.jpg/1280px-Repair_process_for_a_V2500_high-pressure_turbine_guide_vane_(8).jpg)
Los recubrimientos de barrera térmica ( TBC ) son sistemas de materiales avanzados que generalmente se aplican a superficies metálicas en piezas que funcionan a temperaturas elevadas, como turbinas y cámaras de combustión de turbinas de gas , y en la gestión del calor de escape de automóviles . Estos recubrimientos de materiales térmicamente aislantes de 100 μm a 2 mm de espesor sirven para aislar componentes de cargas térmicas grandes y prolongadas y pueden soportar una diferencia de temperatura apreciable entre las aleaciones que soportan la carga y la superficie del recubrimiento. [1] Al hacerlo, estos recubrimientos pueden permitir temperaturas de funcionamiento más altas y al mismo tiempo limitar la exposición térmica de los componentes estructurales, extendiendo la vida útil de las piezas al reducir la oxidación y la fatiga térmica . Junto con el enfriamiento activo de la película, los TBC permiten temperaturas del fluido de trabajo superiores al punto de fusión del perfil metálico en algunas aplicaciones de turbinas. Debido a la creciente demanda de motores más eficientes que funcionen a temperaturas más altas con mejor durabilidad/vida útil y recubrimientos más delgados para reducir la masa parásita de los componentes giratorios/móviles, existe una motivación significativa para desarrollar TBC nuevos y avanzados. Los requisitos materiales de los TBC son similares a los de los escudos térmicos , aunque en esta última aplicación la emisividad tiende a ser de mayor importancia. [ cita necesaria ]
Un TBC eficaz debe cumplir ciertos requisitos para funcionar bien en entornos termomecánicos agresivos. [2] Para hacer frente a las tensiones de expansión térmica durante el calentamiento y el enfriamiento, se necesita una porosidad adecuada, así como una coincidencia adecuada de los coeficientes de expansión térmica con la superficie metálica que está recubriendo el TBC. Se requiere estabilidad de fase para evitar cambios de volumen significativos (que ocurren durante los cambios de fase), que provocarían que el recubrimiento se agriete o se descascarille . En los motores que respiran aire, la resistencia a la oxidación es necesaria, así como unas propiedades mecánicas decentes para las piezas giratorias/móviles o en contacto. Por lo tanto, los requisitos generales para un TBC eficaz se pueden resumir en: 1) un punto de fusión alto. 2) ninguna transformación de fase entre la temperatura ambiente y la temperatura de funcionamiento. 3) baja conductividad térmica . 4) inercia química. 5) coincidencia de expansión térmica similar con el sustrato metálico. 6) buena adherencia al sustrato. 7) baja tasa de sinterización para una microestructura porosa. Estos requisitos limitan severamente la cantidad de materiales que se pueden utilizar, siendo los materiales cerámicos los que normalmente pueden satisfacer las propiedades requeridas. [3]
Los recubrimientos de barrera térmica generalmente constan de cuatro capas: el sustrato metálico, la capa de unión metálica, el óxido de crecimiento térmico (TGO) y la capa superior cerámica. La capa superior cerámica suele estar compuesta de circonio estabilizado con itria (YSZ), que tiene una conductividad muy baja y al mismo tiempo permanece estable a las temperaturas de funcionamiento nominales que suelen observarse en las aplicaciones de TBC. Esta capa cerámica crea el mayor gradiente térmico del TBC y mantiene las capas inferiores a una temperatura más baja que la superficie. Sin embargo, por encima de 1200 °C, YSZ sufre transformaciones de fase desfavorables, cambiando de t'-tetragonal a tetragonal, a cúbica y a monoclínica. Estas transformaciones de fase conducen a la formación de grietas dentro del revestimiento superior. Esfuerzos recientes para desarrollar una alternativa a la capa superior cerámica YSZ han identificado muchas cerámicas novedosas (por ejemplo, circonatos de tierras raras) que exhiben un rendimiento superior a temperaturas superiores a 1200 °C, pero con una tenacidad a la fractura inferior en comparación con la de YSZ. Además, dichos circonatos pueden tener una alta concentración de vacantes de iones de oxígeno, lo que puede facilitar el transporte de oxígeno y exacerbar la formación de TGO. Con un TGO lo suficientemente grueso, puede ocurrir desconchado del recubrimiento, lo cual es un modo de falla catastrófico para los TBC. El uso de tales recubrimientos requeriría recubrimientos adicionales que sean más resistentes a la oxidación, como alúmina o mullita. [4]
La capa adhesiva es una capa metálica resistente a la oxidación que se deposita directamente sobre el sustrato metálico. Por lo general, tiene un espesor de 75 a 150 μm y está hecho de una aleación de NiCrAlY o NiCoCrAlY, aunque también existen otras capas de unión hechas de aluminuros de Ni y Pt. El objetivo principal de la capa adhesiva es proteger el sustrato metálico de la oxidación y la corrosión, particularmente del oxígeno y los elementos corrosivos que atraviesan la capa superior cerámica porosa.
