3D

Una nueva aleación de metal de alto rendimiento, llamada superaleación, podría ayudar a aumentar la eficiencia de las turbinas utilizadas en las centrales eléctricas y en las industrias aeroespacial y automotriz.

Creada con una impresora 3D, la superaleación se compone de una mezcla de seis elementos que en conjunto forman un material que es a la vez más ligero y resistente que los materiales estándar utilizados en la maquinaria de turbina convencional. La fuerte superaleación podría ayudar a las industrias a reducir tanto los costos como las emisiones de carbono, si el enfoque se puede ampliar con éxito.

El reto: En el mundo de la ciencia de los materiales, la búsqueda de nuevas aleaciones metálicas se ha intensificado en los últimos años. Durante más de un siglo, hemos dependido de aleaciones relativamente simples como el acero, compuesto por un 98% de hierro, para formar la columna vertebral de nuestras industrias de fabricación y construcción. Pero los desafíos actuales exigen más: aleaciones que puedan soportar temperaturas más altas y permanecer fuertes bajo tensión, pero que aún sean livianas.

Los ingenieros llevan mucho tiempo intentando optimizar los materiales utilizados en las turbinas: la maquinaria giratoria de las centrales eléctricas que ayuda a convertir la energía mecánica en electricidad. Pero incluso los materiales más modernos, como las superaleaciones a base de níquel y cobalto, tienden a degradarse y funcionar peor cuando se exponen a temperaturas extremadamente altas.

Ésa es una de las razones por las que los científicos han pasado las últimas dos décadas experimentando con aleaciones complejas, algunas de las cuales constan de hasta seis metales diferentes. Al ajustar las proporciones exactas de los elementos que componen una superaleación, los científicos esperan que se produzcan nuevas interacciones a escala atómica, lo que conducirá al descubrimiento de propiedades beneficiosas. Sin embargo, con una combinación casi infinita de elementos en diferentes proporciones, optimizar estas aleaciones para aplicaciones específicas presenta un desafío importante.

la innovación : Un enfoque prometedor es el uso de la tecnología de impresión 3D. Este método permite a los investigadores controlar con precisión las proporciones relativas de diferentes metales. Lo logran derritiendo rápidamente metales en forma sólida y en polvo utilizando un potente láser y luego depositándolos en capas delgadas.

Un equipo de investigadores dirigido por Andrew Kustas de los Laboratorios Nacionales Sandia, en Albuquerque, Nuevo México, utilizó esta técnica para desarrollar una superaleación de seis elementos de alto rendimiento. La aleación, hecha de 42 % aluminio, 25 % titanio, 13 % niobio, 8 % circonio, 8 % molibdeno y 4 % tantalio, es fuerte, liviana e increíblemente resistente al calor.

Estas características son especialmente importantes para las turbinas utilizadas en las centrales eléctricas, que representan aproximadamente el 73% de toda la generación eléctrica mundial. Después de todo, cuanto mayor es la temperatura del gas que impulsa las turbinas, más rápido giran y más eficientes se vuelven.

Cuando se calentó a 800 °C (1472 °F), una temperatura común en las turbinas de las centrales eléctricas, esta superaleación permaneció más fuerte y más liviana que muchas otras diseñadas para un propósito similar. Este avance sugiere aplicaciones potenciales más allá de las turbinas eléctricas, particularmente en el sector aeroespacial, donde los materiales deben ser fuertes, livianos y resistentes a variaciones extremas de temperatura.

Los investigadores también encontraron que el rendimiento de la superaleación se correlacionaba con las predicciones generadas a partir de un modelo informático diseñado para predecir cómo combinaciones particulares de elementos conducirían la energía térmica. Esas predicciones sugieren que los futuros modelos informáticos podrían ayudar a predecir qué combinaciones de elementos probablemente darán como resultado superaleaciones nuevas y útiles.

Para llevar la superaleación recientemente creada a la fabricación convencional, el equipo espera encontrar una manera de ampliar económicamente su proceso de impresión 3D y al mismo tiempo garantizar que los productos terminados no contengan grietas a microescala, lo que puede resultar difícil de lograr a mayor escala. . Superar estos desafíos podría ayudar a que las máquinas que impulsan nuestra vida cotidiana sean más fuertes, más eficientes y menos dañinas para el medio ambiente.