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Comportamiento de recubrimientos multicapa de Mullita/ZrO2 diseñados para barreras ambientales en condiciones de vapor de agua y alta temperatura.

 

Joana Queiroz de Mesquita Guimaraes
Instituto de Cerámica y Vidrio, CSIC

 

Directores de tesis:
Dr. Eugenio S. García Granados
Dra. María Isabel Osendi Miranda


Un problema clave que se plantea la sociedad actual es la consecución de una mayor eficiencia en los procesos industriales y en el transporte, reduciendo al máximo la emisión a la atmosfera de gases contaminantes, con objeto de controlar el efecto invernadero. Cuando se traslada este axioma a los motores de turbina de gas, se comprende que para avanzar en esa línea es necesario un cambio en el tipo de materiales que forman parte de una turbina, y en especial, de las zonas más calientes.
Como alternativa a las aleaciones metálicas que se usan en la actualidad, se ha empezado a investigar en componentes cerámicos de nitruro de silicio y el carburo de silicio reforzado con fibras, siendo uno de los problemas más importantes a los que se enfrentan estos materiales el de la corrosión producida por la atmosfera de combustión de una turbina, muy rica en vapor de agua. La estrategia general con la que se afronta este problema consiste en la aplicación de recubrimientos protectores frente a este tipo de atmosferas y elevadas temperaturas, de forma similar a como las barreras térmicas se emplean en componentes metálicos de turbinas de gas para protegerlos de la oxidación.
Los recubrimientos para componentes cerámicos reciben el nombre de barreras ambientales y son básicamente estructuras multicapa que entrañan gran complejidad pues han de ser químicamente compatibles con el substrato, estables en atmósferas de combustión y soportar los ciclados térmicos sin degradarse prematuramente. Este conjunto de características, que debe cumplir el conjunto de sustrato + recubrimiento, supone un desafío tecnológico importante y, por descontado, un reto para la Ciencia de Materiales.
En esta tesis se plantea una nueva estructura de barrera ambiental basada en la superposición de capas de composición mullita/ZrO2 gradual, entre el substrato de SiC y la capa superior de ZrO2, el material utilizado por excelencia como barrera térmica. La funcionalidad de las capas intermedias de mullita/ZrO2 es la de ajustar el coeficiente de expansión térmica para reducir en lo posible las tensiones residuales, y tratar así de evitar agrietamientos catastróficos.
La memoria se estructuró en cuatro partes. En la primera parte se plantea la problemática, situándola en el contexto global de la evolución de las turbinas de gas; ofreciendo también una breve introducción de la técnica de proyección por plasma. La segunda parte trata primordialmente de los tres métodos implementados para fabricar el material de aporte en condiciones adecuadas para proyección y que su producción sea fácilmente escalable. La tercera parte muestra de forma comparativa las propiedades mecánicas, las características microestructurales y el nivel de tensiones residuales en los sistemas junto a una cuantificación de las grietas presentes en las distintas estructuras de barreras ambientales procesadas mediante proyección por plasma y finalmente, la cuarta parte recoge los resultados de los ensayos de corrosión, tanto estáticos como ciclados, de los recubrimientos, sometidos a alta temperatura en flujo de aire rico en vapor de agua. Las características y propiedades de los recubrimientos envejecidos se exponen y se comparan con los recubrimientos originales. Todo ello ha permitido señalar los sistemas más fiables y profundizar en las causas que aceleran la corrosión, extrayendo también pautas para avances en ulteriores diseños.

Miembros del Tribunal:

Presidente, Prof. Dr. Vicente Fernández Herrero. Catedrático del Departamento de Química Inorgánica de la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).

Secretaria, Dra. María Antonia Sainz Trigo. Científico Titular/Jefe del Departamento de Cerámica del Instituto de Cerámica y Vidrio (ICV) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

1ª Vocal, Profª Dra. María Dolores Salvador Moya. Catedrática en la Universidad Politécnica de Valencia en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Materiales de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería del diseño.

2º Vocal, Prof. Dr. Luis Miguel Llanes Pitarch. Catedrático de la Universitat politécnica de Catalunya en el Departamento de Ciencias de los Materiales e Ing. Metalúrgica en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona.

3ª Vocal, Dra. Sophia Alexandra Tsipas. Profesora Ayudante Doctor en el Departamento de Ciencias e Ing. de Materiales e Ing. Química en la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Carlos III de Madrid.

1º Suplente, Prof. Dr. Carlos Andrés Prieto de Castro. Profesor de Investigación en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

2º Suplente, Prof. Dr. Pedro Alberto Poza Gómez. Catedrático de Universidad Rey Juan Carlos en el Departamento de Tecnología Mecánica de la Escuela Superior de Ciencias Experimentales y Tecnología (ESCET).

Calificación: Cum Laude