Recobriment de barrera tèrmica
.jpg){kind=link}
Els recobriment de barrera tèrmica (TBC per les seues sigles en anglés) són sistemes de materials alvançats que generalment s'apliquen a superfícies metàliques que operen a temperatures elevades, com turbines de gas o parts de motors d'avions, com una forma de gestió de la calor d'escape. Estos revestiment de materials aïllants tèrmics de 100 μm a 2 mm de gruixa servixen per a aïllar components de càrregues tèrmiques grans i prolongades i poden soportar una diferència de temperatura apreciable entre les aleacions que soporten la càrrega i la superfície del revestiment.[1] En fer-ho, estos recobriment poden permetre temperatures de funcionament més altes a l'hora que llimiten l'exposició tèrmica dels components estructurals, estenent la vida útil de les peces en reduir l'oxidació i la fatiga tèrmica. Junt en el refredat de película activa, els TBC permeten temperatures del decorregut de treball més altes que el punt de fusió del perfil aerodinàmic de metal en algunes aplicacions de turbines. Per la creixent demanda de motors més eficients que funcionen a temperatures més altes en millor durabilitat/vida útil i revestiment més prims per a reduir la massa paràsita dels components giratoris/mòvils, existix una motivació significativa per a desenrollar TBC nous i alvançats. Els requisits de material dels TBC són similars als dels escuts tèrmics, encara que en l'última aplicació l'emisividad tendix a ser de major importància.
Estructura
[editar | editar còdic]Un TBC eficaç deu complir en certs requisits per a funcionar be en entorns termomecánicos agressius.[2] Per a fer front a les tensions d'expansió tèrmica durant el calfament i el refredat, es necessita una porosidad adequada, aixina com una correspondència adequada dels coeficients d'expansió tèrmica en la superfície del metal que està recobrint el TBC. Es requerix estabilitat de fase per a evitar canvis de volum significatius (que ocorren durant els canvis de fase), lo que causaria que el recobriment es bade o es desconche. En els motors que respiren aire, la resistència a l'oxidació és necessària, aixina com les propietats mecàniques decents per a les parts giratòries/mòvils o les parts en contacte. Per lo tant, els requisits generals per a un TBC eficaç es poden resumir en: 1) un alt punt de fusió. 2) sense transformació de fase entre la temperatura ambiente i la temperatura de funcionament. 3) baixa conductivitat tèrmica. 4) inèrcia química. 5) coincidència d'expansió tèrmica similar en el substrat metàlic. 6) bona adherencia al soport. 7) baixa taxa de sinterización per a una microestructura porosa. Estos requisits llimiten severament el número de materials que es poden usar, i els materials ceràmics generalment poden satisfer les propietats requerides.[3]
Els recobriment de barrera tèrmica generalment consten de quatre capes: el substrat de metal, la capa d'unió metàlica, l'òxit de creiximent tèrmic (TGO) i la capa superior de ceràmica. La capa superior de ceràmica es compon típicament de zirconia estabilisada en itria (YSZ), que té una conductivitat molt baixa mentres permaneix estable a les temperatures de funcionament nominals que es veuen típicament en les aplicacions de TBC. Esta capa de ceràmica crea el major gradient tèrmic de el TBC i manté les capes inferiors a una temperatura més baixa que la superfície. No obstant, per damunt de 1200 °C, YSZ sofrix transformacions de fase desfavorables, canviant de t'-tetragonal a tetragonal a cúbica a monoclínica. Tals transformacions de fase conduïxen a la formació de clavills dins del recobriment superior. Els esforços recents per a desenrollar una alternativa a la capa superior de ceràmica YSZ han identificat moltes ceràmiques noves (per eixemple, zirconatos de terres rares) que exhibixen un rendiment superior a temperatures superiors a 1200 °C, pero en una tenacitat a la fractura inferior en comparació a la de YSZ. Ademés, tals circonatos poden tindre una alta concentració de vacants de ions d'oxigen, lo que pot facilitar el transport d'oxigen i exacerbar la formació de TGO. En un TGO lo suficientment gros, pot ocórrer un desconchado del recobriment, la qual cosa és un modo catastròfic de falla per als TBC. L'us de tals recobriment requeriria recobriment adicionals que siguen més resistents a l'oxidació, com a alúmina o mullita.[4]
La capa d'unió és una capa metàlica resistent a l'oxidació que es deposita directament sobre el substrat metàlic. Per lo general, té una gruixa de 75-150 μm i està fet d'una aleació de NiCrAlY o NiCoCrAlY, encara que també existixen atres capes adhesives fetes de aluminuros de Ni i Pt. El propòsit principal de la capa adhesiva és protegir el substrat metàlic de l'oxidació i la corrosió, particularment de l'oxigen i els elements corroents que passen a través de la capa superior de ceràmica porosa.
