Comportamiento a fatiga térmica de la capa de anclaje de nuevas barreras térmicas cerámicas obtenidas mediante proyección por plasma atmosférico

Thermal fatigue behavior of new ceramic thermal barrier coatings obtained by the atmospheric plasma spray process

El desarrollo de nuevos materiales cerámicos para aplicarlos en recubrimientos protectores frente a la temperatura, también conocidos como barreras térmicas (Thermal Barrier Coatings o TBC), es de gran interés para muchos sectores, entre los que destacan las industrias de generación de energía, aeronáutica y automovilística.

En este trabajo se realizó un estudio del comportamiento a fatiga térmica, centrado en la respuesta de uno de los componentes que constituyen una TBC: la capa de anclaje. Los distintos componentes de la TBC fueron depositados mediante la técnica de proyección térmica por plasma atmosférico (Atmospheric Plasma Spraying o APS). Se estudió la microestructura y la composición de la capa de anclaje a lo largo de los ciclos térmicos de estudio.

I. INTRODUCCIÓN

Los recubrimientos de ZrO₂ estabilizada con Y₂O₃ (YSZ) se utilizan, generalmente, como barreras térmicas (TBC, del inglés Termal Barrier Coating) en turbinas de gas. Estas barreras térmicas son sistemas complejos formados por diversas capas que sirven de protección al sustrato frente a la temperatura, la corrosión o el desgaste [1].

Cada una de las capas que forman la TBC tiene una función específica acorde con las propiedades del material. La capa de circona presenta una excelente resistencia al choque térmico, una baja conductividad térmica y un coeficiente de expansión térmica relativamente bajo [1]. La capa de anclaje, depositada entre el sustrato y la capa cerámica, consiste en una superaleación del tipo MCrAlY, cuya finalidad es disminuir la diferencia de contracción térmica entre el sustrato y la capa cerámica, además de actuar como barrera frente a la oxidación. Estas superaleaciones exhiben un perfil de propiedades que comprenden una buena ductilidad, alta resistencia térmica, buena resistencia a la corrosión y excelente resistencia a la oxidación [2]; sin embargo, los cambios microestructurales y las transformaciones de fase que tienen lugar durante prolongadas exposiciones a altas temperaturas han demostrado que afectan significativamente su comportamiento termomecánico y, por lo tanto, influyen en su vida útil [3].

Una de las técnicas más utilizadas para obtener una TBC es la proyección térmica por plasma atmosférico (Atmospheric Plasma Spraying -APS-) debido a su flexibilidad y bajo coste [4]. El polvo se inyecta en el interior de una pluma de plasma donde el material se funde y acelera hasta impactar con el sustrato, formándose una microestructura de gotas aplastadas o splats característica que componen el recubrimiento. Esta microestructura laminar que conforma los recubrimientos convencionales de APS puede contener numerosos defectos como poros, grietas o infundidos retenidos entre el material fundido [5].