Resumen de Comportamiento de recubrimientos multicapa de Mullita/ZrO2 diseñados para barreras ambientales en condiciones de vapor de agua y alta temperatura
Joana Queiroz de Mesquita Guimaraes
Bajo la orientación del Dr. Eugenio S. García Granados y Dra. María Isabel Osendi Miranda en las instalaciones del Instituto de Cerámica y Vidrio (ICV) del Consejo Superior de Investigaciones de Cientificas (CSIC) Esta Tesis ha sido realizada en el Departamento de Cerámica del Instituto de Cerámica y Vidrio (CSIC). Este trabajo se inició y se ha desarrollado fundamentalmente enmarcado en el proyecto de colaboración conjunta, titulado Thermally Sprayed Environmental Barrier Coatings (EBCs) on Light Weight Silicon-Based Ceramics for the Next Generation of High Performance Gas Turbine Engines, referencia 2007CA003, entre los organismos, Instituto de Cerámica y Vidrio (ICV) y el Industrial Materials Institute (IMI) financiado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas de España (CSIC) y el National Research Council of Canadá (NRC). También quiero destacar la financiación recibida del proyecto MAT2009-09600 (MCINN) en el último periodo de su ejecución.
Un problema clave que se plantea la sociedad actual es la consecución de una mayor eficiencia en los procesos industriales y en el transporte, reduciendo al máximo la emisión a la atmosfera de gases contaminantes, con objeto de controlar el efecto invernadero. Cuando se traslada este axioma a los motores de turbina de gas, se comprende que para avanzar en esa línea es necesario un cambio en el tipo de materiales que forman parte de una turbina, y en especial, de las zonas más calientes.
Como alternativa a las aleaciones metálicas que se usan en la actualidad, se ha empezado a investigar en componentes cerámicos de nitruro de silicio y el carburo de silicio reforzado con fibras, siendo uno de los problemas más importantes a los que se enfrentan estos materiales el de la corrosión producida por la atmosfera de combustión de una turbina, muy rica en vapor de agua. La estrategia general con la que se afronta este problema consiste en la aplicación de recubrimientos protectores frente a este tipo de atmosferas y elevadas temperaturas, de forma similar a como las barreras térmicas se emplean en componentes metálicos de turbinas de gas para protegerlos de la oxidación.
Los recubrimientos para componentes cerámicos reciben el nombre de barreras ambientales y son básicamente estructuras multicapa que entrañan gran complejidad pues han de ser químicamente compatibles con el substrato, estables en atmósferas de combustión y soportar los ciclados térmicos sin degradarse prematuramente. Este conjunto de características, que debe cumplir el conjunto de sustrato + recubrimiento, supone un desafío tecnológico importante y, por descontado, un reto para la Ciencia de Materiales.
En esta tesis se plantea una nueva estructura de barrera ambiental basada en la superposición de capas de composición mullita/ZrO2 gradual, entre el substrato de SiC y la capa superior de ZrO2, el material utilizado por excelencia como barrera térmica. La funcionalidad de las capas intermedias de mullita/ZrO2 es la de ajustar el coeficiente de expansión térmica para reducir en lo posible las tensiones residuales, y tratar así de evitar agrietamientos catastróficos.
La memoria se ha estructurado en cuatro capítulos. En el Primer Capítulo se plantea la problemática, situándola en el contexto global de la evolución de las turbinas de gas; ofreciendo también una breve introducción de la técnica de proyección por plasma. El Segundo Capítulo trata primordialmente de los tres métodos implementados para fabricar el material de aporte en condiciones adecuadas para proyección y que su producción sea fácilmente escalable. El Tercer Capítulo muestra de forma comparativa las propiedades mecánicas, las características microestructurales y el nivel de tensiones residuales en los sistemas junto a una cuantificación de las grietas presentes en las distintas estructuras de barreras ambientales procesadas mediante proyección por plasma. Finalmente, el Capítulo Cuarto recoge los resultados de los ensayos de corrosión, tanto estáticos como ciclados, de los recubrimientos, sometidos a alta temperatura en flujo de aire rico en vapor de agua. Las características y propiedades de los recubrimientos envejecidos se exponen y se comparan con los recubrimientos originales. Todo ello ha permitido señalar los sistemas más fiables y profundizar en las causas que aceleran la corrosión, extrayendo también pautas para avances en ulteriores diseños, lo que se expone en el apartado de Conclusiones. La descripción somera de las principales técnicas utilizadas en el desarrollo del trabajo se recogen en el apartado de Anexos.
En la siguiente figura se muestran los dos sistemas multicapa que mejores prestaciones presentaron tras los ensayos de vapor de agua simulados en laboratorio reproduciendo condiciones de atmosferas de combustión. La temperatura de ensayo fue 1300 ºC y se hizo fluir una mezcla de 10 O2/90 H2O (% en volumen), a 1 atm de presión en flujo continuo de 3.5 cm/s. En estas condiciones los recubrimientos fueron sometidos a dos tipos de ensayos. Ensayos isotérmicos durante 100 y 500 h, y dos ensayos cíclicos, en los que los recubrimientos se mantenían a 1300 ºC durante 2 h, y se retiraban del horno, permaneciendo durante 30 min enfriándose a temperatura ambiente, este procedimiento se repitió 50 y 100 veces, respectivamente.
Antes de los ensayos, esto es tras proyectados.
Después de los ensayos de envejecimiento de 100 ciclos.
