Fabricantes y centros de investigación están recuperando formulaciones cerámicas utilizadas hace décadas para proteger motores y turbinas. Las alternativas pueden reducir el uso de itrio en determinadas aplicaciones, pero todavía enfrentan límites técnicos y no eliminan la dependencia de minerales críticos chinos.
La industria aeroespacial está reevaluando recubrimientos térmicos desarrollados en las décadas de 1970 y 1980 como una vía para reducir su exposición a las restricciones chinas sobre minerales críticos. El National Research Council de Canadá (NRC) prueba formulaciones basadas en dióxido de circonio y otros óxidos cerámicos sin tierras raras, mientras Oerlikon Metco ya comercializa materiales de este tipo y desarrolla soluciones que estabilizan la zirconia mediante óxidos de magnesio y calcio.
El interés responde a un problema de abastecimiento que se extiende más allá de un solo material. Los motores aeronáuticos, turbinas y equipos electrónicos utilizan distintos insumos cuya cadena global presenta una elevada concentración en China. Entre ellos está el itrio, que pertenece al grupo de las tierras raras, además de minerales críticos como el tungsteno. No todos los materiales afectados por las tensiones de suministro son, técnicamente, tierras raras.
La estrategia que comienza a probar la industria no consiste simplemente en reemplazar un elemento químico por otro. Los nuevos —o recuperados— recubrimientos deben demostrar que mantienen propiedades como resistencia térmica, estabilidad química, adherencia y durabilidad durante miles de ciclos de operación antes de incorporarse a componentes aeronáuticos críticos.
Por qué los motores necesitan estos recubrimientos
Los recubrimientos de barrera térmica son capas cerámicas aplicadas sobre componentes sometidos a temperaturas extremas dentro de motores y turbinas.
Su función es disminuir la transferencia de calor hacia los materiales metálicos que se encuentran debajo, ayudando a proteger piezas como cámaras de combustión, álabes y otros componentes de las secciones calientes.
Una de las formulaciones ampliamente utilizadas en la industria es la zirconia estabilizada con itria, conocida como YSZ por su denominación en inglés. En este material, el óxido de itrio permite estabilizar determinadas estructuras cristalinas de la zirconia y obtener propiedades adecuadas para ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento.
La combinación ha sido utilizada durante décadas porque soporta altas temperaturas, presenta baja conductividad térmica y puede aplicarse mediante tecnologías industriales como la pulverización por plasma.
Esa dependencia del itrio, sin embargo, se convierte en una vulnerabilidad cuando existen restricciones o interrupciones en su cadena de suministro.
Canadá vuelve a materiales desarrollados hace medio siglo
El NRC canadiense está analizando si formulaciones conocidas antes de la expansión de los recubrimientos modernos basados en tierras raras pueden recuperar competitividad mediante técnicas actuales de fabricación y caracterización.
Entre los materiales evaluados se encuentra el dióxido de circonio estabilizado con otros óxidos cerámicos, una familia de soluciones que perdió terreno frente a formulaciones posteriores de mejor desempeño.
La hipótesis de trabajo es que los instrumentos, procesos de deposición y capacidades de ingeniería actuales podrían permitir optimizar materiales que hace cuatro o cinco décadas presentaban limitaciones mayores.
Esto no significa que el NRC haya demostrado ya una sustitución equivalente para los recubrimientos actuales. Se trata de una fase de evaluación destinada a determinar en qué aplicaciones esos materiales pueden acercarse a las prestaciones exigidas por motores modernos.
El desafío es especialmente elevado porque las temperaturas y condiciones operacionales de las turbinas actuales son más exigentes que las existentes cuando varias de estas composiciones fueron desarrolladas originalmente.
Oerlikon ya ofrece alternativas con magnesio y calcio
Oerlikon Metco, uno de los proveedores especializados en materiales y tecnologías de recubrimiento térmico, dispone de productos basados en zirconia estabilizada con óxido de magnesio o con óxido de calcio, sin necesidad de utilizar itrio en esas formulaciones.
