Ti-Al intermetallics for aerospace applications: atomic relaxation processes,microstructure and mechanical properties at high temperature.

Abstract

El presente trabajo de investigación se encuadra en la línea de "Materiales Intermetálicos para 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 colaboración internacional con el Dpt. of Physical Metallurgy and Materials Testing de la Universidad de 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 esta colaboración 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 el rendimiento económico de los sistemas de transporte ha motivado intensas investigaciones durante las últimas tres décadas. El desarrollo y procesado de materiales para altas temperaturas, es la clave del avance tecnológico en áreas de la ingeniería en las cuales se deben alcanzar requerimientos extremos, como es el caso de la industria aeronáutica. Los requisitos de una mayor eficiencia, reducción de emisiones de CO2 y de consumo de combustible y disminución del peso en los motores de aviación es la fuerza motriz para el desarrollo de materiales ligeros innovadores y resistentes a altas temperaturas que puedan sustituir parcialmente los materiales empleados en la actualidad.Las aleaciones intermetálicas de TiAl muestran un gran potencial para satisfacer dichas demandas [App00][Cle13].Hasta ahora, las superaleaciones de base níquel han dominado el ámbito de los álabes de turbinas en motores de reacción debido a su capacidad para soportar las elevadas cargas mecánicas 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 superaleaciones de 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]. Por ello las aleaciones de TiAl se han convertido en la mejor alternativa para reemplazar a las superaleaciones de base níquel en dichas turbinas, lo que llevaría a una reducción del peso IIestructural de los motores de reacción en un 20 o un 30% [Voi05] consiguiendo así un aumento 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 con un contenido equilibrado de Nb y Mo y que desde 2014 se está empleando en las etapas de baja presión de las turbinas del nuevo turbofán de Pratt&Whitney que ya está volando en los aviones de Airbus A320neo. Con el propósito de aumentar la temperatura de servicio de estos componentes aeronáuticos, se está invirtiendo un gran esfuerzo en la investigación del efecto de los elementos de aleación y de las diferentes microestructuras en las aleaciones de TiAl.El propósito de la presente investigación, con el fin de desarrollar materiales competitivos mejorados, es la investigación de nuevas generaciones de TiAl entendidas como una actualización 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 diferentes microestructuras, 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 de aleación.Para que las aleaciones de TiAl resulten idóneas para el cumplimiento de las demandas de ingeniería aeronáutica, se requiere una buena estabilidad microestructural y un buen comportamiento de resistencia a la fluencia. Estas propiedades vienen controladas por los procesos de difusión y de deformación, por ello resulta crucial identificar los mecanismos atómicos de movilidad de defectos que controlan los procesos de deformación. Este estudio se puede llevar a cabo con éxito mediante la técnica experimental denominada Espectroscopía Mecánica [Fan01, San01]. En este trabajo, se implementa una nueva estrategia para el uso de la espectroscopía mecánica, que da información sobre los procesos de relajación atómica asociados a la movilidad de defectos cristalinos, y combina 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 los procesos 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 denominada Espectroscopía 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 para estudiar los mecanismos de relajación observados a diferentes temperaturas y tambiénpara determinar las energías de activación de la fluencia. La microscopía electrónica de barrido ha sido empleada para verificar la condición no destructiva de la técnica y también para identificar las transformaciones de fase que han tenido lugar cuando ha sido necesario alcanzar temperaturas más elevadas. Al final del capítulo se expone una discusión de los resultados presentados a lo largo de este.IV El 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 en este capítulo los datos obtenidos para la familia TN1.5Mo+C mediante espectroscopía mecánica y microscopía electrónica de barrido, con el fin de establecer una comparación entre esta familia y las aleaciones TNM.El capítulo 6 es el tercer y último capítulo de resultados. En él se resumen la caracterización completa llevada a cabo en la familia TNM+ mediante espectroscopía mecánica 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 ha desarrollado una discusión relativa a los resultados expuestos en cada uno de ellos, es importante hacer una discusión general incluyendo todos los aspectos implicados. De esta manera, el conocimiento adquirido en el análisis y estudio de unas aleaciones se emplea para 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 difusión del 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 resultados experimentales presentados en esta tesis doctoral, junto con las respectivas discusiones y conclusiones, constituyen una valiosa contribución a la comprensión de los procesos de difusión que tienen lugar en los intermetálicos de TiAl y de los mecanismos de deformación 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.