RETO DEL CLIENTE
Las turbinas de motor a reacción deben funcionar sin problemas en entornos de temperaturas extremas, durante muchos años de servicio y millones de millas en el aire. Los recubrimientos de barrera térmica son una de las tecnologías que lo hacen posible. Estas delgadas capas de material cerámico conducen muy poco calor, lo que permite que las palas de la turbina soporten temperaturas muy altas y que los motores a reacción funcionen de manera más eficiente.
Actualmente, la Universidad de Florida Central en Orlando está llevando a cabo una investigación avanzada sobre los recubrimientos de barrera térmica. La escuela es una universidad asociada del Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP), una organización de investigación financiada por el estado creada para desarrollar una fuerza laboral altamente calificada y diseñar nuevas tecnologías para la industria aeroespacial. En la UCF, los investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica, de Materiales y Aeroespacial están estudiando la evolución de la tensión en los óxidos de los recubrimientos de las barreras térmicas, obteniendo información que ayudará a mejorar el rendimiento de las turbinas.
La Dra. Seetha Raghavan, dirige un equipo de estudiantes dedicado a analizar el comportamiento de la capa de óxido de los recubrimientos de barrera térmica bajo cargas térmicas y mecánicas específicas. El equipo utiliza tanto espectroscopía como rayos X de alta energía para adquirir mediciones en el lugar de probetas sometidas a cargas térmicas y mecánicas. Este enfoque permite al equipo de la Dra. Raghavan observar exactamente cómo fallan las cerámicas de alta resistencia en tiempo real.
En el pasado, para observar las señales espectrales con deformación se recurría únicamente a una configuración de prueba basada en la microsonda. Sin embargo, este enfoque, con sus limitaciones de espacio inherentes, presenta retos exigentes de integración de equipos. Los intentos por desarrollar equipos de carga especializados que encajen en el espacio de la microsonda han dado lugar hasta ahora a sistemas con rangos de carga máxima, control y precisión comprometidos.
Para superar este reto, la Dra. Raghavan decidió utilizar un espectrómetro Raman Renishaw con una sonda de fibra óptica y acoplarlo a un sistema MTS, lo que permite la adquisición de datos Raman/fotoluminiscencia de precisión con carga en el lugar a través de un láser remoto sin contacto. Sin embargo, esto generó retos adicionales. Los datos del espectrómetro y del sistema de carga debían interactuar, y ambos flujos de datos debían ser mapeados en tiempo real durante la compresión o la tensión.
Un reto adicional resultó ser la naturaleza de las altas tensiones de compresión dentro de los óxidos de los propios revestimientos de barrera térmica. La calibración de los picos espectrales con la deformación en las pruebas de compresión requirió aplicar grandes cargas en probetas de sección transversal relativamente pequeñas de alúmina policristalina. Como la resistencia a la compresión de estas probetas es superior en un orden de magnitud a la resistencia a la tracción, generar datos de alta calidad y evitar fallas prematuras requeriría una aplicación altamente uniforme y precisa de cargas de compresión.
"Necesitábamos una carga precisa y altamente confiable con un control superior, en una configuración compleja con varios otros instrumentos", explica el Dr. Raghavan.
SOLUCIÓN DE MTS
Para satisfacer estas necesidades, el Dr. Raghavan eligió un sistema MTS Insight 50, con un diseño de tablero de 50 kN de dos columnas. Este sistema ofrece un control de alta resolución durante las cargas continuas, así como el mantenimiento de la carga mientras se generan mapas de tensión automáticos, ambos fundamentales para determinar el comportamiento de la deformación de los óxidos dentro de los recubrimientos de barrera térmica utilizando la espectroscopia.
"Seleccionamos el sistema MTS Insight 50 porque nos brinda la capacidad de realizar pruebas de esfuerzo con cerámicas de alta resistencia con espectroscopía en el lugar", menciona el Dr. Raghavan. "Además, obtenemos el beneficio adicional de trabajar con técnicos de MTS que entienden cómo integrar estas configuraciones complejas".
El bastidor de carga electromecánico MTS Insight está impulsado por el mejor software TestWorks® de su clase, que es fundamental para satisfacer las necesidades del equipo de UCF. El software debe interactuar perfectamente con el software específico del espectrómetro, así como garantizar que las señales espectrales se registren exactamente al mismo tiempo que se aplican las cargas, para que los gráficos de carga espectral sean precisos.
"Los técnicos de MTS fueron particularmente útiles para conseguir que el software TestWorks se ajustara a los tiempos de recopilación de datos y para modificar el software para mantener las tensiones", señala el Dr. Raghavan. "Estaban realmente interesados en lograr que esta nueva combinación de instrumentación funcionara según nuestras especificaciones exactas".
Aunque la instrumentación y los métodos del laboratorio son muy sofisticados, es importante que los controles sean intuitivos y fáciles de usar.
"Los estudiantes sénior de diseño de nuestro departamento asumieron el reto de desarrollar módulos de integración de hardware y software para esta novedosa instrumentación. La solución completa de MTS fue realmente útil cuando el equipo de diseño senior estaba integrando la instrumentación, porque no tuvieron que dedicar demasiado tiempo a descubrir el software TestWorks", dijo el Dr. Raghavan. "Es realmente flexible y la interfaz es simple de operar para los estudiantes. También será muy útil para nuestras clases de laboratorio".
BENEFICIOS PARA EL CLIENTE
El Dr. Raghavan considera que la investigación que el departamento está realizando sobre los recubrimientos de barrera térmica dará lugar a herramientas de caracterización estructural y de materiales más eficaces para toda la industria aeroespacial.
"Esta es una tecnología muy emocionante y prometedora", afirma. "Estas capacidades de prueba nos ofrecen un método muy sofisticado de medición no invasiva, que nos hará avanzar considerablemente en términos de caracterización mecánica en el lugar. Este método muestra un gran potencial para la evaluación en tiempo real de cerámicas de alta resistencia, así como compuestos de aditivos de carbono en el campo. Proporcionará resultados de alto impacto para la industria aeroespacial y para el campo más amplio de la ciencia de los materiales".
La clave es calibrar los picos espectrales con cargas altamente precisas y aplicadas de manera consistente, lo que se puede lograr fácilmente utilizando el software TestWorks y el sistema MTS Insight 50.
"Es fundamental para nuestro laboratorio llevar a cabo una carga confiable y de alta precisión y ofrecer constantemente mediciones de carga de alta calidad y alta resolución. Por eso decidimos trabajar con MTS", indica el Dr. Raghavan.
Además del hardware de precisión, el enfoque proactivo de los técnicos de MTS permitió al laboratorio crear una solución de prueba eficaz de forma rápida y sencilla.
"Los técnicos de MTS estaban entusiasmados con nuestro proyecto", menciona el Dr. Raghavan. "Fueron realmente proactivos al ayudarnos a comprender lo que necesitábamos para esta aplicación de prueba única. Hablamos ampliamente sobre la integración antes de comprar cualquier producto MTS, y MTS incluso habló directamente con el fabricante del sistema de espectroscopia sobre la compatibilidad del software. Hicieron todo lo posible para ayudarnos a alcanzar nuestros objetvos. Juntos, estamos ampliando con éxito los límites de lo que es posible en la caracterización de materiales no invasivos".
