Síntesis y estudio del comportamiento mecánico, térmico y de durabilidad ambiental del ortosilicato de itrio para su aplicación como recubrimiento de barrera ambiental.

Resumen

Los cerámicos basados en silicio, tales como SiC y Si3N4, son prometedores candidatos como material estructural para aplicaciones a muy alta temperatura (>1200ºC) debido a su alto punto de fusión, su excelente estabilidad termomecánica y su baja densidad. Su aplicación por ejemplo en componentes críticos de las turbinas de gas para generación de energía eléctrica permitiría mejorar apreciablemente su eficiencia termodinámica, reduciendo a la vez las emisiones. Sin embargo, un inconveniente de estos materiales es su baja resistencia a la oxidación en entornos de combustión. En estas condiciones, la capa de sílice pasivante que se forma en entornos secos es inestable en presencia de vapor de agua, reaccionando para formar una capa resultante de hidróxidos que se volatiliza, provocando la degradación y recesión de este material en los componentes de la turbina. Para ello, se han desarrollado recubrimientos de barrera ambiental (en sus siglas en inglés, EBC) que protegen a los materiales basados en silicio de la corrosión y la erosión, mitigando sus efectos. Los silicatos de tierras raras son la nueva generación de recubrimientos de barrera ambiental, ya que presentan una alta protección frente a la erosión, una baja velocidad de volatilización y una baja permeabilidad de oxígeno. Concretamente, monosilicato de itrio Y2SiO5, es uno de los candidatos más potenciales debido a su alto punto de fusión, baja permeabilidad de oxígeno y velocidad de volatilización baja. Sin embargo, debido a las dificultades de síntesis y sinterización de este silicato, es compleja la obtención de un monolito puro, denso y compacto de este material para evaluar sus propiedades fundamentales. Por lo que no existe mucha información acerca de las mismas como, por ejemplo, su comportamiento térmico y mecánico o durabilidad ambiental frente a la corrosión de depósitos fundentes a alta temperatura. Estas propiedades resultan esenciales para evaluar su comportamiento a largo plazo y su vida útil como recubrimiento. Por ello, el objetivo de este trabajo es desarrollar un procedimiento para producir un material compacto, puro y denso de Y2SiO5 y determinar dichas propiedades mencionadas anteriormente. Además, se realizará un estudio de la relación entre dichas propiedades y la ruta de fabricación empleada. La primera parte del trabajo, se ha centrado en la fabricación del material de Y2SiO5 mediante diferentes métodos de síntesis y sinterización. Con respecto la síntesis, se ha llevado a cabo por dos vías distintas: la reacción en estado sólido (con y sin aditivos) y la liofilización. Se han caracterizado los polvos resultantes obtenidos mediante las técnicas de difracción de Rayos X y distribución granulométrica para realizar un análisis cristalino y de tamaño de partícula de los mismos. También se ha realizado un estudio de la termodinámica en dicho proceso de síntesis mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC). Una vez sintetizados los polvos de Y2SiO5 por los diferentes métodos de síntesis, se procedió a la sinterización de los mismos para obtener un material denso y compacto mediante dos técnicas diferentes: sinterización convencional y Spark Plasma Sintering, SPS. El compacto sinterizado se caracterizó mediante difracción de Rayos X para verificar los productos cristalinos resultantes tras dicho proceso de sinterización. Además, se caracterizó detalladamente la microestructura de los materiales mediante microscopía electrónica de barrido y de transmisión. La segunda parte del trabajo ha consistido en el estudio de las propiedades fundamentales del material Y2SiO5 para su aplicación como recubrimiento de barrera ambiental. Se comenzó por la evaluación del comportamiento termomecánico a alta temperatura. Para ello, se llevaron a cabo ensayos mecánicos de compresión a velocidad constante y de termofluencia en compresión a carga constante en el rango de temperaturas entre 1200 y 1400ºC, gracias a los cuales se han podido determinar los mecanismos de deformación plástica implicados, así como su comparación con los diferentes modelos existentes propuestos. Además, se ha complementado este estudio mecánico con una caracterización microestructural de las muestras tras los diferentes ensayos mediante microscopía electrónica de barrido y de transmisión. Posteriormente se procedió a la determinación de la conductividad térmica a alta temperatura del material Y2SiO5, a partir de la medida experimental de la difusividad térmica mediante la técnica de Laser Flash. Finalmente, se llevó a cabo la evaluación de la durabilidad ambiental del material Y2SiO5 a partir de su comportamiento frente a la corrosión de depósitos salinos consistentes en aluminosilicatos de calcio y magnesio (CMAS, por sus siglas en inglés). Estas sales están presentes típicamente en el interior de las turbinas y funden debido a la alta temperatura de operación para dar lugar a una fase vítrea altamente reactiva. Las fases resultantes de esta interacción Y2SiO5-CMAS se estudiaron mediante difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido y calorimetría diferencial de barrido.