efecto del ángulo de impacto en la resistencia a la...
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Efecto del ángulo de impacto en la resistencia a la erosión a alta temperatura en
barreras térmicas de zirconia estabilizada con itria.
Tesis de Maestría
Augusto César Barrios Tamayo
Ingeniero de Materiales
e-mail: [email protected]
Asesor:
Alejandro Toro, PhD
Grupo de Tribología y Superficies, GTS
MAESTRÍA EN INGENIERÍA, MATERIALES Y PROCESOS
FACULTAD DE MINAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN
2013
2
Agradecimientos
El soporte espiritual de Helia de Jesús Tamayo Rave,
mi madre, que en los momentos de oscuridad me
mostró la luz con su apoyo incondicional.
Paula Andrea Suárez, por su apoyo económico
y espiritual para lograr mis objetivos.
Juan David Ospina, por sus consejos
Darío Zambrano y Luis Tobón, por su acompañamiento
Alejandro Toro y Pablo Gómez con EPM
por darme la oportunidad de participar en el proyecto
y aprender.
A todo el grupo GTS.
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Resumen
Esta tesis trata del desgaste por erosión en componentes de la ruta de gases calientes en turbinas
de generación eléctrica. Se efectuó la determinación de los mecanismos que participan en la
remoción de material en la superficie de las barreras térmicas de zirconia estabilizada con itria y
el efecto del ángulo medio de impacto en dichos mecanismos. Para llevar a cabo dicha
investigación se analizaron las superficies de liners, álabes y probetas nuevas (as-sprayed) que
fueron desgastadas con el fin de comparar las texturas superficiales obtenidas en cada caso. La
ejecución de ensayos de erosión controlados requirió desarrollar un equipo capaz de emular las
condiciones de erosión a alta temperatura con velocidades de hasta 1.5 Mach y temperaturas
alrededor de 1200°C. Los resultados obtenidos fueron contrastados con reportes técnicos
disponibles en EPM (Empresas Públicas de Medellín).
El principal mecanismo de daño identificado fue la propagación de grietas y remoción de material
por fatiga termo-mecánica tanto bajo el modo de fractura intercolumnar del splat como bajo el
modo de fractura intersplat. Se determinaron las diferencias en textura de desgaste superficial de
acuerdo a los ángulos medios de impacto y se establecieron correlaciones con los mecanismos de
desgaste observados.
Palabras Claves: TBC, erosión a alta temperatura, fatiga termomecánica,
The effect of average impact angle on yttria-stabilized thermal barrier coatings under high
temperatures
Abstract
This work deals with erosive wear of hot-path turbine components used for power generation
turbines. The damage mechanisms present in yttria-stabilized thermal barrier coatings submitted
to either controlled tests or gas turbine operating conditions were identified by characterization
of the worn surfaces of liners, first stage turbine blades and as-sprayed testing samples. The
erosion tests were performed using a home-built high-temperature erosion testing facility that
emulates the turbine operating conditions such as mean impact velocities of combustion gases up
to 1.5 Mach and temperatures near 1200°C. The results were compared with industry technical
reports and literature related to real worn turbine components. The mechanisms identified
involved crack propagation due to thermo-mechanical fatigue both in intersplat contact and
across the splat inter-columnar contact. The worn surfaces texture was related to the average
impact angles and to the damage mechanisms previously characterized.
Key Words: TBC, high temperature erosion, thermomechanical fatigue, plasma spray coatings
4
Tabla de contenido
Introducción ....................................................................................................................................... 12
1. Marco Teórico............................................................................................................................ 14
1.1. Mercado y tecnologías que involucran a las barreras térmicas ........................................ 14
1.2. Importancia de la erosión en costos y operación ................................................................ 14
1.3. Motores de propulsión .......................................................................................................... 15
1.4. Turbinas de generación eléctrica ......................................................................................... 15
1.5. Materiales y procesos para barreras térmicas .................................................................... 18
1.5.1. Óxido de zirconio parcialmente estabilizado con itria, YSZ ......................................... 18
1.5.2. Materia prima para APS .................................................................................................. 20
1.6. Procesos APS y microestructura de los TBC´s. .................................................................. 20
1.7. EB-PVD .................................................................................................................................. 23
1.8. Conceptos generales de erosión a alta temperatura ........................................................... 23
1.8.1. Acercamientos al concepto de erosión ............................................................................. 24
1.8.2. Formas de Erosión ............................................................................................................. 26
1.8.2.1. Erosión mecánica ........................................................................................................... 27
1.8.2.1.1. Degradación debida al impacto de átomos de gas ...................................................... 28
1.8.2.2. Erosión Térmica o Efecto de la Temperatura en el Desgaste erosivo ....................... 29
1.8.2.3. Erosión química o degradación química en el desgaste erosivo ................................ 30
1.8.2.4. Mecanismos de erosión.................................................................................................. 31
2. Estado del arte, mecanismos de desgaste propuestos para TBCS ....................................... 32
2.1. Efecto del ángulo medio de impacto .................................................................................... 38
2.1.1. Ángulos medios de ataque en un álabe de turbina ......................................................... 39
2.2. Medio erosivo ......................................................................................................................... 42
3. Objetivos .................................................................................................................................... 50
Objetivo General ............................................................................................................................... 50
Objetivos específicos. ......................................................................................................................... 50
4. Metodología ................................................................................................................................ 50
4.1. Materiales de estudio y procedimientos de preparación de muestras .............................. 50
4.2. Puesta a punto de tribómetro de erosión a alta temperatura ............................................ 54
4.3. Ejecución de las pruebas de erosión a alta temperatura ................................................... 55
5
4.4. Caracterización inicial de la TBC ........................................................................................ 55
4.6. Análisis superficial ................................................................................................................ 56
5. Resultados .................................................................................................................................. 57
5.1. Puesta a punto de equipo de erosión a alta temperatura ................................................... 57
5.1.1. Sistema de Adquisición de datos para medición de parámetros de erosión (SAD) ..... 64
5.2. Desarrollo del protocolo general de ensayo ......................................................................... 66
5.3. Ensayos de desgaste erosivo .................................................................................................. 68
5.4. Análisis de superficies desgastadas ...................................................................................... 69
5.4.1. Determinación de mecanismos globales de erosión en componentes de turbina GE7FA
69
Liner de turbina GE7FA ................................................................................................................ 69
Álabes móviles de primera etapa ................................................................................................... 78
5.4.2. Rugosidad y PSD en superficies desgastadas .................................................................. 87
6. Discusión .................................................................................................................................... 97
Bibliografía ...................................................................................................................................... 102
Lista de gráficos
Figura 1. APS TBC barrera térmica manufacturada por deposición plasma y EB PVD TBC, barrera térmica por
deposición física de vapor por haz de electrones, modificado de [15]. ____________________________________ 13
Figura 2. a) Avances en eficiencia de generadores de vapor y gas, [28]; b) Incremento de la potencia en varias
referencias de turbinas con respecto a la temperatura de operación, [29] __________________________________ 14
Figura 3. a) Zonas de combustión y postcombustión en una turbina de generación General Electric 7FA-GT, [35] b)
Variación de propiedades de gas de combustión a través de la zona de postcombustión de una turbina de propulsión
General Electric J79; V=487m/s, T=1000C, p=160 psi. [27].___________________________________________ 16
Figura 4. Álabe de turbina con detalles de un sistema TBC, modificado de [15]. __________________________ 17
Figura 5. a) Estructura de la YSZ con vacantes de oxígeno y b) Diagrama de fase de la zirconia parcialmente
estabilizada, PSZ modificada de [41] _____________________________________________________________ 19
Figura 6. Criterio de selección del porcentaje de itria en la zirconia TBC basado en la durabilidad, [43]. _______ 19
Figura 7. Transporte de vacantes en la YSZ. (Derek Fray, 2012) y difusión del oxígeno entre celdas tetragonales y
cúbicas ____________________________________________________________________________________ 20
Figura 8. Micrografías SEM de polvos de zirconia estabilizada, materia prima para APS, [45]. _______________ 20
Figura 9. a) Parámetros y variables que afectan la microestructura de una barrera térmica, [11] con las posibles
deposiciones de splats en el substrato _____________________________________________________________ 22
Figura 10. Proceso de deposición plasma y estructura obtenida (a) Partículas sin fundir, (b) inclusiones de
contaminantes (c) óxidos (d) capas delgadas entre pasadas y (e) poros [11]. _______________________________ 23
Figura 11. Formas en las que se puede representar y clasificar el desgaste erosivo, modificado de [60]. ________ 27
Figura 12. Dos situaciones en las cuales a) el gas de combustión impacta flujo paralelo a la superficie y b) varios
ángulos α y β, que van desde 0 a 90°, sobre un material frágil o dúctil. Modificado de [51] ___________________ 28
6
Figura 13. Celdas rotativas del flujo secundario en una turbina, impactando una TC depositada por APS._______ 28
Figura 14. Erosión a nivel atómico, predominante en componentes sometidos a gases de combustión (G.
Stachowiak, A. Batchelor, 2005). ________________________________________________________________ 29
Figura 15. Erosión térmica (Zum Ghar, 1987) _____________________________________________________ 29
Figura 16. Mecanismos de falla en un material frágil de acuerdo al medio que impacta, estos dependen de la
geometría de la partícula, su masa, tamaño y velocidad. ______________________________________________ 32
Figura 17 . Mecanismos de falla generales para materiales frágiles y erosión para TBC por APS y por EB PVD,
modificado de [3]. ____________________________________________________________________________ 33
Figura 18. Representación esquemática de los tres mecanismos observados por Eaton y Novak en los cerámicos
porosos: (1) arado; (2) Fractura secundaria; (3) apertura de túneles vía poros. _____________________________ 36
Figura 19. Microestructura de una capa depositada por plasma, [22]. ___________________________________ 36
Figura 20. Representación esquemática de rapidez de erosión en función de: (a) tiempo de exposición, (b) ángulo
de impacto, curvas válidas para: metales dúctiles (α), metales duros (β), cerámicos frágiles (γ) y cauchos (δ) (c)
tamaño de partícula y (d) velocidad de impacto [60]. _________________________________________________ 38
Figura 21. Gráfica de rapidez de erosión con respecto al ángulo de impacto para una YSZ PS-TBC, en rojo y YSZ
EB PVD, [8]. ________________________________________________________________________________ 39
Figura 22. Perfil de los diferentes ángulos de ataque para erosión en un álabe de turbina, [4]. ________________ 40
Figura 23. Ángulos más representativos en los álabes, [34]. __________________________________________ 41
Figura 24. Proceso en el cual se rompe la capa límite generando ondas de choque y celdas rotativas, donde Re, es el
número de Reynolds, [77]. _____________________________________________________________________ 42
Figura 25. La erosión con o sin partículas sólidas se ve incrementada o disminuida por causa de turbulencias, la
capa límite puede ser laminar o turbulenta [79] _____________________________________________________ 43
Figura 26. Línea de estancamiento en una placa plana (Daniel D. Joseph, 2006) y en un álabe indicando las líneas
de flujo primario [27]. _________________________________________________________________________ 43
Figura 27. a) Ejemplo del cálculo de flujos generados por medio de varios métodos computacionales, ajuste entre la
frecuencia de las ondas de choque experimentales y simuladas. b) Perfiles de velocidad mach en un sistema de álabes
[36]. _______________________________________________________________________________________ 44
Figura 28. Equipo de erosión a alta temperatura utilizado por Tabakoff, [92]. ____________________________ 48
Figura 29 . Disección de liner, turbina GE clase F de la central termoeléctrica EPM La Sierra. Las marcaciones
indican las áreas escogidas, desde el punto más lejano a la llama de combustión, zona 1, hasta el acople con los
quemadores, zona 7. Dado que se escogió para el análisis solo la mitad de la superficie del componente las zonas se
diferenciaron entre izquierda I y derecha D. La dirección de las flechas amarillas indica la trayectoria media del flujo
de combustión. ______________________________________________________________________________ 51
Figura 30. Proceso impregnación, b) equipo Buehler Cast’n Vac 1000 y c) probetas obtenidas para el posterior
corte. ______________________________________________________________________________________ 52
Figura 31. Álabe móvil de primera etapa, a) superficie de compresión, b) superficie de succión. _____________ 53
Figura 32. a) Cupones rectangulares de Hastelloy revestidos YSZ por APS, Sulzer Metco. b) probetas para erosión
obtenidas a partir de los cupones y c) Probeta TBC con acetato milimetrado para ubicar áreas antes y después de la
erosión _____________________________________________________________________________________ 53
Figura 33. a) Esquema general del equipo de erosión a alta temperatura, b) corte transversal del equipo; en rojo:
brida del recinto de llegada y brida central. 1. Combustor o quemador de alta velocidad, 2. Placa de sacrificio, 3.
Brida central, 4. Acometida sensor de presión y termopares, 5. Brida de recinto de llegada, Cámara de combustión, 6.
Brida del portamuestras, 8. Tobera de aceleración, 9. Recinto de llegada y portamuestras Termopares 10. Salida de
gases de combustión y 11. Puertos para termopares. _________________________________________________ 58
Figura 34. (a) Inicio de montaje y (b) Aspecto general del equipo de erosión a alta temperatura. 1. Acometidas
sensores de presión, 2. Aire de refrigeración portamuestras y probeta 3. Termopares y 4. Transformador de ignición.
__________________________________________________________________________________________ 59
Figura 35. a) Portamuestras con la perilla de movimiento de ángulo, a 90°, b) cavidad de la probeta con los 4
puertos de termopares para medir temperatura superficial de la TC y el termopar central para medir temperatura en el
7
sustrato refrigerado por aire, se muestra la probeta en dicha cavidad, c) esquema general de la tobera expulsando el
chorro de gases de combustión en dirección a la probeta TBC. _________________________________________ 60
Figura 36. a) Control de temperatura y su curva, b) Control de combustión y panel y, c) Control de relación aire-
gas y su curva, aquí se ajusta el exceso de aire en la estequiometría para que la combustión tenga un mínimo
porcentaje de CO. ____________________________________________________________________________ 62
Figura 37. a), b), c) y d) Imágenes Termográficas del equipo de erosión en funcionamiento. Las zonas de emisión
de calor de manera más intensa son, en orden decreciente de emisión: 1. Quemador, 2. Cuello placa de sacrificio y 3.
Entradas para termocuplas y brida. Las temperaturas máximas registradas en las imágenes (color rojo brillante) son
del orden de 125 a 300°C. ______________________________________________________________________ 63
Figura 38. Tobera con haz de llama de combustión en la cavidad del portamuestras. El chorro de gases se mantiene
estable e impacta directamente a la probeta un diámetro aproximado de 1 cm. _____________________________ 64
Figura 39. Secuencia fotográfica del inicio del régimen transónico, las variaciones en el gas de combustión se
perciben cuando golpea la superficie del portamuestras. Posteriormente a estas variaciones, se registró un choque
sónico que indicó la entrada al régimen supersónico. La salida de la tobera se ubica hacia la izquierda. _________ 64
Figura 40. Interfaz del sistema de adquisición de datos desarrollado para medir parámetros del medio erosivo. __ 65
Figura 41. Aspecto general del sistema de adquisición de datos con adquisición de temperatura y presión. ______ 66
Figura 42. a) Curvas de temperatura para erosión de las muestras para la primera batería de ensayos, 29 horas, b)
Ciclo térmico segundo ensayo, 21 horas y c) curva de temperatura tercer ensayo 17 horas. ___________________ 69
Figura 43. Vista general del liner de Turbina GE 7FA, el cual se seccionó en siete zonas desde el acople con la
pieza de transición zona 1 hasta la zona 7 donde están ubicados los quemadores, con esta clasificación se
identificaron los cambios de topografía superficial erosionada y cambios microestructurales a través de todas las
zonas, a excepción de la zona 1 que fue caracterizada en una fase previa del proyecto y que hace parte del acople con
el combustor, lo mismo con el acople a pieza de transición o zona 7, que contiene solo el sustrato. _____________ 71
Figura 44. Zona 2 del liner con morfología típica de partículas sin fundir entre splats bien definidos: a) y b) vista
general de la remoción de splats ó PSF, algunas conformadas por partículas más pequeñas. Las flechas indican la
dirección media del flujo de combustión c) TC con huella de contacto interesplat (color oscuro) de un splat
removido. Imágenes de microscopio estereoscópico. _________________________________________________ 72
Figura 45. a) Liner zona 3. En esta micrografía se puede observar que los gases han pasado por la zona izquierda,
removiendo gradualmente los splats y partículas sin fundir, dejando zonas claras de splats removidos. b) para la
misma zona en otra sección de área se observan depósitos blancos que posteriormente fueron caracterizados con
SEM-EDS Las flechas indican la dirección media del flujo de combustión. _______________________________ 73
Figura 46. Espectros EDS en tres partes de la TC erosionada del Liner. a) en relación con la figura 44 b) donde se
observan depósitos blancos, estos resultaron ser partículas con alto contenido de calcio “Ca”, b) comparando con la
superficie del splat que confirmó ser principalmente de zirconia y c) otros depósitos con alto contenido de hierro. _ 74
Figura 47. Liner zona 4, a) superficie generada por el desprendimiento de splats y PSF, b) superficie con bajo nivel
de desgaste que muestra agrupamientos de splats y/o PSF de la deposición APS, el color rojo es de la tinta
reveladora. La flecha indica la dirección media del flujo de combustión. _________________________________ 75
Figura 48. a) Zona 5 donde se observa poca erosión pero los subproductos de la combustión como el hollín se
adhieren a la superficie de la TC, b) Zona 6 del liner, la más intacta de toda la superficie del liner, adyacente a los
quemadores. Las flechas indican la dirección media del flujo de combustión. ______________________________ 75
Figura 49. Fractura de una capa de TC extraída de la zona 2 del Liner, se observa la estructura columnar de los
splats expuestos (flechas verdes) y límites intersplat, la superficie (flechas naranjadas) de los splats está agrietada
siguiendo la estructura columnar, grietas intrasplat que se propagan a través de las columnas (flechas amarillas). _ 76
Figura 50. Estructuras erosionadas de la superficie de un liner. a) Remoción de grandes volúmenes que involucra
varias lamelas, las grietas se propagan interlamelares e intralamelares en la superficie que posterormente llegan al
límite interlamelar b) una lamela bien definida se fractura vía cristales columnares c) una lamela de mayor espesor
tiende a removerse completa sin agrietamiento columnar d) lamela con agrietamiento columnar y e) lamela que
queda sola después de haberse removido las otras lamelas en sus inmediaciones, f) vista general de una superficie de
8
TC erosionada. Código de colores: grieta intralamelar (flechas verdes), grieta interlamelar (flechas naranjadas),
grieta interlamelar (flechas amarillas), PSF (flechas azules), poros (círculos amarillos). ______________________ 77
Figura 51. a) Diagrama de álabes móviles de primera etapa que muestra donde se tomaron micrografías, medidas
de dureza y rugosidad. Cada cara del álabe se divide en cuatro zonas así: lado de presión: A, B, C y D, y lado de
succión: G,E,H,F (cortesía formato inspección EPM). Además de las zonas identificadas por las letras, en el lado de
presión se definieron zonas más localizadas especificadas por números, del 1 al 11 en el lado de presión y de 12 a 21
en el lado de succión, b) Fotos con la numeración de las zonas medidas en álabes de turbina GE 7FA que
corresponden a la numeración en el primer diagrama. Esta nomenclatura es utilizada para la medición de parámetros
de rugosidad. ________________________________________________________________________________ 79
Figura 52. a) Fotos del borde de fuga con abrasión por contacto con bloques térmicos, áreas 6 y 3, zona C, borde
chirriante con desgaste en la cola hacia el borde de fuga; b) y c) Remoción de TC vía erosión en el borde chirriante
(TIP), borde de fuga. Las flechas rojas indican la dirección media del flujo y las amarillas, la dirección media de las
fuerzas centrífugas. ___________________________________________________________________________ 80
Figura 53. Centro del álabe. Áreas 7 y 5 del lado de presión. Se caracteriza por tener grandes volúmenes removidos
de TC vía delaminación, extendiéndose su área en la parte superior. La flecha horizontal indica la dirección de las
fuerzas centrífugas y grietas radiales y la vertical indica la dirección del flujo. _____________________________ 81
Figura 54. a) grietas radiales que se vuelven axiales, o viceversa, no se ha definido el sentido de propagación, estas
grietas facilitan el desprendimiento de la TC; b) las áreas adyacentes a estas grietas están erosionadas. La flecha
indica la dirección media del flujo. Área 4, zona B-D ________________________________________________ 82
Figura 55. Superficie de entrada, o borde de ataque de los álabes en el área asociada al punto de estancamiento: a)
desprendimiento de la TC en el borde de ataque, ocurre inmediatamente entra en operación la turbina, b) grietas
aparecen en la superficie de compresión al lado de las perforaciones del borde de ataque acompañadas de erosión que
involucra remoción de splats. Las flechas indican la dirección media del flujo, paralelo a las grietas axiales y, la
dirección media de las fuerzas centrífugas. _________________________________________________________ 82
Figura 56. a) grietas axiales en el cambio de concavidad; la parte inferior se intersecta con grietas radiales. b)
intersección de grietas axiales con radiales formando geometrías cerradas. Áreas 13 y 16 zona central GEHF. Las
flechas indican la dirección media del flujo, paralelo a las grietas axiales A y, las grietas radiales R en la dirección
media de las fuerzas centrífugas. ________________________________________________________________ 83
Figura 57. Micrografía estereográfica de las probetas vírgenes donde se observan contaminantes y zonas de
apariencia vítrea _____________________________________________________________________________ 84
Figura 58. Micrografías SEM de probetas nuevas: a) un splat depositado en la TC con grietas y poros b) tres splats
sobre otro splat más grande con grietas intrasplats, límites transplat y poros de diferentes morfologías. _________ 84
Figura 59. (a) splat agrietado recién depositado con grietas intrasplat en muestra nueva y, (b) splat removido por
secciones, vía grietas intrasplat en la superficie de un liner después de 8400 horas de operación. Flechas en verde
muestran esos límites. Los depósitos de partículas en la superficie fueron identificados posteriormente por EDS. _ 85
Figura 60. Vista superior de las grietas intrasplat que se propagan a través de las paredes de los granos columnares
de un Splat. Probetas de cupón. _________________________________________________________________ 85
Figura 61. Agrietamiento en la estructura columnar de los splats, a) cuatro grietas parten de un poro propagándose a
través de las paredes columnares b) una fractura intrasplat con una superficie dominada por la morfología de las
columnas del splat ____________________________________________________________________________ 86
Figura 62. a) Probeta antes de ser sometida a desgaste y b) Probeta después de estar sometida 4 horas a desgaste
erosivo a un ángulo de 90°, temperatura de 1100°C y velocidad 1.2 Mach. ________________________________ 86
Figura 63. Mecanismo de remoción por fatiga que involucró propagación de grietas a través del contacto
intercolumnar, para probetas impactadas a 90°, 1.2 Mach y 1100°C. a) antes de ser sometido a gases de combustión
y, b) posterior al ensayo de erosión. ______________________________________________________________ 87
Figura 64. Álabe móvil de primera etapa de la turbina GE-7FA, con las rugosidades medidas y los posibles grupos
de ángulos medios de impacto. _________________________________________________________________ 88
Figura 65. Espectro PSD de una probeta nueva, sin erosionar, obtenida de los cupones, se identificaron los
espectros asociados a: Forma e inclinación de la muestra, 0 a 0.2 mm-1; Longitud característica “L”: 10 a 5 mm. O:
9
Ondulación, 0.2 a 1.3 mm-1; L: 5000 a 800 µm Frecuencia Característica “FC” de 0.3 a 0.4 mm-1. O y R:
Ondulación y Rugosidad, 1.3 mm-1 a 2.2 mm-1; L: 800 µm a 450 µm; FC de 1.5 a 1.8 mm-1. R: Rugosidad, 2.2
mm-1 a 10 mm-1; FC de 5.4 y 6.1 mm-1 = potencias: 450 µm a 100 µm FC de ~ 2.8; ~ 5 mm-1 _________________ 90
Figura 66. Comparación de espectros PSD entre cuatro perfiles obtenidos a partir del cupón 1 _______________ 91
Figura 67. Áreas del liner correspondientes a zonas representativas de desgaste; zona 4 que presenta las mayores
variaciones y zona 2 que posee un grado fuerte de desgaste, las líneas amarillas expresan la longitud de medición que
corresponde a dos longitudes de evaluación, desde el punto negro. ______________________________________ 92
Figura 68. Evolución de los espectros PSD acorde al grado de desgaste asociado al impacto y ángulo de los gases
de combustión en la zona 4 del liner, en relación con las fotografías del liner zona 2. Figura 64. ______________ 95
Figura 69. Perspectiva tridimensional de los PSD del liner, forma continua y discretizada, se observa la evolución
de los espectros de potencia de las superficies desgastadas de acuerdo al ángulo medio de impacto LR: liner
referencia LE: liner erosionado. _________________________________________________________________ 96
Lista de Tablas
Tabla 1. Ventajas y desventajas de un proceso por APS [11]. ................................................................................... 21
Tabla 2. Algunos ángulos de importancia en los álabes, registrados en la Central Termoeléctrica La Sierra. ........... 41
Tabla 3. Equipos de erosión reportados en la literatura [93], [94]. ............................................................................. 49
Tabla 4. Dimensiones de splat/PSF y las cavidades o huellas de remoción, estos resultados se correlacionaron con
los mecanismos de remoción observados, sección de resultados. ................................................................................ 71
Tabla 5. Características de las TC depositadas por plasma en los cupones y liner. En paréntesis se indica la cantidad
de atributos analizados. ................................................................................................................................................ 84
Tabla 6. Parámetros de rugosidad y espaciamiento extraídos de álabes móviles de primera etapa y Liners
desgastados por erosión. Estas medidas también corresponden a las zonas ilustradas en la Figura 50 y la Figura 61.
