Ti-al intermetallics for aerospace applicationsatomic relaxation processes,microstructure and mechanical properties at high temperature

Resumen

El presente trabajo de investigación se encuadra en la línea de ¿Materiales Intermetálicospara Altas Temperaturas¿ que se desarrolla en el Grupo de investigación en MetalurgiaFísica (GIMF) de los Dptos de Física de la Materia Condensada y Física Aplicada II dela UPV/EHU. En ese marco, el GIMF ha establecido un programa de colaboracióninternacional con el Dpt. of Physical Metallurgy and Materials Testing de la Universidadde Leoben, Austria, donde el Dr. H. Clemens es líder mundial en el desarrollo de lasnuevas generaciones de Materiales Intermetálicos de TiAl [Cle13]. En el marco de estacolaboración se han realizado ya varias publicaciones científicas y comunicaciones acongresos conjuntas [Kle17, Usa17].La importancia de reducir el impacto medioambiental y aumentar la seguridad y elrendimiento económico de los sistemas de transporte ha motivado intensasinvestigaciones durante las últimas tres décadas. El desarrollo y procesado de materialespara altas temperaturas, es la clave del avance tecnológico en áreas de la ingeniería en lascuales se deben alcanzar requerimientos extremos, como es el caso de la industriaaeronáutica. Los requisitos de una mayor eficiencia, reducción de emisiones de CO2 y deconsumo de combustible y disminución del peso en los motores de aviación es la fuerzamotriz para el desarrollo de materiales ligeros innovadores y resistentes a altastemperaturas que puedan sustituir parcialmente los materiales empleados en la actualidad.Las aleaciones intermetálicas de TiAl muestran un gran potencial para satisfacer dichasdemandas [App00][Cle13].Hasta ahora, las superaleaciones de base níquel han dominado el ámbito de los álabes deturbinas en motores de reacción debido a su capacidad para soportar las elevadas cargasmecánicas y térmicas impuestas al material. Una desventaja estas aleaciones es su altadensidad 8 g/cm3, que en el caso de los intermetálicos TiAl se ve reducida a casi la mitad(3,9-4,2 g/cm3 dependiendo de la composición y la constitución). Además, las principalesventajas que presentan los intermetálicos avanzados de TiAl frente a las superaleacionesde base níquel son un elevado límite elástico específico, elevada rigidez específica(módulo elástico/densidad), buena resistencia a la oxidación y al sobrecalentamiento,ofreciendo además buenas propiedades de resistencia y fluencia hasta 750ºC [Cle13]. Porello las aleaciones de TiAl se han convertido en la mejor alternativa para reemplazar a lassuperaleaciones de base níquel en dichas turbinas, lo que llevaría a una reducción del pesoIIestructural de los motores de reacción en un 20 o un 30% [Voi05] consiguiendo así unaumento significativo del rendimiento del motor y una mayor eficiencia del combustible.Una de las aleaciones de TiAl más relevantes y recientes es la denominada TNMTM conun contenido equilibrado de Nb y Mo y que desde 2014 se está empleando en las etapasde baja presión de las turbinas del nuevo turbofán de Pratt&Whitney que ya está volandoen los aviones de Airbus A320neo. Con el propósito de aumentar la temperatura deservicio de estos componentes aeronáuticos, se está invirtiendo un gran esfuerzo en lainvestigación del efecto de los elementos de aleación y de las diferentes microestructurasen las aleaciones de TiAl.El propósito de la presente investigación, con el fin de desarrollar materiales competitivosmejorados, es la investigación de nuevas generaciones de TiAl entendidas como unaactualización avanzada de las TNM, denominada TNM+. Para ello a parte de la familiaTNM+, micro-aleada con Si y C y compuesta por tres miembros con diferentesmicroestructuras, también se han investigado las familias TiAl+Mo, rica en Mo, y laTN1.5Mo+C, rica en C, con el fin de investigar el efecto de cada uno de los elementos dealeación.Para que las aleaciones de TiAl resulten idóneas para el cumplimiento de las demandasde ingeniería aeronáutica, se requiere una buena estabilidad microestructural y un buencomportamiento de resistencia a la fluencia. Estas propiedades vienen controladas por losprocesos de difusión y de deformación, por ello resulta crucial identificar los mecanismosatómicos de movilidad de defectos que controlan los procesos de deformación. Esteestudio se puede llevar a cabo con éxito mediante la técnica experimental denominadaEspectroscopía Mecánica [Fan01, San01]. En este trabajo, se implementa una nuevaestrategia para el uso de la espectroscopía mecánica, que da información sobre losprocesos de relajación atómica asociados a la movilidad de defectos cristalinos, ycombina con la caracterización microestructural mediante Microscopía Electrónica.Así, los objetivos de este trabajo se definen de la siguiente manera:¿¿ Determinar los mecanismos microscópicos de movilidad de defectos y losprocesos de difusión asociados que tienen lugar a alta temperatura en el sistemaTiAl.¿¿ Identificar el comportamiento en fluencia de las 7 aleaciones TiAl estudiadas,haciendo uso para ello de la técnica experimental no-destructiva denominadaEspectroscopía Mecánica.III¿¿ Identificar la influencia de los elementos de aleación y la microestructura enlos procesos de difusión y en el comportamiento en fluencia.