Correlación de la microestructura con la tenacidad a la fractura en recubrimientos de barrera térmica (TBC) para aplicaciones de turbinas a gas

Abstract

Resumen: El sistema de barrera térmica TBCs: compuesto por una superaleación de inconel 625, una capa de anclaje de NiCoCrALY depositada por HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), un recubrimiento de barrera térmica (ZrO2, estabilizada por 6-8%y2O3) aplicado por APS y un óxido crecido térmicamente, predominantemente, α-AL2O3, que se forma entre la capa cerámica y la capa de anclaje, fue expuesto durante 1700 h a una temperatura fija de 1100°C. Se estudió sistemáticamente la variación de las propiedades mecánicas (dureza, módulo de Young y tenacidad a la fractura) en la capa cerámica para 0, 200, 400, 600, 800, 1000 y 1700 h de exposición. Para ello se implementaron las técnicas de nano y microindentación: la primera técnica permitió evaluar la variación de la dureza y el módulo de Young, en la microindentación se lograron desarrollar grietas tipo half penny que sirvieron para determinar la tenacidad a la fractura; con las técnicas de microscopía óptica y electrónica de barrido, se midieron las longitudes de las grietas y se realizó una descripción de su morfología. Se desarrolló una descripción de la evolución de la porosidad, agrietamiento y crecimiento de la capa de óxido (debido a la cinética de oxidación de la capa de anclaje), que tienen efecto en la degradación de la capa cerámica y en todo el sistema TBC. Se encontró que los fenómenos de sinterización, crecimiento de la capa de óxido y transformación de fase, confluyen en un complejo estado de esfuerzos que determinan la vida útil de la capa cerámica. Como era de esperarse, los daños en la capa son proporcionales al tiempo de exposición, y su cuantificación a partir de la tenacidad a la fractura, concuerdan con los valores reportados previamente por otros investigadores. Aunque el espesor de la capa de óxido superó el valor crítico de (colapso de la capa), ésta no presentó delaminación.

Abstract: A thermal barrier coating system (TBCs) made of Inconel 625 substrate with NiCoCrALY bond coat (BC) applied by HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) process, APS deposited (ZrO2, estabilizada por 6-8%y2O3) top coat (TC) and a thermally grown oxide (TGO), predominantly α-AL2O3, that forms between the TC and the BC. The TBCs was soaked at for 1700 hours. The variation of mechanical properties like hardness, Young's modulus and fracture toughness was identified sistematically in the top coat during exposure time at 0, 200, 400, 600, 800, 1000 and 1700 hours by nanoindentation and microindentation techniques: the first one technique allowed to obtain the variation of hardness and Young's modulus and microindentation developed half penny microcracks their lengths were measured by optical microscopy and scanning electron microscopy techniques in order to determine fracture toughness; furthermore a description of the morphology and development of porosity, cracking and TGO growth (due to oxidation kinetics of the bond coat) was performed. The TGO effect on degradation of the top coat and hence the TBCs was discussed. It was found that the sintering phenomenon, the oxide growth kinetic and phase transformation, converge in a complex state of stresses that determine the lifetime of the TC. As expected, the damage in the top coat was proportional to the exposure time, and it was quantified by the fracture toughness, the results were consistent with the previous reports. Although the thickness of the TGO exceeded the critical value ≈ 6μm (collapse of the TC), any delamination was observed.