• Si bien el efecto de la fase Laves en los aceros 9-12%Cr resistentes a la fluencia es aún controversial y poco entendido, lograr que este inter-metálico actúe como fase de reforzamiento podría involucrar un salto cuantitativo desde temperaturas de operación de 620ºC a temperaturas de 650ºC a un costo relativamente bajo.

El proyecto adjudicado por el académico Juan Pablo Sanhueza del Departamento de Ingeniería en Materiales, denominado “Investigación de las transformaciones de fases en aceros 12% Cr: Laves como principal partícula de reforzamiento” busca diseñar, producir y caracterizar aceros resistentes a la fluencia o deformación reforzados por fase de Laves para la fabricación de componentes de paredes delgadas para centrales eléctricas de combustibles fósiles, con el fin de combinar una alta resistencia a la oxidación (~ 12% Cr) y alta resistencia a la fluencia (refuerzo por fase de Laves) a 650ºC.

“Las emisiones de CO2 a la atmósfera han sido constantes desde la revolución industrial y hoy en día representan la mayor amenaza para la salud mundial. Una gran parte de las emisiones de carbono está asociada a la quema de combustibles fósiles durante la generación de energía eléctrica en centrales a vapor. En este contexto, los esfuerzos de los metalúrgicos se han centrado en la búsqueda de materiales con mayores resistencias a alta temperatura con el fin de incrementar la eficiencia de las centrales termoeléctricas. Al aumentar la temperatura de funcionamiento de estas se espera la disminución de las emisiones de CO2, sin incrementar los costos asociados a materiales”, explica Juan Pablo Sanhueza, Doctor en Ciencia e Ingeniería de Materiales.

En consecuencia – agrega el investigador – la reducción de los gases de efecto invernadero emitidos por las centrales termoeléctricas de combustibles fósiles ha sido la fuerza motriz del desarrollo continuo de materiales resistentes a la alta temperatura. Por lo general, las plantas termoeléctricas se pueden clasificar como subcríticas, supercríticas y ultra-supercríticas en función de su temperatura y presión de trabajo, parámetros que se correlacionan directamente con la eficiencia neta. En general, para reducir las emisiones de CO2, es necesario aumentar la temperatura y presión de trabajo, por lo que se requieren materiales con mayor resistencia a alta temperatura y resistencia a la oxidación térmica, aumentando así el capital y el costo de generación de energía de las centrales de vapor. Hoy en día, la mayoría de las centrales eléctricas de carbón del mundo todavía utilizan tecnología subcrítica.

Sin embargo, las centrales eléctricas supercríticas son una buena opción de reemplazo debido a la combinación de una eficiencia relativamente alta (45%), bajas emisiones de CO2 (722 g / kWh) y un menor costo de generación de energía (3,6 US $ / kW).

Los aceros resistentes a la fluencia de 9-12% Cr se utilizan ampliamente en plantas de energía supercrítica para componentes clave como tuberías, rotores, carcasas de turbinas, calderas, válvulas, álabes de turbinas, pernos, etc.

Esto se atribuye principalmente a sus propiedades excepcionales: alta resistencia a la fluencia, resistencia a la oxidación, soldabilidad, resistencia a la fatiga térmica y costos de producción competitivos. “Hoy en día, los aceros de grado T/P91 y T/P92 son los aceros 9-12%Cr resistentes a la fluencia más comunes utilizados en centrales eléctricas de combustibles fósiles debido a su resistencia a la oxidación y estabilidad microestructural a altas temperaturas. Sin embargo, su temperatura de operación esta limita hasta los 620ºC, a temperaturas mayores componentes de pared delgada fallan abruptamente por oxidación. En este contexto, esfuerzos se han llevado a cabo con el fin de mejorar la resistencia a la oxidación del material mediante el incremento del contenido de Cromo (12%). A pesar de esto, los resultados no han sido satisfactorios debido a que incrementos en el contenido de Cromo degradan la resistencia a la termofluencia, debido a la formación de fases perjudiciales como la fase Z y Laves”, puntualiza Sanhueza.

Recientemente, el proyecto Z-ultra financiado por el Instituto Frounhofer de Mecánica de Materiales desarrolló aceros 12%Cr resistentes a la fluencia para centrales eléctricas ultra-supercríticas. El equipo desarrolló siete nuevos aceros resistentes a la fluencia reforzados con fase Z. La resistencia a la fluencia de las aleaciones fue un 30% mejor que la de los aceros convencionales T/P91 y T/P 92. La resistencia a la oxidación también fue excelente. El proyecto finalizó en 2016 con más de 30 publicaciones y con prototipos de tubos en calderas de dos centrales eléctricas ucranianas con fines de demostración. Sin embargo, y aunque los aceros reforzados por fase Z mostraron una resistencia a la fluencia prometedora y una superior resistencia a la oxidación a 650ºC, las investigaciones revelaron que tras 40.000 h de exposición a la fluencia a 650ºC, la fase Z presenta un tamaño de partícula demasiado grueso, previendo una disminución de la resistencia a alta temperatura en el largo plazo.

De esta manera, y tomando todos estos antecedentes, el académico Juan Pablo Sanhueza investigará la nucleación, crecimiento y engrosamiento de la fase de Laves en aceros 12%Cr para aplicación en componentes de pared delgada a 650ºC resistentes a la fluencia térmica de forma experimental, con la ayuda de herramientas computacionales como ThermoCalc, DICTRA y TC-PRISMA. Si bien el efecto de la fase Laves en los aceros 9-12%Cr resistentes a la fluencia es aun controversial y poco entendido, lograr que este inter metálico actúe como fase de reforzamiento podría involucrar un salto cuantitativo desde temperaturas de operación de 620ºC a temperaturas de 650ºC a un costo relativamente bajo.