INTRODUCCION

Uno de los recubrimientos de alabes de turbina en la industria aeroespacial usado como capa superior de un sistema de barrera térmica (TBC) es el óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio, ya que es considerado para aplicaciones de este tipo debido a su baja conductividad térmica, alto puntos de fusión y coeficiente de expansión térmica ⁽¹⁾, ⁽²⁾. Los TBCs de zirconio-itria se consideran mejores a temperaturas de 1400 °C cuando se depositan sobre una capa de unión metálica ⁽³⁾, ⁽⁴⁾ generalmente del tipo NiCoCrAlY, existen diversas formas de deposición de este recubrimiento, una de ellas es el proceso de pulverización en plasma ⁽⁵⁾, el cual consiste en utilizar una pistola de plasma en donde las partículas de polvo de este recubrimiento es fundido y depositado sobre la capa de unión metálica.

En este artículo se muestra la evaluación de la efectividad de este recubrimiento, para ello se realizó el análisis de la porosidad y microdureza; debido a que al aumentar la porosidad produce la reducción de la conductividad térmica; sin embargo, por encima de ciertos valores, este aumento puede degradar la integridad mecánica debido al aumento de la cohesión entre las láminas. Estas propiedades también se pueden controlar con mayor rigor si controlamos la geometría de los poros ⁽⁶⁾. En el caso de la microdureza es común usar la prueba de Vickers, que es el método estándar para medir la dureza de los materiales ⁽⁷⁾.

MÉTODOS Y MATERIALES

Los materiales designados en este artículo son polvos de la aleación de NiCoCrAlY y óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio, las composiciones de los polvos se pueden corroborar en la tabla 1, las cuales fueron realizadas con el Microscopio electrónico de barrido TESCAN Vega SB con microanalizador dispersivo INCA Energy.

Para empezar con el proceso de deposición sobre la superficie es necesario seguir el siguiente procedimiento: el cual consiste en un chorro de arena sobre superficies de la muestra, la cual es una superlación de níquel ZhS6F, con el objetivo de generar una rugosidad y un tipo de anclaje mecánico. Luego se procede a la aplicación de los siguientes materiales de revestimiento; la primera capa es un polvo de NiCoCrAlY,

TABLA I. Composición química que existe en el polvo NiCoCrAlY y del óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio (ZrO2+8%Y2O3)

la segunda capa es un polvo de óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio de fase tetragonal. Para las muestras en donde se depositó los recubrimientos tienen formas de alabes de turbina a gas las cuales fueron dividas longitudinalmente en partes más pequeñas.

La deposición de las capas de recubrimiento se realizó con el proceso de pulverización en plasma los parámetros de la deposición fueron a presión ambiental (1 atm) y las temperaturas del plasma fue cercana a los 1000°C, en el caso de la capa superior de óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio se designaron tres tipos de diámetro de polvos: menores a 40 µm, entre 40 a 60 µm y mayores a 80 µm; y para la capa intermedia de NiCoCrAlY se utilizaron polvos entre 22.23 y 33.39 µm de diámetro. Estos fueron colocados en tres tipos de muestras distintas, divididas según los diámetros de polvo de óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio.

En la detección de la porosidad se utilizó el Microscopio electrónico de barrido TESCAN Vega SB para visualizar y contabilizar los poros en la capa superior de óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio.

En la detección de la microdureza Vickers, se utilizó la maquina llamada durómetro, la cual somete a la superficie de la muestra con una carga estándar de 0.025 kgf durante un tiempo de 10 s por medio de un diamante en forma de pirámide, la diagonal de la indentación resultante se mide bajo un microscopio electrónico, este proceso es repetido en un total de 11 pruebas para cada tipo de óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio de distinto diámetro de polvo a depositar (menor que 40 µm, entre 40 a 60 µm y mayor que 80 µm). Los datos obtenidos se sometieron a la siguiente fórmula ⁽⁷⁾:

Donde:

F: carga aplicada, Kgf

D: longitud de la diagonal impresa, mm.

RESULTADOS Y DISCUSIONES

POROSIDAD

La capa superior (óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio) en los recubrimientos aplicados es la única que presenta porosidades, estas porosidades son visibles en mayor cantidad cuando el diámetro de polvos depositados de óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio es menor (tabla 2); mientras que el diámetro de las porosidades aumenta cuando el diámetro de polvos depositados de óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio es mayor (tabla 2); las razones de este incremento es debido al proceso de formación de la capa de superior , ya que en la pulverización con plasma, la microestructura de los recubrimientos depende en gran medida de las condiciones de procesamiento como el diámetro del polvo.

Los polvos depositados (splats) están separados por poros interlaminares resultantes de la rápida solidificación de las láminas, las cuales son muy finas formados por contacto incompleto entre los polvos depositados o alrededores de las partículas sin fundir, y grietas debido a tensiones térmicas y tensiones de relajación de enfriamiento. La presencia de grietas también aumenta la tolerancia a la deformación y mejora la resistencia al choque térmico para los TBC en servicio, estas son más visibles cuando los diámetros de polvo depositados es mayor a 80 µm en comparación con los otros diámetros de polvos depositados (Figura 1), estas grietas se originan a partir de las tensiones térmicas que surgen del enfriamiento rápido durante el proceso de pulverización ⁽⁷⁾.

El porcentaje de porosidad es determinado en un área fotografiada por el microscopio (Tabla 2), los cuales son vacíos existente con respecto al área total, obteniendo una tendencia de aumento con respecto a los diámetros de polvo de óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio depositado (Tabla 2 y Figura 1), la razón de esta tendencia es debido a que el área de los espacios vacíos de los poros dependen tanto directamente del diámetro de los mismos como de su distribución de estos en el área analizada (número de poros).

TABLA II Valores estadísticos de los poros en la capa de óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio (ZrO2+8%Y2O3) en función del tipo de diámetro de partícula depositada para generar esta capa. 

			Diámetro de poro, µm				Número de poros
Diámetro de polvo (ZrO2+8%Y2O3) µm	Min.	Max.	σ Des.	Promedio	Min	Max.	σ Des.	Promedio	Porosidad (%)
<40	21.47	35.58	2.30	24.25	50	64	2.00	57.25	8.57
40-60	7.72	64.63	3.45	31.71	45	59	1.89	51.2	14.51
>80	20.31	86.2	4.32	45.35	45	32	1.75	38.6	31.48

Fig.1 El óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado con óxido de itrio depositado en diferentes diámetros de polvo: a. Menores a 40 μm, b. Entre 40 and 60 μm y c. Mayores a 80 μm. 

TABLA III Valores estadísticos de las diagonales de la indentación y dureza Vickers (HV) en la capa de superior para distintos diámetros de polvo depositados 

	diámetro de Polvo depositado de ZrO2 + 8% Y2O3 (µm)
Parámetros	menor a 40	entre 40-60	mayor a 80
D promedio,	8.4	11.6	14.2
D max,	8.7	11.8	14.6
D min,	8.2	11.3	13.9
σ des,	0.7	0.2	0.3
HV	802.1	350.8	231.1