En las condiciones operativas máximas que se encuentran en los motores de turbina de gas con temperaturas superiores a 700 °C, la oxidación de la capa adhesiva conduce a la formación de una capa de óxido de crecimiento térmico (TGO). La formación de la capa de TGO es inevitable para muchas aplicaciones de alta temperatura, por lo que los recubrimientos de barrera térmica a menudo se diseñan para que la capa de TGO crezca lenta y uniformemente. Un TGO de este tipo tendrá una estructura que tenga una baja difusividad para el oxígeno, de modo que un mayor crecimiento se controle mediante la difusión del metal desde la capa de unión en lugar de la difusión de oxígeno desde la capa superior. [5]
El TBC también se puede modificar localmente en la interfaz entre la capa adhesiva y el óxido cultivado térmicamente para que actúe como un fósforo termográfico , lo que permite la medición remota de la temperatura.
En general, los mecanismos de falla de los TBC son muy complejos y pueden variar significativamente de un TBC a otro y dependiendo del entorno en el que se produce el ciclo térmico. Por esta razón, los mecanismos de falla aún no se comprenden completamente. [5] [6] Sin embargo, a pesar de esta multitud de mecanismos de falla y su complejidad, tres de los mecanismos de falla más importantes tienen que ver con el crecimiento de la capa de óxido de crecimiento térmico (TGO), el choque térmico y la sinterización de la capa superior. abrigo (TC), que se analiza a continuación. Los factores adicionales que contribuyen al fallo de los TBC incluyen el arrugamiento mecánico de la capa adhesiva durante la exposición térmica cíclica (especialmente los recubrimientos en motores de aviones), la oxidación acelerada a altas temperaturas, la corrosión en caliente y la degradación de los depósitos fundidos.
El crecimiento de la capa de óxido de crecimiento térmico (TGO) es la causa más importante del fallo de espalación del TBC . [5] Cuando el TGO se forma a medida que se calienta el TBC, provoca una tensión de crecimiento compresiva asociada con la expansión del volumen. Cuando se enfría, surge una tensión de desajuste de red entre TGO y la capa superior (TC) debido a diferentes coeficientes de expansión térmica . La tensión por desajuste de red se refiere a la tensión que se produce cuando dos redes cristalinas en una interfaz tienen constantes de red diferentes y, no obstante, deben coincidir entre sí en el lugar donde se encuentran en la interfaz. Estas tensiones de crecimiento y tensiones de desajuste de la red, que aumentan al aumentar el número de ciclos, conducen a la deformación plástica , la nucleación y la propagación de grietas, lo que en última instancia contribuye a la falla del TBC después de muchos ciclos de calentamiento y enfriamiento. Por esta razón, para hacer un TBC que dure mucho tiempo antes de fallar, los coeficientes de expansión térmica entre todas las capas deben coincidir bien. [5] [7] Mientras que una alta tasa de fluencia del BC aumenta las tensiones de tracción presentes en el TC debido al crecimiento del TGO, una alta tasa de fluencia del TGO en realidad disminuye estas tensiones de tracción. [7]
Debido a que el TGO está hecho de Al 2 O 3 y la capa de unión metálica (BC) normalmente está hecha de una aleación que contiene aluminio , la formación de TGO tiende a agotar el Al en la capa de unión. Si el BC se queda sin aluminio para suministrar al TGO en crecimiento, es posible que otros compuestos además de Al 2 O 3 entren en el TGO (como Y 2 O 3 , por ejemplo), lo que debilita el TGO, facilitando que el TBC para fallar. [5]
