Diseño de recubrimientos porosos basados en circona mediante proyección térmica por plasma de suspensiones concentradas

Abstract

Los recubrimientos de barrera térmica se utilizan en los componentes metálicos de las turbinas de gas o motores de combustión para proporcionar aislamiento térmico y, junto con sistemas de refrigeración adicionales, permiten evitar la degradación y aumentar la capacidad de trabajo de dichos componentes metálicos a temperaturas similares o superiores a las de su punto de fusión. El aumento de temperatura durante la combustión permite maximizar la eficiencia energética del proceso a la vez que se disminuye el impacto medioambiental. Por este motivo, existe la necesidad de desarrollar nuevos recubrimientos de barrera térmica con mejores desempeños termomecánicos. Estos recubrimientos pueden obtenerse por diferentes técnicas, entre las que destacan las de proyección térmica por plasma atmosférico de polvos y de suspensiones, que resultan muy beneficiosas por su capacidad para fundir las partículas refractarias. La proyección de suspensiones permite utilizar partículas más finas, con lo que se consiguen recubrimientos con una microestructura laminar o columnar finamente estructurada, con una fina porosidad y homogéneamente distribuida. Sin embargo, la proyección térmica por plasma de suspensiones presenta el inconveniente de la preparación y el estricto control de las propiedades de la suspensión para obtener resultados óptimos. El presente trabajo se centra en la obtención de recubrimientos de barrera térmica con microestructuras porosas mediante la proyección térmica por plasma de suspensiones, analizando el efecto de los parámetros de proyección, las propiedades reológicas de las suspensiones y la incorporación de componentes de refuerzo u otras fases dispersas sobre la microestructura de los recubrimientos obtenidos y sobre su conductividad térmica. Se ha puesto especial atención en la preparación y caracterización de las suspensiones, así como en maximizar su contenido en sólidos para aumentar la eficiencia del proceso de proyección. Además, se han introducido en las suspensiones diferentes materiales como sacáridos, carburo de silicio y partículas de aerogel de sílice para obtener recubrimientos con diferentes diseños microestructurales. Tras el análisis de los resultados experimentales se ha comprobado que es posible obtener recubrimientos con microestructura laminar o columnar modificando las propiedades reológicas de la suspensión que se proyecta y el tipo y concentración de aditivo empleado. Por otra parte, se ha comprobado que la eficiencia de deposición se encuentra estrechamente vinculada al contenido volumétrico en sólidos de la suspensión y que la incorporación de partículas de aerogel de sílice en las suspensiones mejora el desempeño térmico de los recubrimientos resultantes.

Thermal barrier coatings are widely used in the industry to provide thermal insulation and avoid the degradation of metal turbine components. Moreover, a higher combustion temperature improves the energy efficiency of the turbines while it reduces the environmental impact. Therefore, there is currently high motivation to develop new thermal barrier coatings with improved thermo-mechanical properties. The thesis deals with the preparation and characterisation of yttria-stabilised zirconia ceramic suspensions with the addition of saccharides and reinforcing components to obtain tailored porous microstructures by suspension plasma spraying, which results in a significant improvement of the thermo-mechanical properties. Furthermore, the effect of rheological properties and reinforcing materials on the microstructure and properties of the coatings has been also evaluated.