Lección 1.8Dar formaCapítulo 1 · Fundición

Colada de monocristal (álabes de turbina)

Una solidificación lenta desde un extremo hace crecer la pieza como un único cristal

La colada de monocristal fabrica una pieza metálica que es un único cristal continuo, sin ningún límite de grano (las uniones entre cristales). Se usa para los álabes de turbina más calientes de los motores a reacción y de las turbinas de gas de las centrales eléctricas. Esos álabes giran al rojo vivo durante miles de horas, y los límites de grano son por donde se deformarían despacio (fluencia) y se agrietarían.

Foto: Lee Langston, CC BY-SA 4.0, vía Wikimedia Commons

Colada de monocristal · horno de extracción y tipos de granoEl dibujo de la izquierda muestra el molde del álabe saliendo del horno; el recuadro de la derecha compara tipos de grano. Los números en círculo coinciden con los pasos de abajo.

Cómo funciona

Haz un molde cerámico. Como en la fundición a la cera perdida (lección 1.2), un álabe de cera se recubre de cerámica y se funde la cera. Un macho cerámico interior forma los canales de refrigeración del álabe, y se añade bajo el álabe un conducto en espiral, el selector de grano.
Cuela en un molde caliente. El molde se apoya en una placa refrigerada dentro de un horno de vacío, para que la superaleación de níquel no reaccione con el aire. El molde se calienta por encima del punto de fusión del metal, unos 1.500 °C, y se cuela el metal.
Empieza a solidificar desde abajo. La placa refrigerada por agua solidifica primero el metal del fondo. Muchos cristales pequeños nacen en el bloque de arranque y todos crecen hacia arriba.
Deja pasar un solo cristal. El selector de grano en espiral es demasiado retorcido para que la mayoría de los cristales lo sigan; normalmente solo uno sale por arriba. Se puede usar un cristal semilla para fijar su dirección.
Extrae despacio. El molde se baja fuera de la zona caliente a través de un deflector, normalmente a unos pocos centímetros por hora. El frente de solidificación se mantiene plano en el deflector y el monocristal crece hacia arriba por todo el álabe.
Retira la cáscara e inspecciona. La cerámica se rompe y el macho se disuelve. Cada álabe se ataca químicamente y se comprueba, con rayos X y medición de la orientación del cristal, para confirmar que es un único cristal.

Datos clave

Materiales: Superaleaciones base níquel (aleaciones resistentes al calor de níquel con cromo, cobalto, aluminio, renio y otros)
Piezas típicas: Álabes y toberas de turbina de alta presión en motores a reacción y turbinas de gas
Tamaño de pieza: Los álabes de aviación miden de unos pocos centímetros a unos 15 cm; los de centrales eléctricas pueden ser varias veces mayores
Precisión: Nivel de la fundición a la cera perdida, unos ±0,1 mm, con finos orificios de refrigeración taladrados después
Acabado superficial: Lisa: Ra (rugosidad media) de aproximadamente 1 a 3 µm, y luego se recubre
Tamaño de lote adecuado: De miles a cientos de miles de álabes al año por programa de motor
Coste de utillaje y máquina: Los hornos de extracción en vacío cuestan millones de dólares; cada álabe cuesta de cientos a miles de dólares
Velocidad: Lento: unas pocas horas por ciclo de extracción, con varios moldes por carga del horno

Ventajas y límites

Ventajas

Sin límites de grano, así que excelente resistencia a la fluencia y al agrietamiento al rojo vivo
Permite que los motores trabajen más calientes, lo que ahorra combustible
Se puede elegir la dirección del cristal para lograr la mejor rigidez y vida a fatiga
Los complejos canales de refrigeración internos salen del macho cerámico

Límites

Muy lento y caro
Muchos álabes se desechan cuando se forman granos espurios
Necesita hornos de vacío y aleaciones costosas con elementos raros como el renio
Solo es práctico para piezas pequeñas de muy alto valor

Dónde se usa

AeroespacialÁlabes y toberas de turbina de alta presión de motores a reacción
Generación de energíaÁlabes de primera etapa de grandes turbinas de gas
DefensaMotores de aviones militares y de helicópteros
InvestigaciónMuestras monocristalinas para estudiar aleaciones

Cómo reconocerlo

Normalmente no se ve en un álabe terminado y recubierto: parece cualquier pieza de fundición de precisión.
Tras el ataque químico (un baño de ácido que revela los granos), un álabe monocristalino muestra una superficie uniforme sin patrón de granos.
Un álabe de fundición normal muestra un mosaico de granos; uno de solidificación direccional muestra largas franjas de la raíz a la punta.
Diminutos orificios de refrigeración en la superficie y una raíz en forma de abeto, típicos de los álabes de la zona caliente.

Compáralo con

Fundición a la cera perdida1.2el mismo método de cera y cáscara cerámica; la colada de monocristal añade una solidificación lenta y controlada desde un extremo.Crecimiento de cristales por el método Czochralski13.1también hace crecer un monocristal, pero extrae silicio de un baño fundido para hacer lingotes redondos, no piezas con forma.Fusión de lecho de polvo por láser8.4construye piezas de superaleación capa a capa, pero con muchos granos pequeños.

Míralo

Magic Marks · Una breve explicación de la solidificación lenta y en una sola dirección que da los monocristales

Asianometry · La historia de los álabes: de los normales a los columnares y a los monocristalinos

Jetline Marvel · Por qué estos álabes son tan difíciles de fabricar y por qué se desechan tantos

The Business Times · Imágenes reales de una fábrica de álabes de turbina

Ver fotos reales

Wikipedia: Álabe de turbina — materiales de los álabes, refrigeración y antecedentes de la colada
Wikipedia: Solidificación direccional — el método de solidificación lenta y en una sola dirección
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

El objetivo es una pieza sin límites de grano, que son débiles al rojo vivo.
La solidificación lenta de abajo arriba, más un selector en espiral, deja crecer un solo cristal.
Extremadamente lento y costoso, así que se reserva para los álabes de turbina más calientes.