Microestructura y propiedades mecánicas por microindentación y nanoindentación de un recubrimiento de circona estabilizada con itria (4,5% en mol) elaborado por plasma atmosférico a partir de suspensiones

Microstructure and mechanical properties measured by microindentation and nanoindentation of 4.5 YSZ coating elaborated by suspension plasma spraying

En este trabajo se analizó la relación entre la microestructura de un recubrimiento de 4,5% en mol de circona estabilizada con itria (4.5YSZ) con sus propiedades mecánicas medidas por nanoindentación y microindentación. Los recubrimientos fueron elaborados por la técnica de proyección térmica por plasma atmosférico a partir de una suspensión de etanol y dos tipos de polvos (3 y 8% en mol de YSZ) con partículas de tamaño nanométrico. El análisis de la microestructura de la sección trasversal del recubrimiento de 4.5YSZ reveló una estructura bimodal, la que estaba compuesta de una zona con partículas semifundidas (ZS) y otra zona compuesta de lamelas con un alto grado de fusión (ZF). Los ensayos de nanoindentación mostraron una distribución Weibull bimodal para la dureza y monomodal para el módulo de elasticidad, lo que está relacionada con su estructura. Los ensayos microindentación (microdureza Vickers y módulo de elasticidad: E) presentaron una distribución Weibull monomodal. Estos resultados de microindentación estuvieron influenciados por el área de contacto de las zonas indentadas, ya que estas tomaban las dos zonas microestructurales (ZF y ZS) del recubrimiento de 4.5YSZ revelando una medición global de sus propiedades mecánicas.

INTRODUCCIÓN

La circona estabilizada con itria, conocida con sus siglas en inglés YSZ (Yttria-Stabilizated Zirconia) ha sido utilizada por décadas en sistemas de recubrimientos (multicapas) usados como barrera térmica [1-2] y una de sus aplicaciones más importantes a nivel industrial es ayudar a disminuir la temperatura de trabajo en alabes de las turbinas a gas [3,8]. Generalmente, el sistema de multicapas está compuesto de un recubrimiento cerámico de YSZ ("top coat") seguido de capa de anclaje o "bond coat", los que se aplican sobre una superaleación de níquel que generalmente corresponde a un Hastelloy, CMSX o Inconel 600, 601, 625, 718, entre las más utilizadas en los alabes de turbinas [9]. Durante el servicio de la turbina a gas, la que se somete a temperaturas entre 600 y 900 °C, el recubrimiento disminuye aproximadamente la temperatura de trabajo de la aleación en 170 °C [10]. De esta manera, el recubrimiento logra mejorar la eficiencia y comportamiento en el proceso de la turbina, ya que incrementa el aislamiento térmico de sus componentes expuestos a estos ambientes agresivos. Industrialmente, el recubrimiento utilizado como barrera térmica (conocido en inglés como TBC, thermal barrier coating) generalmente es fabricado por la técnica de proyección térmica por plasma atmosférico conocido como APS (Atmospheric Plasma Spraying) o por la técnica de EB-PVD (Electro Beam-Physical Vapor Deposition).