad térmica. Esto, junto con la reactividad de la aleación con base níquel con el material de la herramienta ocasiona el arrastre del material de la pieza, haciendo que las virutas se suelden a la superficie de la misma. Esto causa el excesivo desgaste de la herramienta, limitando la velocidad de corte y disminuyendo su vida útil.

Todas estas características contribuyen a reducir el índice de extracción de material y la duración de la herramienta, lo que incrementa los costes de mecanizado.

Gracias a la elevada relación resistencia-peso y a la excelente resistencia a la corrosión, las piezas de aleaciones de titanio son ideales para los avanzados sistemas aeroespaciales. Las aleaciones con base titanio contienen entre el 86 y el 99,5% de titanio y entre el 5 y el 8% de aluminio y son inmunes a casi cualquier medio al que puedan ser expuestas en un entorno aeroespacial.

Hay una gran cantidad de titanio en los motores a reacción, en los que las aleaciones de titanio representan un 25-30% de su peso, principalmente en el compresor. La elevada eficiencia de estos motores se obtiene utilizando aleaciones de titanio en piezas como las palas de los ventiladores y de los compresores, rotores, discos, bujes, y otras piezas como álabes guía de entrada.

Las excelentes propiedades del titanio y su bajo peso permiten a los ingenieros aeronáuticos diseñar aviones que pueden volar más alto y más rápidamente, con elevada resistencia a condiciones ambientales extremas.

Sin embargo, el titanio se ha considerado históricamente como de muy baja capacidad de mecanizado a causa de sus propiedades físicas, químicas y mecánicas.

La relativamente alta resistencia a la temperatura del material y su baja conductividad térmica no permite que el calor generado se disipe de la herramienta, lo que ocasiona la deformación y el desgaste de la misma. Las aleaciones de titanio conservan su resistencia a las altas temperaturas, ocasionando una elevada deformación plástica de la herramienta, que a su vez origina profundas muescas en la pieza. Durante el mecanizado la elevada reactividad química de las aleaciones de titanio hace que las virutas se suelden a la herramienta ocasionando el recrecimiento del filo y problemas de control de virutas.

Durante los últimos años, Iscar ha invertido gran cantidad de recursos en I+D para resolver estos problemas y optimizar el mecanizado de súper aleaciones con base níquel y titanio, con soluciones que incluyen la creación de calidades especiales y la implementación de tecnologías de refrigeración a alta presión para desarrollar herramientas que superen los problemas de temperatura.

Para obtener elevados índices de extracción de material, Iscar ha desarrollado calidades cerámicas que facilitan el mecanizado de aleaciones de níquel a velocidades de corte entre 200 y 400 m/min:

• IW7 – Calidad cerámica reforzada Whisker. Ofrece una elevada dureza y una excelente tenacidad en operaciones de desbaste y semi-acabado. Permite velocidades de corte 8-10 veces mayores que con calidades de metal duro.
• IS25 – Calidad composite SiAlON reforzada. Excelente para el mecanizado para aleaciones a altas temperaturas con base níquel en aplicaciones continuas e interrumpidas ligeras.
• IS35 – Calidad composite SiAlON reforzada. Excelente para el mecanizado para aleaciones a altas temperaturas con base níquel en aplicaciones interrumpidas ligeras y pesadas.

También se han desarrollado una serie de calidades de metal duro específicas para el mecanizado de aleaciones con base níquel y titanio:

• IC806 – Un duro sustrato submicrónico con un fino recubrimiento TiAlN PVD. El exclusivo procedimiento de recubrimiento incluye un tratamiento que genera una fina y suave capa que proporciona las mejores características para el mecanizado de aleaciones de níquel y de titanio.
• IC804 – El mismo recubrimiento TiAlN PVD sobre un sustrato submicrónico más duro diseñado específicamente para el mecanizado de aleaciones de níquel utilizadas en piezas de motores a reacción de muy elevada dureza (40-47 HRc)
• IC20 – Calidad de metal duro sin recubrimiento muy recomendada para el mecanizado de aluminio y titanio. Ofrece un rendimiento muy elevado y se utiliza principalmente en aplicaciones de mecanizado continuo.

Las herramientas con alta presión de refrigerante actuales tienen un papel cada vez mayor y más importante en el proceso del mecanizado, ya que incrementan la productividad y el control de viruta, especialmente en materiales de baja capacidad de mecanizado.

Aunque el concepto de refrigeración a presión se conoce desde hace tiempo en el mundo del mecanizado de metales, las herramientas con alta presión de refrigerante actuales tienen un papel cada vez mayor y más importante en el proceso del mecanizado, ya que incrementan la productividad y el control de viruta especialmente en materiales de baja capacidad de mecanizado, como aleaciones de níquel y titanio. El factor clave es que el refrigerante se dirige exactamente donde se le necesita, alejando las virutas de la zona de corte.

Iscar es uno de los primeros productores de herramientas en responder a las necesidades del mercado, diseñando y fabricando herramientas con alta presión de refrigerante para reducir la temperatura y facilitar la evacuación de virutas, incluyendo herramientas especiales JetCut con alta presión de refrigerante.

El sector de fabricación de piezas para la industria aeroespacial está sometido constantemente a una gran presión para reducir costes, pero sin comprometer la calidad ni la duración de estos componentes, lo que representa un gran reto para todas las partes implicadas. Las herramientas de corte de Iscar permiten a los fabricantes de motores a reacción utilizar los materiales óptimos para la producción de piezas de elevada calidad, con el mínimo gasto y la máxima eficiencia.