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Solución precursora de plasma en aerosol

La pulverización de plasma de precursor de solución ( SPPS ) es un proceso de pulverización térmica en el que se calienta una solución de materia prima y luego se deposita sobre un sustrato. Las propiedades básicas del proceso son fundamentalmente similares a otros procesos de pulverización de plasma . Sin embargo, en lugar de inyectar un polvo en la columna de plasma, se utiliza un precursor líquido. Los beneficios de utilizar el proceso SPPS incluyen la capacidad de crear microestructuras únicas de tamaño nanométrico sin los problemas de alimentación por inyección normalmente asociados con los sistemas de polvo y la exploración rápida y flexible de nuevas composiciones precursoras. [1] [2]

Fondo

El uso de un precursor de solución fue reportado por primera vez como una tecnología de recubrimiento por Karthikeyan et al. [3] [4] [5] En ese trabajo, Karthikeyan demostró que el uso de un precursor de solución era de hecho factible; sin embargo, no se podían generar recubrimientos bien adheridos. En 2001 se reportaron trabajos adicionales, que refinaron el proceso para producir recubrimientos de barrera térmica , [6] películas YAG , [7] y recubrimientos cerámicos de silicio. [8] Desde entonces, la Universidad de Connecticut e Inframat Corporation han explorado una amplia investigación sobre la tecnología, en gran parte .

Proceso

La solución precursora se formula disolviendo sales (comúnmente circonio e itrio cuando se utilizan para formular recubrimientos de barrera térmica) en un solvente. Una vez disuelta, la solución se inyecta a través de un sistema de alimentación presurizado. Al igual que con otros procesos de pulverización térmica, la materia prima se funde y luego se deposita sobre un sustrato. Por lo general, el proceso SPPS ve el material inyectado en una columna de plasma o llama de combustión de combustible de oxígeno de alta velocidad (HVOF). Una vez que se inyecta la solución, las gotas pasan por varios cambios químicos y físicos [9] y pueden llegar al sustrato en varios estados diferentes, desde completamente fundidas hasta no pirolizadas. El estado de deposición se puede manipular a través de parámetros de pulverización y se puede utilizar para controlar significativamente las propiedades del recubrimiento, como la densidad y la resistencia. [2] [10]

Recubrimientos de barrera térmica

La mayoría de las investigaciones actuales sobre SPPS han examinado su aplicación para crear recubrimientos de barrera térmica (TBC). Estos sistemas de materiales cerámicos / metálicos complejos se utilizan para proteger componentes en secciones calientes de turbinas de gas y motores diésel. [11] El proceso SPPS se presta particularmente bien para la creación de estos TBC. Los estudios informan de la generación de recubrimientos que demuestran una durabilidad y propiedades mecánicas superiores. [12] [13] [14] La durabilidad superior se imparte mediante la creación de grietas verticales controladas a través del espesor. Estas grietas solo aumentan ligeramente la conductividad del recubrimiento al tiempo que permiten el alivio de la tensión generada por el desajuste del CTE entre el recubrimiento y el sustrato durante el calentamiento cíclico. La generación de estas grietas a través del espesor se exploró sistemáticamente y se descubrió que era causada por el depósito de una porción controlada de material no pirolizado en el recubrimiento. [15] Las propiedades mecánicas superiores, como la resistencia de la unión y la tenacidad en el plano, son resultado de la microestructura de tamaño nanométrico que se crea mediante el proceso SPPS.

Otros estudios han demostrado que los recubrimientos diseñados pueden reducir la conductividad térmica a algunos de los valores más bajos informados para TBC. [16] [17] Estas bajas conductividades térmicas se lograron mediante la generación de una microestructura alterna de alta porosidad y baja porosidad o la síntesis de una composición precursora de baja conductividad con dopantes de tierras raras .

Costos

El proceso SPPS está adaptado a los sistemas de pulverización térmica existentes. Los costes de aplicación son significativamente inferiores a los de los recubrimientos EB-PVD y ligeramente superiores a los de los recubrimientos Air Plasma Spray. [18]