En los datos de liners los datos provinieron de una inspección en campo en una sede de EPM en la avenida 30.
Medidas en m. ............................................................................................................................................................ 89
Tabla 7. Rugosidades medidas en el liner en las mismas longitudes de evaluación de los espectros PSD del liner
zona 2 y zona 4, estos valores incluyen el efecto de la ondulación por eso se reporta como Pa en vez de Ra, figuras
64 y 65. ........................................................................................................................................................................ 93
Lista de Diagramas
Diagrama 1. (a) Eventos que pueden actuar en la erosión y (b) submecanismos de erosión reportados en la literatura,
[54]. .............................................................................................................................................................................. 31
Diagrama 2. Distribución del tren de válvulas desde la entrada de la red de aire y gas con sus reguladores, la válvula
On-Off se encuentra cerca al “City Gate” por seguridad. CC: Control de combustión, CE: Control de estequiometría;
su función es estabilizar el flujo supersónico que impacta la probeta. ......................................................................... 61
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Glosario
Terminología internacional relacionada con TBC´s
7-YSZ: 7wt% Yttria partially Stabilised Zirconia, Zirconia Estabilizada con itria al 7% en peso
Airfoil: Superficie de sustentación
Álabe: Aspa metálica en la etapa de compresión y expansión de una turbina.
APS: Air Plasma Sprayed, Proceso de aspersión plasma.
As = Sección de área transversal en un punto específico de una tobera
At = Sección de área transversal en el cuello de la tobera
BC: Bond Coat. Compuesto intermetálico para adherencia entre el sustrato y la TC
Bending columns: Deformación de las columnas de EB PVD TBC en forma de “S”
Blast Erosion:
Brittle Erosion: Erosión en un material frágil
Buckling: Flexión de las columnas de una EB PVD TBC debidas al impacto erosivo.
Chipped: Astillas, material removido de la erosión.
CMAS: Calcium Magnesium Alumina Silicates, particles for impacting the TBC surfaces.
Crack Heal: Recuperación de grieta
Crack Vent: Grieta abierta, o “grieta de ventilación”
CTE: Coefficient of Thermal Expansion
CT: Controlador de Temperatura
CC: Controlador de Combustión
CE: Controlador de Estequiometría.
D/d ratio: ratio between particle diameter and size of the columns of EB PVD TBC.
D: contact footprint diameter of the impact particle. Contact area diameter
d: diámetro de columna en una TC por EB-PVD
Delamination: Agrietamiento en la intercara de dos capas
Ductile Erosion:
Spalling: remoción de grandes áreas de superficie
Densification: Cuando los impactos comprimen la estructura de la TC, por deformación plástica o por
fracturas múltiples.
EB-PVD: Electron Beam Physical Vapour Deposition
Elastic stress waves: Ondas elásticas referentes a esfuerzos
FOD: Foreign Object Damage, Daño por objeto externo a la turbina
Flush Erosion
gc= Caudal másico de los gases de combustión
Intersplat: contacto o grieta entre las caras superiores e inferiores del splat.
Intrasplat: contacto o grieta entre las caras laterales de los granos columnares de un splat.
Kink bands: cracks through the column, they are limited by the end of the column, but they can eventually
continue in the next column of EB-PVD TBC
Liner: Cámara de combustión de una turbina, de geometría cilíndrica
M = número Mach de un gas
M = Número Mach en un punto específico de una tobera
ma= flujo másico del aire
MCrAlY: Aleación que contiene cromo, aluminio e itrio y, donde M es normalmente Nickel y/o Cobalto
mf = flujo másico del combustible
nt: Eficiencia de la turbina
PID: Proportional Integrative Derivative, Controladores proporcionales derivativos e integrales.
PS - Plasma Sprayed, aplicación plasma
11
Ps =Presión estática, es la presión del fluido en movimiento que se supone igual en todas las direcciones
estáticamente hablando es una función de punto escalar
PSF: Partículas sin fundir
PSZ: Partially Stabilized Zirconia
Pt = presión total, es la presión del gas que se obtiene adiabáticamente.
Rake angle: ángulo de ataque, término usado especialmente en maquinado.
REO: Rare Earth Oxides as a dopant of TBC.
Rp = razón de presiones
S: Entropía
SEM: Scanning electron microscope
Span: Longitud o envergadura del álabe
Subsidiary Cracking: grietas interconectadas a través de las columnas de una TC por EB-PVD
PSD: Power Spectral density
T: Fase tetragonal de la zirconia
T´: Fase tetragonal prima de la zirconia
T1: Sink temperature
T2: Operating temperature
TBC: Thermal Barrier Coating system,
TBC: Thermal Barrier Coating, Barreras térmicas
TC: Top Coat, Capa cerámica externa o superior
TET: Turbine Entry Temperature, Temperatura de entrada a la turbina
Tf= temperatura de encendido o ignición
TGO: Thermally Grown Oxide, Óxido formado por tratamientos térmicos. Al2O3 y Espinelas
TMF: Thermomechanical Fatigue, Fatiga Thermomecánica
Ts= Temperatura estática del gas, temperatura del fluido en movimiento
Tt= Temperatura total del gas
Transplat: contacto o grieta entre los bordes laterales de dos splats depositados
TZP: Tetragonal zirconia polycrystals
TZP: tetragonal zirconia polycrystals
Wc: Trabajo total del sistema o del ciclo
Wt= Trabajo en la turbina
YSZ: Yttria partially Stabilised Zirconia
Y-TZP: Ytria tetragonal zirconia polycrystals
ZTC: Zirconia-toughened ceramics
12
Introducción
El comportamiento de los materiales para protección para dispositivos sometidos a alta temperatura
interviene en el desempeño y la eficiencia de los turbogeneradores y turbopropulsores en la
generación térmica y propulsión [1], [2]. Las presiones del mercado, la competencia global y los
requerimientos medioambientales exigentes sobre las industrias de generación de energía,
transporte aeroespacial militar y civil, demandan un mayor desempeño de estos materiales [3]. La
investigación de superficies sometidas a alta temperatura ha sido importante para los avances en
eficiencia y potencia de las turbinas [4], de hecho, los materiales para esas superficies de protección
limitan ese avance porque determinan el punto máximo al cual los componentes soportan la
máxima temperatura de operación, cambios cíclicos en la tenacidad, esfuerzos e impacto [5].
Las capas que protegen las superaleaciones en álabes, rotores y estatores, conocidas como barreras
térmicas, Figura 1, incrementan la vida útil de la turbina gracias a su aislamiento térmico,
resistencia mecánica y resistencia al desgaste erosivo, por lo cual son objeto de constante
investigación [6]. Desde que se introdujeron las barreras térmicas,-con un gradiente negativo de
temperatura de 150 a 200°C entre el exterior y la BC-, ha sido posible satisfacer la tendencia en el
incremento de la temperatura de entrada TET, mejorar los sistemas de refrigeración en los álabes
y, por lo tanto, acercarse cada vez más al ciclo ideal de Brayton, al límite estequiométrico y a una
mayor generación de potencia específica, esto significa mayor desempeño y eficiencia, [1], [7],
Figura 2 a) y b). Los perfiles de velocidades, presiones y temperaturas por lo tanto son más altos y la erosión juega
un papel importante en los costos de operación, requerimientos en el diseño y fabricación de
materiales para turbinas [8]. Los sistemas de barreras térmicas o TBC por sus siglas en inglés
“Thermal Barrier Coatings”, están hechos de cerámicos avanzados que poseen una estabilidad
mecánica, química y dimensional para cumplir con los requerimientos operacionales de turbinas.
En la década de los 80’s el óxido de zircón ZrO2 (zirconia) en su forma tetragonal, estabilizada
con óxido de itrio Y2O (itria) al 7wt% emergió en la industria como la barrera térmica estándar
para los sistemas TBC [9]. La tecnología más madura para la fabricación de recubrimientos es la
aspersión de polvos con gases en estado plasma o APS [10], [11], este tipo de TBC es preferido en
turbinas de generación eléctrica, donde el criterio es eficiencia, capacidad de aislamiento térmico
y costo, contrario a su baja resistencia a la erosión por partículas sólidas. En las turbinas
aeronáuticas, el criterio predominante es seguridad y confiabilidad sacrificando un poco la
eficiencia, los componentes pueden eventualmente estar sometidos a partículas sólidas (que no
superen el orden de micras) que ingresan a velocidades supersónicas e impactan la superficie [12].
En este caso, las TBC por deposición física de vapor por haz electrones EB-PVD “Electron Beam
Physical Vapor Deposition” poseen mayor resistencia a la erosión, pero una menor capacidad de
aislamiento térmico que las TBC aplicadas por plasma PS “Plasma Sprayed”, [7], [13]. Los
mecanismos erosión para una PS-TBC son objeto de estudio tan importante como los TBC’s por
EB PVD, debido que es una tecnología más accesible con mejoras introducidas en los últimos años
y su relativo bajo costo respecto a otros métodos más modernos. Existe una excepción, las PS-TBC
segmentadas poseen una notable resistencia a la erosión, reportándose en la literatura una buena
relación de aislamiento térmico/resistencia a la erosión [14] y es una opción atractiva para la
13
industria aeronáutica y de generación. En conclusión, la vigencia de los PS-TBC’s los mantiene
como materiales interesantes para estudiar su comportamiento frente a la erosión [13].
Figura 1. APS TBC barrera térmica manufacturada por deposición plasma y EB PVD TBC, barrera térmica por deposición
física de vapor por haz de electrones, modificado de [15].
Las causas de falla de los TBC en turbinas en tierra y aire se asociaron inicialmente a la
delaminación debida al crecimiento de la TGO, esto fue aceptado como la primera causa de falla
en álabes y liners. La mecánica a la fractura en la década de los 70´s [16], [17], ayudó a explicar la
formación, crecimiento de grietas en la delaminación, la posterior remoción de material o
“Spallation” se observaba fácilmente en las rutinas de inspección y mantenimiento.
Recientemente, la erosión se ha aceptado como el segundo factor en importancia que determina la
vida útil de los TBC y que actúa conjuntamente con la TGO en la remoción de material de la
superficie [6], [18]; las investigaciones se han concentrado en determinar con mayor precisión las
variables que intervienen en el proceso erosivo: la velocidad, el ángulo, propiedades del medio
erosivo, la temperatura superficial y comportamiento del fluido que impacta una superficie [2],
[19], [20]. Soportados por información desarrollada sobre microestructura, la tenacidad a la
fractura y mecanismos básicos de respuesta de cerámicos frágiles y TC se han tratado de desarrollar
modelos de erosión para PS-TBC’s [21]–[23] y posteriormente, para EB-PVD TBC’s para
posteriormente correlacionarlos con las condiciones del medio erosivo [8]. Sin embargo, la vida
útil de las TBC’s está definida por un sinnúmero de fenómenos que actúan sinérgicamente y de
forma conexa: crecimiento de TGO, fatiga termomecánica, sinterización de poros y grietas,
esfuerzos residuales, una erosión acompañada de oxidación, corrosión y alta temperatura.
Por otro lado, los recursos, equipos y metodologías para efectuar ensayos de erosión a alta
temperatura han estado limitados por tecnologías disponibles en las empresas fabricantes de
turborreactores o termogeneradores: GE, SIEMENS, Aston Martin, Pratt & Witney y su alianza
con sectores académicos, ejemplo la Universidad de Cranfield y Milán [7], [14]. Los equipos de
erosión a alta temperatura conocidos pueden usar partículas sólidas entre 1 y 100 µm de diferentes
materiales cerámicos como alúmina, zircón y cuarzo [24]. Los equipos de erosión son de
combustión basada en combustibles fósiles o gas natural, algunos equipados con precalentadores
eléctricos en la etapa de aceleración de gases, para garantizar unos valores de temperaturas en los
ensayos [23], [25]. Los avances en la comprensión de la mecánica de erosión han estado limitados
por la ausencia de experimentos bien controlados, capaces de replicar las condiciones esperadas en
las turbinas, [20]. El reto consiste en comprender los mecanismos de erosión en temperaturas
14
cercanas a 1200°C, velocidades del flujo de combustión superiores a los 300 m/s. En estos ensayos,
las dimensiones y velocidades de las partículas y/o flujos de combustión no son conocidos, así
como los sitos preferenciales de daño erosivo y la temperatura de la superficie de la TC al momento
de impacto.
1. Marco Teórico
1.1.Mercado y tecnologías que involucran a las barreras térmicas
Una de las áreas que más ha impulsado el desarrollo de las TBC’s es la industria aeronáutica civil
y militar; las turbinas han tenido grandes avances con los desarrollos militares que posteriormente
se aplicaron en la generación eléctrica [26], [27]. Bajo este contexto, la ciencia e ingeniería de
materiales entra a facilitar la comprensión de sistemas TBC’s a escala atómica y molecular
vinculando la microestructura, composición y propiedades con el desempeño de ellas en operación.
El actual momento económico se caracteriza por una gran competitividad en los mercados
nacionales e internacionales de generación, transporte y venta de energía. Esta situación requiere
que la generación de energía sea más eficiente y rentable, lo cual exige mejor desempeño de los
materiales usados en la construcción de los generadores térmicos. Los TBC’s son los materiales
que establecen los límites en el rendimiento, potencia y capacidad en la implementación de nuevas
generaciones de turbinas. Esto implica, entre otras cosas, que ellos deben acercarse al rendimiento
óptimo en el ciclo de Bryton y una reducción en las emisiones de CO2, Figura 2 a) y b), [28].
Figura 2. a) Avances en eficiencia de generadores de vapor y gas, [28]; b) Incremento de la potencia en varias
referencias de turbinas con respecto a la temperatura de operación, [29]
1.2. Importancia de la erosión en costos y operación
El conocimiento de mecanismos y el desarrollo de modelos de erosión a alta temperatura aporta al
diseño de nuevos materiales, procesos de manufactura y el diseño de nuevas turbinas [30], [31].
Comprender el fenómeno de erosión ayuda a predecir el tiempo de vida útil de los componentes de
turbinas, a establecer el mantenimiento adecuado de los equipos y de esta manera evitar el paro no
programado que genera pérdidas en producción de energía y deterioro en una turbina. Las áreas
que se benefician con el estudio de erosión son: i) índice de mantenimientos preventivos y
predictivos respecto a los correctivos en componentes revestidos con TBC [9], [30], ii) La
15
reducción de la variabilidad en el tiempo de servicio y vida útil de las barreras térmicas TBC [20],
iii) Diseño de nuevos sistemas TBC, esto requiere más conocimiento de la respuesta del material a
nivel microestructural frente a la erosión involucrando los ángulos de impacto y velocidad del flujo
de gases de combustión [32].
1.3. Motores de propulsión
Las turbinas o motores a reacción evolucionaron drásticamente a partir de la segunda guerra
mundial con su puesta en operación por los alemanes e ingleses, a partir de este avance, se derivaron
otras tecnologías de propulsión y los requerimientos exigidos en materiales no se dejaron esperar.
Los procesos de ignición o explosión cíclica de gases dentro de un volumen definido o pistón
cambiaron a un sistema que poseía una trayectoria de gases de combustión más larga, con una
aceleración, perfil de velocidades y temperaturas mayores, por lo tanto, bajo estas nuevas
condiciones, es de esperar que las superficies de los componentes estén expuestas a un ambiente
más agresivo acelerando su desgaste. La búsqueda de eficiencia y mayor potencia en turbinas llevó
al desarrollo de superaleaciones con solidificación direccional, monocristales y TBC’s para la
sección de álabes y sistemas de postcombustión, [27], [33].
