Recubrimientos avanzados para aplicaciones aeroespaciales

A partir de aluminio, acero y madera el Wright Flyer hizo historia como la primera máquina capaz de desplazarse por el aire el 17 de diciembre de 1903. Desde entonces, la historia de los materiales ha evolucionado y hoy en el diseño de aeronaves se consideran materiales que permitan volar a través de la atmósfera terrestre e incluso ir más allá, al aventurarse en la exploración espacial. Para perseguir estos objetivos se diseñan en la actualidad materiales capaces de soportar cambios repentinos en relación con temperaturas y cargas mecánicas.

Esta es una de las razones por la que a escala global existe un intenso interés en el fortalecimiento del sector aeroespacial, que demanda un incremento en investigación, desarrollo e innovación relacionadas con la implementación de nuevas tecnologías e investigación en materiales. Este nicho de oportunidades para realizar estudios de carácter científico con aplicaciones prácticas destinadas al sector aeroespacial contempla, entre muchas otras áreas, el desarrollo de materiales destinados a recubrimientos de alto desempeño, así como las tecnologías empleadas en su manipulación.

Los materiales para usar en recubrimientos avanzados son cuidadosamente diseñados y sintetizados con el fin de satisfacer las demandas de trabajo de un componente aeroespacial en condiciones de operación a alta temperatura, que ofrezcan el efecto protector deseado. Aumentar la eficiencia en la disipación térmica implica que las superaleaciones base níquel, empleadas en la fabricación de turbinas de gas de aviones de última generación, requieren la aplicación de barreras térmicas a partir de recubrimientos que maximicen su desempeño a temperaturas superiores a 1200 °C durante largos periodos de funcionamiento.

El diseño de recubrimientos para barreras térmicas, en los que se emplean generalmente óxidos cerámicos, se depositan sobre la superficie del material base para prolongar su vida útil en condiciones extremas de operación. Sin embargo, los materiales cerámicos, por ser frágiles, tienen baja tolerancia al daño y a la expansión térmica. Cuando se trata de revestimientos aplicados en polvo es deseable que los recubrimientos posean baja conductividad térmica, excelente comportamiento de sinterización, tolerancia al daño ocasionado por el impacto de partículas externas y un alto grado de adhesión al material base.

Además de compuestos base itrio, como una de las tierras raras más ampliamente usadas en barreras térmicas, se explora el uso de sistemas multicomponentes o de alta entropía que contienen zirconatos, diseñados con propiedades de ultrabaja conductividad térmica y que cumplen con las demandas antes mencionadas, como lo han demostrado investigadores del Instituto de Tecnología en Beijing, en China.

Sin embargo, en el diseño de componentes aeroespaciales, además del níquel y aleaciones ferrosas, materiales metálicos como el magnesio, el aluminio y otros materiales no ferrosos, son ampliamente utilizados en la industria aeroespacial y su selección se debe a su excelente estabilidad dimensional, bajo peso y alta resistencia mecánica, así como por su conductividad eléctrica y térmica, cuya aplicación se enfoca a estructuras.

De entre los materiales no ferrosos empleados en la industria aeroespacial, el titanio comercialmente puro y la aleación de titanio, representados por Ti-6Al-4V, se utilizan principalmente para la estructura del avión y las piezas del motor, respectivamente. Siendo uno de los materiales más ligeros y resistente a altas temperaturas, el titanio y sus aleaciones permiten el reemplazo de aleaciones de níquel.

Sin embargo, el titanio presenta un comportamiento pobre en condiciones de desgaste. Esta deficiencia se ha superado con la formación de revestimientos nanométricos obtenidos por procesos de nitrurado y, más recientemente, por procesos de oxidación por microarco.

Aunque en el área de ingeniería de superficies hay una multitud de técnicas disponibles para la aplicación de recubrimientos o modificación de superficies, como electrodeposición, depósito físico de vapor (PVD), depósito químico de vapor (CVD), rociado térmico y modificación superficial por láser, entre muchas otras, la modificación de las superficies puede llevarse a cabo mediante manufactura aditiva, aplicando capas delgadas que permiten proteger o reconstruir defectos superficiales.

Específicamente, el tratamiento de superficies por medio de láser incluye técnicas avanzadas que permiten desarrollar capas funcionales de materiales sobre una amplia gama de metales base. Por Laser Cladding pueden aplicarse recubrimientos convencionales sobre superficies ferrosas y no ferrosas, con la posibilidad, además, de desarrollar y aplicar materiales funcionales en etapa aún de desarrollo como es el caso de aleaciones de alta entropía, que presentan problemas de segregación al ser aplicadas mediante otras tecnologías. Aunque la manufactura aditiva empleada en el diseño de recubrimientos avanzados es un área en pleno desarrollo, se siguen reportando publicaciones sobre el control de los parámetros de depósito con el propósito de mejorar su eficiencia, economía y calidad del proceso.

Aun cuando el sector de recubrimientos avanzados para aplicaciones aeroespaciales a escala global se encuentra en pleno desarrollo, con prometedores avances, y en el que intervienen organismos públicos y privados, se sigue trabajando en retos aún por resolver, entre los cuales pueden mencionarse aquellos asociados a las estrictas y necesarias regulaciones gubernamentales relacionadas con su implementación comercial y la optimización de las condiciones comerciales de depósito, en las cuales se considera la ayuda de inteligencia artificial. Una vez afrontados estos retos, se habrá dado un paso más hacia la disponibilidad de un tráfico aéreo más asequible y la posibilidad de extender las fronteras de la exploración espacial.