TBCs

Recuerda citar: J. Gómez-García. Tesis: “Análisis de la degradación de recubrimientos de barrera térmica mediante espectroscopía de impedancia electroquímica”. Universidad Rey Juan Carlos. Julio 2009

Hace menos de un siglo de la invención de los motores a reacción y ya se ha conseguido que volar sea un método convencional de transporte. La reducción de costes ha hecho que volar no sea un privilegio sino que se ha convertido en una necesidad habitual.

En los primeros años de la industria aeronáutica, algunas partes del motor sólo duraban unos cientos de horas y a moderadas temperaturas de trabajo, haciendo pensar que el transporte aéreo sería costoso durante bastantes años. La utilización de motores a reacción en aeronaves en la guerra de Corea (años 50), su uso en la aviación comercial (años 60) y su fuerte aumento hasta rebasar a la aviación militar la comercial (años 80), ha sido un factor decisivo en la investigación de nuevos materiales.

El rendimiento en aeronaves comerciales ha aumentado más allá de las primeras expectativas. Aunque sería injusto hablar de un solo factor, la investigación y la mejora de los materiales en los motores han tenido un gran peso. Todos los esfuerzos se han encaminado a aumentar la temperatura de trabajo de los motores (Fig. 1), para mejorar su rendimiento termodinámico y la reducción de emisiones contaminantes.

En un principio, la industria aeronáutica buscaba alcanzar mayores temperaturas de operación y para ello trabajaba en dos grandes líneas: el desarrollo de nuevos materiales y el diseño de nuevos procesos de fabricación [1]. La aparición de superaleaciones (años 50) proporcionó un incremento de más de 200 ºC en la temperatura de trabajo de los materiales.

El desarrollo de nuevas aleaciones y sus métodos de fabricación han contribuido a aumentar la temperatura en servicio de los motores, pero la aparición de recubrimientos de barrera térmica (“Thermal Barrier Coating”, TBC), normalmente ZrO2 parcialmente estabilizada con Y2O3 (Y-PSZ), ha sido la más importante en los últimos 30 años. Se trata de recubrimientos cerámicos depositados sobre substratos metálicos que permiten un aumento de hasta 200 ºC en la temperatura en servicio del componente.

Figura 1: Evolución histórica del incremento de la temperatura de trabajo en componentes de turbina. [2]

Los TBC surgieron de la necesidad de aumentar el rendimiento termodinámico de los motores [3], con aumento de resistencia y durabilidad, sin olvidarse de los aspectos económicos (ahorro de combustible [4-5]) y medioambientales (reducción de emisiones [5]).

La industria aeronáutica fue la primera en recubrir los componentes expuestos a las condiciones más agresivas en la zona caliente del motor, como las cámaras de combustión principal, el sistema de post-combustión o algunas secciones de la turbina. Los TBC se emplean de forma generalizada en sistemas estáticos y, extender su uso a componentes sometidos a cargas rotativas requiere conocer mejor el efecto combinado de la temperatura con el desgaste. Mejorar las prestaciones de estos recubrimientos supone un aumento de la eficiencia de los motores y una reducción del consumo de combustible, beneficios que claramente justifican la actual inversión en el desarrollo de TBCs. Este desarrollo tecnológico, empujado inicialmente por el sector aeronáutico, se ha transferido a otros sectores industriales donde se requiere resistencia a elevada temperatura, a ambientes agresivos y al desgaste, como son motores de propulsión, terrestres [6] y marítimos [7-8], así como a la industria de producción de energía [9-15].

Aumentar la temperatura de trabajo de un motor significa, según el segundo principio de la termodinámica, mejorar su rendimiento. Esta ha sido la fuerza que ha impulsado el desarrollo de nuevos materiales con temperaturas de trabajo más elevadas y la modificación superficial de los ya existentes mediante TBC, sin olvidar una elevada resistencia y gran durabilidad del material. Por otro lado, la aplicación de TBCs, sin aumentar la temperatura de operación, amplía la vida en servicio en comparación con el componente sin recubrir.

Desafortunadamente, estos condicionantes se ven afectados por la oxidación y corrosión del medio agresivo de trabajo, lo que provoca una disminución en las propiedades del sistema. Además, la diferencia entre los coeficientes de expansión térmica entre el substrato metálico y el recubrimiento cerámico puede inducir tensiones cortantes elevadas durante el procesado de los recubrimientos y su progresivo aumento en el ciclado térmico durante su vida en servicio. Al mismo tiempo, el recubrimiento cerámico no puede proteger frente a la corrosión y oxidación al substrato metálico debido a su permeabilidad al paso del oxígeno [13-17], tanto por la porosidad y las microgrietas, como por la difusión iónica del recubrimiento de circona a temperaturas mayores de 400 ºC. Por tanto, se hace necesario la incorporación de una capa intermedia metálica rica en Al y/o Cr entre el substrato y el cerámico que sufra la oxidación previa al substrato, desarrollándose una capa intermedia de óxidos crecidos térmicamente (“thermally grown oxide”, TGO) [18], que proteja al substrato de la oxidación además de proporcionar adherencia (anclaje) entre el substrato y el recubrimiento cerámico. Por tanto, la durabilidad del componente está principalmente condicionada por la oxidación del anclaje y el crecimiento de la capa TGO.