Estos materiales pueden entregar aislamiento térmico y resistencia a altas temperaturas y ya tienen aplicaciones industriales.
La sustitución, sin embargo, tiene límites. Las formulaciones convencionales de zirconia estabilizada con itria presentan, en determinadas condiciones, mayor estabilidad volumétrica y pueden utilizarse a temperaturas de servicio superiores a algunas alternativas estabilizadas con magnesio o calcio.
Eso significa que un material sin tierras raras puede ser suficiente para una pieza o condición operacional determinada y no necesariamente para otra sometida a temperaturas o esfuerzos más extremos.
Por esta razón, una de las posibilidades que estudia la industria es comenzar por componentes menos críticos, donde los requisitos técnicos permitan introducir alternativas con menor riesgo antes de intentar sustituir materiales en las zonas más exigentes de un motor.
Reciclar material también aparece como opción
La búsqueda de sustitutos no es la única estrategia.
Proveedores del sector también están analizando cómo recuperar y reutilizar materiales sobrantes de los procesos de aplicación de recubrimientos. La pulverización térmica no deposita necesariamente todo el material utilizado sobre la pieza, por lo que mejorar la recuperación podría disminuir las necesidades de materia prima nueva.
Esta alternativa tampoco elimina la dependencia externa, pero permitiría reducir el consumo unitario de ciertos minerales y utilizar de forma más eficiente inventarios considerados estratégicos.
La industria enfrenta así tres líneas paralelas: sustituir materiales donde sea técnicamente posible, aumentar el reciclaje y diversificar las fuentes de suministro.
Una sustitución mucho más compleja que cambiar de proveedor
La velocidad con que estas soluciones pueden incorporarse está condicionada por las características de la industria aeroespacial.
Cambiar un material utilizado en un motor de aviación puede requerir extensos procesos de caracterización, pruebas térmicas, ensayos de fatiga y validaciones por parte de fabricantes y autoridades. Una composición químicamente disponible no se convierte automáticamente en una alternativa certificada.
Además, la vulnerabilidad no está concentrada exclusivamente en los recubrimientos.
Las cadenas aeroespaciales y de defensa utilizan minerales críticos en aleaciones, componentes electrónicos, semiconductores y herramientas de fabricación. El tungsteno, por ejemplo, no es una tierra rara, pero posee propiedades que dificultan su sustitución en determinadas aplicaciones industriales.
Por ello, reducir el uso de itrio en un recubrimiento específico puede solucionar una parte del problema sin resolver la dependencia del conjunto del motor o del sistema electrónico asociado.
China seguirá siendo un proveedor difícil de reemplazar
Los experimentos actualmente en marcha muestran que la industria está modificando una lógica desarrollada durante décadas, cuando la selección de materiales estaba guiada principalmente por desempeño, costo y disponibilidad comercial.
La seguridad de suministro ha pasado a convertirse en otro criterio de diseño.
Volver a formulaciones antiguas no implica abandonar los avances desarrollados posteriormente, sino determinar si la ingeniería moderna permite utilizarlas nuevamente allí donde una pequeña pérdida de prestaciones resulte aceptable a cambio de una cadena de abastecimiento menos vulnerable.
El resultado probablemente será distinto según cada componente. Algunas aplicaciones podrían adoptar zirconia estabilizada con magnesio o calcio, otras continuarán dependiendo de recubrimientos con itrio y las piezas más exigentes pueden necesitar materiales avanzados para los que todavía no existe una alternativa equivalente.
Por eso, los ensayos del NRC y los desarrollos de Oerlikon representan una estrategia de mitigación y no una sustitución inmediata de China. El objetivo de corto plazo es disponer de más opciones técnicas cuando un material escasee; eliminar completamente la dependencia de las cadenas chinas seguirá requiriendo nuevos proveedores, capacidad de procesamiento, reciclaje y años de desarrollo y certificación industrial.
