Análisis del comportamiento termomecanico a alta temperatura de barreras térmicas de YSZ aplicadas por APS

Abstract

Los recubrimientos cerámicos para aplicaciones como barreras térmicas (TBCs) son empleados para proteger los componentes metálicos de la ruta de los gases calientes de combustión en turbinas a gas, tanto en la industria aeronáutica como en la industria de generación de energía eléctrica. El material de mayor uso para estos recubrimientos es el aplicado por aspersión térmica (APS) sobre una capa de anclaje base-Níquel (bond coat). La capa cerámica aislante depositada sobre la BC está constituida por zirconia estabilizada con itria (YSZ) y exhibe una morfología tipo splat. Durante operación, la combinación de cargas térmicas severas y altas temperaturas conlleva a la degradación sucesiva de la barrera, la oxidación selectiva de la BC y eventualmente a la aparición de microgrietas. Todos estos eventos conllevan a la perdida de material en el recubrimiento lo cual constituye uno de los principales factores limitantes de la vida útil del componente. Diferentes aproximaciones han sido propuestas para estudiar este fenómeno, generalmente basados en la estimación de los esfuerzos macroscópicos sobre el recubrimiento como fuerza directora para la falla del material, así como el uso de teorías de la mecánica de la fractura de materiales frágiles para predecir las fallas interfaciales. Sin embargo, no hay trabajos previos que integren la intercara local de daño con el estado macroscópico de esfuerzos o energía almacenada de deformación junto con teorías en las que se incluyan procesos claves como la difusión asistida por esfuerzos para la predicción de la vida útil del recubrimiento. Debido a esto, el objetivo general de esta propuesta de investigación fue simular el estado de esfuerzos y deformaciones en barreras térmicas de zirconia estabilizada con itria (YSZ-TBC) en función de la morfología de las intercaras TC/TGO y TGO/BC y la temperatura, a través de teoría de elasticidad, considerando materiales homogéneos e isotrópicos, para estimar el comportamiento termomecánico de la barrera en condiciones de operación. Pese de lo particular del caso de estudio (YSZ-APS) la aproximación propuesta puede ser extendida a otros sistemas TBCs. La predicción de la vida útil del recubrimiento y del sistema YSZ-TBC requiere un completo entendimiento de las propiedades individuales de cada uno de los materiales constituyentes, así como sus mecanismos de evolución de daño, topología de las intercaras y su relación con los tiempos de servicio. Este proyecto pretende desarrollar una aproximación multiescala y multifísica que incorporará la topología del óxido crecido térmicamente (TGO), así como la evolución de estados de esfuerzos en las intercaras de la TGO. Esta aproximación será implementada utilizando simulación mediante funciones base para predecir el estado de esfuerzos locales y los campos de deformación que llevan a la evolución del daño local observado. A través de esta aproximación es posible tomar en cuenta la evolución temporal del sistema TBC y así estimar el comportamiento del material. Es por esto que esta investigación surge no solo como una guía estratégica, sino también como una oportunidad de desarrollo, donde se aprovecha la convergencia de la Universidad como escenario natural de desarrollo de nuevo conocimiento, sino también de la industria colombiana, como una máquina de desarrollo y creación de bienestar. Así pues, en esta tesis se estudiarán vía simulación con validación experimental el comportamiento a alta temperatura de componentes de la ruta de gases calientes de las turbinas a gas, y también objetivos científicos de desarrollo y aplicación de nuevos materiales de ingeniería para la optimización de los procesos de operación y mantenimiento de las turbinas a gas, donde la eficiencia energética garantiza la óptima utilización de los diferentes recursos disponibles.