Reducción de la variabilidad en los ensayos de materiales a altas temperaturas
Aumentar la eficiencia de los motores de aviación requiere no solo innovación en materiales y diseño, sino también una mejora en la calidad de los datos de los ensayos.
La fatiga de bajo número de ciclos (LCF) a temperaturas elevadas (hasta 1.000 °C) ha sido un área de ensayo importante en la industria aeroespacial durante décadas. El objetivo es simular las condiciones de carga agresivas que experimentan los materiales en componentes críticos de turbinas, generando datos para su uso en la selección de materiales o procesos, la liberación de lotes o, más recientemente, para la simulación.
La búsqueda de una mayor fidelidad en esta simulación ha provocado un renovado interés en los datos de los ensayos LCF. Una de las motivaciones subyacentes es la demanda de menores emisiones de carbono. Un pequeño aumento de la temperatura utilizable en el lugar adecuado puede proporcionar una mejora mensurable de la eficiencia. Mientras que el uso de compuestos estructurales ha permitido reducciones impresionantes en el peso de las aeronaves, la mejora de la eficiencia de los motores es una victoria sencilla para las emisiones.
¿Qué significan unos datos mejores?
Todo comportamiento de fatiga de los materiales presenta dispersión o distribución, por lo que el diseño y la simulación utilizan valores de límites de confianza estadísticos para tenerlo en cuenta. Sin embargo, no toda la dispersión es una variación real del material por sí sola, sino que el propio procedimiento de ensayo introduce cierta aleatoriedad adicional. La variación en el funcionamiento del sistema de ensayo (ya sea por la mecánica o por el operario) significa que, incluso si fuera posible volver a ensayar la misma probeta, probablemente daría un resultado ligeramente diferente. Esto significa que, a veces, los valores admisibles de diseño pueden mejorarse simplemente recopilando mejores datos.
Como comunidad de ingenieros de ensayos, a menudo nos centramos obsesivamente en la precisión simple, pero nos hemos dado cuenta de que esto por sí solo no es suficiente; la repetibilidad es vital. Las vías de mejora se resumen en mejores controles mecánicos y térmicos, pero sus implicaciones pueden no ser las que se esperan. Trabajando en colaboración con nuestros clientes, Instron ha desarrollado soluciones en tres áreas clave que han supuesto un reto para los fabricantes y los profesionales de los ensayos durante las últimas décadas.
Estímulos mecánicos
En primer lugar, la sujeción y la alineación de las probetas son una fuente importante de variabilidad. En el pasado se han utilizado muchos diseños de mordazas teóricamente sólidos, pero no ayudan necesariamente a que la carga sea repetible. Lo esencial es utilizar elementos de localización adecuados en la probeta, aplicar tolerancias estrechas tanto a la mordaza como a la probeta, y una acción de sujeción sin ningún movimiento fuera del eje. Simultáneamente, se necesita una alta rigidez lateral de todo el sistema para mantener esa alineación durante un ensayo; es importante darse cuenta de que la mayor parte de la conformidad lateral en la probeta no proviene del marco de carga, sino de la flexión de las varillas de tracción y del tren de transmisión.
En segundo lugar, la fidelidad del control de los ensayos mecánicos es importante. Esto puede parecer obvio, pero no es trivial de lograr, a menos que el sistema de control del marco de ensayo esté sintonizado de manera eficaz y consistente. Ha sido una práctica común permitir a los primeros 10 ciclos de fatiga un margen considerable para «envolverse» hacia la carga objetivo, aunque estos ciclos iniciales suelen ser los más críticos, cuando el material cambia más rápidamente (endurecimiento o ablandamiento). Históricamente, la sintonización era una operación especializada, en la que lo que se consideraba «bueno» era muy subjetivo. Los últimos algoritmos de sintonización patentados de Instron, basados en la rigidez, eliminan cualquier riesgo de sobrecarga o preciclado de una probeta durante la configuración del ensayo, al tiempo que logran un control del ensayo casi idéntico entre diferentes operarios, máquinas e incluso laboratorios.