Referencias

  1. ^ Eric H. Jordan, L. Xie, C. Ma M. Gell, N. Padture, B. Cetegen, J. Roth, TD Xiao y PEC Bryant, "Recubrimientos de barrera térmica superiores mediante pulverización de plasma precursora de solución", Journal of Thermal Spray , 13(1), 2004, pág. 57-65
  2. ^ ab L. Xie, X. Ma, EH Jordan, NP Padture, TD Xiao y M. Gell, "Deposición de recubrimientos de barrera térmica utilizando un proceso de pulverización de plasma con precursor de solución", Journal of Materials Science , 39, 2004 pág. 1639–1636.
  3. ^ Karthikeyan J., Berndt CC, Tikkanen J., Wang JY, King AH, Herman H, "Preparación de materiales nanofásicos mediante procesamiento por pulverización térmica de precursores líquidos", Nanostructured Materials , 9(1), 1997, pág. 137-140.
  4. ^ Karthikeyan J., Berndt CC, Tikkanen J., Wang JY, King AH, Herman H., "Polvos y depósitos de nanomateriales preparados mediante procesamiento por pulverización de llama de precursores líquidos", 8(1), 1997, pág. 61–74.
  5. ^ Jeganathan Karthikeyan, Christopher C. Berndt, Sri Reddy, Jenn-Yue Wang, Alexander H. King y Herbert Herman, "Depósitos de nanomateriales formados por pulverización de plasma de corriente continua de materias primas líquidas", Journal of the American Ceramic Society , 81, 1998, pág. 121-128.
  6. ^ NP Padture, KW Schlichting, T. Bhatia, A. Ozturk, B. Cetegen, EH Jordan, M. Gell, S. Jiang, TD Xiao, PR Strutt, E. Garcia, P. Miranzo y MI Osendi, "Hacia recubrimientos de barrera térmica duraderos con nuevas microestructuras depositadas por pulverización de plasma de precursor de solución", Acta Materialia , 49, 2001, pág. 2251–2257.
  7. ^ Sujatha D. Parukuttyamma, Joshua Margolis, Haiming Liu, Clare P. Grey, Sanjay Sampath, Herbert Herman y John B. Parise, "Películas de granate de itrio y aluminio (YAG) mediante una técnica de pulverización de plasma precursor", Journal of the American Ceramic Society , 84(8), 2001, pág. 1906–908.
  8. ^ E. Bouyer, G. Schiller, M. Muller y RH Heane, "Deposición química en fase de vapor mediante plasma térmico de recubrimientos cerámicos basados ​​en Si a partir de precursores líquidos", Plasma Chemistry and Plasma Processing , 21(4), 2001, pág. 523–546.
  9. ^ Ozturk, A. y Cetegen BM, "Modelado de gotitas precursoras inyectadas axial y transversalmente en un entorno de plasma", International Journal of Heat and Mass Transfer , 48(21-22), 2005, pág. 4367–4383.
  10. ^ L. Xie, X. Ma, EH Jordan, NP Padture, TD Xiao y M. Gell, "Identificación de mecanismos de deposición de recubrimiento en el proceso de pulverización de plasma de precursor de solución utilizando experimentos de pulverización modelo", Ciencia e ingeniería de materiales A, 362, 2003, pág. 204-212.
  11. ^ Padtre, Nitin P., Gell, Maurice, Jordan, Eric H., "Recubrimientos de barrera térmica para aplicaciones en motores de turbinas de gas", Science , 296, 2002, pág. 280–285.
  12. ^ L. Xie, X. Ma, EH Jordan, NP Padture, TD Xiao y M. Gell, "Recubrimientos de barrera térmica altamente duraderos fabricados mediante el proceso de pulverización de plasma de precursor de solución", Surface and Coatings Technology , 177-178, 2004, pág. 97-102.
  13. ^ Amol Jadhav, Nitin Padture, Fang Wu, Eric Jordan, Maurice Gell, "Recubrimientos de barrera térmica de cerámica gruesa con alta durabilidad depositados utilizando pulverización de plasma precursor de solución", Ciencia e ingeniería de materiales A, 405, 2005, pág. 313–320.
  14. ^ Liangde Xie, Eric H. Jordan y Maurice Gell, "Estabilidad de fase y microestructural de recubrimientos de barrera térmica rociados con plasma precursor", Material Science and Engineering A, 381, 2004, pág. 189-195.
  15. ^ Liangde Xie, Dianying Chen, Eric H. Jordan, Alper Ozturk, Fang Wu, Xinqing Ma, Baki M. Cetegen y Maurice Bell, "Formación de grietas verticales en recubrimientos de barrera térmica rociados con plasma precursor de solución", Recubrimientos de superficie y tecnología , 201, 2006, pág. 1058–1064.
  16. ^ Xinqing Ma, Fang Wu, Jeff Roth, Maurice Gell, Eric Jordan, "Recubrimiento de barrera térmica de baja conductividad térmica depositado mediante el proceso de pulverización de plasma en solución", Surface and Coatings Technology , 201, 2006, pág. 3343–3349.
  17. ^ XQ Ma, TD Xiao, J. Roth, LD Xie, EH Jordan, NP Padture, M. Gell, XQ Chen, JR Price, "Recubrimientos de barrera térmica gruesos con microestructuras controladas utilizando un proceso de pulverización de plasma con precursor de solución", Thermal Spray 2004: Advances in Technology and Application , ASM International, 10 al 12 de mayo de 2004 (Osaka, Japón), ASM International, 2004.
  18. ^ Maurice Gell, Fang Wu, Eric H. Jordan, Nitin P. Padture, Baki M. Cetegen, Liangde Zie, Alper Ozturk, Eric Cao, Amol Jadhav, Dianying Chen y Xinqin Ma, El proceso de pulverización de plasma de precursor de solución para fabricar recubrimientos de barrera térmica altamente duraderos, Actas de GT2005, ASME Turbo Expo 2005.