1.4. Turbinas de generación eléctrica
Las turbinas de generación convierten la energía calorífica en trabajo. Para liberar esa energía la
turbina primero debe comprimir el aire de forma axial, este aire se mezcla con el combustible, -gas
o diésel-, en los anillos de quemadores realizando una combustión en los quemadores del liner.
Después, los gases producto de la combustión se comprimen y direccionan en la pieza de transición
para expandirse en su salida y hacer girar el rotor, impactando en sus álabes, pasando el
movimiento de estos gases a movimiento rotacional que un generador convierte en energía
eléctrica. Las superficies de la zona de postcombustión, es decir, el liner, el estator y el rotor de la
turbina, con sus álabes fijos y móviles, de primera, segunda y tercera etapa de descompresión, están
sometidas al flujo de gases de alta energía que poseen presión, velocidad y temperatura extremas,
Figura 3 a) y b), condiciones que sobrepasan las exigencias normales de una superaleación, por
lo que las superficies en estas zonas están aisladas térmicamente para proteger los materiales de
los cuales están hechos. Las capas aislantes generalmente usadas para proteger las superficies de
álabes, Liner y pieza de transición, son los TBC’s. El sistema de rotores y estatores es semireactivo
esto quiere decir que los álabes de cada etapa, empezando por el estator, se encargan de re-
direccionar los gases comprimiéndolos con el fin de acelerar el flujo que impacta contra los
siguientes álabes, de esta manera se usufructúa eficientemente la energía de los gases para mover
el rotor [26], [34].
16
Figura 3. a) Zonas de combustión y postcombustión en una turbina de generación General Electric 7FA-GT, [35] b)
Variación de propiedades de gas de combustión a través de la zona de postcombustión de una turbina de propulsión
General Electric J79; V=487m/s, T=1000C, p=160 psi. [27].
Una turbina está comprendida por tres zonas principales, figura 3 a) y b):
Zona 1: Entre el Liner y el primer anillo de álabes fijos, en la cual se presentan las temperaturas
más altas en contraste a velocidades de flujo y presiones dinámicas relativamente bajas. En la
pieza de transición estos gases se comprimen y direccionan para salir a la zona 2.
Zona 2: Está compuesta por el primer anillo de álabes móviles, en la que hay un gradiente negativo
de temperatura del orden de cientos de grados centígrados, se presentan velocidades de flujo
supersónico, transónico y presiones dinámicas más elevadas que en la zona 1.
Zona 3: álabes de segunda y tercera etapa de expansión de gases.
17
El sistema TBC de un álabe o Liner de turbina está compuesto de tres fases diferenciables entre
sí: TC de PS-YSZ o EB-PVD, agente cohesivo o BC que generalmente contiene MCrAlY (dónde
“M” es Ni y/o Co) y, un sustrato metálico de Hastelloy o Inconel; el sistema TBC se puede
considerar un material compuesto, Figura 4. “La efectividad y eficiencia en el desempeño de un
sistema TBC en aplicaciones de alta temperatura requiere que sus diferentes componentes
coexistan y generen un sistema confiable. La integración de partes híbridas como sistemas metal-
cerámico dentro de los diseños ingenieriles existentes pueden mejorar significativamente el
desempeño de los componentes de turbinas” [6]. Pese a la efectividad de los TBC´s para proteger
el sustrato metálico, su vida útil se ve fuertemente afectada por las condiciones de operación, así
como por la calidad y tipo de proceso en su manufactura. En cuanto a las condiciones de operación,
los factores que afectan a una TBC son: velocidades de impacto transónicas y supersónicas del
flujo primario y secundario del gas de combustión, que se traducen en ondas de choque,
turbulencias y altas presiones de contacto, cambios abruptos en los perfiles de temperaturas debidos
a los ciclos térmicos, -a partir de 1200°C decrece a 600°C en pocos segundos-,[36], [37]. Todo lo
anterior aunado a la eventual presencia de partículas sólidas, van generando pérdida del
recubrimiento cerámico TC.
Figura 4. Álabe de turbina con detalles de un sistema TBC, modificado de [15].
18
1.5. Materiales y procesos para barreras térmicas
El metal cuyo óxido es el material para las TBC’s es el zirconio Zr, un metal de transición de
número atómico 40 ubicado en el grupo 4, periodo 5 y bloque “d” de la tabla periódica. Posee
apariencia blanca grisácea y brillante, es más ligero que el acero aproximándose a la dureza
del cobre. Cuando está finamente dividido se vuelve combustible reaccionando con el aire, antes
con el nitrógeno que con el oxígeno, especialmente a altas temperaturas. Es un metal muy resistente
a la corrosión, a los ácidos, pero es vulnerable al ácido fluorhídrico (HF). Con tres energías de
ionización forma sus óxidos: 640.1 kJ·mol−1, 1270 kJ·mol−1 y 2218 kJ·mol−1. Su punto de fusión
es alrededor de los 1861°C y su punto de ebullición está en los 4371°C (Derek Fray, 2012). El
zirconio prefiere al oxígeno para cumplir el octeto, formando óxidos en la corteza terrestre del tipo
ZrO2, los cuales son: Baddeleyita ZrO2, circón ZrSiO4, elpidita Na2ZrSi6O15.3H2O, zirconolita,
CaZrTi2O7, eudialita, etc. Sin embargo de los casi 20 minerales con contenido de zirconio, sólo dos
tienen importancia comercial [38], [39]: Circón, silicato de zirconio y Baddeleyita u óxido de
zirconio, presente en grandes cantidades en Suráfrica, Rusia, Brasil. Estos dos minerales son
mezclas de zirconio y el hafnio, muy afines en sus propiedades fisicoquímicas. El nombre de
zirconia proviene del árabe “zarkun”, que traduce “color dorado”. También es relacionado con el
término persa “zargun” que significa oro. Es el más común de los óxidos, tiene excepcionales
propiedades en tenacidad a la fractura, especialmente en su forma tetragonal y cúbica.
1.5.1. Óxido de zirconio parcialmente estabilizado con itria, YSZ
La zirconia sufre varias transformaciones cristalográficas al disminuir desde su temperatura de
fusión a temperatura ambiente, es decir, posee polimorfismo, pasa de fase cúbica a tetragonal
finalizando con monoclínica: i) 2,715 oC, es el punto de fusión del óxido de zirconio, ii)
2,706 oC, se transforma o cristaliza en la fase cúbica, ii) 2,370 oC, se transforma o cristaliza en la
fase tetragonal y iv) De 1,263 oC a temperatura ambiente se estabiliza en fase monoclínica [40]. El
uso de la zirconia pura en aplicaciones a alta temperatura que requieran resistencia mecánica no es
viable, ya que en el enfriamiento, la transformación tetragonal a monoclínica lleva consigo un
cambio volumétrico de 3 a 5% acompañado de una reducción ostensible de sus propiedades
mecánicas. Para estabilizar la fase tetragonal a temperaturas inferiores a 1263°C se debe estabilizar
este material con óxidos metálicos, cuyos cationes deben ser átomos más grandes con el fin de que
se dé una transformación displaciva o militar. El itrio “Y” es un elemento metálico de apariencia
blanca plateada, es uno de los metales de transición del sistema periódico adyacente al zirconio,
posee un electrón en el orbital d, asemejándose al zirconio que posee 2 en el mismo orbital. El itrio
se oxida fácilmente con el aire produciendo el óxido Y2O3. El óxido de itrio Y2O3 a partir de un
5% en peso estabiliza parcialmente la fase tetragonal de la zirconia, Figura 5 a) y b).
19
Figura 5. a) Estructura de la YSZ con vacantes de oxígeno y b) Diagrama de fase de la zirconia parcialmente
estabilizada, PSZ modificada de [41]
La PSZ resultante es una mezcla polimórfica de fase tetragonal y fase monoclínica de ZrO2. La
“PSZ” también se conoce como “TZP” o como “YSZ”. Las adiciones de 16 mol% CaO, 16 mol%
MgO u 8 mol% Y2O3 (8-YSZ) son suficientes para estabilizar totalmente la zirconia por medio de
una reacción displaciva, la estructura se vuelve una solución sólida cúbica-tetragonal, la cual no
sufre transformaciones de fase significativas entre la temperatura ambiente y los 2500°C, esto
debido a la alta conductividad iónica de la PSZ [40], [42]. En el diagrama de fases se observa la
fase tetragonal para los diferentes porcentajes de estabilizante, Figura 5 b). El Y2O entre el 6 y el
8 % garantiza un mínimo de concentración de fase tetragonal-cúbica en el tiempo, la conveniencia
de estos porcentajes es ilustrada en la Figura 6 . La zirconia estabilizada posee propiedades
termomecánicas superiores, haciendo posible su aplicación en diferentes campos tecnológicos.
Figura 6. Criterio de selección del porcentaje de itria en la zirconia TBC basado en la durabilidad, [43].
La conductividad térmica de la PS-YSZ a 1200°C, es razonablemente baja para su uso en
componentes de turbina, es decir, va de 1 a 2 W.m-1 K-1; su punto de fusión es 2715°C, la
20
temperatura máxima de operación, 2400°C. En cuanto a propiedades mecánicas, la relación de
Poison es 0.22, la CTE a 1000°C es 12.2 E-6 K-1, tiene una tenacidad a la fractura relativamente
alta, 6 MPa m1/2 a 27°C que le permite resistir al desgaste erosivo en álabes y liners, [44]. Un
factor que afecta la durabilidad de la TC es la formación de TGO y el cambio de concentración de
fase monoclínica, debidas al proceso de difusión, la difusión de oxígeno facilita la formación de
TGO que llega a valores de 7 u 8 micras promoviendo la delaminación y, tiene un crecimiento
acelerado en las primeras horas de exposición a altas temperaturas [45], la difusión de oxígeno a
través de la TC hasta la TGO es mostrada en la Figura 7 a) y b).
Figura 7. Transporte de vacantes en la YSZ. (Derek Fray, 2012) y difusión del oxígeno entre celdas tetragonales y
cúbicas
1.5.2. Materia prima para APS
La morfología y tamaño de los polvos es un factor de suma importancia que influye directamente
en las propiedades térmicas y mecánicas después de depositada la TC, estos polvos son huecos,
con tamaños que oscilan entre los 10 y 120 µm, en su mayoría están distribuidos entre 30 y 60 µm,
Figura 8.
Figura 8. Micrografías SEM de polvos de zirconia estabilizada, materia prima para APS, [45].
1.6. Procesos APS y microestructura de los TBC´s.
El proceso de aspersión por plasma o por sus siglas en inglés APS (Air Plasma Spray) pertenece a
una gran familia tecnológica conocida como “aspersión térmica”. El término aspersión térmica es
una generalidad que incluye tres categorías principales: “aspersión por llama, aspersión por arco
21
eléctrico y aspersión por arco plasma o APS” [11]. Las ventajas de este grupo de procesos son el
amplio espectro de materiales que pueden ser tenidos en cuenta y una gama de propiedades según
el ajuste de parámetros de operación, Tabla 1. El proceso APS específicamente, permite el uso de
materiales con alto punto de fusión como el Wolframio y cerámicos de ingeniería como la zirconia.
En caso de reparar una pieza o componente es posible aplicar por APS una capa nueva después de
remover la original, sin cambiar las propiedades o dimensiones de dicha pieza [11].
Tabla 1. Ventajas y desventajas de un proceso por APS [11].
Ventajas Desventajas
Amplio rango de materiales: plásticos, metales y sus
aleaciones, carburos, óxidos y cerámicos en general.
Baja adherencia: baja adherencia en comparación a
otros procesos causando fallas como la delaminación
y desprendimiento.
Bajos costos de procesamiento: flexibilidad, altas
velocidades de deposición
Porosidad: al implicar gases estos pueden alterar los
niveles de porosidad en la capa. Alternativas: HVOF
y vacío
Amplia gama de espesores: espesores desde 50μm
hasta 6.5 mm. De acuerdo a las necesidades de
protección térmica, química, mecánica y con respecto
al desgaste de varios tipos.
Anisotropía: la deposición genera propiedades
direccionadas acorde a los splats, a la porosidad,
defectos e inclusiones debidos al proceso de
aspersión.
Amplia gama de aplicaciones: Superficies resistentes a la abrasión, cavitación y
erosión
Multicapas de diferentes materiales, metal compuesto
intermetálico y capa cerámica
Propiedades mecánicas: en cuanto al alto
desempeño se refiere, esta técnica es limitada
respecto a la EB PVD y con excepción, el HVOF
introduce una mejora en las propiedades al impacto y
termomecánicas.
Equipo: los equipos son versátiles, portátiles y de
menor costo que de otros procesos de recubrimiento
como EB-PVD
Contornos agudos y estrechos: no aplica para
geometrías complejas que involucran aristas y
esquinas y cavidades profundas.
Degradación térmica controlable. Permite minimizar
los efectos debidos a choques térmico a altas
temperaturas dependiendo del material de aporte y el
sustrato
Pretratamiento superficial: Sandblasting, limpieza
ultrasonido y preoxidación
Algunas de las características en la deposición influyen en la resistencia de la TC a la erosión, por
medio de la microestructura obtenida. Las variaciones en los parámetros de operación pueden
mejorar substancialmente la formación de splats, controlar el porcentaje de poros, la forma y
tamaño de las columnas del splat, que se reflejan en las propiedades termomecánicas y tribológicas
de la TC. Estos parámetros son:
Energía que se le imprime a las partículas, es decir, temperatura de aspersión y aceleración.
Tipo de flujo de gas y la aceleración de las partículas proyectadas al sustrato Ej. HVOF
(High Velocity Oxyfuel) o Pistola por detonación D-Gun.
Velocidad de avance en la aplicación
Distancia de la pistola respecto al sustrato a la cual se aplica el haz.
Parámetros como la temperatura, la trayectoria y la velocidad de la partícula cuando llega al
sustrato determinan la morfología de los splats y su cohesión. Procesos recientes de deposición
por APS incluyen vacío [11], [42] también deposición multicapa, donde el espesor de la TC varía
su composición gradualmente, con esto se reducen las diferencias entre los CTE de cada capa y se
mejora la adherencia de la TC.
22
Figura 9. a) Parámetros y variables que afectan la microestructura de una barrera térmica, [11] con las posibles
deposiciones de splats en el substrato
La estructura de una TC por APS splats con un diámetro de 200 a 400 µm y un espesor de 1 a 5
µm, estos valores dependen de los parámetros mostrados en la Figura 9, [6]. Con un proceso
convencional de PS, al final de la deposición se puede encontrar en la microestructura de la TC,
óxidos, partículas de YSZ sin fundir, inclusiones de contaminantes y poros, Figura 10.
Etapas en la deposición
Generación de energía térmica y cinética Interacción de energía con el material de aporte o polvos Interacción de las partículas proyectadas con el sustrato
Suministro de material
Tamaño, morfología de partícula Método de inyección Flujo y velocidad del gas Propiedades físicoquímicas de polvos Energía de impacto Ángulo de impacto
Haz del spray
Temperatura Velocidad Ángulo Distancia del spray Ambientes externos Turbulencia
Pistola
Geometría de la boquilla Potencia suministrada Composición del gas y, Refrigeración
23
Figura 10. Proceso de deposición plasma y estructura obtenida (a) Partículas sin fundir, (b) inclusiones de
contaminantes (c) óxidos (d) capas delgadas entre pasadas y (e) poros [11].
1.7. EB-PVD
EB-PVD funciona con un haz de electrones de alta energía que funde y evapora un lingote de
materia prima dentro de un recinto al vacío y la deposita en un sustrato, no implica
transformaciones químicas pero sí de fase. Las TBC por EB-PVD fueron aplicadas a nivel
industrial desde 1989 y a partir de entonces se han expandido en aplicaciones aeronáuticas [46].
Durante el proceso de manufactura, un haz de electrones funde y evapora un lingote de zirconia
estabilizada dentro de un recinto al vacío formando una nube dentro de la cámara de deposición,
los sustratos precalentados se ubican debajo del dicha nube y el material es depositado a
velocidades de 100 a 250 nm/s [47]. Las estructuras columnares obtenidas y la calidad superficial
no requieren la mayoría de las veces un pulido final, ni ajuste de las perforaciones de ventilación
para los álabes. La estructura columnar que se obtiene posee excelentes propiedades mecánicas y
una vida útil mayor con respecto a las capas obtenidas por APS pero, su conductividad térmica se
ve incrementada debido a la distribución de poros vertical y a la continuidad del volumen sólido a
través de las estructuras columnares [48] sin embargo así como el proceso APS, los procesos por
EBPVD han evolucionado para incursionar en las deposiciones multicapa donde la composición
va variando gradualmente desde el sustrato hasta la superficie con el fin de disminuir la
conductividad o aumentar la emisividad [49], [50].
1.8. Conceptos generales de erosión a alta temperatura
La erosión es un fenómeno de desgaste causado por un medio fluido que impacta continua y/o
discontinuamente la superficie de un objeto. Este medio puede poseer “partículas” sólidas o
líquidas y pueden ser transportadas por una corriente de gas o arrastradas por un líquido que fluye.
En aeronáutica y, generación eléctrica con turbinas y combustores de lecho fluidizado o “FBC”, es
importante observar el solo efecto del gas en flujos de gas de combustión o vapor de agua para los
álabes de turbina de propulsión. También se presenta erosión en los “impelers” y en las tuberías
que transportan fluido líquido con o sin partículas que genera erosión por cavitación, flush erosion,
etc. Casi siempre sucede que, en la erosión como en otros mecanismos de desgaste, la resistencia
mecánica del material no garantiza resistencia al desgaste, se requiere un estudio detallado de las
características del material para minimizar éste fenómeno, [51].
24
1.8.1. Acercamientos al concepto de erosión
Los primeros acercamientos se relacionaron con mecánica del contacto. “La carga crítica en la
indentación es proporcional al radio del área indentada en materiales frágiles”; Auerbach en 1891,
encontró por vez primera este comportamiento por lo que se llama Ley de Auerbach, en esto trabajó
posteriormente Roesler en 1956, demostró que la energía almacenada elásticamente es
proporcional al área del círculo de contacto, similar geométricamente al cono cuando ya se han
formado grietas. Dentro de esta geometría se desarrollan tres esfuerzos principales: σ1, σ2 y σ3, donde σ1 es un esfuerzo de tensión, σ2 es un esfuerzo intermedio entre tensión-compresión o
cizallante, y σ3 es un esfuerzo altamente compresivo, los tres combinados van moldeando la
estructura fracturada en forma cónica. Siebel and Brockstedt 1941, trabajaron con probetas planas
de diferentes materiales impactados con arena de cuarzo, no establecieron grandes diferencias en
erosión entre materiales blandos y duros. Weilinger, entre 1942 y 1945. Logró demostrar que la
resistencia a la erosión en diferentes materiales puede cambiar con el ángulo de impacto, esto sería
la base de los posteriores análisis de mecanismos de erosión. R.L. Stocker 1949, Realizó un trabajo
descriptivo del comportamiento y rapidez de erosión de materiales dúctiles y frágiles con el ángulo
de impacto [52].
Finnie 1960, empleando técnicas fotográficas con fuentes de luz de alta velocidad, probablemente
fue el primero en poder medir las velocidades de las partículas erosivas. Estableció un modelo de
erosión que relacionaba el ángulo, la velocidad y el comportamiento del fluido para predecir
erosión en materiales dúctiles. Finnie encontró dificultades para predecir erosión en materiales
frágiles debido a la complejidad y naturaleza de la formación y propagación de grietas en estos
materiales, muy disimiles entre sí, muchos de ellos anisotrópicos. Finnie concluyó: “Parece ser
que el entendimiento en la erosión está asociado a dos partes principales: la primera trata las
condiciones del fluido así como el número, la velocidad y dirección de las partículas que impactan
la superficie. La segunda intenta resolver el cálculo de cuánta masa es removida de la superficie.
En otras palabras: la primera parte del problema es mecánica de fluidos y la otra es mecanismos
de remoción de material”, [53]. En mecanismos de desgaste en materiales frágiles, mencionó que
la remoción se debía a la intersección de grietas a partir de la zona de impacto; es decir, la rapidez
de erosión depende de la rapidez de propagación de grietas. La resistencia a la erosión tiende a
crecer con la disminución del módulo y el incremento de la relación de Poison. Para materiales
dúctiles encontró que la erosión era proporcional a la velocidad al cuadrado de las partículas
erosivas (con sus propiedades: dureza, geometría y tamaño), siendo mayor el exponente en
materiales frágiles y cerámicos. Posteriormente Meng y Ludema, critican el uso de exponentes
mayores a 2 en la velocidad, argumentando que esos exponentes reflejan el mal uso de las variables
o la falta de alguna de ellas en el modelo erosivo [54].