Debido a que el propósito de los TBC es aislar sustratos metálicos de modo que puedan usarse durante períodos prolongados a altas temperaturas, a menudo sufren un choque térmico , que es una tensión que surge en un material cuando sufre un cambio rápido de temperatura. Este choque térmico contribuye de manera importante a la falla de los TBC, ya que las tensiones del choque térmico pueden causar grietas en el TBC si son lo suficientemente fuertes. De hecho, los repetidos choques térmicos asociados con el encendido y apagado del motor muchas veces son uno de los principales contribuyentes al fallo de las palas de turbina recubiertas con TBC en los aviones. [6]
En el transcurso de ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento rápidos, el choque térmico produce importantes deformaciones de tracción perpendiculares a la interfaz entre el BC y el TC, alcanzando una magnitud máxima en la interfaz BC/TC, así como un campo de deformación periódico en la dirección paralela a la interfaz BC/TC. Especialmente después de muchos ciclos de calentamiento y enfriamiento, estas tensiones pueden conducir a la nucleación y propagación de grietas tanto paralelas como perpendiculares a la interfaz BC/TC. Estas grietas horizontales y verticales conectadas debido al choque térmico contribuyen en última instancia al fallo del TBC a través de la delaminación del TC. [6]
Un tercer factor importante que contribuye al fallo del TBC es la sinterización del TC. [8] En aplicaciones TBC, YSZ tiene una estructura de columnas. Estas columnas comienzan con una estructura plumosa, pero se vuelven más suaves con el calentamiento debido a la difusión atómica a alta temperatura para minimizar la energía superficial. Las ondulaciones de las columnas adyacentes más suaves eventualmente se tocan entre sí y comienzan a fusionarse. A medida que el YSZ se sinteriza y se vuelve más denso de esta manera, se contrae de tamaño, lo que lleva a la formación de grietas a través de un mecanismo análogo a la formación de fisuras de barro , donde la capa superior se contrae pero la capa inferior (el BC en el caso de los TBC) , o la tierra en el caso del barro) sigue siendo del mismo tamaño. [9]
Este efecto de agrietamiento del barro puede verse exacerbado si el sustrato subyacente es rugoso o si se vuelve áspero al calentarlo, por el siguiente motivo. Si la superficie debajo de las columnas es curva y si las columnas se pueden modelar como varillas rectas normales a la superficie debajo de ellas, entonces la densidad de la columna necesariamente será alta por encima de los valles en la superficie y baja por encima de los picos en la superficie debido a la inclinación de las columnas. varillas rectas. Esto conduce a una densidad columnar no uniforme en todo el TBC y promueve el desarrollo de grietas en regiones de baja densidad. [9]
Además de este efecto de craqueo del lodo, la sinterización aumenta el módulo de Young del TC a medida que las columnas se unen entre sí. Esto, a su vez, aumenta la tensión por desajuste de la red en la interfaz entre TC y BC o TGO. El aumento del módulo de Young del TC hace que sea más difícil que su red se doble para encontrarse con la del sustrato debajo de ella; este es el origen del aumento de la tensión por desajuste de la red. A su vez, este aumento de la deformación por desajuste se suma a los otros campos de deformación mencionados anteriormente en el TC para promover la formación y propagación de grietas, lo que lleva a la falla del TBC. [10]
[3]
YSZ es el TBC más estudiado y utilizado porque proporciona un excelente rendimiento en aplicaciones como motores diésel y turbinas de gas. Además, era uno de los pocos óxidos refractarios que podía depositarse en forma de películas gruesas utilizando la entonces conocida tecnología de pulverización por plasma. [2] En cuanto a las propiedades, tiene baja conductividad térmica, alto coeficiente de expansión térmica y baja resistencia al choque térmico. Sin embargo, tiene un límite de funcionamiento bastante bajo de 1200 °C debido a la inestabilidad de fase y puede corroerse debido a su transparencia al oxígeno.
