Recientemente, la Universidad Politécnica del Noroeste (NPU) de China anunció el desarrollo exitoso de un nuevo tipo de material de aleación de ultraalta temperatura que puede soportar temperaturas de hasta 2400 grados Celsius. Este material muestra la misma estabilidad tanto a temperaturas altas como normales y posee una excelente resistencia a la oxidación. Se espera que este avance desempeñe un papel crucial en la investigación y el desarrollo de la nueva generación de motores de aviación de China.
Los motores son uno de los factores clave en la tecnología aeroespacial. Históricamente, China ha quedado rezagada en este ámbito, careciendo de un “gran corazón” para impulsar el desarrollo de diversas aeronaves.
La aleación desarrollada por la NPU acelerará el desarrollo de los motores chinos, lo que repercutirá directamente en la investigación y el desarrollo de los aviones de combate de sexta generación de China. ¿Cuáles son las particularidades de este material de aleación y cómo lo desarrolló la NPU?
Los rigurosos requisitos de los materiales para los motores de aviación
La parte más crítica de un motor de aviación es la turbina de alta presión. Las turbinas actuales pueden alcanzar velocidades de más de 10.000 revoluciones por minuto, generando temperaturas de hasta 1.800 grados Celsius. Para los aviones de combate de sexta generación que se están desarrollando en China, estos motores aún no están a la altura.
Idealmente, se espera que el avión de combate chino de sexta generación alcance una velocidad de vuelo de 20 Mach, 20 veces la velocidad del sonido, volando a más de 6.800 metros por segundo. El uso de un motor de turbofán significa que la turbina de alta presión tendría que soportar temperaturas de admisión superiores a los 2.100 grados Celsius. Temperaturas tan altas están más allá de las capacidades de los materiales de aleación comunes.
Las altas temperaturas son solo el primer obstáculo. Como parte de una aeronave, el motor debe permanecer resistente e inalterado a altas temperaturas y conservar la estabilidad cuando vuelve a la temperatura normal, una propiedad conocida como tenacidad a temperatura ambiente. Por ejemplo, si bien la cerámica puede soportar altas temperaturas, se rompe fácilmente a temperatura ambiente y, por lo tanto, no es adecuada.
Además, el material debe resistir la oxidación a altas temperaturas. Muchos metales reaccionan con el oxígeno del aire a altas temperaturas, formando una capa de óxidos en la superficie que se desprende continuamente, provocando una grave deformación del material. Un motor que utilice dichos materiales no sería fiable.
Cumplir sólo una de estas condiciones daría lugar a muchos materiales adecuados, pero encontrar uno que cumpla todos estos estrictos requisitos es un desafío.
El material de aleación de ultraalta temperatura desarrollado por NPU satisface todas estas condiciones. El componente principal de esta aleación es la aleación de niobio. El niobio (Nb) es un metal con un punto de fusión de más de 2400 grados Celsius, inherentemente resistente a altas temperaturas. La aleación hecha con él combina resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación y tenacidad.
Procesamiento de aleación de niobio
Mientras el material esté disponible, la producción de las piezas correspondientes requiere un procesamiento. En el caso de las palas de una turbina de alta presión, las dimensiones y formas específicas deben ajustarse a las curvas estándar de los perfiles aerodinámicos y las palas deben tener canales internos precisos sin margen de error.
Para ello es necesario fundir la aleación de niobio, lo que requiere temperaturas superiores a los 2000 grados Celsius durante la investigación y las pruebas. Encontrar un recipiente que pueda soportar temperaturas tan altas es un desafío, y cualquier contaminación durante el proceso de fundición hace que los materiales sean inutilizables.
En la Tierra, estos problemas son difíciles de resolver, pero ¿qué pasa en el espacio?
En el espacio, todas las sustancias son ingrávidas. Por ejemplo, durante la fundición o la mezcla experimental, una aleación de niobio puede suspenderse en el espacio y calentarse mediante microondas o electromagnetismo hasta alcanzar su punto de fusión. Los investigadores pueden manipularla entonces libremente.
La Estación Espacial Tiangong de China ya ha establecido un “Laboratorio Espacial Nacional” con un “Gabinete de Experimentos de Ciencia de Materiales de Alta Temperatura” y un “Gabinete de Experimentos de Materiales sin Contenedores” específicamente para la investigación de la ciencia de los materiales, proporcionando un excelente entorno de investigación espacial para el desarrollo de diversos materiales.
La NPU ha estado investigando este material de aleación de temperatura ultra alta desde 2021. A través de las naves espaciales de carga Tianzhou-3, Tianzhou-4 y Tianzhou-5, se enviaron lotes de materiales experimentales a la estación espacial para realizar pruebas exhaustivas de varias fórmulas de aleación, determinando finalmente la composición óptima para la aleación de niobio.
En el futuro, para procesar materiales especiales como la aleación de niobio, China podría trasladar «fábricas» al espacio. En un entorno de microgravedad, la eficiencia aumentará significativamente y se garantizará la fiabilidad.
