Aplicaciones de 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

Es difícil hacer un esquema general de qué recubrimientos se utilizan según las aplicaciones. Incluso, algunas de ellas utilizan diferentes estrategias de operación que pueden conllevar diferentes elecciones de recubrimientos: optimización para rendimientos mayores, optimización para mayores temperaturas de trabajo, optimización para conseguir mayor durabilidad sin cambiar las condiciones de operación. Es decir, los mecanismos de degradación son diferentes para cada aplicación en particular.

Los motores a reacción usados en la aviación, las centrales térmicas para la producción de energía eléctrica y los motores diésel, trabajan en diferentes ambientes agresivos con diferentes regímenes de temperatura. La aplicación de TBC se realiza en distintos componentes. En la industria aeronáutica y en las centrales térmicas clásicas, el recubrimiento se realiza en los álabes de las turbinas [4, 76-80], sin embargo en los motores diésel se recubre la cabeza del pistón y las paredes de la cámara de combustión [21-22, 29, 81].

En general, los álabes de turbinas de alta presión de los motores a reacción deben tener una duración de unas 30.000 h [4], sin embargo, para las centrales térmicas clásicas puede variar entre 50.000 y 75.000 h (aproximadamente 9 años, con sus paradas técnicas de mantenimiento) y la vida útil del motor debe ser igual a la del recubrimiento, por tanto, no tiene reparación. Los álabes para motores a reacción sufren como mucho una reparación (limpieza y recubrimiento) en su vida útil con un coste de 4 millones de euros para un juego de álabes. En las aplicaciones energéticas se pueden realizar una o dos reparaciones en su vida, con un coste entre 0,8 y 2,5 millones de euros. [1]

En los años 60, el recubrimiento cerámico más usado fue la circona estabilizada con calcia, para cubrir las paredes de partes estáticas en las turbinas de gas usadas en la industria aeronáutica prolongando su vida en servicio. En el sistema binario ZrO2-CaO, el circonato cálcico (CaZrO3) es el compuesto más estable químicamente y presenta una buena resistencia a la corrosión. La limitación de este recubrimiento cerámico se debe a su reducido punto de fusión (2300 ºC), comparado con el de la ZrO2 (2710 ºC) que restringe su uso a determinadas aplicaciones con temperatura de trabajo moderada. (Fig. 1.14)

Figura 1.14: Diagrama de fases ZrO2 – CaO.

En los años 70, debido al encarecimiento de los combustibles derivados del petróleo se tiendió a buscar mejores rendimientos térmicos en las turbinas de gas, en las cuales, el aumento de la temperatura del gas en el interior de la turbina y el rendimiento térmico tienen una correlación positiva. El CTE de los materiales utilizados como TBC debe ser relativamente cercano al del substrato y su conductividad térmica lo más baja posible. El valor del CTE para las aleaciones base Ni usadas en los álabes de turbina suele ser del orden 14 – 16 · 10-6 K-1. Por lo que, los fabricantes de turbinas de gas comenzaron a utilizar la circona estabilizada con itria (Y-PSZ) debido a su baja conductividad térmica (9·10-6 K-1) y su CTE relativamente alto comparado con muchas otras cerámicas (Fig. 1.15).

Figura 1.15: Conductividad térmica frente al coeficiente de expansión térmica en materiales densos.

Y-PSZ tiene una baja conductividad térmica que varía entre 2,5 y 4,0 W·m-1·K-1, dependiendo de las fases que aparecen en la capa cerámica, la porosidad y la temperatura de trabajo. Estos defectos se introducen puesto que al añadir itria se produce la creación de vacantes O2- para mantener la neutralidad electrónica de la red iónica. La alta concentración de itrio y vacantes O2- dispersan las vibraciones de la red puesto que son centros de dispersión de fonones [4], de manera que, la conductividad térmica decrece al aumentar la concentración de itria.

En la práctica, la concentración de itria oscila entre un 6 y un 8 % (en masa) puesto que a estas concentraciones se estabiliza la fase cúbica y se optimiza la vida en servicio ante el fallo por delaminación. (Fig. 1.13). Este estabilizante produce una microestructura compleja que resiste a la propagación de grietas. Además, poseen las conductividades térmicas más bajas de todos los materiales cerámicos y su coeficiente térmico se aproxima al de los substratos de superaleaciones sobre las que se aplica.

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