La mullita es un compuesto de alúmina y sílice, con la fórmula 3Al2O3-2SiO2. Tiene baja densidad, junto con buenas propiedades mecánicas, alta estabilidad térmica, baja conductividad térmica y es resistente a la corrosión y oxidación. Sin embargo, sufre cristalización y contracción de volumen por encima de 800 °C, lo que provoca agrietamiento y deslaminación . Por lo tanto, este material es adecuado como alternativa al circonio para aplicaciones como motores diésel , donde las temperaturas de la superficie son relativamente bajas y las variaciones de temperatura a través del recubrimiento pueden ser grandes.
Sólo el Al2O3 en fase α es estable entre los óxidos de aluminio. Con una alta dureza e inercia química, pero una alta conductividad térmica y un bajo coeficiente de expansión térmica, la alúmina se utiliza a menudo como complemento a un recubrimiento TBC existente. Al incorporar alúmina en YSZ TBC, se puede mejorar la resistencia a la oxidación y la corrosión, así como la dureza y la resistencia de la unión sin cambios significativos en el módulo elástico o la tenacidad. Un desafío con la alúmina es aplicar el recubrimiento mediante pulverización de plasma, que tiende a crear una variedad de fases inestables, como la γ-alúmina. Cuando estas fases finalmente se transforman en la fase α estable a través del ciclo térmico, se produce un cambio de volumen significativo de ~15% (γ a α), lo que puede conducir a la formación de microfisuras en el recubrimiento.
CeO2 (Ceria) tiene un coeficiente de expansión térmica más alto y una conductividad térmica más baja que YSZ. Agregar ceria a un recubrimiento YSZ puede mejorar significativamente el rendimiento del TBC, especialmente en la resistencia al choque térmico . Lo más probable es que esto se deba a una menor tensión de la capa adhesiva debido a un mejor aislamiento y un mejor coeficiente de expansión térmica neta. Algunos efectos negativos de la adición de ceria incluyen la disminución de la dureza y la velocidad acelerada de sinterización del recubrimiento (menos poroso).
La 2 Zr 2 O 7 , también conocido como LZ, es un ejemplo de circonato de tierras raras que muestra potencial para su uso como TBC. Este material tiene una fase estable hasta su punto de fusión y puede tolerar en gran medida vacantes en cualquiera de sus subredes. Junto con la capacidad de sustitución de sitios con otros elementos, esto significa que las propiedades térmicas pueden potencialmente adaptarse. Aunque tiene una conductividad térmica muy baja en comparación con YSZ, también tiene un coeficiente de expansión térmica bajo y baja tenacidad.
Los materiales de fase única y mixta que consisten en óxidos de tierras raras representan un enfoque prometedor y de bajo costo para los TBC. Los recubrimientos de óxidos de tierras raras (p. ej.: La2O3, Nb2O5, Pr2O3, CeO2 como fases principales) tienen una conductividad térmica más baja y coeficientes de expansión térmica más altos en comparación con YSZ. El principal desafío a superar es la naturaleza polimórfica de la mayoría de los óxidos de tierras raras a temperaturas elevadas, ya que la inestabilidad de fase tiende a afectar negativamente la resistencia al choque térmico. Otra ventaja de los óxidos de tierras raras como TBC es su tendencia a exhibir hidrofobicidad intrínseca , [11] lo que proporciona varias ventajas para los sistemas que se someten a un uso intermitente y que, de lo contrario, pueden sufrir adsorción de humedad o formación de hielo en la superficie.
Se puede pulverizar con plasma al vacío una mezcla de polvo de metal y vidrio normal, cuya composición adecuada da como resultado un TBC comparable al YSZ. Además, los compuestos de metal y vidrio tienen una adherencia superior a la capa adhesiva, coeficientes de expansión térmica más altos y no tienen porosidad abierta, lo que evita la oxidación de la capa adhesiva.
