Ligação Melhorada

Dec 12, 2023

Lewis Research Center, Cleveland, Ohio

Os revestimentos de barreira térmica (TBCs) de produção atual demonstraram ser capazes de reduzir as temperaturas médias dos componentes metálicos em 50 a 80 °C e a temperatura de ponto quente em até 140 °C. Essa redução substancial de temperatura tem sido usada para prolongar a vida útil de componentes metálicos em turbinas de aeronaves. No entanto, para aplicações críticas destinadas a melhorar o desempenho do motor, onde temperaturas significativamente mais altas estão envolvidas, são necessários TBCs de maior durabilidade. Foi demonstrado que um revestimento de ligação aprimorado incorporando camadas metálicas e de cermet aumenta a vida útil de fadiga térmica de um revestimento de barreira térmica (TBC) pulverizado por plasma em um fator de dois ou mais. Esses TBCs podem ser aplicados a componentes em turbinas a gás e em motores a diesel.

Um TBC típico compreende uma única camada de revestimento de ligação metálica, de 0,005 a 0,008 pol. (cerca de 0,13 a 0,020 mm) de espessura, revestida com uma única camada de revestimento de cerâmica, de 0,005 a 0,020 pol. (cerca de 0,13 a 0,50 mm) de espessura. A camada de revestimento de ligação é tipicamente MCrAlX, onde M significa Ni, Co ou Fe e X significa Y, Zr, Hf, Yb ou outro elemento reativo. A camada de acabamento cerâmico é tipicamente de zircônia parcialmente estabilizada com 6 a 8 por cento em peso de ítria. O revestimento de ligação é normalmente processado por pulverização de plasma, enquanto o revestimento superior pode ser processado por pulverização de plasma ou deposição física de vapor por feixe de elétrons. Para TBCs usando um revestimento superior pulverizado com plasma, o revestimento de ligação é preparado com uma superfície áspera para melhorar a adesão.

Apesar da necessidade da rugosidade do revestimento de ligação para aumentar a adesão, a rugosidade também tende a intensificar as tensões que ocorrem na interface entre a cerâmica e o revestimento de ligação. Trabalhos recentes mostraram que as altas tensões são particularmente significativas nas proximidades dos picos na camada de ligação áspera (ver Figura 1). Uma investigação detalhada mostrou ainda que as tensões podem ser minimizadas combinando a expansão térmica dos picos do revestimento de ligação com o revestimento de cerâmica.

A Figura 2 ilustra um projeto de TBC que aborda esses problemas por meio do uso de um revestimento de ligação de duas camadas. A primeira camada do revestimento de ligação é um típico MCrAlX, conforme descrito acima para um TBC convencional. A segunda camada do revestimento de ligação incorpora uma dispersão fina de uma segunda fase particulada em uma matriz MCRAlX. A segunda fase deve ter um coeficiente de expansão térmica tão baixo quanto, ou preferencialmente menor que, a camada de cerâmica de zircônia estabilizada com ítria, deve ser estável até a temperatura de uso pretendida, quimicamente inerte em relação à matriz MCrAlX e deve ser quimicamente compatível com a incrustação de alumina crescida termicamente. Os materiais de segunda fase candidatos incluem alumina, cromo, granada de ítrio-alumínio, espinélio de níquel-alumínio, ítria, mulita e outros óxidos.

Uma vez que o objetivo é alcançar a correspondência de expansão dos picos da segunda camada para a zircônia estabilizada com ítria, a segunda fase particulada deve ter dimensões menores que as dos picos, normalmente menos de 5 μm, e deve estar bem dispersa na matriz MCrAlX. A fração de volume do particulado deve ser alta o suficiente para alcançar uma correspondência substancial do pico de expansão com o da camada de cerâmica. Para o caso de adição de alumina ao MCrAlX, uma fração de volume de alumina de 0,71 é necessária para atingir uma incompatibilidade de expansão térmica próxima de zero. Na prática, a expansão térmica da segunda camada deve ser balanceada com os demais requisitos da camada, como ductilidade e resistência à oxidação.

Até o momento, os revestimentos foram pulverizados com plasma usando pós de partida produzidos por liga mecânica. O processo de liga mecânica que foi desenvolvido produziu pós de partida de spray de plasma com até 20 por cento em volume de uma dispersão fina de partículas de alumina submicron. A vida útil da camada de cerâmica foi dobrada para TBCs, usando um revestimento de ligação de apenas 5 por cento em volume de alumina. Esse aumento tecnologicamente importante e repetível na vida útil pode ser usado para levar os TBCs a temperaturas operacionais mais altas.