Bitter 1962, hace uso de la teoría de contacto de Hertz, incluyendo límite elástico y la ecuación de
St. Venant´s, para deducir una ecuación de contacto entre partícula y superficie, que, luego con un
análisis geométrico y un balance energético del contacto deriva a una ecuación de erosión que
involucra velocidades y ángulos de la partícula que impacta una superficie. Bitter establece dos
tipos de erosión, la debida a una deformación continúa y cíclica y, la erosión debida al arado o
corte de la partícula en la superficie. Concluye que los sucesivos impactos llevan al agrietamiento
y delaminación de un material frágil. Bitter también pone su propio sello en el concepto de erosión:
25
“Si hay un sistema donde las partículas se mueven libremente a gran velocidad e impactan en la
superficie de un sólido, y el desgaste se supone puramente mecánico, entonces este fenómeno es
llamado erosión”. Si se excede el límite elástico durante la colisión, dará lugar a deformación
plástica o, fractura en los lugares de máximo esfuerzo [55].
Sheldon and Finnie 1966, descartaron la posibilidad de medir el material removido de la superficie
a partir de consideraciones energéticas en materiales frágiles. Pero a ángulos de 90° encontraron
un buen ajuste estadístico para predecir la erosión a partir de la resistencia de materiales cerámicos,
con la distribución Weibull para defectos de este tipo de materiales.
Neilson and Gilchrist's 1968, reconocen la importancia de incluir condiciones límite en las cuales
se inicia o para el proceso erosivo, uno de sus mayores impactos en el desarrollo de la erosión fue
la relación aritmética entre las respuestas dúctiles o frágiles del material, así como la posibilidad
de predecir la pérdida de material a ángulos intermedios de impacto.
Tabakoff 1973, en uno de sus primeros estudios establece que la erosión puede ser dividida en dos
componentes principales: el primero involucra el estudio de los fluidos, incluyendo en este caso,
número, dirección y velocidad de las partículas que impactan la superficie y, la segunda, cuánto
material es removido de la superficie. Él define la erosión como un fenómeno debido al impacto
de partículas sólidas, gotas y al fenómeno de cavitación. Desarrolla uno de sus primeros modelos
erosivos para materiales dúctiles y aluminio 2024, donde encuentra que las máximas tasas de
erosión están a 20°. Tabakoff determina que la erosión es directamente proporcional a la energía
cinética de la partícula que impacta y asume que la erosión es linealmente proporcional a dicha
energía [52].
Hutchings 1974, establece dos procesos de erosión para materiales dúctiles: El arado y el corte,
ambos dependiendo del ángulo de ataque y geometría de las partículas erosivas. Relaciona la
pérdida de potencia erosiva con el fenómeno de rotación y fractura de las partículas con la variación
del ángulo al impactar la superficie [56].
A.G. Evans y L.J. Graham 1975, desarrollan un modelo básico de propagación de grietas a través
de cerámicos policristalinos con defectos y poros, proponen que el frente de grieta se mueve de
forma secuencial e intermitente a través de los contornos de cristales, defectos y poros. Lograron
medir las velocidades de avance de grietas para diferentes cerámicos y el número de eventos que
ocurren en su propagación, según fueran encontrando con los “obstáculos” (cristales, defectos y
poros). El modelo sólo se cumple para cerámicos de una sola fase, con orientación de granos
similar, una distribución de tamaño de granos uniforme y poca o ninguna anisotropía [17].
Evans en 1976, plantea que, si bien, en materiales frágiles existen esfuerzos de contacto netamente
elásticos o Hertzianos, en la erosión, impactos con una velocidad, temperatura y energía
“adecuados” pueden “indentar” la superficie con deformación plástica y, que la transición entre
una formación completa de grietas y una deformación plástica existe inclusive, en los materiales
más frágiles. Esto también depende fuertemente de la geometría de la partícula, si es roma, es más
probable que suceda deformación plástica antes de la fractura. Desarrolla un modelo de erosión
con impacto de partículas sólidas a baja velocidad, a partir de parámetros dinámicos en la
indentación de una partícula que eventualmente impacta sobre la superficie de un material frágil,
estos son HD: dureza dinámica, KD: Tenacidad a la fractura dinámica [57], y P: presión de la
26
partícula, dependiente de la velocidad de la partícula. Tiene problemas para desarrollar un modelo
con partículas a alta velocidad ya que carece de información experimental sobre la propagación de
grietas, tenacidad y dureza bajo esas condiciones.
James Lankford 1979. Desarrolla un modelo para determinar K1C con un buen ajuste para
materiales cerámicos frágiles. Lankford plantea la utilidad de definir parámetros como umbral de
agrietamiento, tamaño y tipo de grieta así como tenacidad a la fractura en los mecanismos de
erosión para estos materiales. Comparó los modelos de Lawn-Evans (con grietas medianas) y el
modelo de Perrot para carburos (con grietas radiales), encontrando una mayor tendencia a formarse
grietas radiales en los cerámicos, sin embargo, encontró que se cumple a cabalidad el modelo de
propagación de grietas de Lawn-Evans [58].
Iain Finnie 1995, reconoce que muchas investigaciones están interesadas en los mecanismos en
los cuales las partículas remueven material de la superficie en vez de concentrarse en aspectos de
la mecánica de fluidos. Plantea acercamientos en la solución de mecánica de fluidos para resolver
los problemas de erosión. Menciona que la gran mayoría de los estudios de erosión en materiales
han sido limitados a ángulos normales o de 90° asumiendo que la velocidad de impacto del fluido
a ese ángulo puede ser usado en impactos oblicuos lo cual, considera, es un error. Menciona la
importancia de las transiciones elasto-plásticas en materiales frágiles y, la dependencia de esta
transición con la reducción del tamaño de partícula erosiva, lo que a grandes tamaños representa
un comportamiento frágil, a tamaños pequeños se comporta como un material dúctil. Demuestra
la importancia del fluido en sí mismo en la erosión y las discrepancias en los equipos de erosión
usados hasta el momento, que dejan vacíos a la hora de conocer los mecanismos de erosión [19].
1.8.2. Formas de Erosión
La erosión a alta temperatura comprende muchos mecanismos y, la complejidad de un proceso de
desgaste de este tipo, ha llevado a clasificaciones que pueden considerarse arbitrarias, corriendo el
riesgo de considerar en la erosión, fenómenos de otra índole; algunos autores prefieren clasificar
la erosión en mecánica, térmica y química [59]; otros autores, por el contrario, como Hutchings y
Evans, le atribuyen a la erosión un punto de vista netamente mecánico, donde se cumple la
mecánica de contacto Hertziana y de fractura en el material impactado, en esta perspectiva se habla
de erosión dúctil y frágil ya que depende del material. En esta tesis se trata de considerar los
múltiples fenómenos que intervienen en la erosión tratando de interpretarla como la remoción de
material desde la superficie por acción mecánica, afectada térmica y químicamente por un fluido
puro y/o particulado. Un evento independiente es cómo se perturba el material, es decir, el tipo de
fluido y cómo este impacta una superficie y otro, cómo reacciona el material, a esto último se le
asocian mecanismos de erosión que, sin embargo están fuertemente concatenados con el medio
erosivo, algunas veces estos conceptos se confunden como un solo evento.
27
1.8.2.1. Erosión mecánica
La erosión mecánica se refiere a las interacciones físicas entre dos cuerpos, uno es impactado con
remoción de masa de su superficie y otro lo impacta libremente transportado por un medio erosivo
que, para turbinas, es el flujo de gas de combustión,
Figura 11. Cuando la erosión a alta temperatura involucra el impacto de partículas sólidas del
orden de micras, transportadas por el gas, las propiedades intrínsecas de dichas partículas, tales
como la dureza, la forma y el tamaño, son de mucha importancia, ya que intervienen directamente
en la rapidez con que la superficie impactada se desgasta. A medida que el tamaño de las partículas
va disminuyendo hasta llegar a escala nanométrica, la erosión estará gobernada cada vez más por
el impacto los gases de combustión, lo que requiere una aproximación a la mecánica de fluidos.
La dureza, tenacidad y microestructura de la superficie que recibe el impacto del medio erosivo,
son atributos que determinan los mecanismos de erosión. Por ejemplo, en un óxido frágil, el
proceso de desgaste puede ser mucho más rápido que la erosión del material dúctil a ángulos altos,
esto puede cambiar si se pasa a ángulos rasantes o, bien, si se incrementa la temperatura.
Figura 11. Formas en las que se puede representar y clasificar el desgaste erosivo, modificado de [60].
El medio erosivo influencia el desgaste, las características del gas (ej. su viscosidad, densidad y
turbulencia, lo mismo que las propiedades microscópicas como su corrosividad y capacidad de
lubricación) determinan cómo responderá el material; el medio tiene un sorprendente efecto sobre
la tasa de erosión, [51]. El punto de vista de la influencia del flujo de gas de combustión en la
erosión está siendo de mucho interés, ya que si bien siempre van a coexistir la fase gaseosa y sólida
en el fluido, no se ha determinado con exactitud como el flujo de gas influye en los mecanismos
erosivos, de hecho, «la relación entre la mecánica de fluidos y los modelos mecanicistas o
energéticos de erosión son recientes y hay una notable tendencia a acoplar estos dos fenómenos»,
[61]. La turbulencia del medio erosivo incrementa el desgaste debido a que es más factible que
ocurra un impacto en flujo turbulento que en flujo laminar, donde el medio tiende a mover las
partículas o gas de combustión de forma paralela a la superficie [51], esto se logra visualizar en la
Figura 13. Una excepción a esta regla es cuando un flujo laminar está normal a la superficie o en
ángulos que garanticen el evento de impacto; en este caso, el desgaste se concentra sobre la
superficie directamente impactada y se forma un área anular que la rodea. Este fenómeno es
conocido como efecto anillo o «Halo effect». «El efecto de incrementar la turbulencia con la
distancia del flujo es compensado con la concentración de la erosión inmediatamente al interior de
la corriente», [51]. Otros autores definen fenómenos en el medio erosivo que categorizan el tipo
de erosión mecánica. Zum Ghar, menciona dos fenómenos erosivos que encuentran similitud con
lo que sucede en un álabe de turbina conocida como «Blast erosion», donde hay un flujo
28
direccionado del gas que impacta en la superficie, aquí se define claramente un ángulo de impacto,
como se ilustra en la Figura 13.
Figura 12. Dos situaciones en las cuales a) el gas de combustión impacta flujo paralelo a la superficie y b) varios
ángulos α y β, que van desde 0 a 90°, sobre un material frágil o dúctil. Modificado de [51]
La erosión debida a turbulencias que se presentan en tuberías y álabes de los impelers es conocida
como «Flush erosion»; el medio erosivo es líquido partículado, es un fenómeno semejante a las
celdas rotativas en los flujos secundarios sobre la superficie del álabe de turbina, en los álabes las
celdas rotativas eventualmente pueden proteger la superficie de otras corrientes de gas u, otras
veces, desgasta la TC.
Figura 13. Celdas rotativas del flujo secundario en una turbina, impactando una TC depositada por APS.
1.8.2.1.1. Degradación debida al impacto de átomos de gas
Es más probable que este tipo de degradación sea predominante en una turbina de generación
eléctrica, que en una turbina de avión, ya que la primera posee un sistema periférico para filtrar el
aire comúnmente llamado “casa filtro”, es una erosión similar a la que ocurre en los satélites, donde
el impacto de átomos de nitrógeno y oxígeno adyacentes a la atmosfera ocurre sobre la carcasa del
satélite. Durante el impacto de los átomos atmosféricos, las redes cristalinas del material impactado
son degradadas para formar una estructura erosionada, [51].
29
Figura 14. Erosión a nivel atómico, predominante en componentes sometidos a gases de combustión (G.
Stachowiak, A. Batchelor, 2005).
1.8.2.2. Erosión Térmica o Efecto de la Temperatura en el Desgaste erosivo
La erosión térmica se debe al debilitamiento y a la degradación por calor de un material. La
transferencia de calor en alabes de turbinas es principalmente de orden convectivo, entre el flujo
turbulento del gas de combustión y la superficie en contacto con él, también se transfiere de forma
radiante. Esta transferencia se ha llegado a simular, así como la generación de entropía y
turbulencia en álabes de turbina [37], [62], [63].
Figura 15. Erosión térmica (Zum Ghar, 1987)
El calor puede facilitar reacciones químicas, corrosión, desprendimiento de masa de la superficie
(Figura 15) y/o generar cambios microestructurales que modifican las propiedades mecánicas de
la superficie. En muchos materiales causa ablandamiento, bajando su resistencia a la erosión, pero
en la YSZ, mantiene e incluso incrementa propiedades mecánicas cuando se acerca a los 1100°C
como módulo de Young y tenacidad a la fractura. Si la YSZ es frágil a temperatura ambiente no lo
será tanto a 1100°C.
30
1.8.2.3. Erosión química o degradación química en el desgaste erosivo
En los procesos de combustión con gas o diésel normalmente hay exceso de aire, por lo que el
ambiente es oxidante, también se generan productos como CO, CO2, NOX, vapor de agua e
hidrógeno, y óxidos metálicos o de vanadio [64], [65] y [66]. Estos facilitan la remoción de material
de la superficie de la TBC. El vanadio (encontrado en el diésel y otros combustibles fósiles
refinados), el oxígeno y óxidos metálicos como los de hierro, reaccionan directamente, por
disolución con la TC de ZrO2 Y2O ó, por corrosión, modificando la estequiometria de estabilización
lo que genera una degradación en la superficie, pérdida de propiedades mecánicas y posterior
pérdida de material [65], [66]. La difusión a través de la barrera de zirconia de los gases
involucrados en la combustión y las especies químicas que ellos puedan transportar puede llevar a
procesos de oxidación en la TC, en la BC y el sustrato, generando TGO [2]. Pero esto no sería una
acción de degradación directa sobre la capa cerámica.
Las especies químicas presentes en la combustión y que reaccionan con la YSZ-TBC en la
combustión para una turbina dual como la GE7000FA que funciona con gas natural y Diesel, son:
Na2CO3, Na2O, K2O (K2CO3), CaO (CaCO3), BaSO4, BaO, MgO, P2O5, V2O5, Fe2O3. La presión
y temperatura a la cual entran en contacto con la superficie de la TC determinan la cinética de
disolución o corrosión, [65].
El Na2CO3 reacciona con la fase monoclínica de la YSZ en la forma de Na2O produciendo
Na2ZrO3
El K2CO3 solo reacciona con ZrO2 después de 100 horas de exposición a 1400°C formando
K2Zr3O7.
El CaCO3 a 1200°C se ha transformado en CaO que reacciona con la YSZ formado CaZrO3.
Encontrado en la turbina por la proximidad a la empresa cementera Argos.
El BaSO4 reacciona con la ZrO2 formando BaZrO o zirconato de bario.
A elevadas temperaturas el BaCO3 se descompone en CO2 y BaO reaccionando este último
con la ZrO2 formando BaZrO3.
El V2O5 reacciona preferencialmente con la ZrO2 cúbica o tetragonal, entrando en solución,
mientras que el Fe2O3 reacciona con la ZrO2 monoclínica.
31
1.8.2.4. Mecanismos de erosión.
Los mecanismos de erosión pueden actuar combinados y sinérgicamente, varios autores han
subdividido la erosión de acuerdo a la acción del medio sobre la superficie y de ahí se determinan
los submecanismos, [54]:
(a)
(b)
Diagrama 1. (a) Eventos que pueden actuar en la erosión y (b) submecanismos de erosión reportados en la literatura,
[54].
Acción Térmica
Fusión
Cambio en las propiedades mecánicas
Acción Química
Pérdida por simple disolución química
Reacción con el sustrato para
formar sustancias que se
remueven por deslizamiento
Acción Mecánica
Un evento
Eventos repetitivos
Falla dúctil Falla frágil
Alto ciclaje, fatiga elástica Bajo ciclaje, fatiga plástica
SUBMECANISMOS:
Fusión
Fatiga
MECANISMO: Erosión
por partículas sólidas
Corte
Fractura Frágil
Penetración lateral
Deformación plástica
hasta falla
Falla cíclica
Falla no cíclica
Pérdida de material
Acciones separadas
sobre el material
32
Figura 16. Mecanismos de falla en un material frágil de acuerdo al medio que impacta y su energía, estos dependen
de la geometría de la partícula, su masa, tamaño y velocidad. En el primer caso se supera el límite elástico y en el
segundo hay fatiga por acumulación de esfuerzos.
2. Estado del arte, mecanismos de desgaste propuestos para TBCS
Los conceptos de erosión documentados en TBC’s [7], [20], [67], analizan el desgaste desde dos
perspectivas: con respecto a las características y propiedades del medio erosivo, llamados “modos
de erosión” (cantidad de masa, geometría, velocidades, etc) y, respecto al material o TBC conocido
como “mecanismos de erosión” (respuesta microestructural del material impactado). El primero
de ellos ha evolucionado a partir del modelo FBC “Fluidized Bed Combustors” para volverse una
herramienta de mecánica de fluidos en el análisis del medio erosivo en turbinas y la segunda
proviene de la perspectiva de mecánica del contacto y mecánica de fractura [54], [61], esta última
se refiere al análisis de esfuerzos de contacto Hertziano y de propagación de grietas. Actualmente
se está tratando de acoplar las propiedades del fluido de combustión supersónico con la respuesta
al desgaste erosivo de las TBC [19], [68], es decir, los mecanismos de desgaste erosivo. Las
variables que afectan el proceso de desgaste se están cuantificando, modelando y correlacionando
para llegar a tal fin. Zum Gahr, 1987, menciona que los materiales frágiles con una tendencia a
agrietarse reaccionan más sensiblemente a los cambios en el tamaño de partícula y velocidad, que
los materiales dúctiles. Esto es asociado a que la energía de impacto mínima requerida para iniciar
el desgaste erosivo, es mayor en un cerámico duro que en un material blando, [60]. La fragilidad
de la YSZ a temperatura ambiente la hace vulnerable al desgaste erosivo, sin embargo se muestra
resistente a la erosión en un rango de temperaturas alto, donde las superaleaciones fallan; la YSZ,
la alúmina y zirconia reforzada con alúmina tienen mayor resistencia al desgaste erosivo
comparado con el carburo o el nitruro de silicio. Srinivasan and R.O. Scattergood; 1991
comprobaron que a pesar de que la YSZ posee alta tenacidad a la fractura o K1C, su resistencia al
desgaste erosivo no es muy marcada con respecto a otros cerámicos ingenieriles como la alúmina,
[69]. A.V. Levy and P. Clark, 1991 concluyeron que a elevadas temperaturas los metales se vuelven
excesivamente blandos mientras los cerámicos son más dúctiles, lo que disminuye su modo frágil
frente a la erosión. Wellman y Nicholls, afirmaron que para una APS-TBC, la rapidez de erosión a
altas temperaturas es menor que a temperatura ambiente, lo que indica un cambio microestructural
y de energías interatómicas que se traduce en cambios en los mecanismos de erosión, [1]. Varios
autores han estudiado una clasificación general de los mecanismos de erosión con partículas para
las EB-PVD TBC’s de acuerdo con el nivel energético asociado al impacto con el tamaño y
momento de partícula y, la respuesta microestructural de la estructura columnar. Se han establecido
33
tres mecanismos de desgaste erosivo causado por partículas llamados modo I, fatiga térmica debida
al impacto de partículas cuya energía no es suficiente para remover material a corto plazo; Modo
II, donde hay un daño estructural por compactación y agrietamiento columnar que penetra hasta la
TGO y modo III, conocido como FOD (Foreign Object Damage) “daño por objeto externo” que
delamina, fractura y remueve material de la superficie, es aquí donde se presenta la mayor tasa de
desgaste, [7], [20], [70]. Generalizando, la magnitud del desgaste erosivo se ha categorizado en dos
grandes grupos, es decir, entre «los daños por impacto de partículas a alta velocidad, que pueden
conducir a la eliminación total de la barrera térmica y, la erosión netamente con fluido, que puede
conducir a la pérdida progresiva del espesor durante un tiempo en operación» [3].
Desafortunadamente las densidades relativas de las diferentes barreras TBC no son conocidas con
precisión [1]. Por lo que no es posible comparar tasas volumétricas de desgaste por erosión, de
mucho interés para evaluar las pérdidas de espesores de las barreras térmicas. La rapidez de erosión
se incrementa entre un 70 y 80% cuando la TBC está dopada con tierras raras [18] presentan un
nuevo mecanismo de erosión llamado “erosión por pasos”, consiste en grietas que no paran en los
límites de las columnas de una EB-PVD TC, si no que continúan propagándose paralelas a las
intercaras atravesando dichas columnas.
