Con más de 25 años de experiencia en pruebas de materiales, metalurgia e ingeniería de sistemas, el Dr. Erik Schwarzkopf, científico de planta de MTS, aporta una experiencia única a los compromisos con los clientes. En esta entrevista, habla de los retos y compensaciones inherentes a varios tipos de pruebas de materiales a alta temperatura.
P: ¿Qué impulsa la necesidad de medir las propiedades de los materiales a temperaturas elevadas?
R:Los diseñadores de aviones, automóviles y sistemas de generación de energía ultraeficientes necesitan materiales con una mayor relación resistencia-peso, así como materiales que puedan soportar temperaturas de funcionamiento más altas durante más tiempo. En ambos casos, el objetivo es el mismo: eficiencia de combustible.
P: ¿Por qué este tipo de pruebas son complicadas?
R: “Temperatura elevada” significa cosas diferentes para diferentes investigadores. En general, pensamos en tres rangos de temperatura distintos para los materiales que tienen la mayor relación resistencia-peso. El primero es para compuestos de matriz polimérica, o PMC, de 200 °C a 500 °C. El segundo es para metales, de 800 °C a 1000 °C. El tercero es para compuestos de matriz cerámica, o CMC, que se prueban hasta 1500 °C. En cada rango, hay compensaciones que los ingenieros de pruebas deben considerar muy cuidadosamente para ejecutar las pruebas con eficacia, medir las propiedades de los materiales a temperaturas elevadas y obtener resultados de alta calidad.
P: ¿Qué tipo de compensaciones afectan la precisión de los datos de la prueba?
R:Los problemas surgen cuando se trata de objetos que necesitan tocar la probeta o estar cerca de la probeta. Eso significa mordazas, extensometría, hornos y cámaras. Los problemas tienden a ser sistémicos, por lo que resolver un problema con un componente tiende a generar problemas con otro componente.
P: ¿Cómo aparecen estos problemas interrelacionados durante la configuración de la prueba?
R: Comienza con la probeta, en muchos casos. Las probetas de PMC y CMC son planas. No se pueden sujetar de la misma manera que una probeta metálica redonda, roscada o con cabeza de botón. Para los PMC, recomendamos mordazas tipo cuña hidráulicas rentables y fáciles de usar. Las probetas de PMC a menudo son frágiles y la presión uniforme de las cuñas hidráulicas protege las fibras en la matriz de polímero, evitando que se aplasten y mantiene la presión correcta a medida que la cámara y el cabezal de la cuña se calientan. Estas mordazas son relativamente grandes, por lo que a menudo se combinan con una cámara ambiental más grande. La cámara ambiental suele ser más grande que los hornos necesarios para las pruebas de mayor temperatura, pero la masa térmica de las mordazas y de la cámara hace que las temperaturas sean muy estables.
P: ¿Qué sucede cuando coloca las mordazas más grandes dentro de la cámara?
R: La cámara más grande dificulta el uso de extensómetros de contacto, que los ingenieros de pruebas normalmente usarían en estas aplicaciones. Con una cámara más pequeña, puede colocar la tecnología de detección fuera de la cámara y permitir que traduzca el movimiento del brazo de contacto. Pero con una cámara más grande, no se puede trasladar ese movimiento de forma efectiva fuera de la cámara porque el brazo se alarga demasiado. El extensómetro debe estar dentro de la cámara, pero la temperatura elevada daña la electrónica sensible.
P: ¿Cómo se resuelve este problema con extensometría?
R: Una forma de solucionarlo es con una extensómetro de video y una correlación digital de imágenes, que pueden situarse fuera de la cámara. Una cámara con ventana permite mirar dentro y medir el movimiento en tiempo real. Pero esto tampoco está libre de complicaciones. Necesita una luz dentro de la cámara para iluminar la probeta para la cámara. Y a ciertas temperaturas, la iluminación de la probeta (o la radiación del cuerpo negro) reduce el contraste y la precisión de la video extensometría. Desarrollamos una forma de utilizar LED azules para iluminar la cámara y el filtrado óptico para minimizar los efectos de cuerpo negro y mejorar el contraste.
P: Teniendo en cuenta todos estos aspectos, ¿por qué no se utilizan probetas redondas desde el principio?
R:Los PMC y CMC se suelen diseñar como componentes estructurales planos. Incluso en el caso de los metales, a menudo no es posible obtener una porción de material lo suficientemente grande como para hacer una probeta redonda, sobre todo si el objetivo es probar un material que ha estado en servicio. A veces se extrae una pequeña probeta de un componente más grande, en concreto, las palas de la turbina de los motores a reacción. Las aspas que alcanzan las temperaturas de aplicación más elevadas se obtienen a partir de semillas monocristalinas con orificios de refrigeración para dejar pasar el aire. Estas aspas de formas intrincadas no tienen suficiente volumen para crear una probeta redonda. Cuando el espacio interdendrítico del monocristal es similar a las dimensiones de la probeta, ésta puede actuar de forma muy diferente a la de una probeta redonda.
P: ¿Las compensaciones son las mismas dentro de cada rango de temperatura?
R: En absoluto. Por ejemplo, normalmente recomendamos las mordazas para altas temperaturas MTS para la mayoría de las aplicaciones de alta temperatura. Pero el rango de CMC supera los 1000° C y estas mordazas comenzarían a perder fuerza. Lo ideal es que la mordaza esté lo más caliente posible para minimizar el gradiente, pero no tan caliente como para que la propia mordaza empiece a ablandarse. Si tuviera una probeta lo suficientemente larga, se podrían utilizar mordazas frías. Pero algunas probetas no se pueden hacer lo suficientemente largas, por las mismas razones que no se pueden hacer redondas. E incluso si se usan las mordazas frías, se introducen gradientes más grandes, lo que significa que habrá que hacer más pruebas debido a las variaciones de dichos gradientes, lo que agrega gastos.
P: ¿Cuál es la solución para sujetar las probetas en el rango de temperatura más caliente?
R:Hemos desarrollado una mordaza que se refrigera activamente de dos maneras diferentes, según el rango de temperatura que se necesite. Ambas trabajan a partir del mismo concepto, que es colocar la mordaza en una zona del horno que está relativamente menos caliente que la zona central. Si la zona central está a 1200 °C, las partes superior e inferior están más cerca de los 1000 °C. Con la refrigeración activa, la mordaza puede permanecer en la parte menos caliente y seguir manteniendo la probeta en su sitio con un gradiente aceptable. Para probar metales de hasta 1000 °C, desarrollamos una mordaza que se enfría moderadamente. Para probar CMC de hasta 1500 °C, contamos con una mordaza que se enfría agresivamente.
P: ¿Por qué es importante trabajar con un proveedor de soluciones que comprenda toda la prueba?
R:Es importante porque existen pocas soluciones comerciales listas para usar para este tipo de pruebas. Muchos laboratorios intentan construir estas soluciones internamente ensamblando componentes de diferentes proveedores. El problema es que las compensaciones están demasiado mezcladas. Es posible que el experto en extensometría no sepa cómo hacer que su oferta funcione a través de una ventana o dentro de una cámara. Los expertos en mordazas pueden hacer que las mordazas frías funcionen, pero el gradiente es tan grande que pone en duda los resultados de las pruebas. MTS puede armar la solución completa. La experiencia en la integración de sistemas es muy valiosa para las pruebas innovadoras a alta temperatura, ya que reduce la variabilidad y permite realizar menos pruebas para obtener resultados precisos.
