Simulación del proceso de prensado isostático en caliente mediante modelización por elementos finitos

Résumé

El sector aeroespacial se caracteriza por su aspecto innovador, el cual se da debido a la alta exigencia tecnológica inherente a este sector. Por ello, los procesos de fabricación, tecnologías y materiales más punteros surgen desde la investigación y desarrollo realizados en este sector. Parte del esfuerzo realizado en este sentido, ha sido mejorar la eficiencia y potencia específica de los motores de avión. Para ello, las condiciones de trabajo a las que se someten los componentes de estos sistemas de propulsión son cada vez más severas, como por ejemplo, temperaturas más altas, mayores gradientes de temperatura, ambientes corrosivos, fatiga termo-mecánica... Por lo tanto, los avances en los materiales empleados en las turbinas de gas juegan un rol primordial. En el desarrollo de nuevos materiales, destacan las superaleaciones base Níquel empleadas en este sector. No obstante, los componentes fabricados con superaleaciones base níquel provienen de procesos convencionales de fundición, forjado y mecanizado. En este tipo de procesos el ratio buy-to-fly, el cual se define como el ratio entre la cantidad de materia prima y cantidad de materia en la pieza final, puede llegar a ser tan alta como 10:1. Con el objetivo de reducir los costes generados por el desperdicio de material prima, los procesos de forma neta (conocidos en ingles como Near Net Shape, o por sus siglas NNS) han suscitado el interés de la comunidad investigadora estas últimas décadas. Un ejemplo de este tipo de procesos es el Near Net Shape Hot Isostatic Pressing (NNS-HIP), mediante el cual se logra reducir el ratio buy-to-fly hasta 1.5:1. En un proceso NS-HIP se introduce polvo en una cápsula con un diseño adecuado, se evacúa el aire de la cápsula y se sella herméticamente. A continuación, la cápsula se somete a un prensado isostático en caliente típicamente a 100-150 MPa de presión y elevada temperatura (~0.8-0.9 Tm, donde Tm representa la temperatura de fusión del material) de tal manera que el polvo densifica por un proceso de sinterización en estado sólido. Durante el proceso de HIP la cápsula sufre una contracción importante que debe ser predicha de manera precisa si se desea finalizar con una forma cercana a la pieza final. En la presente tesis se ha desarrollado una ley constitutiva para materiales con comportamiento elasto-viscoplástico poroso que permite predecir las formas finales de los componentes tras el proceso de compactación HIP. Para su calibración, se han caracterizado experimentalmente tanto la superaleación base níquel (tanto en su estado 100% denso como en piezas parcialmente densas), como el acero empleado para las cápsulas. Además, en paralelo y con el fin de entender y validar el comportamiento del material parcialmente denso, se ha elaborado un modelo mesoscópico en el que se analiza el comportamiento del polvo parcialmente densificado con diferentes formas y bajo distintas condiciones de carga. Por último, se ha desarrollado una herramienta iterativa para el diseño óptimo de las cápsulas. De esta manera, se consiguen diseños de utillajes óptimos para lograr la geometría objetivo y conseguir así reducir los costes de producción al mínimo.