En una TBC depositada por APS, se produce una microfisuración en su estructura durante el
proceso de manufactura, esto influye en el módulo de elasticidad de la TC, por lo tanto reduce el
esfuerzo máximo y hace más susceptible de fallar la APS-TBC con respecto a las TBC´s fabricadas
por EB PVD [18], [24]. De acuerdo a lo anterior, el factor de desgaste erosivo entre una EB PVD
TBC y una APS-TBC es aproximadamente de 10 evaluado respecto a un ángulo de ataque de 90°,
[24]. La mayor resistencia de las EBPVD se debe a su estructura columnar y la distribución de
porosidades uniforme y más compacta que permite disipar las energías de impacto del gas de
combustión y superar las diferencias en expansión térmica [7], [14]. En el caso de las PS-TBC’s
altamente segmentadas, con fisuración vertical controlada, poseen una resistencia a la erosión
superior a las EB-PVD TBC, esto refleja que las tensiones y daños en la estructura de la TC
derivadas de la diferencia en expansión térmica afectan notablemente la erosión a alta temperatura,
una PS-TBC al no tener la capacidad de equiparar las contracciones y expansiones queda debilitada
para afrontar el impacto de del gas. Las PS-TBC’s segmentadas combinan el aislamiento térmico
de las PS y las columnas de las EB-PVD que limitan la propagación de grietas. La forma en que se
remueve material de la TC por erosión se ilustra en la Figura 17.
Figura 17 . Mecanismos de falla generales para materiales frágiles y erosión para TBC por APS y por EB PVD,
modificado de [3].
34
En muchos materiales el desgaste erosivo es asociado al módulo de Young, en PS-TBC’s, los
splats, un 10 a un 15% de porosidad, preagrietamiento, contaminantes e inclusiones generados
durante el proceso de deposición, reducen el módulo y la tenacidad a la fractura K1C, por lo tanto
se incrementa la rapidez del desgaste erosivo a temperatura ambiente [2], [3], la TC presenta
crecimiento de grietas a través de los límites de los splats, en las microgrietas y poros, que se
conectan hasta llegar a la superficie, causando la pérdida de material en forma de splats completos
y otros fragmentos, [23], [71], [72]. Sin embargo, los PS- TBC’s incrementan su módulo y
tenacidad a temperaturas cercanas a los 1100°C ya que posee energía suficiente para absorber las
energías de impacto, bajo estas condiciones hay umbrales elastoplásticos, transiciones de
deformación elástica a plástica, estas fueron planteadas por Lawn y A.G. Evans 1976 para
materiales frágiles en general, [73], con esta perspectiva de umbral elastoplástico han modelado y
simulado erosión en TBC. El mismo Evans en 2004 y 2006, para simular y establecer las leyes de
erosión en sistemas TBC, planteó con detalle que, dentro de los mecanismos de erosión para una
TC era claro que existía una deformación plástica en la TC con una posterior formación de grietas
adyacente a esa zona.
Ritter, 1985 y 1986. Asume que la erosión en cerámicos estructurales policristalinos, como la
alúmina o Al2O3, está dominada por la transferencia de la energía cinética de las partículas erosivas
a los límites de grano adyacentes a la zona del impacto generando la pérdida del “grano completo”.
Bajo esa presunción establece que la cantidad de material removido se puede determinar a partir
de una energía de remoción o generación de nueva superficie multiplicada por el número de granos
removidos y el área de cada grano. Con base a los resultados experimentales en ángulo de
incidencia normal, comparte con Wiederhorn y Hockey (1983), la perspectiva de que, la
temperatura no afecta los parámetros que controlan la erosión y no juega un papel predominante
en el desgaste erosivo de cerámicos frágiles, al menos hasta 1000°C. Los resultados cuantitativos
se vieron limitados a la falta de valores de tenacidad Kc para geometrías de granos elipsoidales y
achatados, como se podría esperar en un splat de TC. También concluye que los umbrales
elastoplásticos se vuelven imperceptibles cuando una red de largo alcance de límites de grano
predomina en la estructura, haciendo que la energía de impacto se desvíe por esos límites. Ritter,
al desarrollar su modelo de erosión para materiales frágiles y cerámicos partió de que el daño por
impacto de estos materiales involucra fractura por deformación elastoplástica que ocurre cuando
la superficie es penetrada por un objeto duro y puntiagudo tal y como habían establecido Evans,
Lawn y Wiederhorn. Hasta ese momento se conocían dos principales sistemas de grietas que se
propagaban a partir del lugar de impacto:
Grietas radiales, son responsables de los daños por fatiga (strength degradation)
Grietas laterales, responsables de gran parte de la remoción de material de la superficie,
precursoras de la delaminación y desprendimiento.
La primera y principal fuerza deriva de los esfuerzos residuales por indentación que surgen de la
disparidad entre la zona plástica y la zona elástica que la rodea. Ritter consideró que el modelo
elastoplástico predecía bien la dependencia del daño erosivo, es decir, fatiga y pérdida de material,
con la energía cinética de las partículas [71]. Para impactos normales, el daño erosivo a
temperaturas superiores a 1000°C presentaba zonas fracturadas con remoción y zonas de impacto
traslapadas, esas zonas coincidían con la geometría y área ocupada por un grano, no encontró
presencia de grietas laterales o radiales que la rodearan. El llamó a este fenómeno “intergranular
35
chipping”. A 23°C y un ángulo de 15° encontró daño intergranular pero con la diferencia de que
había “pits” estaban elongados en la misma dirección de impacto, sin embargo, para 1000°C
encontró que el daño era más de carácter abrasivo, similar al de la erosión de un material dúctil, las
partículas literalmente araban la superficie. Con base en estos resultados experimentales y la
microestructura de la alúmina policristalina Al2O3, Ritter concluyó que toda la energía cinética Uk
se transfería a los límites de grano (lo que para una TC sería el splat), propagando las grietas por
todo su límite, terminando con la remoción de dicho grano, como resultado se tenía una grieta
anular con el diámetro del grano.
𝐷 = [𝑑𝑈𝑘
𝛾]
1/3
Donde D: Tamaño del “pit” o cráter, Uk: Energía cinética de las partículas que impactan y γ:
energía de fractura del límite de grano. La energía de impacto es proporcional a la energía de
fractura del límite de grano γ así:
𝑈𝑘 𝛼 𝑛𝛾𝑑2
n: número de granos incluidos en el pit
d: diámetro promedio de grano
El resultado cuantitativo de esta relación está limitado porque i) No se conoce el K1c de una
imperfección elipsoidal con tendencia a geometría de grieta y ii) La dependencia de la elipsoidad
o relación entre su eje mayor y menor con el ángulo de impacto no es conocida. En resumen, la
erosión debida a impactos normales sobre la alúmina sinterizada se caracteriza por tener “pits” o
vacíos creados por remoción intergranular de granos dejando una huella semiesférica. Es posible
que los esfuerzos de contacto generados por esos impactos no excedan el límite de fractura
elastoplástica.
V α d𝐸𝑈𝑘
K𝐼𝑐2 𝑦 V α
d𝑈𝑘
𝛾
Eaton y novak, 1987 llevaron a cabo ensayos de erosión en PS-TBC’s a 1287°C con partículas de
alúmina de 27μm, un ángulo de 15° y una velocidad de 244m/s. Hicieron un intento para
correlacionar la rapidez erosiva a partir de los tipos y distribución de poros: Poros discretos
esféricos a través de la estructura y poros laminares los cuales están entre los splats. Identificaron
tres mecanismos de desgaste a partir del análisis de superficies erosionadas, Figura 18: i) Baja
tasa erosión, con marcas y surcos superficiales, abrasión localizada. ii) Tasa media de erosión, las
partículas causan fractura superficial que se propaga hasta liberar splats completos y iii)Alta tasa
de erosión, se generan zanjas profundas debido a que la partícula penetra la superficie, ingresa a la
TC e interconecta poros y splats para remover grandes volúmenes de material. Eaton y Novak
lograron relacionar las diferentes tipos y concentraciones de porosidad obtenidas en el proceso de
deposición plasma con la tasa de erosión, cuando se depositaba a mayores temperaturas, se lograba
obtener poros altamente localizados y dispersos entre las lamelas lo que incrementaba la resistencia
a la erosión. La sinterización con el cambio en distribución y forma de poros también se relacionó
con las tasas de erosión reflejando que estas disminuían con dicho fenómeno. También encontraron
que la tasa de erosión cambia en un factor de 2.5 entre 15° y 90°, [21], [74].
36
Figura 18. Representación esquemática de los tres mecanismos observados por Eaton y Novak en los cerámicos
porosos: (1) arado; (2) Fractura secundaria; (3) apertura de túneles vía poros.
McPerson 1989, correlacionó la porosidad y los límites de los splats con el K1C, la conductividad
térmica y resistencia al choque térmico. Introdujo un nuevo factor: el efecto de la estructura interna
del splat o lamela en dichas propiedades. Encontró grietas finas de forma columnar,-
perpendiculares a los planos de contacto entre splats-, formadas durante el enfriamiento rápido de
un splat, inmediatamente después de la deposición, Figura 19.
Dicha estructura se forma debido a una solidificación rápida que literalmente tiempla el splat,
eventualmente se da una nucleación donde los cristales crecen opuestamente al flujo de calor; ese
patrón de crecimiento cambia conforme se incrementa el espesor de la capa, las columnas se
desarrollan de forma radial en los splats que van quedando cerca a la superficie final, ya que el
calor no logra salir fácilmente.
Ésta microestructura puede tener un efecto en los mecanismos de erosión, ya que los splats pueden
irse degradando gradualmente por esta vía.
Figura 19. Microestructura de una capa depositada por plasma, [22].
Chang-Jiu Li, Guan-Jun Yang y Akira Ohmori, 2006, similar al trabajo de Mc. Pherson y Eaton
& Novak, insisten en que las propiedades de las PS TBC son fuertemente influenciadas por su
estructura lamelar y su tenacidad a la fractura, cuyos valores dependen de la baja cohesión entre
37
los splats o Lamelas, inherente al método de fabricación. Esto implica que la estructura laminar,
en particular, la “razón de cohesión laminar”, puede dominar los mecanismos de erosión de la TC.
Debido a la falta de información sobre morfología intersplats, los trabajos deben ir dirigidos a
correlacionar directamente la relación entre la erosión de la capa de cerámica y los parámetros
estructurales de los splats. También consideran importante definir el espesor característico de las
Lamelas, la relación o razón entre las Lamelas y la densidad de grietas verticales, esto sugiere
claramente el efecto dominante de la unión en las intercaras de las Lamelas en la erosión de la PS
TBC. Tal morfología superficial implica que la erosión se efectúa en las interfaces de los Lamelas.
Li comprobó que muchas de las interfases entre splats no se logran unir o adherir una con otra.
Esas interfases existen como pregrietas laterales en la TC; bajo el impacto de material abrasivo,
tienden a propagarse a través de ese límite y una vez propagadas en todo el splat, este se delamina.
La erosión de la capa de la TC se da como resultado de una delaminación sucesiva de splats
expuestos en la superficie. Li y su equipo concluyeron que la tasa de erosión está dominada por el
nivel de adhesión o unión de los splats y su espesor; se puede suponer que la rata de erosión es
inversamente proporcional a la razón de unión de los splats y es directamente proporcional al
espesor del splat.
𝑊𝑐 = 𝐶𝛿
𝛼 y 𝐴𝑐 = 𝐶´
𝛼
𝛿𝜌𝑐
donde δ es el espesor del splat, α es la relación de unión de la interfase entre los splats, C y
C´(=1/C) las constantes que dependen de las condiciones de los ensayos de erosión y la energía
superficial efectiva del material de la TC. De acuerdo a la dependencia de la tenacidad a la fractura
con la razón de cohesión laminar, los resultados revelaron que la resistencia a la erosión está
controlada por la tenacidad a la fractura.
𝑊𝑐 ∝𝜌𝑐𝐸𝑒𝑓𝑓
2𝛾𝑐𝛼 𝑥
Trabajos recientes [14] plantean que la ventaja radica en mejorar la microestructura de las PS-TBC
para que sean resistentes a la erosión y menos costosas que las EB-PVD, ej. PS-TBC segmentadas
y PS-PVDTM. Reconocen que el principal mecanismo de falla de una TBC está relacionado al
crecimiento de la TGO y a la gran diferencia entre los coeficientes de expansión térmica, ambos,
principales causantes de la nucleación, crecimiento y propagación de grietas laterales entre la capa
cerámica TC y la BC, terminando en delaminación. También le dan la importancia debida a la
erosión como causa de falla en la TBC, en turbinas de propulsión, -que operan en ambientes
arenosos o con ceniza y en ambientes muy húmedos donde gotas entran en contacto con los álabes
de compresión-, y en turbinas de generación eléctrica, donde el aire que utilizan es filtrado
inmediatamente antes de entrar a la zona de compresión, pero eventualmente alguna partícula
sólida puede escapar o generarse en la compresión o en la cámara de combustión. En sus ensayos
expusieron las barreras térmicas a ángulos de impacto de 30 y 90°, representativos del impacto de
partículas en el lado posterior y en los bordes de los álabes de turbinas a gas. Asocian la pérdida
de presión, los cambios en la geometría del álabe y el sobrecalentamiento del sustrato como
principales efectos de la erosión en las turbinas, [23].
38
2.1. Efecto del ángulo medio de impacto
La inclinación a la cual el gas de combustión entra en contacto con la superficie de la TC determina
como responde dicha TC, es decir, como procede el mecanismo de desgaste erosivo. En general
el ángulo de impacto se puede variar de 0° a 90°, pero existen principalmente dos criterios para
determinar los ángulos de interés para la erosión en una TBC: el tipo de material (frágil o dúctil) y
el dispositivo en el cual va aplicada (álabe, liner y pieza de transición). Los materiales dúctiles
presentan una rapidez de desgaste mayor en ángulos de impacto cercanos a 30º, presenta desgaste
erosivo dúctil, y los materiales frágiles, entre ángulo de impacto los 80º y 90º [60]. Esto se puede
ver en la Figura 20.
Figura 20. Representación esquemática de rapidez de erosión en función de: (a) tiempo de exposición, (b) ángulo
de impacto, curvas válidas para: metales dúctiles (α), metales duros (β), cerámicos frágiles (γ) y cauchos (δ) (c)
tamaño de partícula y (d) velocidad de impacto [60].
39
Figura 21. Gráfica de rapidez de erosión con respecto al ángulo de impacto para una YSZ PS-TBC, en rojo y YSZ
EB PVD, [8].
Tabla1. Erosión reportada por la literatura de acuerdo a ángulos de impacto típicos para una APS TBC,
a 1100°C [8].
Tipo de capa TC Angulo de impacto rapidez de erosión g/Kg
APS TBC segmentada 30 9.5
APS TBC segmentada 90 24
PS-TBC Estándar 30 48
PS-TBC Estándar 90 118
2.1.1. Ángulos medios de ataque en un álabe de turbina
Si se requiere estimar la rapidez de erosión en máquinas reales entonces es necesario un análisis
exhaustivo de la trayectoria de las partículas o gas de combustión. Por ejemplo, un análisis
desarrollado para los álabes de primera etapa de turbinas a gas da un excelente acercamiento entre
la ubicación real y la predicha de los puntos de desgaste y se da un ejemplo de las trayectorias de
las partículas erosivas entre dos álabes de turbina [75], [76]. En la zona de postcombustión de una
turbina se lleva a cabo una erosión a alta temperatura debida a flujos gases altamente direccionados
que pueden transportar material sólido con una granulometría del orden de micras y/o nanómetros,
dependiendo si es una turbina de propulsión para aeronaves o turbina de generación eléctrica. En
los álabes de turbina, los flujos primarios y secundarios de gases de combustión erosionan las
superficies a diferentes ángulos, a cada uno se le atribuye un nivel de importancia de acuerdo a los
criterios de diseño geométrico del álabe y máquina ej. ángulos específicos de entrada 60°, los de
impulso y salida, 22.5°.
40
Figura 22. Perfil de los diferentes ángulos de ataque para erosión en un álabe de turbina, [4].
Ángulo de Flujo paralelo, 0°: No se presenta un desgaste localizado ya que el gas de combustión
no impacta representativamente en la superficie, pero cuando hay turbulencia hay una mayor tasa
de desgaste, [51]. En el borde de fuga de un álabe sucede lo contrario, con ángulos medios cercanos
a 0°, esto ocurre por la turbulencia y las ondas de choque normales y oblicuas a la salida.
Ángulos agudos: causan un daño representativo cuando se involucran partículas sólidas más duras
que la superficie. Esto se cumple especialmente con materiales dúctiles, es posible que suceda en
una TBC si entran partículas más duras que la zirconia. Con el gas de combustión esto puede
suceder con las ondas de choque y celdas rotativas generadas cuando se rompe la capa límite. Los
ángulos de acometida del gas de combustión en los álabes de turbina semireactiva para el máximo
aprovechamiento, están definidos por:
Donde el ángulo α usualmente es agudo, entre 12° y 25°, el límite en estos ángulos lo establece la
velocidad del flujo V1Sen α [33].
Ángulos cercanos a 90°: se ha demostrado que estos ángulos son especialmente tienen mayor
influencia en el desgaste de materiales cerámicos ya que impactos normales van fatigando la
superficie hasta que se fragmenta y hay remoción de masa. Para el caso de las TBCs, están dentro
del rango de materiales frágiles, son de interés ángulos de impacto cercanos a 90°.
41
Figura 23. Ángulos más representativos en los álabes, [34].
Ángulo de apilamiento: ángulo de ubicación de los álabes, es la diferencia entre la cuerda o eje
de alineación y el eje horizontal
Ángulo de Impulso: es el ángulo específico de arrastre, se define de acuerdo a la geometría
cóncava del álabe.
Ángulo de entrada: Es el ángulo de entrada de los gases de combustión desde la pieza de transición
con respecto a los anillos de álabes 60°
Ángulo de incidencia: Es el ángulo que está entre la inclinación del flujo entrante y la posición de
los álabes en su entrada, visto de otra manera, es la resta entre el ángulo de entrada del flujo y el
ángulo de entrada del álabe de la turbina.
Ángulo de salida o de fuga: ángulo de salida de los gases de combustión, este tipo de ángulo es
rasante y va de 0 a 25°.
Tabla 2. Algunos ángulos de importancia en los álabes, registrados en la Central Termoeléctrica La Sierra.
Condición Velocidad Mach Temperatura Ángulo
Rotor borde de ataque 1.3 1000ºC 10º
Rotor borde de fuga 0.5 925ºC 0º
Estator borde ataque 0 punto
estancamiento
1180ºC 90º
Estator borde de fuga 0.6 1066ºC 0º
42
2.2. Medio erosivo
Cuando las partículas del fluido hacen contacto con la superficie, adquieren una velocidad cero,
estas partículas actúan entonces para retardar el movimiento de partículas en la capa contigua al
fluido, que y a la vez actúa para retardar el movimiento de partículas en la capa contigua al fluido
siguiente y así hasta que a una distancia y = δ de la superficie, el efecto se hace insignificante,
Figura 24.
Figura 24. Proceso en el cual se rompe la capa límite generando ondas de choque y celdas rotativas, donde Re, es el
número de Reynolds, [77].
Los flujos primarios llevan asociada la capa límite entre la superficie del álabe y el flujo de gas,
esta condición erosiona el material pero, los flujos secundarios pueden hacerlo a mayor velocidad,
debido a que se rompe la capa límite generando vórtices de alta disipación de energía proyectando
gas y partículas a gran velocidad y de forma aleatoria en la superficie esto se puede observar en la
Figura 24. Por otro lado, esos mismos flujos secundarios también pueden proteger la superficie
especialmente en la zona de succión. Los flujos secundarios son estructuras de flujo tridimensional
turbulento que se desarrollan entre los álabes de una turbina debidos al cambio del perfil de
presiones de entrada de un flujo libre a un flujo restringido no uniforme. Esos flujos turbulentos se
manifiestan inicialmente en las paredes al final de los álabes o bordes de fuga, Figura 25, donde
se incrementan los gradientes de la velocidad de flujo, [78].
43
Figura 25. La erosión con o sin partículas sólidas se ve incrementada o disminuida por causa de turbulencias, la
capa límite puede ser laminar o turbulenta [79]
Cuando un flujo estacionario impacta perpendicularmente en una superficie plana dicho flujo de
divide en dos, una parte de las líneas del flujo sale hacia un lado de la placa y otra hacia el lado
opuesto, quedando solamente un flujo normal a dicha placa que no puede pasarla completamente,
el fluido comienza a ralentizarse a medida que se acerca a la placa, en otras palabras se estanca,
figura 25. “El fluido a través de la línea divisoria se va desacelerando hasta deflectarse en el punto
de estancamiento”, tal como se observa en la Figura 26.
Figura 26. Línea de estancamiento en una placa plana (Daniel D. Joseph, 2006) y en un álabe indicando las líneas
de flujo primario [27].