El precio del producto final con el recubrimiento aumenta y además se debe desarrollar un mantenimiento periódico: inspección e incluso reparación del recubrimiento. En este último caso, el componente recubierto tiene que ser desmontado, realizándose una limpieza de la superficie y aplicándole de nuevo el recubrimiento. No es de extrañar que haya un gran número de investigaciones [19] dedicadas a recubrimientos y técnicas de inspección no destructivas para evitar la posibilidad de que el recubrimiento falle anticipadamente y por tanto sufra un daño catastrófico, o que el proceso de mantenimiento, inspección y reparación sea extremadamente caro.

Se han investigado diversas técnicas de análisis no destructivas que se podrían desarrollar “in situ”. Estas van desde la termografía de infrarrojos [20] para detectar delaminación en la intercara TGO – anclaje metálico; hasta técnicas de emisiones acústicas [21-22] para identificar los agrietamientos y delaminaciones.


Referencias

[1]               C.T. Sims, N.S. Stoloff, W.C. Hagel, “Superalloys II”, New York. Ed. Wiley (1987)

[2]               U. Schulz, C. Leyens, K. Fritscher, M. Peters, B. Saruhan-Brings, O. Lavigne, J.-M. Dorvaux, M. Poulain, R. Mévrel, M. Caliez, “Some recent trends in research and technology of advanced thermal barrier coatings”, Aero. Sci. Technol. 7 (2003) 73-80

[3]               B. Rapp. “Coatings improve efficiency: The hotter the gas, the greater the turbine efficiency. But high temperatures require a thermal barrier coating to shield metal parts”, Mater. Today [9 (7-8)] (2006) 6

[4]               S. Alpérine, M. Derrien, Y. Jaslier, R. Mévrel. “Thermal Barrier Coatings: The thermal conductivity Challenge”, Agard Report [823 (1)] (1997) 1-10

[5]               E. Büyükkaya, T. Engin, M. Cerit. “Effects of thermal barrier coating on gas emissions and performance of a LHR engine with different injection timings and valve adjustments”, Ener. Convers. Manag. 47 (2006) 1298-1310

[6]               R. Kamo, N.S. Mavinahally, L. Kamo, W. Bryzik, E. Schwartz. “Injection characteristic that improves performance or ceramics-coated Diesel engines”, Soc. Auto. Eng. [108 (3)] (1999) 1476-1482

[7]               D.J. Holt, “The diesel engine”,  Ed. Society of Automotive Engineers (2004)

[8]               N. Lawrence, G. Goodwin, “The use of ceramic materials in marine engines” Presented at the Conference “Maritime Technology 21st Century”, Organised by Australian Exhibition Services Pty Ltd. Royal Exhibition Buildings, Melbourne (1993)

[9]               C. Cano, M.I. Osendi, M. Belmonte, P. Miranzo. “Effect of the type of flame on the microstructure of CaZrO3 combustion flame sprayed coatings”, Surf. Coat. Technol. 201 (2006) 3307-3313

[10]           I. Taymaz, K.Çakir, A.Mimaroglu. “Experimental study of effective efficiency in a ceramic coated diesel engine”, Surf. Coat. Technol. 200 (2006) 1182-1185

[11]           I. Taymaz. “The effect of thermal barrier coatings on diesel engine performance”, Surf. Coat. Technol. [201 (9-11)] (2007) 5249-5252

[12]           Y.C. Zhou, T. Hashida, “Thermal fatigue failure induced by delamination in thermal barrier coating”, Inter. J. Fatigue 24 (2002) 407–417

[13]           K.-D. Bouzakis, A. Lontos, N. Michailidis, O. Knotek, E. Lugscheider, K. Bobzin, A. Etzkorn, “Determination of mechanical properties of electron beam-physical vapour deposition-thermal barrier coatings (EB-PVD_TBCs) by means of nanoindentation and impact testing”, Surf. Coat. Tecnol. 163 (2003) 75 – 80

[14]           A. Agüero, “Recubrimientos contra la corrosión a alta temperatura para componentes de turbinas de gas”, Revista de metalurgia [43(5)] (2007) 384-398

[15]           R.H. Turner, Y.A. Cengel, “Fundamentals of thermal-fluid Science” MCGraw-Hill Professional, 2004

[16]           A.C. Fox, T.W. Clyne, “Oxygen transport by gas permeation through the zirconia layer in plasma sprayed thermal barrier coatings”, Surf. Coat. Technol. 184 (2004) 311-321

[17]           A.C. Fox, T.W. Clyne, “Oxygen transport throught the zirconia top coat in thermal barrier coating system”, Therm. Spray. 1-2 (1998) 1589-1594

[18]           N.P. Padture, M.Gell, E.H. Jordan, “Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications”, Science 296 (2006) 280-284

[19]           H.C. Carlson, K.C. Goretta, “Basic materials research programs at the U.S. Air Force Office of Scientific Research”, Mater. Sci. Eng. B 132 (2006) 2-7

[20]           Y. Takezawa, Y. Itoh, M. Shimodera, H. Miya, “Developtment of a portable diagnostic apparatus for coil insulators in low-voltage induction”, IEE Trans. Diel. Elec. Insul. [5 (2)] (1998) 290-295

[21]           C.C. Berndt, R.A. Miller, “Failure analysis of plasma-sprayed thermal barrier coatings”, Thin Solid Films 119 (1984) 173-184

[22]           Y.C. Zhou, T. Hashida, “Thermal fatigue failure induced by delamination in thermal barrier coating”, Inter. J. Fatigue 24 (2002) 407–417

1 comentario (+add yours?)

  1. ITP – Turbinas más ecológicas « …un día seré todas las cosas que amo…
    Mar 28, 2011 @ 23:46:06

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