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Desde motores de aviones hasta sistemas de escape de automóviles: ¿Cuáles son las sorprendentes aplicaciones de los recubrimientos de barrera térmica?
Los recubrimientos de barrera térmica (TBC) son sistemas de materiales avanzados que se aplican comúnmente a superficies metálicas que funcionan en condiciones de alta temperatura, como las cámaras de combustión y las turbinas de los motores de turbina de gas, y los sistemas de gestión térmica de los gases de escape de los automóviles. Estos recubrimientos de material térmicamente aislante, con espesores que van desde 100 micrones a 2 milímetros, aíslan eficazmente contra el calor, permitiendo que los componentes mantengan la eficiencia operativa y la durabilidad a pesar de cargas térmicas severas.
Los recubrimientos de barrera térmica pueden extender la vida útil de los componentes y reducir la oxidación y la fatiga térmica.
Con la creciente demanda de motores de alta eficiencia, que necesitan funcionar a temperaturas de funcionamiento más altas y tener una mayor durabilidad, existe un impulso cada vez mayor para el desarrollo de nuevos revestimientos de barrera térmica avanzados. Los requisitos de material para los revestimientos de barrera térmica son similares a los de los escudos térmicos, pero en esta última aplicación, la tasa de generación de calor suele ser más importante.
Estructura y requisitos del revestimiento de barrera térmica
Un revestimiento de barrera térmica eficaz debe cumplir ciertos requisitos para funcionar bien en entornos termomecánicos hostiles. Para hacer frente a las tensiones de expansión térmica durante el calentamiento y enfriamiento, es necesaria una porosidad adecuada y el coeficiente de expansión térmica debe coincidir con el de la superficie metálica que se está recubriendo. Además, es necesario mantener la estabilidad de fase para evitar cambios de volumen significativos (como los que ocurren durante los cambios de fase). Los recubrimientos de barrera térmica generalmente constan de cuatro capas: sustrato metálico, capa de unión metálica, capa de óxido cultivado térmicamente (TGO) y capa superior cerámica.
Para que un revestimiento de barrera térmica dure, los coeficientes de expansión térmica entre todas las capas deben coincidir bien.
Mecanismo de fallo
Los mecanismos de falla de los recubrimientos de barrera térmica son complejos y pueden variar según el entorno del ciclo térmico. Aunque hay muchos mecanismos de falla que no se comprenden completamente, el crecimiento del óxido generado térmicamente (TGO), el choque térmico y la sinterización de la capa superior son los tres factores más importantes que conducen a la falla del recubrimiento de barrera térmica.
El crecimiento de la capa TGO es una de las razones más importantes de la eliminación y el fracaso del TBC. Cuando se forma TGO con calentamiento, provocará una tensión de crecimiento compresiva relacionada con la expansión del volumen; al enfriarse, se generará una tensión de desajuste de la red debido a diferentes coeficientes de expansión térmica. Esta serie de tensiones eventualmente conducirá al agrietamiento y desprendimiento del revestimiento de barrera térmica. .
El choque térmico es un mecanismo de falla primario porque las tensiones inducidas por cambios de temperatura tan drásticos pueden causar grietas en el revestimiento de barrera térmica.
Además, la sinterización aumenta la densidad de la capa superior, provocando la formación de grietas. Se informa que los materiales compuestos cerámicos a base de nitruro de silicio también muestran un rendimiento superior que los materiales tradicionales de nitruro de circonio en aplicaciones de revestimiento de barrera térmica.
Tipos de revestimientos de barrera térmica
Los diferentes materiales de revestimiento de barrera térmica tienen diferentes características. Incluyendo circonio de uso común (YSZ), circonato de metal terrestre, % de óxido de aluminio y nitrógeno, etc. YSZ es el más famoso y se utiliza ampliamente en motores de combustible debido a su buena estabilidad térmica y baja conductividad térmica. Sin embargo, YSZ encuentra cambios de fase a altas temperaturas, lo que resulta en una degradación del rendimiento.
Los óxidos de tierras raras (como el CeO2) y los compuestos de metal y vidrio han mostrado potencial como materiales alternativos.
Campos de aplicación
La aplicación de recubrimientos de barrera térmica se está volviendo cada vez más común en los vehículos modernos, especialmente para reducir la pérdida de calor en los componentes del sistema de escape, como los colectores de escape y las carcasas del turbocompresor. Además, en el campo de la aviación, el uso de tales recubrimientos es extremadamente importante, a menudo utilizados para proteger superaleaciones a base de níquel y permitirles operar por encima del punto de fusión para mejorar el rendimiento del motor.
Sin embargo, con la demanda de combustible y el avance de la tecnología ecológica, cómo mejorar continuamente el rendimiento de los recubrimientos de barrera térmica y permitirles operar de manera estable a temperaturas más altas es un desafío al que la industria concederá gran importancia en el futuro. .
La tecnología de recubrimiento de barrera térmica ha demostrado un amplio potencial de aplicación en muchas industrias. ¿Cómo se desarrollará aún más esta tecnología en el futuro para satisfacer las necesidades cambiantes?