44
2.3. Ondas de choque transónicas y supersónicas del gas de combustión
Los flujos transónicos que impactan en el borde de fuga pueden ser vagamente definidos como
flujos en los cuales, la velocidad localizada de dicho flujo es cercana a la velocidad del sonido, es
decir, un flujo es considerado transónico si las regiones subsónicas y transónicas coexisten cerca
de un cuerpo al mismo tiempo. Incluso, el concepto de velocidad crítica Mach, Mc, es dependiente
de la forma, espesor del álabe y las condiciones del entorno adyacente a él. A velocidades
transónicas, la producción de entropía en las ondas de choque en movimiento introduce un tipo de
irreversibilidad que no se encuentra en los modelos mecánicos, y que da lugar a generación de
convección, vorticidades y ondas afectando la aerodinámica del sistema y la estabilidad de la
estructura del flujo, [78]. La frecuencia de las ondas de choque es un factor que tiene un efecto en
la erosión, una pieza de transición o una tobera, cualquiera de las dos genera ondas de choque
mientras están en régimen transónico, Figura 27. Incluso después de haber superado la barrera del
sonido, el flujo que llega al álabe o probeta plana es perturbado al tocar la superficie y se generan
ondas en la disipación de energía.
Figura 27. a) Ejemplo del cálculo de flujos generados por medio de varios métodos computacionales, ajuste entre la
frecuencia de las ondas de choque experimentales y simuladas. b) Perfiles de velocidad mach en un sistema de álabes
[36].
Para el caso particular de la turbina a gas GE 7FA en la Central Termoeléctrica La Sierra se han
reportado las siguientes características técnicas: 18 etapas de compresión axial, 150 MW potencia
nominal, una velocidad de giro a “Full Speed” de 3600 rpm, flujo másico (mass flow inlet) =420
kg/s, temperatura máxima, estator: 1205ºC, presión en Cámara de combustión de 1268.6 kPa =
12.7 bar = 184psi.
45
2.4. Metodologías y equipos para medir desgaste erosivo.
Las mediciones de desgaste erosivo que incluyen el efecto de material particulado sólido son las
formas de erosión con más estudio académico y de amplio interés en TBC’s, especialmente en la
industria aeronáutica [7], [13]. Una de las diferencias entre los equipos de erosión estriba en el
medio erosivo, esto quiere decir que para cada medio erosivo hay una respuesta diferente en la
erosión de la TC, esto implica una dificultad para comparar los resultados de desgaste entre varios
laboratorios. Las normas ASTM han reflejado la tendencia durante muchos años de usar material
particulado sólido a temperatura ambiente, por ejemplo la guía de fricción, degaste y erosión
“Guide to Friction, Wear, and Erosion Testing ASTM 2012” y la serie de normas ASTM G76
recomiendan medir la erosión con partículas sólidas de escala micrométrica y tratan poco el efecto
de la temperatura, tampoco, el impacto de las ondas de choque del gas de combustión y su efecto
en la erosión. Sin embargo se ha tratado de aproximar los ensayos a condiciones de turbina
conservando el uso partículas sólidas dentro del medio erosivo, esto sucede por varias razones:
La posibilidad de hacer ensayos en corto tiempo con visible pérdida de material y
transformaciones superficiales [7].
Se puede correlacionar de forma práctica la masa utilizada de material erosivo con la masa
perdida en la superficie [70].
Se pueden establecer conclusiones entre geometría, composición, temperatura, velocidad,
energía cinética y momentum de la partícula con la microestructura de la TC, visualizando
y generando mecanismos de erosión sólidos y demostrables [20].
Hay un soporte bibliográfico amplio sobre erosión con partículas que permite comparar y
evaluar constantemente nuevos experimentos [7], [19].
La erosión con partículas sólidas es de mucho interés en la industria aeronáutica ya que en
estos dispositivos no existe la posibilidad de filtrar el aire, especialmente en zonas
desérticas o con mucha contaminación con partículas [14].
Y, bajo estas condiciones, se puede relacionar dureza de partícula y superficie impactada.
Si las partículas tienen menor dureza que la superficie, es decir, si el cociente entre la dureza
partícula Hp y la dureza de la TBC Hb es menor que 1, generan un desgaste lento
Si la razón de dureza Hp/Hb supera el límite de 1.2, se entra a regímenes de deformación
plástica en la barrera térmica, esto va acompañado de altas temperaturas.
Cuando la presión de contacto supera 3 veces el límite elástico del material, se supone que
hay deformación plástica [55].
Geometría de las partículas: partículas con aristas y planos generan más desgaste que las
partículas redondeadas [80].
Los inicios de las metodologías para medir erosión empezaron con procesos de observación
empíricos, los materiales se exponían a equipos similares a los actuales dispositivos sand blasting
y se observaba el desgaste. Posteriormente en los primeros modelos de erosión con impacto de una
sola partícula exigía equipos con una rudimentaria aunque efectiva instrumentación, por ejemplo
las cámaras fotográficas con obturaciones continuas de cientos a miles de cuadros por segundo,
permitían observar trayectorias y calcular velocidades de las partículas que impactaban las
superficies expuestas
46
En los años 60 Finnie y Bitter trabajaron con equipos similares que proyectaban partículas de
diferentes materiales (incluyendo pellets de acero) a una superficie, por medio de un sistema de
caída libre al vacío, que consistía en un tubo vertical de 5 m con una tolva en la parte superior y un
recipiente en la parte inferior. Se generó una presión de vacío inferior a 1 mm de Hg y los platos
donde se ubicaban las probetas se ubicaron a diferentes ángulos, [55], [81].
Tabakoff y Wakeman, desarrollaron un equipo de erosión en la Universidad de Cincinnati. El
equipo consta de un alimentador de partículas (A), tubo de suministro de aire principal (B), un
quemador de combustible fósil (C), un precalentador de partículas (D), inyector de partículas (E),
túnel de aceleración (F), cámara de prueba (G) y tubo de escape (H), Figura 28. Se almacena una
cantidad definida de material abrasivo en el alimentador de partículas (A). Las partículas son
impulsadas por aire secundario y transportadas hasta el precalentador de partículas, es ahí donde el
inyector combina la premezcla con la fuente de aire principal el cual llega a alta temperatura desde
el quemador. La geometría y longitud del tubo de aceleración se diseñó para conservar la integridad
del flujo hacia la probeta, [25], [82].
Hutchings llevó a cabo ensayos en materiales frágiles con un equipo de erosión que constaba de un
ciclón que impulsaba material abrasivo hacia un tubo con diámetro de 4.8 mm y 300 mm de
longitud hasta salir en la boquilla a 48 m/s para impactar las probetas a diferentes ángulos, este
equipo desarrollaba pruebas a temperatura ambiente [83]–[85].
H. Eaton y Novak, llevaron a cabo experimentos de erosión a 1560 K (1287 °C) usando probetas
de 5 cm x 7.5 cm ubicadas a un ángulo de 15°. El material erosivo constaba de partículas de alúmina
de 27µm que eran proyectadas a la superficie a una velocidad de 244 m/s por medio de un quemador
que trabaja con combustible y aire que desemboca a una tobera. La velocidad de las partículas era
determinada con un velocímetro laser de efecto Doppler y la temperatura superficial se determinaba
con un pirómetro óptico de dos colores [21]. Este equipo de erosión a alta temperatura se encuentra
en la “United Technologies Research” en East Harford, Connecticut EUA, figura x. también se
llegaron a efectuar ensayos de erosión a una temperatura de 1100°C, velocidades de 245 m/s y 490
m/s y, un ángulo de 30°, [74].
Ritter, llevó a cabo ensayos de erosión en un equipo que es alimentado con partículas abrasivas
que ingresan al centro de un rotor tubular de 50.8 cm de diámetro, la rotación se da en el plano
horizontal, las partículas aceleran al final del tubo para impactar a 8 probetas alineadas a 90° para
dicho impacto. Se asume que la velocidad de las partículas es igual a la velocidad de la punta del
brazo deflector giratorio; la velocidad fue comprobada con la técnica de disco dual giratorio. La
cámara de ensayos fue calentada de 973 K (700°C) a 1273K (1000°C) con resistencias eléctricas.
Cabe anotar que el horno era apagado inmediatamente después de los ensayos para dejarse enfriar
dentro de la cámara hasta temperatura ambiente [71], [72].
Ulf Engman, realizó mediciones de erosión en materiales refractarios (a 800°C, ángulos de 30°,
90° y una velocidad de 40 m/s) usando un equipo de erosión que impulsa partículas con un
alimentador rotativo de paletas configurado con una boquilla y un quemador. Las partículas entran
a un sistema presurizado que desemboca a una tobera de alúmina, esta tobera está rodeada de un
quemador cilíndrico de propano que calienta el medio erosivo. Posteriormente un horno de forma
tubular, posterior a la tobera, estabiliza la temperatura del medio erosivo inmediatamente antes de
47
llegar a la probeta. La probeta está dentro de dicho tubo a una distancia de la boquilla tal que
permita a las partículas distribuirse uniformemente alrededor del tubo antes de impactarla. Un
termopar está ubicado en la parte posterior de la probeta. La velocidad de las partículas es regulada
por medio de la caída de presión en la salida de la tobera, [86].
Uno de los equipos de erosión capaz de operar a temperaturas superiores a 900ºC, está ubicado en
la Universidad de Cranfield, Reino Unido. Consta de una unidad aire presurizado que impulsa
partículas sólidas por un tubo que desemboca en una tobera, el tubo y la tobera están rodeados de
resistencias que calientan el aire de acuerdo a la temperatura que se requiera para el ensayo, [12],
[87]. (SPE) test facility: (1) cámara de combustión, (2) hornos de calentamiento, (3) alimentador
de material erosivo, (4) ciclón y (5), tablero de control.
Otro equipo de erosión a alta temperatura con partículas llamado ACT-JP (Arata Coating Test with
Jet Particles, cuyo nombre deriva de uno de sus inventores, Yoshiaki Arata) es usado para
determinar los mecanismos globales de erosión en barreras térmicas metálicas y cerámicas
depositadas por plasma. Los detalles del equipo no son revelados con precisión, sin embargo este
dispositivo utiliza partículas de alúmina que se proyectan contra la probeta. Se encuentra ubicado
en el Centro de Investigación para el procesamiento de alta energía de Superficies, Centro de
Deposición Plasma en la Universidad de Osaka, Japón; [88]–[90].
En la Universidad de Milán, Italia, el proyecto HYPERCOAT desarrolló un equipo de erosión a
alta temperatura con partículas sólidas que incluye medición de velocidad de éstas por el método
de doble disco. Dicho equipo funciona a una temperatura de 700°C y una velocidad de alimentación
de partículas de 2 g/min [14].
La norma ASTM G76-07 hace algunas recomendaciones básicas de cómo debería ser un equipo
de erosión por partículas sólidas que, opera a temperatura ambiente, los componentes, mínimos
que debe tener son los siguientes: suministro continuo de gas, suministro de partículas abrasivas,
cámara de mezcla, tubería de conexión con la tobera y, tobera. Menciona dispositivos adicionales
como un portaprobetas, medidores de flujo y agitadores para garantizar el flujo uniforme de
material abrasivo. Los materiales recomendados para la tobera son Alúmina Al2O3 y Carburo de
Wolframio WC. Para mediciones de velocidad usaron velocímetros laser, cámaras de alta velocidad
de obturación y el método de doble disco [91].
Para erosionar TBC’s estabilizadas con magnesio, se ha utilizado un equipo de erosión que consiste
en un alimentador en forma helicoidal acompañado de un calentador a gas y otro de resistencias
eléctricas. El gas para transportar el material erosivo es calentado hasta llegar a la temperatura
deseada para posteriormente pasar a través de un tubo de aceleración y mezclarse con las partículas
antes de llegar a la boquilla de alúmina de diámetro interno de 4mm. Tanto el tubo de aceleración,
boquilla como el portaprobetas están cada uno dentro de un horno; son programados a la
temperatura del ensayo. La velocidad de las partículas es controlada con la presión del gas y medida
con el método de doble disco, [64].
Determinar los mecanismos de erosión requiere en definitiva, protocolos y metodologías de
experimentación, que midan propiedades microestructurales de la TC y características del medio
erosivo [13], [20]. En este orden de ideas este trabajo de tesis trabajó en fortalecer las siguientes
limitantes:
48
Se requiere determinar una relación entre las propiedades de la TC y su comportamiento
tribológico en condiciones similares a las de operación de una turbina: Ángulos de impacto,
velocidades supersónicas, temperaturas alrededor de los 1100 °C a 1200°C.
La disponibilidad limitada y exclusiva de metodologías y equipos para experimentar el
efecto del ángulo y velocidad en fenómenos erosivos de barreras térmicas en temperaturas
cercanas a los 1200°C. Requiere desarrollar una metodología y acondicionar un equipo de
erosión a alta temperatura para medir dicho efecto midiendo la temperatura superficial de
la TC.
Por último, correlacionar erosión y ciclos térmicos para el conocimiento del fenómeno
erosivo bajo parámetros de operación en turbinas cuyo funcionamiento es intermitente. (en
este caso, las turbinas GE7FA de la central termoeléctrica La Sierra, EPM)
Figura 28. Equipo de erosión a alta temperatura utilizado por Tabakoff, [92].
Con el fin de conocer los mecanismos de degradación de estos recubrimientos se deben emular los
fenómenos de desgaste y degradación en una turbina, el grupo GTS-UNAL con el apoyo de EPM
y Colciencias, diseñó y construyó un equipo de pruebas de erosión a alta temperatura que genera
una combustión similar al de una turbina, así como de motores para propulsión (turborreactores,
fanjets, ramjets, etc.). El equipo de pruebas se llama “Tribómetro”. El tribómetro genera gases de
combustión a alta temperatura y los acelera para realizar ensayos de erosión, corrosión y TMF.
49
Tabla 3. Equipos de erosión reportados en la literatura [93], [94].
Air Force Research
Laboratory Wright-Patterson
Air Force Base. EUA
Cranfield University Cranfield,
Reino Unido
South Hampton University.
EUA
Sand Erosion Testing SPE T°: Ambiente
A: No reportado
V: 2.5 Mach
ME: Sílice, Alúmina
MA: 7% ZrO2Y2O3 EB-PVD
HTE, SPE
T°: 25-850 °C
V: 200m/s A: 30° 45° 60° 75° y 90°
ME: Alúmina, sílice 50-1000,
MA: 7% ZrO2Y2O3 EB-PVD y
APS
HTE y SPE T°: 1000°C
A: 0-90° V: 300m/s
ME: No reportado
MA: Varios cerámicos
General Electric Company
Test Facilities Center; India
National Research Council
(NRC); Ottawa, Canadá
UTRC, Equipo 2, 2012
HTE, SPE
T°: 982°C
A: 30°, 60°, 70° y 90°
V: 305 m/s
MA: 7% ZrO2Y2O3 EB-PVD y
APS
HTE, SPE
T°: 750°C
A: 30°, 60°, 70° y 90°
V: 300 m/s
MA: TBC’s
Velocidad: 265 m/s
T°: 1260° C
MA: 7% ZrO2Y2O3 EB-PVD y
APS
ERSE Spa, University of Milan, Italy
HTE, SPE
T°: 700°C, 30° y 90°
V: 140 m/s
MA: 7% ZrO2Y2O3 EB-PVD y APS, PS-TBC Segmentada.
ME: Sílice, microcuarzo
50
3. Objetivos
Objetivo General
Determinar el efecto del ángulo de impacto sobre la resistencia a erosión a alta temperatura de un
recubrimiento de barrera térmica de zirconia estabilizada con itria.
Objetivos específicos.
Poner a punto un procedimiento para llevar a cabo experimentos controlados de erosión por
gases a alta velocidad y alta temperatura, a partir del estudio de las condiciones de operación
de turbinas a gas en centrales termoeléctricas.
Identificar los mecanismos de desgaste que actúan sobre el recubrimiento a partir del
examen de las superficies desgastadas y del análisis de su microestructura.
Comparar los resultados obtenidos con los reportes disponibles sobre durabilidad de
componentes en operación real en turbinas de centrales termoeléctricas.
4. Metodología
La metodología empleada para este estudio consistió de los siguientes pasos:
4.1. Materiales de estudio y procedimientos de preparación de muestras
Se adquirieron cupones rectangulares de una aleación base níquel denominada comercialmente
como Hastalloy® revestidos con una barrera térmica. De acuerdo a la información suministrada
por el proveedor la TC en 7YSZ fue depositada por APS y la BC en NiCoCrAlY fue depositada
por HVOF. Para efectos de comparación en erosión, se extrajo de una turbina GE7000FA un liner
con 8700 horas de operación cuya superficie de trabajo fue dividida en siete regiones acuerdo a la
inspección visual de desgaste. Se determinaron áreas donde la llama de combustión impactó la
superficie causando cambios perceptibles en su topografía. También se caracterizaron dos álabes
de primera etapa con 14700 horas de operación. El liner se seccionó en cortadora de disco abrasivo
Discotom (Struers) para obtener piezas de dimensiones de 3 x 3 pulgadas. Se escogieron estas
dimensiones para poderlas montar en las mordazas del equipo de corte de precisión Buehler
Isomet® 5000. El corte de cupones y liner se realizó a compresión con disco metálico recubierto
con diamante de alta concentración y una velocidad de avance de 1.7 mm/min a 4000 rpm. Con
este corte se obtuvieron probetas de 1 pulgada cuadrada. Todas las probetas quedaron de similares
dimensiones y se pulieron los bordes externos hasta lija 600. Para poder reproducir de forma
confiable los ensayos las probetas se limpiaron con alcohol etílico y se secaron a temperatura
ambiente inmediatamente después del corte. Se realizó un primer registro de pesaje y se procedió
a secarlas con convección forzada por medio de un secador eléctrico a 80°C y posteriormente se
mantuvieron en una mufla a 120°C por 2 horas para eliminar rastros de humedad. Por último, se
51
pesaron en seco y se calcularon las diferencias de peso entre húmedo y seco de cada probeta. A
continuación se describe en detalle el procedimiento seguido para cada conjunto de probetas de
estudio:
a. Piezas de liner
Se extrajo un liner en uno de los mantenimientos preventivos de la turbina GE7FA realizado por
operarios de EPM. El liner posee 8700 horas de operación, es una pieza cilíndrica de un diámetro
promedio de 39 cm y una altura de 84 cm, que va acoplada a los quemadores duales y a la pieza de
transición, posee una perforación de 5.9 cm de diámetro para la entrada de aire secundario. Toda
la superficie interna estaba revestida de PS-7YSZ TC. Este componente fue seccionado
inicialmente con pulidora y discos abrasivos de carburo, seguido de un corte con el equipo
Discotom dotado con un disco abrasivo más delgado referencia Hercules® hasta llegar a probetas
de 3 x 3 ± 0.1 cm. Finalmente se realizó un corte de precisión con una cortadora Buehler Isomet®
5000, Figura 29. Los bordes de las probetas obtenidas fueron pulidos con lija 400 y 600, se
limpiaron con etanol, se secaron y almacenaron para las ceramografías superficiales. Se montaron
en frío para cortarlas transversalmente, pulirlas y observar las capas del sistema TBC al
microscopio.
Figura 29 . Disección de liner, turbina GE clase F de la central termoeléctrica EPM La Sierra. Las marcaciones indican
las áreas escogidas, desde el punto más lejano a la llama de combustión, zona 1, hasta el acople con los quemadores,
zona 7. Dado que se escogió para el análisis solo la mitad de la superficie del componente las zonas se diferenciaron
entre izquierda I y derecha D. La dirección de las flechas amarillas indica la trayectoria media del flujo de combustión.
El encapsulamiento en frío de las muestras se llevó a cabo mediante técnica de impregnación al
vacío usando montaje ilustrado en la Figura 30, con el propósito de evitar daños en la
microestructura y obtener características de porosidad menos afectadas por los procedimientos de
pulido posteriores.
0°- 45°
0°- 45°
0°- 90°
0°- 90°
0°- 45°
52
Figura 30. Proceso impregnación, b) equipo Buehler Cast’n Vac 1000 y c) probetas obtenidas para el posterior corte.
b. Álabes móviles de primera etapa Ge 7FA
Los álabes de primera etapa también fueron extraídos de un mantenimiento programado con
14700 horas de operación. Son piezas huecas, con una superficie cóncava y otra convexa,
una altura de 16 cm, un ancho que va de 10.2 a 11 cm en su base y un espesor de pared de
0.4 cm aproximadamente, Figura 31. Los álabes se limpiaron con etanol y se secaron para
observar sus diferentes superficies erosionadas en zonas reportadas en la literatura y en los
informes de mantenimiento, también se seleccionaron otros sectores estructurales de interés
técnico, dichas observaciones se realizaron en microscopio estereográfico SMZ 1500 de
NIKON. Las superficies erosionadas que se caracterizaron fueron en los lados de succión y
compresión, zonas aledañas al punto de estancamiento, borde de ataque, borde de fuga y la
parte superior del álabe adyacente a los bloques térmicos. Posteriormente se realizaron cortes
53
transversales en las áreas de interés para la erosión siguiendo el mismo procedimiento de
preparación del Liner.
