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Dec 12, 2023

Centro de Investigación Lewis, Cleveland, Ohio

Se ha demostrado que los recubrimientos de barrera térmica (TBC) de producción actual son capaces de reducir las temperaturas promedio de los componentes metálicos entre 50 y 80 °C y la temperatura de los puntos calientes hasta en 140 °C. Esta reducción sustancial de la temperatura se ha utilizado para extender la vida útil de los componentes metálicos en las turbinas de los aviones. Sin embargo, para aplicaciones críticas destinadas a mejorar el rendimiento del motor donde se involucran temperaturas significativamente más altas, se requieren TBC de mayor durabilidad. Se ha demostrado que una capa adhesiva mejorada que incorpora capas metálicas y cermet aumenta la vida útil a la fatiga térmica de un recubrimiento de barrera térmica (TBC) rociado con plasma en un factor de dos o más. Estos TBC se pueden aplicar a componentes en turbinas de gas y en motores diesel.

Un TBC típico consta de una sola capa de unión metálica, de 0,005 a 0,008 pulgadas (alrededor de 0,13 a 0,020 mm) de espesor, recubierta con una sola capa de capa superior de cerámica, de 0,005 a 0,020 pulgadas (alrededor de 0,13 a 0,50 mm) de espesor. La capa de unión es típicamente MCrAlX, donde M significa Ni, Co o Fe y X significa Y, Zr, Hf, Yb u otro elemento reactivo. La capa superior de cerámica es típicamente óxido de circonio parcialmente estabilizado con 6 a 8 por ciento en peso de itria. La capa adhesiva generalmente se procesa mediante rociado de plasma, mientras que la capa superior se puede procesar mediante rociado de plasma o deposición física de vapor por haz de electrones. Para los TBC que usan una capa superior rociada con plasma, la capa de unión se prepara con una superficie rugosa para mejorar la unión.

A pesar de la necesidad de rugosidad en la capa de unión para mejorar la adhesión, la rugosidad también tiende a intensificar las tensiones que se producen en la interfaz entre la cerámica y la capa de unión. Trabajos recientes han demostrado que las altas tensiones son particularmente significativas en la vecindad de los picos en la capa de unión rugosa (ver Figura 1). Una investigación detallada ha demostrado además que las tensiones se pueden minimizar haciendo coincidir la expansión térmica de los picos de la capa adhesiva con la capa superior de cerámica.

La Figura 2 ilustra un diseño TBC que aborda estos problemas mediante el uso de una capa adhesiva de dos capas. La primera capa de la capa adhesiva es un MCrAlX típico, como se describe anteriormente para un TBC convencional. La segunda capa de la capa adhesiva incorpora una fina dispersión de una segunda fase de partículas en una matriz de MCrAlX. Se requiere que la segunda fase tenga un coeficiente de expansión térmica tan bajo como, o preferiblemente menor, que la capa de cerámica de zirconia estabilizada con itria, debe ser estable hasta la temperatura de uso prevista, químicamente inerte con respecto a la matriz MCrAlX y debe ser químicamente compatible con la escala de alúmina cultivada térmicamente. Los materiales candidatos de la segunda fase incluyen alúmina, cromia, granate de itrio y aluminio, espinela de níquel y aluminio, itria, mullita y otros óxidos.

Dado que el objetivo es lograr la coincidencia de expansión de los picos de la segunda capa con la zirconia estabilizada con itria, la segunda fase de partículas debe tener dimensiones menores que las de los picos, generalmente menos de 5 μm, y debe estar bien dispersa en la matriz MCrAlX. La fracción de volumen de las partículas debe ser lo suficientemente alta como para lograr una coincidencia sustancial de la expansión máxima con la de la capa de cerámica. Para el caso de adiciones de alúmina a MCrAlX, se requiere una fracción de volumen de alúmina de 0,71 para lograr un desajuste de expansión térmica cercano a cero. En la práctica, la dilatación térmica de la segunda capa debe equilibrarse con los demás requisitos de la capa, como la ductilidad y la resistencia a la oxidación.

Hasta la fecha, los revestimientos se han rociado con plasma usando polvos de partida producidos por aleación mecánica. El proceso de aleación mecánica que se ha desarrollado ha producido polvos iniciales de pulverización de plasma con hasta un 20 por ciento en volumen de una dispersión fina de partículas de alúmina submicrónicas. La vida útil de la capa de cerámica se duplicó para los TBC, usando una capa adhesiva de solo 5 por ciento en volumen de adiciones de alúmina. Este aumento en la vida útil tecnológicamente importante y repetible podría usarse para empujar los TBC a temperaturas de funcionamiento más altas.

Se esperaba que porcentajes de volumen más altos de alúmina, hasta un 20 por ciento de volumen, proporcionaran vidas aún más prolongadas debido a una mejor expansión que coincidía con la cerámica. Si bien algunas muestras exhibieron vidas más largas, estas composiciones también exhibieron respuestas de oxidación muy variables. El resultado neto de la respuesta de oxidación errática fue una reducción en la vida promedio de estos recubrimientos. Los procesos alternativos de rociado térmico, como el rociado de oxígeno y combustible a alta velocidad (HVOF), han demostrado producir distribuciones de partículas más homogéneas y prometen ganancias aún mayores en la vida útil de TBC. Actualmente se están probando los recubrimientos HVOF.

Este trabajo fue realizado por William J. Brindley y Robert A. Miller del Centro de Investigación Lewis y Beverly JM Aikin de la Universidad Case Western Reserve. Para obtener más información, acceda al Paquete de soporte técnico (TSP) en línea de forma gratuita en www.techbriefs.com em> en la categoría Materiales.

Las consultas relacionadas con los derechos para el uso comercial de esta invención deben dirigirse a

Consulte LEW-16390.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de agosto de 1998 de la revista NASA Tech Briefs.

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