Los metales de alta temperatura son esenciales para los motores de aviones, las turbinas de gas, los sistemas de rayos X y otras tecnologías avanzadas. Entre los metales más resistentes al calor se encuentran los metales refractarios como el tungsteno, el molibdeno y el cromo, todos los cuales tienen puntos de fusión alrededor o superiores a 2000 °C (~3600 °F). A pesar de su excepcional tolerancia al calor, estos metales plantean desafíos importantes: son quebradizos a temperaturas normales y se oxidan rápidamente cuando se exponen al oxígeno, lo que provoca fallas entre 600 y 700 °C (~1100 a 1300 °F). Por este motivo, sólo se pueden utilizar en entornos de vacío especiales, como en ánodos giratorios de rayos X.
Para superar estas limitaciones, los ingenieros han confiado durante mucho tiempo en superaleaciones a base de níquel para piezas que deben resistir aire caliente o gases de combustión. Estos materiales son ideales en turbinas de gas y otros sistemas de alta temperatura.
“Las superaleaciones existentes están hechas de una serie de elementos metálicos raros que combinan varias propiedades. Son dúctiles a temperatura ambiente, estables a altas temperaturas y resistentes a la oxidación”, explica Martin Heilmaier, profesor del Instituto de Materiales Aplicados – Ciencia e Ingeniería de Materiales del KIT. “Pero, y ahí está el problema, la temperatura de funcionamiento, es decir, la temperatura a la que se pueden utilizar de forma segura, oscila hasta los 1.100 grados Celsius. Eso es demasiado bajo para explotar todo el potencial de una mayor eficiencia en turbinas u otras aplicaciones de alta temperatura. La realidad es que la eficiencia aumenta con la temperatura del proceso”.
Una oportunidad para un salto tecnológico
Al reconocer estos límites de rendimiento, el equipo de Heilmaier se propuso encontrar una nueva solución. En el grupo de formación científica “Materiales compuestos a partir de materiales compuestos para aplicaciones en condiciones extremas” (MATCOM-COMMAT) de la Fundación Alemana de Investigación (DFG), el equipo desarrolló una nueva aleación compuesta de cromo, molibdeno y silicio. Este material refractario a base de metal, en cuyo descubrimiento jugó un papel importante el Dr. Alexander Kaufmann, ahora profesor de la Universidad del Ruhr en Bochum, presenta propiedades nunca antes vistas.
“Es maleable a temperatura ambiente, su punto de fusión alcanza unos 2.000 grados Celsius y, a diferencia de las aleaciones refractarias conocidas hasta ahora, se oxida lentamente, incluso en el rango de temperatura crítico. Esto fomenta la visión de poder adaptar los materiales para que funcionen a temperaturas significativamente superiores a 1 grado Celsius. Nuestra investigación tiene el potencial de permitir un verdadero salto tecnológico”, afirmó Kaufman. Esto es particularmente notable porque la resistencia a la oxidación y la ductilidad aún no son lo suficientemente predecibles como para permitir un diseño específico, a pesar de los grandes avances que se han logrado en el desarrollo de materiales asistidos por computadora.
Más eficiencia, menos coste
“En una turbina, incluso un aumento de temperatura de tan sólo 100 grados centígrados puede reducir el consumo de combustible en aproximadamente un cinco por ciento”, explica Heilmeier. “Esto es especialmente importante en el sector de la aviación, porque en las próximas décadas los aviones propulsados por electricidad difícilmente serán adecuados para vuelos de larga distancia. Por lo tanto, una reducción significativa del consumo de combustible será una cuestión importante. Las turbinas de gas estacionarias en las centrales eléctricas también pueden funcionar con bajas emisiones de CO2. Gracias al refuerzo de muchos componentes, se fortalecen otros componentes. Es necesario tomar medidas”, afirma Heilmeier. “Sin embargo, con nuestro descubrimiento en la investigación básica, hemos alcanzado un hito importante. Los grupos de investigación de todo el mundo ahora pueden aprovechar este logro”.