Control y medición térmica
En tercer lugar, Instron ha automatizado completamente el control de la temperatura de la probeta. El hardware de control de hornos en la mayoría de los laboratorios ha seguido siendo sorprendentemente primitivo, controlando manualmente las tres zonas del horno de forma independiente, lo que requiere un trabajo previo al ensayo extenso, especializado y que consume mucho tiempo. Los últimos sistemas de control de hornos de Instron están totalmente presintonizados y utilizan múltiples mediciones de temperatura de la probeta para controlar el horno de forma adaptativa sin ninguna intervención del operario. Cada ensayo se realiza automáticamente a la temperatura prevista, con tiempos de calentamiento más rápidos, minimizando al mismo tiempo el exceso de temperatura y el gradiente de la probeta. La interfaz totalmente informatizada permite añadir funciones como las calibraciones de termopares y registrar una amplia variedad de métricas, lo que mejora enormemente la trazabilidad.
Estandarización internacional
Lo que generalmente se considera «mejores prácticas» dentro del sector aeroespacial sigue estando significativamente por delante de la estandarización internacional pública como ISO, ASTM, JSA (Asociación Japonesa de Normas) y BSI (Instituto Británico de Normas). Obviamente, determinadas empresas o grupos utilizan especificaciones de ensayo internas o normas comerciales, pero estas no se publican abiertamente a toda la comunidad. Los requisitos de Nadcap son moderadamente estrictos, pero están limitados por el hecho de que su función es solo garantizar la buena implementación de cualquier especificación de ensayo particular. La esencia de normas como ASTM E606 e ISO 12106 está bien establecida, aunque existe un debate continuo sobre cómo mantenerlas y mejorarlas. Algunas de las consideraciones giran en torno a la geometría de la probeta y los requisitos de acabado —especialmente cómo implementarlos en el contexto de las probetas fabricadas mediante fabricación aditiva—, pero también sobre la mejora de la robustez de los requisitos de calidad para el control de los ensayos. Para los profesionales experimentados, cabe señalar que existe un método algo más estricto de verificación de la alineación para los equipos de ensayo de fatiga (ISO 23788) y, en 2022, la ISO publicó una especificación técnica para la verificación de la medición de la temperatura de las probetas (ISO 21913).
Los principales laboratorios de ensayos de la industria aeroespacial son muy conscientes de ello y establecen requisitos claros y estrictos para los nuevos equipos, pero muchos laboratorios de investigación pequeños o nuevos no conocen estos requisitos más exigentes. En consecuencia, se ha vuelto más importante que nunca que los proveedores de equipos mantengan un buen conocimiento de las necesidades del mercado, ayudando a los nuevos laboratorios a unirse a la comunidad de ensayos con la tecnología más avanzada.
Conclusión
Las exigencias medioambientales y sociales actuales de la industria se combinan con años de mejora en el diseño y la simulación para promover el desarrollo de una mayor eficiencia en las turbinas de gas y la generación de energía en general. En la industria de los ensayos de materiales, debemos responder apoyando al sector de la ingeniería con equipos que proporcionen la mayor confianza posible en los datos y faciliten las buenas prácticas científicas para garantizar la reproducibilidad de los experimentos. Los recientes avances en el diseño de equipos analizados en este artículo ejemplifican ese principio y han abordado la necesidad industrial de mejorar la consistencia de los datos de los ensayos eliminando los efectos ocultos de la alineación, el control de los ensayos y el control de la temperatura.
Sobre el autor
Peter Bailey, Dr.
El Dr. Bailey es el especialista principal en aplicaciones para ensayos de fatiga y mecánica de la fractura en Instron. Trabaja en High Wycombe, Reino Rico, en la fábrica y centro de excelencia de la empresa para ensayos dinámicos. Con más de 20 años de experiencia en ciencia de materiales experimental, también participa en el desarrollo de normas, como coordinador de grupos de trabajo y delegado del Reino Unido en el comité técnico TC164 de la ISO, y colaborador del comité E08 de la ASTM.