Figura 31. Álabe móvil de primera etapa, a) superficie de compresión, b) superficie de succión.
c. Piezas planas
Las piezas planas para erosión controlada se obtuvieron a partir de los cupones rectangulares
revestidos por la empresa Sulzer Metco. Los cupones tenían dimensiones de 5.1 x 5.1 ± 0.1
cm y fueron cortados directamente con Isomet® 5000, bajo las condiciones expresadas en
materiales de estudio, hasta llegar a obtener probetas rectangulares de dimensiones 2.54 x
2.54 ± 0.1 cm; este tamaño se estableció con el fin de que cupieran las probetas en el
portamuestras del tribómetro de erosión a alta temperatura que se describe más adelante, se
pudieran caracterizar superficialmente estableciendo coordenadas y fuese fácil cortarlas
transversalmente para ceramografía, Figura 32.
Figura 32. a) Cupones rectangulares de Hastelloy revestidos YSZ por APS, Sulzer Metco. b) probetas para erosión
obtenidas a partir de los cupones y c) Probeta TBC con acetato milimetrado para ubicar áreas antes y después de la
erosión
54
En general, se definió que el proceso de preparación metalográfica y ceramográfica fuese el mismo
para todas las muestras, basándose en la norma ASTM E1920-03. La protección de estructuras
erosionadas en materiales porosos que poseen imperfecciones, inclusiones, grietas y otros defectos
como la TC, requirió la implementación de un proceso de impregnación al vacío con un equipo
Buehler Cast´n Vac 1000 como se describe en la Figura 30. La norma ASTM se aplicó con algunas
variantes, como el inicio con lija 320, pasando por 400, 600, 1000 y 1200, con tiempos de 5 a 30
hora dependiendo del control superficial durante el proceso; posteriormente se pasó a la serie de
paños Ultrapath para diamante policristalino en suspensión 9 µm, Texmet para las suspensiones de
6 y 3 µm y Microcloth para 1 µm y sílica coloidal, cuyo uso fue para el acabado final y revelado
de splats.
Las probetas una vez cortadas y antes de someterse a pruebas de desgaste fueron inspeccionadas
para determinar lugares representativos de la superficie, los cuales fueron localizados con
coordenadas cartesianas. Del lote de probetas nuevas se escogieron aleatoriamente dos, para
realizar una caracterización de su sección transversal.
4.2. Puesta a punto de tribómetro de erosión a alta temperatura
Se instaló y se puso a punto en la Central Termoeléctrica La Sierra (ubicada en el corregimiento
La Sierra de Puerto Nare) un tribómetro de erosión a alta temperatura que fue diseñado y construido
en una fase previa de investigación. Inicialmente se unieron los tres cuerpos del equipo
comprobando que las bridas ajustaran correctamente, la cavidad entre la cámara de combustión, la
tobera y el chasís se aisló con manta cerámica KaowoolTM. La tobera se diseñó y construyó en un
material cerámico con alto porcentaje de alúmina y se instaló en el equipo. Se realizó el montaje
de sensores de presión, termopares, portaprobetas, un sistema de control de combustión y el tren
de válvulas. Se comprobó que todos los componentes del tren de válvulas estuviesen funcionando
correctamente y no tuviese fugas. Se diseñó, construyó e instaló un sistema de adquisición de datos
(SAD) para monitorear temperatura y presión en diferentes partes del equipo, incluyendo la
superficie de la TC y el sustrato de la probeta. Al final del ensamblaje se aseguró de que se
cumplieran las condiciones técnicas y especificaciones de los elementos para los que se fabricó o
diseñó el equipo.
Para la calibración se realizaron pruebas de encendido y ensayos para ajustar flujos másicos y
volumétricos, presiones, velocidades y condiciones del medio erosivo. Estos ensayos se efectuaron
con el SAD conectado, antes de ser instalado definitivamente, con el fin de verificar que los datos
de presión y temperatura se registraran correctamente. Se usaron probetas de prueba con ensayos
previos de erosión, intermitentes de 3 a 4 horas probando diferentes velocidades y temperaturas
esto con el fin de determinar qué tiempos de exposición que generasen estructuras erosionadas,
pérdidas de masa y cambios morfológicos perceptibles y medibles.
55
4.3. Ejecución de las pruebas de erosión a alta temperatura
Las pruebas se llevaron a cabo en el dispositivo instalado en la central termoeléctrica La Sierra,
cuyos detalles de puesta a punto se describen en la sección 5.1. pág.52 de esta tesis. Las condiciones
de combustión son similares a las observadas en la turbina de generación eléctrica, especialmente
en lo que se refiere a la calidad del aire y gas utilizados. Los únicos contaminantes del medio
erosivo (no controlados) fueron partículas manométricas de carbono tipo hollín llamadas “soot
particles” generadas en la combustión, el CaCO3, CaO, transmitidos por el compresor y FeO
generados en el compresor o con la tinta reveladora de alta temperatura utilizada por EPM. Los
ensayos de erosión se desarrollaron a una temperatura 1200°C de los gases de combustión y una
presión en la cámara de combustión de 60 psi generando una velocidad máxima que fluctuó de 1.2
a 1.5 Mach.
4.4. Caracterización inicial de la TBC
Estereoscopía
La estereoscopía se realizó con un estereoscopio NIKON SMZ-1500 con variación de apertura
focal que posee una cámara digital NIKON DS-2MV, para determinar las condiciones iniciales de
la microestructura de la TC, BC y sustrato en los cupones nuevos. Los aumentos seleccionados
fueron 1X y 4X, con los que para estas condiciones se podían obtener áreas representativas de la
superficie permitiendo observar y medir características microestructurales relevantes de la TC,
como grietas, splats, partículas sin fundir, etc.
Microscopía óptica
Las muestras cortadas transversalmente se observaron por medio de microscopía óptica de luz
plana polarizada, modo reflejada con un microscopio óptico triocular de luz incidente, plana y
polarizada, marca Carl Zeiss AXIO SCOPE A1, con óptica corregida al infinito (ICS) de alta
resolución, con corrección cromática y compensación de imagen plana, con objetivos de aumento
de 10X, 20X, 50X y 100X para muestras en aire con corrección de foco en cada objetivo. Se
observó toda la microestructura transversal desde la TC hasta el sustrato.
Microscopía electrónica de barrido (SEM)
Para la caracterización superficial, transversal y diagonal del sistema TBC se usó un microscopio
electrónico de barrido JEOL 5910 LV. Se realizaron diferentes micrografías desde 400 hasta 20000
aumentos con el fin de identificar características microestructurales con el cambio de escalas.
4.5. Caracterización de los TBC’s erosionados
Las probetas erosionadas se limpiaron con alcohol y se secaron con aire caliente, también se
calentaron en una mufla a 100°C durante 1 hora. Una vez secadas y enfriadas se procedió a pesarlas
y caracterizar su superficie. Para el análisis ceramográfico se empleó la norma ASTM E1920 – 03
para TBC’s. Se empleó resina epóxica debido a su buena fluidez en la impregnación, baja
contracción y resistencia mecánica al pulido. Para evitar un alto porcentaje de material removido
en las superficies de la TC durante el corte y el pulido, se escogió el montaje con resina en frío, se
realizó una inmersión en resina epóxica fluida, antes del corte, esto con el fin que el material no
56
sufra daños. La resina penetra en la estructura de la TC y reduce los riesgos de remoción de material
durante el corte y pulido. Luego se inició el pulido con lija 1000, doblando el tiempo de pulido.
Posteriormente se realizaron pulidos con lija 1200 y se pasó a pastas diamantadas desde 9 hasta
1μm, terminando con sílica coloidal de 0.06μm. Una vez terminado el pulido espejo se procedió a
observar las secciones transversales en microscopios estéreo, óptico de luz reflejada y SEM.
a. Estereoscopía
La estereoscopía se realizó con un estereoscopio NIKON SMZ-1500 y cámara digital NIKON
donde se lograron determinar partículas sin fundir, splats fracturados y grietas. Las variaciones
superficiales se detectaron a través de los puntos establecidos en la cuadrícula incluyendo el centro
de la probeta.
b. Microscopía óptica de luz reflejada
La microscopía óptica de luz reflejada se realizó con un microscopio óptico triocular de luz
incidente, plana y polarizada, marca Carl Zeiss AXIO SCOPE A1, con óptica corregida al infinito
(ICS) de alta resolución, con corrección cromática y compensación de imagen plana, con objetivos
de aumento de 10X, 20X, 50X y 100X para muestras en aire con corrección de foco en cada
objetivo. Las micrografías se obtuvieron en los aumentos donde las lamelas y las superficies
removidas fueron detectadas. También se realizó un ensayo de polarización en las superficies
pulidas a través de toda la TC hasta llega a la BC, con el fin de detectar desprendimientos de los
splats y la separación entre los contactos intersplat. La polarización permitió observar con buen
contraste estos límites y las grietas por fatiga y solidificación.
c. Microscopía electrónica de barrido (SEM) Se utilizó un microscopio JEOL 5910 LV se utilizaron los detectores de electrones retrodispersados
y secundarios para detectar los cambios morfológicos en la topografía del material además de su
textura y contaminantes presentes por el cambio de tonalidad de grises en la imagen. Para un mapeo
se ensayaron varios aumentos entre 500X y 2500X dependiendo de la irregularidad de la superficie,
se realizó un EDS puntual y después un mapeo.
Se tomaron micrografías SEM con BES en secciones superficiales y transversales de la TC en
probetas vírgenes, álabes y liner. Luego de obtener las micrografías, se identificaron varios objetos
y morfologías de la microestructura: poros, splats, cavidades, partes o pedazos de splats, partículas
sin fundir, grietas, columnas internas y surcos de deposición APS. Se seleccionaron las imágenes
más representativas para luego tomar medidas a cada ítem anteriormente descrito por medio del
software Measure ITTM de Olympus. Cada objeto y medida fue registrado y las medidas se les
realizó un procedimiento estadístico con el fin de obtener una tabla de frecuencias, se determinaron
las distribuciones en varios intervalos comenzando en cero y terminando en la medida más alta
registrada para cada objeto con el fin de determinar en qué intervalo se repiten más una magnitud
medida.
4.6. Análisis superficial
Para cada probeta erosionada controladamente y muestra del liner se realizó la adquisición de los
parámetros más usados en la caracterización de superficies en el rugosímetro Mitutoyo SurfTest®
SV 3000 dotado con el software MITUTOYO SurfPack®. Los parámetros seleccionados fueron
Ra, Rq y Rsm, ya que demostraron ser útiles en el análisis de superficies erosionadas de la TC,
posteriormente se realizó un tratamiento estadístico para conocer el Ra y Rq promedio de probetas
57
vírgenes, liner y álabes. Para cada muestra también se hizo una adquisición de curvas de Densidad
de Potencia Espectral PSD (Power Spectra Density) y de curvas de autocorrelación. Los resultados
en parámetros y curvas fueron comparados entre probetas nuevas y erosionadas.
5. Resultados
5.1. Puesta a punto de equipo de erosión a alta temperatura
Se puso a punto un equipo de erosión a alta temperatura capaz de emular las condiciones de erosión
en turbinas reales a escala piloto; esto permitió evaluar los fenómenos y mecanismos de erosión
que tienen lugar en los anillos móviles y fijos de las turbinas de generación termoeléctrica y en las
turbinas de propulsión en aeronáutica. El tribómetro, diseñado y fabricado en una fase previa de
investigación, se instaló, armó y calibró en este trabajo obteniendo la siguiente distribución, ver
Figura 33 a la Figura 35:
Cámara de combustión y Combustor: aquí se mezclan el gas y el aire, se hace ignición y se
genera combustión con una llama continua; además, se presurizan y direccionan los gases
producidos. El combustor posee una bujía y un sensor de llama ultravioleta conectados a los
controladores de combustión. Se instalaron cuatro puertos para termopares y un puerto para
sensor de presión. Las especificaciones del quemador que se instaló y que suministra el gas de
combustión para la probeta se pueden apreciar en anexo 3.
Tobera: Es una tobera cerámica tipo Laval, con una geometría convergente-divergente, de tal
forma que a la entrada convergente de la tobera se acumulan y desaceleran los gases de
combustión aumentando su energía potencial, cuando ingresan en el cambio de sección de área
o cuello incrementan su velocidad hasta un máximo de 1.2 a 1.5 Mach en la sección divergente,
tal y como fue calculado en su diseño [95].
Recinto de llegada: En este recinto se encuentra un mecanismo móvil de sujeción para las
probetas, consta de una perilla para girar la probeta al ángulo deseado, según Figura 33 a) y
b) y Figura 35. En éstas gráficas se ve que la cavidad interna hay cuatro termopares hacia la
superficie de la TC, un termopar hacia el sustrato y el sistema de refrigeración para la probeta.
Tren de válvulas: Son dos líneas, una de gas y otra de aire, cada tren posee dispositivos de
seguridad, regulación de caudal y de presión del flujo, estos dispositivos son accionados y
gobernados por los controladores del tablero, Diagrama 2. Tablero de control: Consta de tres
controladores: control de temperatura (CT), control de combustión (CC) y control de
estequiometría o relación aire-gas (CE). Adicionalmente, se incluyeron dos paneles digitales,
uno del CC, donde se indican los códigos de funcionamiento y falla de todo el sistema en tiempo
real durante el proceso de erosión, cualquier evento que ocurra en los dispositivos del tren de
válvulas y calidad de llama del quemador se reporta en este tablero de control, Figura 36. El
CE posee el otro panel táctil para calibrar el giro de 0 a 90° de las válvulas proporcionales y la
relación de aire gas para cada temperatura dentro del proceso.
58
Figura 33. a) Esquema general del equipo de erosión a alta temperatura, b) corte transversal del equipo; en rojo: brida
del recinto de llegada y brida central. 1. Combustor o quemador de alta velocidad, 2. Placa de sacrificio, 3. Brida
central, 4. Acometida sensor de presión y termopares, 5. Brida de recinto de llegada, Cámara de combustión, 6. Brida
del portamuestras, 8. Tobera de aceleración, 9. Recinto de llegada y portamuestras Termopares 10. Salida de gases de
combustión y 11. Puertos para termopares.
El tribómetro está en capacidad de variar la velocidad entre subsónica, transónica y supersónica,
generando temperaturas de hasta 1200°C. También permite efectuar ciclos térmicos, tiene la
capacidad de evaluar una muestra por corrida variando el ángulo de incidencia del gas de
59
combustión entre 0° y 90°, la velocidad del flujo y la distancia entre la probeta, también es capaz
de desplazar la boquilla de 1 a 15 cm con respecto a la probeta.
La cámara y tobera cerámicas inicialmente fueron ensambladas a presión por las bridas centrales.
En los encendidos de calibración iniciales se detectaron las principales fugas de calor en estas
bridas por lo que se modificó, construyó e instaló una cámara-tobera integrada de cemento con alta
alúmina para disminuir la fuga de calor y presiones.
Figura 34. (a) Inicio de montaje y (b) Aspecto general del equipo de erosión a alta temperatura. 1. Acometidas
sensores de presión, 2. Aire de refrigeración portamuestras y probeta 3. Termopares y 4. Transformador de ignición.
El portamuestras permite dos grados de libertad: un movimiento a lo largo del eje longitudinal de
la tobera que facilita a la probeta acercarse o alejarse de la misma, Figura 35 a) y c), y otro
movimiento que permite cambios de ángulo medio de impacto de los gases sobre la probeta, por
medio de una perilla lateral que la gira. En la Figura 35 b) se observa la cavidad del portamuestras
con cuatro perforaciones para los termopares que miden la temperatura de la TC y un quinto
termopar central para medir la temperatura del sustrato; este último tiene un resorte que permite
presionar y mantener en todo momento contacto con el sustrato metálico. De esta manera, se puede
registrar la temperatura superficial en 4 puntos de la TC y compararla con el quinto termopar que
mide la temperatura del sustrato refrigerado por aire.
60
Figura 35. a) Portamuestras con la perilla de movimiento de ángulo, a 90°, b) cavidad de la probeta con los 4 puertos
de termopares para medir temperatura superficial de la TC y el termopar central para medir temperatura en el sustrato
refrigerado por aire, se muestra la probeta en dicha cavidad, c) esquema general de la tobera expulsando el chorro de
gases de combustión en dirección a la probeta TBC.
El equipo sigue unas etapas que se garantizaron durante la puesta a punto para que un ensayo
estandarizado de erosión se acerque a condiciones de estado estacionario, a saber:
(i) inicialmente el combustor purga la cámara de combustión, (ii) se mezcla el gas con aire
proveniente del tren de válvulas que ingresa comprimido a la cámara de combustión, donde hacen
ignición a una velocidad subsónica denominada bajo fuego con los mínimos caudales y presiones
de aire/gas requeridos para que se genere una llama cuya temperatura es de 220°C, (iii) una vez la
llama se estabiliza, se inicia un ascenso de temperatura previamente programado en los tres
controles y a medida que se va incrementando la temperatura, los tres controles suben los caudales
y presiones de aire-gas por medio de las válvulas proporcionales en el tren de válvulas, Diagrama
2. Las válvulas proporcionales giran desde 15° hasta un máximo de 90° para lograr el máximo
caudal, (iv) a presiones entre 60 y 80 psi, dentro de la cámara y temperaturas superiores a 900°C,
el quemador se acerca a “alto fuego”, donde se logra alcanzar el régimen transónico y ondas de
choque, para después hacer la transición a régimen supersónico, (v) los gases de combustión
ingresan a la tobera convergente/divergente lo que permite superar la barrera del sonido y alcanzar
las velocidades supersónicas de 1.2 a 1.5 Mach a costa de una caída de temperatura y presión a lo
largo de la punta divergente.
61
Diagrama 2. Distribución del tren de válvulas desde la entrada de la red de aire y gas con sus reguladores, la válvula On-Off se encuentra cerca al “City Gate”
por seguridad. CC: Control de combustión, CE: Control de estequiometría; su función es estabilizar el flujo supersónico que impacta la probeta.
Cámara de combustión y
probeta
PLC
Trabajo futuro
Pantalla del CE
CE
Monitor CC
Regulador Gas 60 psi
Regulador Gas 60 psi
Válvula
Entrada
Válvula
Entrada
Filtro
Gas
Filtro
Aire
Válvula
On-Off
Válvula
On-Off
Controlador
Baja presión
Controlador
Baja presión
Válvula
On-Off
Válvula
On-Off
Controlador
Alta presión
Controlador
Alta presión
Actuador
P. Válvula
Actuador
P. Válvula
Quemador
SensorUV
Termopar del CC Termopares para SAD
62
De acuerdo a los parámetros definidos para los ensayos, se establecieron las curvas de temperatura
configuradas desde el tablero de control por medio de rampas o segmentos en el CT que es un
sistema PID (Proportional Integrative Derivative), Figura 36 a). Este controlador a su vez ordena
al CC para que regule el quemador acorde a cada segmento o delta de temperatura programado en
el CT, el último en la cadena de mando es el CE, que optimiza la mezcla de combustible y
comburente que va requiriendo el CC, es decir, la relación aire-gas. Con estas condiciones se
garantiza una curva de tratamiento térmico óptima y con exceso de aire para una atmósfera oxidante
como en la turbina de generación; Figura 36 a), b), c) y d).
Figura 36. a) Control de temperatura y su curva, b) Control de combustión y panel y, c) Control de relación aire-
gas y su curva, aquí se ajusta el exceso de aire en la estequiometría para que la combustión tenga un mínimo
porcentaje de CO.
Los sensores de presión, termopares, portaprobetas, CT, CC, CE, redes eléctricas, aire, gas y el tren
de válvulas cumplieron con las condiciones y especificaciones técnicas. A continuación se
presentan las condiciones establecidas para un buen funcionamiento del equipo:
Acometida eléctrica desde la termoeléctrica hasta el tribómetro: voltaje = 110 V.
Aire fresco alrededor del equipo de erosión, para evitar concentración de gases combustibles. Se
garantizó con una superficie libre de al menos 10.5 m2.
Disponibilidad de presión y caudal de combustible desde el “City Gate” (centro de distribución
de gas dentro de la Central Termoeléctrica La Sierra) y aire desde el compresor de aire.
Los componentes mínimos requeridos en el tren de válvulas para hacer una combustión segura
cumplieron las normas básicas aplicables, que en Colombia se resumen en la norma Icontec NTC
63
3649 “Controles y dispositivos de seguridad para las calderas de control de combustión
automático”.
Sincronización de los componentes del tren de válvulas con los controladores de combustión y
de relación aire-gas. Se configuraron los Switches de presión: 15 psi para bajas presiones y 125
psi para altas presiones, válvulas solenoides (Válvulas On-Off) y las válvulas proporcionales.
