¿Por qué las palas de las turbinas de los aviones están hechas de aleaciones de níquel?

No todas las palas de las turbinas están hechas de aleación de níquel, algunas palas están hechas de esta familia de aleaciones, pero claramente no todas. Algunas palas en realidad están hechas de materiales cerámicos .

La turbina siempre está situada después de la cámara de combustión y la temperatura que es capaz de resistir la primera etapa de álabes de la turbina es una prueba de motor de alta tecnología. Esas palas están expuestas a más de 2000ºC; el punto de fusión del acero ronda los 1100ºC, y el del níquel puede llegar mucho más lejos hasta los 1700ºC . La cerámica puede ir aún más lejos. Tenga en cuenta que también hay una diferencia significativa entre la temperatura del flujo externo y la temperatura de la superficie.

El uso de un material de alto punto de fusión es una forma de resolver el problema, también hay formas de reducir la temperatura efectiva sobre la superficie del metal, como usar una película de enfriamiento .

En la figura que introduje arriba puedes ver agujeros en la hoja, donde el "aire de enfriamiento" (quizás a 400ºC) sale de la hoja creando efectivamente una película que rodea la hoja protegiéndola (enfriándola) de la temperatura externa.

Sin embargo, un metal expuesto a una temperatura alta (por debajo del punto de fusión) no se comporta de la misma manera que a temperatura normal. Hay algunos fenómenos que afectan a los materiales como la fluencia . Cuando un material se expone durante mucho tiempo a altas temperaturas cercanas al punto de fusión y al mismo tiempo a altas tensiones (esto es importante) comienza a sufrir deformaciones que conducen a la falla del metal.

Entonces, las aleaciones de níquel, además de tener un punto de fusión más alto, también tienen uno de los mejores comportamientos en entornos de fluencia.

Las últimas etapas de los rotores de turbina, y más fácilmente los estatores (menos demandados en estrés) están menos expuestos a condiciones de fluencia y no es necesario que estén fabricados en una aleación base níquel.

Solo para agregar también, para reducir la fluencia, se siguió otro enfoque (combinado con el anterior) para solidificar el metal asegurando tener un metal monocristalino (en lugar de ser un metal policristalino). Este es el arte supremo de la ingeniería de materiales (desde mi punto de vista).

Su principal ventaja es una mayor resistencia a temperaturas elevadas. Con elevada me refiero a temperaturas de hasta 1200 °C, que es lo que encontrará en las turbinas modernas de alto rendimiento refrigeradas por película donde la temperatura del gas es incluso unos cientos de centígrados más alta que eso. El acero se derretiría y otros materiales como el titanio se oxidarían rápidamente, y solo las aleaciones de níquel o las cerámicas están a la altura. Al ser todavía demasiado frágil para el uso diario, la cerámica no ha logrado escapar del laboratorio, por lo que las aleaciones de níquel es todo lo que tenemos por ahora.

Las fallas se superan apagando el motor y programando su reparación. Cuando falla un álabe de turbina, el motor desarrollará un desequilibrio que podría causar daños secundarios debido a las vibraciones. La pérdida de una sola hoja se puede tolerar durante un tiempo, especialmente cuando se reduce la configuración de potencia, pero debe repararse lo antes posible.