Estudio del efecto de cenizas volcánicas sobre barreras térmicas de componentes de turbinas de gas en el sector aeronáutico Trabajo fin de grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Laura Chicote García TUTORA: Mª Dolores Salvador Moya COTUTORA: Amparo Borrell Tomás

ÍNDICE Introducción Objetivos Experimentación Resultados Conclusiones

Introducción Objetivos Experimentación Resultados Conclusiones

Recubrimientos de Barrera Térmica INTRODUCCIÓN Recubrimientos de Barrera Térmica Thermal Barrier Coatings o TBC Protegen las zonas más calientes de las turbinas de gas los álabes de la turbina de alta presión Baja conductividad térmica Buenas propiedades mecánicas Alta resistencia a la corrosión y oxidación a altas temperaturas Elevada resistencia a la erosión Recubrimientos de circona (YSZ) Necesidad de mejorar las TBC Incrementar la temperatura de trabajo aumento eficiencia energética reducción gases contaminantes y reducción de costes Aumentar la vida útil del recubrimiento

INTRODUCCIÓN Problemática: Corrosión a alta temperatura Las partículas sólidas suspendidas en la atmósfera (arena del desierto y cenizas volcánicas) funden y se depositan sobre la turbina. Estas partículas reaccionan químicamente con la TBC Consecuencia: Degradación del recubrimiento La erupción del volcán islandés Eyjafjallajokull en 2010 supuso el cierre de la mayor parte del espacio aéreo europeo, estimando las pérdidas en 2 billones de euros

Introducción Objetivos Experimentación Resultados Conclusiones

OBJETIVOS Combinar diferentes microestructuras en el recubrimiento para mejorar las propiedades mecánicas y térmicas de las TBC, y conseguir una mayor resistencia a la corrosión a alta temperatura. Recubrimientos de partida: Recubrimientos multicapa y recubrimientos con función gradiente (FGM) Principal objetivo Estudiar la degradación de los recubrimientos multicapa y función gradiente por corrosión a alta temperatura Diseñar nuevas barreras térmicas que incrementen la temperatura de operación por encima de los 1200ºC. Alargar la vida útil de los recubrimientos. Objetivos secundarios: puesta a punto del ensayo de degradación y el estudio microestructural de las muestras

Introducción Objetivos Experimentación Resultados Conclusiones

Recubrimientos de partida + CMAS EXPERIMENTACIÓN – Metodología Preparación de las muestras 5. Tratamiento térmico 1. Mezclado 2. Fritado 3. Molienda 4. Pulverización Mezcla homogénea T = 1550 ºC – 1h Quenching en agua 75 wt% de EtOH 25 wt% de CMAS 20 mg/cm2 1250 ºC – 1h Enfriamiento lento Temperatura obtenida a partir de la caracterización Sales fundidas CMAS Recubrimientos de partida + CMAS Caracterización recubrimientos (SEM) Caracterización CMAS (ATD)

EXPERIMENTACIÓN – Caracterización y Sales CMAS Análisis térmico diferencial - ATD Mide cambio endotérmicos y exotérmicos: Transiciones vítreas, cristalizaciones y fusiones Identificación de la temperatura del tratamiento térmico. Microscopía electrónica de barrido - SEM Detector de electrones retrodispersados En la imagen se detectan los distintos elementos capa cerámica, capa de anclaje, TGO (tras el tratamiento térmico) y sustrato. Espectroscopía de energías dispersivas o EDX (Detector de rayos X) Información acerca de la composición química de las partículas Reacciones químicas Sales CMAS [1] [2] Fuente: [1] Drexler et al., Acta Materialia 60 (2012) 5437-5447 [2] Drexler et al. , Acta Materialia 58 (2010) 6835-6844

Introducción Objetivos Experimentación Resultados Conclusiones

RESULTADOS – Caracterización de las CMAS Análisis Térmico Diferencial 2 CMAS-1 CMAS-2 2 1 1 3 3 1- Transición vítrea (~ 900 ºC) : disminuye la viscosidad líquido 2- Cristalización (~ 1000 ºC): solidifican con estructura cristalina ordenada 3- Fusión (~ 1250 ºC): estado líquido pueden penetrar en el recubrimiento 1250ºC temperatura para el tratamiento térmico

YSZ_c (microestructura convencional) RESULTADOS – Microestructura YSZ_c (microestructura convencional) YSZ_n (microestructura nanoestructurado) 100 μm 100 μm Poros Grietas Zonas infundidas

RESULTADOS – Recubrimientos multicapa % en masa

RESULTADOS – Recubrimientos con función gradiente

Zona atacada químicamente RESULTADOS – Ataque CMAS-2 Evaluación del ataque Zona atacada químicamente M1 YSZ-n YSZ-c 10 µm 50 µm CMAS (contiene 3-4%Y2O3) ZrO2 – 6-7% Y2O3 – 0,5-1% CaO 5 µm Zonas infundida

RESULTADOS – Ataque CMAS-2 Comparación entre recubrimientos

RESULTADOS – Microestructuras M1

RESULTADOS – Microestructuras M1 (Infundidos)

Introducción Objetivos Experimentación Resultados Conclusiones

Los recubrimientos FGM tienen una mejor respuesta que los multicapa. CONCLUSIONES Las cenizas volcánicas (CMAS-2) son más agresivas que la arena (CMAS-1). El ataque químico causa un cambio microestructural en la capa depositada. El ZrO2 está menos estabilizada ya que parte del Y2O3 lixivia hacia el fundido. Las zonas infundidas actúan como barrera ante la propagación de las sales CMAS. Los recubrimientos con la capa de infundidos en la parte superior presentan una mayor resistencia (M1, G1). Los recubrimientos FGM tienen una mejor respuesta que los multicapa. El recubrimiento G1 es el que muestra mejores resultados, ya que es un recubrimiento con función gradiente y su capa de infundidos se encuentra en la parte superior.

Gracias por su atención