En les condicions de funcionament màximes que es troben en els motors de turbina de gas en temperatures superiors a 700 °C, l'oxidació de la capa d'unió conduïx a la formació d'una capa d'òxit de creiximent tèrmic (TGO). La formació de la capa de TGO és inevitable per a moltes aplicacions d'alta temperatura, per lo que els recobriment de barrera tèrmica a sovint es dissenyen per a que la capa de TGO creixca llenta i uniformement. Tal TGO tindrà una estructura que té una baixa difusividad per a l'oxigen, de modo que el creiximent adicional es controla per mig de la difusió del metal de la capa d'unió en lloc de la difusió d'oxigen des de la capa superior.[5]
El TBC també es pot modificar localment en l'interfaç entre la capa d'unió i l'òxit creixcut tèrmicament per a que actue com un fòsfor termográfico, lo que permet la medició remota de la temperatura.
Modos de falla
[editar | editar còdic]Els TBC fallen a través de varis modos de degradació que inclouen arrugamiento mecànic de la capa d'unió durant l'exposició cíclica tèrmica (especialment recobriment en motors d'avions), oxidació accelerada, corrosió en calenta o degradació de depòsits fosos. També hi ha problemes en l'oxidació (les àrees de el TBC comencen a desprendre's) de el TBC, lo que reduïx dràsticament la vida útil del component metàlic, lo que conduïx a la fatiga tèrmica.
Una característica clau de tots els components de TBC és la necessitat de coeficients d'expansió tèrmica ben adaptats entre totes les capes. Els recobriment de barrera tèrmica s'expandixen i contrauen a diferents velocitats en calfar i gelar l'ambient, per lo que si els materials de les diferents capes tenen coeficients d'expansió tèrmica mal ajustats, s'introduïx una deformació que pot provocar clavills i, en última instància, falles del recobriment.
El agrietamiento en la capa d'òxit de creiximent tèrmic (TGO) entre la capa superior i la capa d'unió és el modo de falla més comú per als revestiment de pala de turbines de gas. El creiximent de TGO produïx un estrés associat a l'expansió de volum que persistix a totes les temperatures. Quan el sistema es gela, s'introduïx encara més desajust a partir del desajust en els coeficients d'expansió tèrmica. El resultat són tensions molt altes (2-6 GPa) que es produïxen a baixa temperatura i poden produir agrietamiento i, en última instància, desconchado del revestiment de barrera. La formació de TGO també dona com resultat l'agotament de l'en la capa d'unió. Açò pot conduir a la formació de fases indesijables que contribuïxen a les tensions per desajust. Tots estos processos són accelerats pel cicle tèrmic que sofrixen molts recobriment de barrera tèrmica en la pràctica.[5]
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]- ↑ F.Yu and T.D.Bennett (2005). “A nondestructive technique for determining thermal properties of thermal barrier coatings”. J. Appl. Phys. 97. doi:.
- ↑ “Thermal barrier coating materials” (2005). Materials Today 8 (6): 22–29. doi:.
- ↑ Cao , Vassen R., Stoever D. (2004). “Ceramic Materials for Thermal Barrier Coatings”. Journal of the European Ceramic Society 24 (1): 1–10. doi:.
- ↑ Cao X.Q., Vassen R., Stoever D. (2004). “Ceramic Materials for Thermal Barrier Coatings”. Journal of the European Ceramic Society 24 (1): 1–10. doi:.
- ↑ 5,0 5,1 “Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine Engine Applications” (2002). Science 296 (5566): 280–284. doi:. PMID 11951028.
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Recubrimiento de barrera térmica» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.