Los revestimientos cerámicos de barrera térmica son cada vez más comunes en aplicaciones automotrices. Están diseñados específicamente para reducir la pérdida de calor de los componentes del sistema de escape del motor , incluidos los colectores de escape , las carcasas del turbocompresor , los colectores de escape, las bajantes y los tubos de escape. Este proceso también se conoce como " gestión del calor de escape ". Cuando se utilizan debajo del capó, tienen el efecto positivo de reducir la temperatura del compartimento del motor y, por tanto, reducir la temperatura del aire de admisión.
Aunque la mayoría de los recubrimientos cerámicos se aplican a piezas metálicas directamente relacionadas con el sistema de escape del motor, los avances tecnológicos ahora permiten aplicar recubrimientos de barrera térmica mediante pulverización de plasma sobre materiales compuestos. Hoy en día es habitual encontrar componentes recubiertos de cerámica en motores modernos y en componentes de alto rendimiento en series de carreras como la Fórmula 1 . Además de proporcionar protección térmica, estos recubrimientos también se utilizan para evitar la degradación física del material compuesto debido a la fricción. Esto es posible porque el material cerámico se adhiere al compuesto (en lugar de simplemente pegarse a la superficie con pintura), formando así una capa resistente que no se astilla ni se descascarilla fácilmente.
Aunque se han aplicado revestimientos de barrera térmica al interior de los componentes del sistema de escape, se han encontrado problemas debido a la dificultad de preparar la superficie interna antes del revestimiento.
Los recubrimientos de barrera térmica se utilizan comúnmente para proteger las superaleaciones a base de níquel tanto de la fusión como de los ciclos térmicos en las turbinas de aviación. Combinados con un flujo de aire frío, los TBC aumentan la temperatura permitida del gas por encima del punto de fusión de la superaleación. [12]
Para evitar las dificultades asociadas con el punto de fusión de las superaleaciones, muchos investigadores están investigando compuestos de matriz cerámica (CMC) como alternativas a altas temperaturas. Generalmente están fabricados de SiC reforzado con fibras. Las piezas giratorias son especialmente buenas candidatas para el cambio de material debido a la enorme fatiga que soportan. Los CMC no sólo tienen mejores propiedades térmicas, sino que también son más ligeros, lo que significa que se necesitaría menos combustible para producir el mismo empuje para los aviones más ligeros. [13] Sin embargo, este cambio material no está exento de consecuencias. A altas temperaturas, estas CMC reaccionan con el agua y forman compuestos gaseosos de hidróxido de silicio que corroen la CMC.
SiOH 2 + H 2 O = SiO(OH) 2
SiOH 2 + 2H 2 O = Si(OH) 4
2SiOH 2 + 3H 2 O = Si 2 O (OH) 6 [14]
Los datos termodinámicos para estas reacciones se han determinado experimentalmente durante muchos años para determinar que el Si(OH) 4 es generalmente la especie de vapor dominante. [15] Se requieren recubrimientos de barrera ambiental aún más avanzados para proteger estas CMC del vapor de agua y de otros degradantes ambientales. Por ejemplo, a medida que la temperatura del gas aumenta hacia 1400 K-1500 K, las partículas de arena comienzan a derretirse y reaccionar con los recubrimientos. La arena derretida es generalmente una mezcla de óxido de calcio, óxido de magnesio, óxido de aluminio y óxido de silicio (comúnmente conocido como CMAS). Muchos grupos de investigación están investigando los efectos nocivos del CMAS en los revestimientos de las turbinas y cómo prevenirlos. CMAS es una gran barrera para aumentar la temperatura de combustión de los motores de turbina de gas y deberá resolverse antes de que las turbinas experimenten un gran aumento en la eficiencia debido al aumento de temperatura. [dieciséis]
En la industria, los recubrimientos de barrera térmica se producen de varias maneras:
Además, el desarrollo de recubrimientos y métodos de procesamiento avanzados es un campo de investigación activa. Un ejemplo de ello es el proceso de pulverización de plasma precursor de solución , que se ha utilizado para crear TBC con algunas de las conductividades térmicas más bajas registradas sin sacrificar la durabilidad cíclica térmica. [ cita necesaria ]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ){{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )