Análisis de la degradación de recubrimientos de barrera térmica por espectroscopía de impedancia electroquímica

Abstract

Este trabajo correlaciona la microestructura de un recubrimiento de barrera térmica, estudiada mediante microscopía electrónica de barrido y microanálisis de rayos X, con los resultados obtenidos mediante espectroscopía de impedancia electroquímica que muestran la variación de sus propiedades eléctricas tras un proceso de oxidación isoterma. El sistema estudiado está formado por una capa cerámica, ZrO 2 8Y 2 O 3 (% en masa), y un anclaje metálico, Ni 22Cr 10Al 1Y (% en masa), depositados ambos por proyección térmica asistida por plasma sobre un sustrato de aleación base níquel In 600. Estos recubrimientos se oxidaron isotérmicamente en aire a 1050 ºC durante 72, 144 y 336 h. Se formó una capa intermedia de óxidos ("thermally grown oxides", TGO) entre el anclaje metálico y el recubrimiento cerámico formada por una mezcla de óxidos de Cr y Al que se tradujo en la variación de los parámetros característicos de la impedancia de la barrera térmica. Palabras clave: barreras térmicas, espectroscopía de impedancia electroquímica, ensayo no destructivo, oxidación isoterma, proyección térmica asistida por plasma, microscopía electrónica de barrido. Electrochemical impedance spectroscopy analysis of thermal barrier coatings after isothermal oxidation This investigation correlates the microstructure of a thermal barrier coating, analysed through scanning electron microscopy and X-ray microanalysis, with the electrochemical impedance spectroscopy data which show the variation in electrical properties after isothermal oxidation. A thermal barrier coating comprising a ceramic top layer, ZrO 2 8Y 2 O 3 (weight %), and an overlay coating, Ni 22Cr 10Al 1Y (weight %), air plasma sprayed over a nickel base alloy In 600 substrate was studied. These materials were heat treated in air at 1050 ºC for 72, 144 y 336 h. A thermally grown oxide layer, mainly comprising Cr y Al oxides, was formed between the ceramic and the overlay coating. This layer modified the electrical response of the thermal barrier coating in the electrochemical impedance spectroscopy tests. Keywords: Thermal barrier coatings, electrochemical impedance spectroscopy, non destructive evaluation, isothermal oxidation, air plasma spraying, scanning electron microscopy 1. INTRODUCCIóN El uso de recubrimientos cerámicos está cada vez más extendido en diversos sectores industriales, donde se requiere resistencia a elevada temperatura, a los ambientes agresivos y al desgaste. Desde los años 70 (1), las barreras térmicas han incrementado la temperatura de trabajo en el interior de los motores de turbinas de gas y a su vez han hecho decrecer la temperatura de los materiales metálicos que las forman, por lo tanto, incrementan su vida útil y reducen el consumo de combustible para generar la misma energía (2-7). Las barreras térmicas son sistemas multicapa formados por un recubrimiento cerámico que actúa como aislante térmico, depositado sobre una capa de anclaje, que mejora la adhesión y la resistencia a la corrosión del substrato metálico. El recubrimiento cerámico suele ser ZrO 2 parcialmente estabilizada con Y 2 O 3 (Y-PSZ) debido a su baja conductividad térmica (0,5-2,2 W/m·K) (8) y su alto coeficiente de expansión térmica (CTE). Sin embargo, no es posible recubrir directamente un substrato metálico con esta cerámica. Aunque el CTE de la ZrO 2 es alto (10·10-6 ºC-1) en comparación con otras cerámicas, resulta pequeño en comparación con los metales (15·10-6 ºC-1 para aleaciones base níquel) y podrían aparecer tensiones residuales en la intercara durante el procesado y el ciclado térmico que se produce durante la vida en servicio del componente. Estas tensiones en la intercara llegarían a provocar grietas y defectos en el recubrimiento. Para evitar este problema se emplea un recubrimiento metálico intermedio, rico en níquel y aluminio, que además protege al componente de la oxidación a alta temperatura (ZrO 2 es permeable al oxígeno y otras especies agresivas). Por otra parte, esta capa intermedia aumenta la adhesión del recubrimiento cerámico al proporcionar una superficie rugosa que ancla mecánicamente la capa de circona estabilizada. La resistencia de esta capa intermedia al ataque químico se debe a la presencia de elementos activos como el aluminio, que forman capas de óxidos ("Thermally Grown Oxide", TGO), principalmente Al 2 O 3 , que impiden la entrada de oxígeno en la estructura (4, 9). Por tanto, aleaciones del tipo MCrAlY (M=Ni, Co o Ni+Co) se utilizan como anclaje (10) en la mayoría de las barreras térmicas empleadas para proteger componentes constituidos por superaleaciones base Ni. La capa de óxidos