¿¿ Comprender la estabilidad microestructural a alta temperatura de la aleaciónmás prometedora del lote estudiado: la aleación TNM+-FL perteneciente a lafamilia TNM+ y que presenta una estructura fully lamellar también denominadanano-laminar debido al reducido espaciado inter-laminar que presenta sumicroestructura.¿¿ Establecer una comparación entre la aleación estudiada más prometedora(TNM+-FL) y la reconocida TNM.De esta manera, la tesis presenta la siguiente estructura:El capítulo 1 consiste en una breve introducción a la principal área de aplicación (laindustria aeronáutica) y a las ventajas industriales de los intermetálicos de TiAl, junto conla motivación y los objetivos de la investigación.El capítulo 2 es la revisión bibliográfica de los materiales bajo estudio: un repaso a losconceptos básicos en los que se fundamenta la presente tesis, tales como la informaciónde las fases y propiedades de los materiales TiAl en general y de los aquí estudiados enparticular. El capítulo concluye con los avances científicos más relevantes publicados enel campo de la espectroscopía mecánica que nos ayudarán a comprender nuestros propiosresultados.El capítulo 3 describe los métodos experimentales y técnicas empleadas durante estetrabajo. Se incluye, además, el fundamento teórico y la metodología empleada paraanalizar los espectros de fricción interna en los experimentos de espectroscopía mecánica.El capítulo 4 es el primer capítulo de resultados. En él se recopilan los resultadosexperimentales obtenidos para la familia TiAl+Mo junto con las conclusiones principalesa las que nos han llevado. Se ha empleado la técnica de espectroscopía mecánica paraestudiar los mecanismos de relajación observados a diferentes temperaturas y tambiénpara determinar las energías de activación de la fluencia. La microscopía electrónica debarrido ha sido empleada para verificar la condición no destructiva de la técnica y tambiénpara identificar las transformaciones de fase que han tenido lugar cuando ha sidonecesario alcanzar temperaturas más elevadas. Al final del capítulo se expone unadiscusión de los resultados presentados a lo largo de este.IVEl capítulo 5 es el segundo capítulo de resultados. Contiene un repaso de las diferentesTNM investigadas mediante espectroscopía mecánica por la comunidad científica, asícomo un nuevo estudio microestructural realizado en el marco de la presente tesismediante microscopía electrónica de barrido y de transmisión. También se incluyen eneste capítulo los datos obtenidos para la familia TN1.5Mo+C mediante espectroscopíamecánica y microscopía electrónica de barrido, con el fin de establecer una comparaciónentre esta familia y las aleaciones TNM.El capítulo 6 es el tercer y último capítulo de resultados. En él se resumen lacaracterización completa llevada a cabo en la familia TNM+ mediante espectroscopíamecánica y microscopía electrónica. Los resultados obtenidos llevan a unas interesantesconclusiones que se discuten al final del capítulo.El capítulo 7 es la discusión general. A pesar de que en cada capítulo de resultados se hadesarrollado una discusión relativa a los resultados expuestos en cada uno de ellos, esimportante hacer una discusión general incluyendo todos los aspectos implicados. De estamanera, el conocimiento adquirido en el análisis y estudio de unas aleaciones se empleapara arrojar luz sobre cuestiones no resueltas en otras aleaciones y poder llevar a caboconsideraciones comparativas.Por último, el objetivo del capítulo 8 es sintetizar las conclusiones de esta tesisresumiendo los hallazgos clave.La presente investigación ha permitido, por un lado, identificar nuevos mecanismos derelajación atómica: uno que tiene lugar en la fase ordenada ¿¿ y relacionada con la difusióndel Mo, otra perteneciente a la fase ¿¿ y vinculada a la difusión del Al y otra que tienelugar en la fase ¿¿2. Esta última ya fue identificada en previos estudios publicados, peroen nuestro caso se identifica la implicación de la interacción C-vacante. Por otro lado, secomprueba que el fondo de fricción interna de alta temperatura, medido porespectroscopía mecánica, se puede relacionar con los resultados obtenidos en los test defluencia, permitiendo de esta manera obtener los parámetros de activación por un métodoalternativo. Así, la información obtenida mediante esta técnica no-destructiva seríacomplementaría a la obtenida por ensayos de fluencia, permitiendo una profundacomprensión de los micro-mecanismos que gobiernan la deformación a alta temperatura.A juzgar por los resultados, tanto de caracterización de espectroscopía mecánica como deanálisis microestructural, la aleación TNM+-FL nano-laminar se presenta como laVcandidata más prometedora a mejorar la respuesta en fluencia y a incrementar latemperatura de servicio.Se puede concluir que, desde el punto de vista de la ciencia básica, todos los resultadosexperimentales presentados en esta tesis doctoral, junto con las respectivas discusiones yconclusiones, constituyen una valiosa contribución a la comprensión de los procesos dedifusión que tienen lugar en los intermetálicos de TiAl y de los mecanismos dedeformación que gobiernan la fluencia. Asimismo, desde el punto de vista de laingeniería, los resultados obtenidos proporcionan información relevante para la mejorade las aleaciones de TiAl hacia un uso más adecuado y económico.