Científicos de China, desarrollan material de capa de unión que permite que los recubrimientos de barrera térmica funcionen a 1200 °C
Beijing, China, Asia.- Un equipo de investigación ha desarrollado un novedoso material de capa de unión que mejora significativamente la resistencia a la oxidación de los recubrimientos de barrera térmica (TBC) a 1200 °C, una mejora crucial para los motores aeronáuticos de ultraalto empuje de próxima generación.
A medida que los motores de aviación modernos buscan una mayor relación empuje-peso y una mayor eficiencia térmica, se espera que las temperaturas de entrada a la turbina superen los 1900 °C, una temperatura muy superior al punto de fusión de las superaleaciones. Por lo tanto, los TBC son esenciales, ya que actúan como capas cerámicas de aislamiento térmico en los álabes de la turbina. La capa de unión, situada entre la capa superior cerámica y el sustrato de superaleación, desempeña un papel fundamental. Debe soportar la tensión térmica y, crucialmente, formar una capa de óxido de crecimiento térmico (TGO) adherente y de crecimiento lento para proteger el sustrato de la oxidación.
Desde la década de 1970, las aleaciones de NiCoCrAlY (MCrAlY) han sido el material estándar para la capa de unión. Sin embargo, se enfrentan a una importante limitación: las tasas de oxidación se disparan por encima de los 1100 °C, lo que provoca un rápido crecimiento de TGO y espalación, lo que provoca el fallo del TBC. Este límite de temperatura se ha mantenido durante décadas, obstaculizando el progreso de los motores.
Para superar esta limitación, investigadores del Instituto de Investigación de Metales de la Academia China de Ciencias, la Universidad de Pekín y la Universidad Tecnológica de Shenyang desarrollaron una estrategia dual centrada en las etapas de oxidación inicial y estacionaria.
En primer lugar, los investigadores diseñaron una aleación con una microestructura laminar fina optimizando el contenido de aluminio eutéctico. Esto mejora el suministro de aluminio durante la oxidación temprana, promoviendo la rápida formación de una capa protectora continua de α-Al₂O₃. En segundo lugar, ajustaron las proporciones de cobalto (Co), cromo (Cr) y níquel (Ni) para maximizar la entropía configuracional, creando una aleación de elementos principales múltiples (MPEA). La grave distorsión reticular resultante en la zona de agotamiento de aluminio bajo el TGO aumenta la energía de formación de vacantes y eleva la barrera energética para la difusión del aluminio, ralentizando eficazmente el proceso de oxidación a altas temperaturas.
La MPEA NiCoCrAlYHf desarrollada demostró un rendimiento excepcional. En pruebas de oxidación isotérmica de 500 horas a 1200 °C, su constante de velocidad de oxidación fue de tan solo 1,28 × 10⁻¹² g²·cm⁻⁴·s⁻¹, aproximadamente un 59 % inferior a la de la aleación tradicional MCrAlY. Más importante aún, en pruebas de oxidación cíclica, la aleación tradicional sufrió espalación de incrustaciones de óxido después de tan solo 70 horas y mostró una pérdida de superficie superior al 40 % después de 500 horas. En cambio, la nueva aleación presentó menos del 2 % de desprendimiento durante toda la prueba, lo que demuestra una excelente adhesión a las incrustaciones y resistencia al desprendimiento.
Este avance proporciona una base fundamental para los materiales y un nuevo paradigma de diseño para el desarrollo de capas de unión que puedan funcionar en entornos extremos, allanando el camino para futuros motores de alto rendimiento.