Programación del CT y Programación del CC, Figura 36.
Programación del controlador de relación aire-gas, se ajustó una curva estequiométrica con
exceso de aire, que optimiza la combustión en cada punto de temperatura requerido desde el CT;
Figura 36 c y d).
Figura 37. a), b), c) y d) Imágenes Termográficas del equipo de erosión en funcionamiento. Las zonas de emisión de
calor de manera más intensa son, en orden decreciente de emisión: 1. Quemador, 2. Cuello placa de sacrificio y 3.
Entradas para termocuplas y brida. Las temperaturas máximas registradas en las imágenes (color rojo brillante) son
del orden de 125 a 300°C.
La tobera generó un chorro de gases de combustión con un diámetro aproximado de 1 a 1.5 cm,
impactando directamente en la probeta, Figura 38; el chorro se comportó estable hasta llegar a
950 °C y una presión de 60 psi en la cámara. En estas condiciones se empezó a entrar a los umbrales
de velocidad transónica. Cuando el sistema entra en esta condición se observan variaciones
64
periódicas de la intensidad de llama, lo que lleva a fluctuaciones de temperatura y presión en el
chorro de gases como se observa en términos de las variaciones de intensidad en la Figura 39.
Figura 38. Tobera con haz de llama de combustión en la cavidad del portamuestras. El chorro de gases se mantiene
estable e impacta directamente a la probeta un diámetro aproximado de 1 cm.
Figura 39. Secuencia fotográfica del inicio del régimen transónico, las variaciones en el gas de combustión se perciben
cuando golpea la superficie del portamuestras. Posteriormente a estas variaciones, se registró un choque sónico que
indicó la entrada al régimen supersónico. La salida de la tobera se ubica hacia la izquierda.
5.1.1. Sistema de Adquisición de datos para medición de parámetros de erosión
(SAD)
El sistema de adquisición de datos toma información de trece termopares y dos sensores de presión
ubicados en la cámara de combustión y en la salida de la tobera respectivamente. La información
obtenida es usada para calcular la velocidad del gas de combustión que impacta sobre la superficie
de la probeta en un momento dado e indica cuando se ha superado la barrera del sonido. Los
termopares registran aproximadamente cuál es la temperatura cerca a la TC, es decir, a la cual los
gases impactan la superficie.
La interfaz del sistema de adquisición de datos consta de dos graficadores de onda: el graficador
de onda de temperatura muestra la evolución de la temperatura (en el eje y con una escala de 0 a
1200°C) con el tiempo (en el eje x con unidades en segundos), mientras que el graficador de onda
de presión presenta la evolución de la presión (en el eje y) con el tiempo (en el eje x), dicha
65
medición se realiza en psi con una escala de 0 a 100. Se dispone de una alarma de referencia para
ambos graficadores que el usuario configura según las condiciones de operación de la máquina. La
interfaz también dispone de indicadores numéricos que muestran las temperaturas medidas y cada
indicador numérico tiene un LED de color verde que se enciende cuando la temperatura sobrepasa
la alarma de referencia configurada por el usuario. De igual forma se dispone de dos indicadores
numéricos de presión y dos controles deslizantes para configurar sus respectivas alarmas. El
entorno se puede apreciar en la Figura 40. El desarrollo de esta interfaz se llevó a cabo usando el
software LabView.
Figura 40. Interfaz del sistema de adquisición de datos desarrollado para medir parámetros del medio
erosivo.
En la izquierda de la Figura 40 se encuentra el graficador de temperatura donde se pueden registrar
simultáneamente 13 curvas de diferente color; en la casilla blanca “Referencia alarma” se puede
ingresar un valor de temperatura al cual se desea que aparezca la alarma, una vez se establezca este
valor, cualquiera de las temperaturas registradas (cada una con una casilla que registra el valor
actual y otra de alarma en verde oscuro) que supere ese valor se iluminará en verde claro. En la
derecha aparece el graficador de presión donde se puede establecer también alarmas de dos
maneras, arrastrando el dial (inmediatamente inferior a los botones verdes de alarma) o ingresando
el valor directamente en las casillas adjuntas a “Presión 1” y “Presión 1”.
Las tarjetas de adquisición de datos están configuradas para realizar una frecuencia muestreo de
las señales de 1 a 5 Hz ya que, para estas frecuencias de toma de datos el archivo generado no se
satura de información y se logra captar una cantidad confiable de datos en el tiempo del ensayo de
erosión. Para registrar transiciones abruptas de presión y temperatura en los cambios de velocidad
subsónica a supersónica se puede variar la frecuencia de adquisición a 50 ó 60 Hz como se aprecia
la Figura 40.
66
Figura 41. Aspecto general del sistema de adquisición de datos con adquisición de temperatura y presión.
5.2. Desarrollo del protocolo general de ensayo
El protocolo de ensayo requiere que las probetas se caractericen antes y después de ser sometidas
a erosión. Los indicadores de daño son la pérdida de masa y los cambios en la calidad superficial.
Para ensayos ininterrumpidos el tiempo de prueba se definió tanto a partir de los tiempos de
operación típicos de un sistema TBC en las unidades de generación de la central termoeléctrica La
Sierra, así como de ensayos previos donde se detectaron los daños en la microestructura de la TC.
Este procedimiento llevó a definir tiempos de ensayo de mínimo 4 horas y máximo de 29 horas.
En el caso en que se requiera determinar tasas de desgaste es necesario realizar ensayos de erosión
intermitentes para cada probeta, en los que se mide la pérdida de peso en varios periodos hasta que
termine todo el ciclo de erosión con el fin obtener una pendiente o rapidez de desgaste en el tiempo
para cada ángulo medio de impacto de los gases calientes.
Con estas dos variantes definidas se estableció el protocolo general de ensayo, el cual se presenta
a continuación bajo el formato de lista de chequeo:
i) Inspeccionar el tribómetro y todos sus componentes: portaprobetas, redes de aire, redes de gas,
redes eléctricas conexiones de termopares y sensores de presión. Ningún acople sujeto a presión
debe estar defectuoso o con fugas.
ii) Energizar el transformador de ignición, tablero de control y encender los tres controles: CT, CC
y CE.
iii) Presurizar la línea de aire y la línea de gas, esto siempre debe hacerse con un operador de
turbinas de la Central Termoeléctrica EPM La Sierra.
iv) Abrir las llaves de paso principales de los dos trenes de válvula: aire y gas. Revisar las presiones
en ambas líneas registradas en los manómetros, deben registrar como mínimo 60 psi y máximo
125 psi.
v) Inspeccionar posibles fugas en ambas líneas.
67
vi) El tablero de control tiene dos opciones de encendido y calentamiento, manual y automática,
escoger el tipo de encendido.
vii) Independientemente del encendido es imperativo hacer purga de la cámara de combustión. Esto
significa que la cámara se debe llenar tres veces su volumen de aire, antes de la ignición, con el
fin de eliminar rastros de gas o combustible y evitar una explosión.
viii) En el encendido y calentamiento automático los tres controles deben estar sincronizados.
Se inicia la programación del controlador de temperatura con una curva de tratamiento térmico
para la erosión, los segmentos se programan a partir de los puntos finales, según manual. Para
el calentamiento y el enfriamiento se programaron rampas con pendientes y tiempos
prolongados con el fin de evitar choques térmicos en el cerámico de la cámara de combustión
que genera esfuerzos y agrietamiento, Figura 36 y Diagrama 2.
ix) Una vez programado el control de temperatura, se procede a verificar la programación previa
del controlador de estequiometría aire-gas para el sistema. Esta programación se obtuvo con un
encendido manual y una curva de calentamiento accionada por un potenciómetro, en este caso
el controlador de temperatura sólo registra los valores en la cámara de combustión pero no
ejecuta rampas de tratamiento térmico. El controlador de estequiometría entonces despliega una
pantalla con una curva de relación aire-combustible en donde el porcentaje de aire aparece en
el eje x y el porcentaje de gas en el eje y, tal como se observa en la Figura 36 y Diagrama 2.
Entonces, comienza la purga de la cámara y con el potenciómetro se va incrementando la
temperatura, que debe aparecer en el CT. El CE puede contener hasta 18 puntos por curva de
aire-gas en un tratamiento térmico, siendo que cada uno de esos puntos corresponde a una
temperatura obtenida con el potenciómetro y es característica del sistema o entorno donde está
el quemador, es decir, cámara y tobera. Cada punto de la curva debe moverse hasta que el sensor
o analizador de gases (conectado a la salida del tribómetro) registre valores aceptables en la
relación de monóxido de carbono CO y CO2, para una combustión completa y eficiente. Una
vez ese punto se identifique como óptimo, se graba en el sistema del CE, así se guardan todos
los puntos hasta llegar a 1200°C construyendo una curva estequiométrica para el tribómetro.
x) Accionar o ejecutar la curva de temperatura. El tablero de control hace la purga por 30 segundos,
el CC ordena al quemador hacer el ingreso de gas y aire a la mínima presión y generar la ignición
(condición de bajo fuego). El quemador permanece en esta condición no más de 15 segundos
para entonces iniciar la rampa de temperatura.
xi) En la rampa de temperatura los tres controladores estarán funcionando sincronizados siguiendo
la cadena de mando para la cual fueron programados.
xii) Una vez la curva llegue a 1200°C y las presiones indiquen que la velocidad supersónica se ha
alcanzado, entonces la probeta, previamente instalada en el portamuestras, se posicionará en el
ángulo medio de impacto requerido. Cabe aclarar que la probeta estará protegida hasta llegar a
estas condiciones con el fin de eliminar ruido en las mediciones y análisis. Otra forma de
identificar que se ha llegado a régimen supersónico es el régimen transónico acompañado de
ondas de choque y un fenómeno llamado “explosión sónica”, caracterizado por un ruido
ensordecedor.
xiii) El tiempo de exposición de las probetas dependerá de la formación de estructuras
erosionadas en la TC y de una pérdida de peso trazable y medible.
xiv) Al finalizar la curva y al apagarse el sistema automáticamente, tanto la probeta como todo
el tribómetro estarán calientes, por lo tanto, se dejará al menos 12 horas para que se pueda
extraer la muestra sin generar en ella efectos indeseados por choques térmicos.
68
5.3. Ensayos de desgaste erosivo
Se llevaron a cabo tres pruebas piloto de erosión para encontrar el ciclo térmico más adecuado y
que a la vez no afectase la tobera cerámica, tratando de obtener condiciones que se aproximen a las
condiciones estacionarias cuando se alcanzan las velocidades supersónicas. Los ciclos térmicos
empleados se observan en la Figura 42. Es importante notar que en estas pruebas piloto las
muestras estuvieron sometidas a la acción erosiva durante los ciclos completos, pero es
recomendable a la hora de realizar pruebas sistemáticas que tal exposición sólo suceda en el
intervalo de máxima temperatura, que como puede verse en la Figura 42 es de 4 h a 1200oC.
25
500 500
900
1200
800
400
200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 4 4,5 6,5 10,5 12,5 13 15 19 22 25 25,5 26 29 29,5
TE
MP
ER
AT
UR
A °
C
TIEMPO (H)
Curva 1 de temperatura para Erosión
25
400
600
900
1200
900
600
200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 2 2,5 4,5 5,5 7,5 8 10 14 16 18 18,5 19 21 21,5
TE
MP
ER
AT
UR
A °
C
TIEMPO (H)
Curva 2 de temperatura para erosión
69
Figura 42. a) Curvas de temperatura para erosión de las muestras para la primera batería de ensayos, 29 horas, b)
Ciclo térmico segundo ensayo, 21 horas y c) curva de temperatura tercer ensayo 17 horas.
De los tres tratamientos para erosión se determinó que son recomendables rampas de temperatura
con una pendiente de calentamiento y enfriamiento desde 1.9°C/min a 2.5°C/min que corresponden
a las curvas 1 y 2, para la curva 3 hubo una rampa de 4.9°C/min que afectó la tobera lo cual requirió
cambiarla. Adicionalmente, cuando se cambia la tobera, debe haber un proceso de curado de 4 a 6
horas para el cerámico.
5.4. Análisis de superficies desgastadas
5.4.1. Determinación de mecanismos globales de erosión en componentes de
turbina GE7FA
Liner de turbina GE7FA
Como se indicó en la sección de metodología, el liner de combustión analizado se dividió en 7
zonas de acuerdo a la distancia al quemador, como se muestra en la Figura 43. Dando como
resultado la identificación de diferentes superficies desgastadas que se analizan a continuación por
cada zona.
25
1200 1200
25 250
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 4 8 16 17
TE
MP
ER
AT
UR
A °
C
TIEMPO (H)
Curva 3 de temperatura para erosión
70
2
4
5
6
2 2
3
4
5
4
2
3 3
5
3
4
5
6
6
71
Figura 43. Vista general del liner de Turbina GE 7FA, el cual se seccionó en siete zonas desde el acople con la pieza
de transición zona 1 hasta la zona 7 donde están ubicados los quemadores, con esta clasificación se identificaron los
cambios de topografía superficial erosionada y cambios microestructurales a través de todas las zonas, a excepción de
la zona 1 que fue caracterizada en una fase previa del proyecto y que hace parte del acople con el combustor, lo mismo
con el acople a pieza de transición o zona 7, que contiene solo el sustrato.
En cada zona del liner se obtuvo la estadística de los diámetros de partículas sin fundir (PSF) y/o
splats depositados en la TC removidos por la erosión, siendo analizadas en total 350 partículas. No
se hizo una distinción entre splat y partícula ya que ambas estaban depositadas en la TC y su
aspecto indicaba una alta cohesión; no se determinó el punto en el cual una PSF dejaba de serlo
para volverse splat. También se identificaron y midieron las superficies de contacto intersplat que
aparecen en las huellas de material removido (cavidades), Figura 44 y Tabla 4. Los resultados
fueron:
Tabla 4. Dimensiones de splat/PSF y las cavidades o huellas de remoción, estos resultados se correlacionaron con
los mecanismos de remoción observados, sección de resultados.
Splat/PSF Promedio Desviación Estándar Mínimo Máximo
Diámetro [µm] 110.83 46,84 20,64 284,1
Cavidad Promedio Desviación Estándar Mínimo Máximo
Diámetro [µm] 183,68 81,52 50,58 402,91
Las huellas de remoción poseen en general un mayor diámetro que las PSF o splats, también
presentan una mayor desviación proporcional a la magnitud medida y a que dichas cavidades
pudieron haber contenido varios splats. Observadas en el microscopio estereográfico las cavidades
se caracterizan por tener una aureola con el color de la zirconia y en el centro un área de color
oscuro con fracturas posiblemente debidas desprendimiento entre el contacto intersplat.
72
Figura 44. Zona 2 del liner con morfología típica de partículas sin fundir entre splats bien definidos: a) y b) vista
general de la remoción de splats ó PSF, algunas conformadas por partículas más pequeñas. Las flechas indican la
dirección media del flujo de combustión c) TC con huella de contacto interesplat (color oscuro) de un splat removido.
Imágenes de microscopio estereoscópico.
La TC desgastada en la zona 2 del liner posee en su superficie gran cantidad de PSF en relación
con los splats. Es una de las áreas más desgastadas y que contiene más partículas sin fundir con
respecto a los demás niveles. Las PSF fueron removidas dejando una huella de contacto intersplat
de color oscuro por el hollín producto de la combustión, posterior a dicha remoción; estas huellas
están rodeadas de una aureola clara que indica posiblemente la ausencia de contacto entre dos
splats, esto se observa a través de áreas donde una importante cantidad de PSF o splats fueron
extraídos por el impacto de los gases de combustión, Figura 44 a), c). En otras áreas superficiales
hay PSF depositadas que están compuestas de varias partículas más pequeñas, Figura 44 b).
Las zonas 3 y 4 presentaron múltiples variaciones en la topografía desgastada, las superficies más
claras coinciden con la ruta de impacto directo de los gases de combustión hasta la conexión del
aire secundario, mientras que las más oscuras y rojas se asocian a superficies poco desgastadas.
Hay todavía presencia de PSF pero una mayor presencia de splats bien definidos. En la zona 3 se
empiezan a observar cambios graduales en la superficie erosionada de la TC a partir del color rojo
original de la tinta reveladora. La Figura 45 a) es un ejemplo de lo anterior, la remoción de splats
en vez de partículas deja valles o cavidades expuestas con el color claro de la YSZ, las geometrías
son menos circulares que en la zona 2, lo que indica splats bien depositados y los montículos de
color más oscuro indican que no lograron removerse. Las partículas blancas depositadas en la
superficie de la micrografía Figura 45 b) fueron identificadas posteriormente con EDS SEM y
resultaron ser depósitos de partículas de CaO provenientes una planta de cementos instalada a 500
metros de la Central Termoeléctrica. Igualmente se detectó hierro debido a los residuos de la tinta
73
reveladora, Figura 46. Las partículas de CaO pueden considerarse FOD, pero no generan
estructuras erosionadas. En la zona 4 se detectaron también varios patrones desgaste y colores en
la superficie (anexo A de micrografías). Así como la zona 2, la zona 4 muestra un alto grado de
desgaste únicamente en áreas donde impactaron directamente los gases de combustión, Figura 47
a). Otras áreas donde los impactos tuvieron poca intensidad conservan la morfología de deposición,
con los splats y sus límites transplat, todos de color rojo, Figura 47 b).
Figura 45. a) Liner zona 3. En esta micrografía se puede observar que los gases han pasado por la zona izquierda,
removiendo gradualmente los splats y partículas sin fundir, dejando zonas claras de splats removidos. b) para la misma
zona en otra sección de área se observan depósitos blancos que posteriormente fueron caracterizados con SEM-EDS
Las flechas indican la dirección media del flujo de combustión.
74
Figura 46. Espectros EDS en tres partes de la TC erosionada del Liner. a) en relación con la figura 44 b) donde se
observan depósitos blancos, estos resultaron ser partículas con alto contenido de calcio “Ca”, b) comparando con la
superficie del splat que confirmó ser principalmente de zirconia y c) otros depósitos con alto contenido de hierro.
75
Figura 47. Liner zona 4, a) superficie generada por el desprendimiento de splats y PSF, b) superficie con bajo nivel
de desgaste que muestra agrupamientos de splats y/o PSF de la deposición APS, el color rojo es de la tinta reveladora.
La flecha indica la dirección media del flujo de combustión.
La zona 5 conserva la estructura de los splats con sus límites intersplat y transplat, generalmente
recubiertos de hollín, como se observa en la Figura 48; esta área está adyacente a las boquillas de
los quemadores. En la zona 6, por su parte, la superficie está más intacta dado que los gases de
combustión no han alcanzado a impactar y el acople con el anillo de quemadores forma un escalón
desviándolos. Si bien la forma de erosión se mantiene mediante la remoción de splats y partículas
a través de toda la superficie, su intensidad disminuye conforme se acerca al combustor. También
se logra apreciar un cambio en la cantidad de partículas sin fundir con respecto a splats bien
constituidos a través de toda la longitud del liner desde el acople a la zona de los quemadores. El
mecanismo de erosión identificado es vía remoción de splats y PSF.
Figura 48. a) Zona 5 donde se observa poca erosión pero los subproductos de la combustión como el hollín se adhieren
a la superficie de la TC, b) Zona 6 del liner, la más intacta de toda la superficie del liner, adyacente a los quemadores.
Las flechas indican la dirección media del flujo de combustión.
Una lámina de TC extraída químicamente de la zona 2 del liner evidencia fracturas que, en su gran
mayoría, se propagan por las caras de las columnas internas de los splats, conservándose la mayoría
a) b)
76
de las veces la integridad del contacto intersplat. La topografía de erosión de la TC del Liner vista
transversalmente revela que la erosión se da vía remoción de lamelas completas tal y como ha sido
extensamente reportado en la literatura, pero confirma que también hay una remoción de masa por
medio de desprendimientos parciales de una lamela, siendo esta última la forma más frecuente de
desprendimiento de material observada en la superficie de las muestras analizadas, lo cual no ha
sido típicamente encontrado por investigadores en otros trabajos. Luego del análisis de 400
imágenes tanto de microscopio estereográfico como SEM se identificó que las lamelas más gruesas
pero de menor diámetro tienden a removerse completas, Figura 50 a), c) y e); mientras que las
lamelas de menor espesor y más extensas en diámetro tienden a removerse por secciones o partes,
obedeciendo al preagrietamiento en su estructura columnar, Figura 49 y, Figura 50 a) y b) y d).
Figura 49. Fractura de una capa de TC extraída de la zona 2 del Liner, se observa la estructura columnar de los splats
expuestos (flechas verdes) y límites intersplat, la superficie (flechas naranjadas) de los splats está agrietada siguiendo
la estructura columnar, grietas intrasplat que se propagan a través de las columnas (flechas amarillas).
77
Figura 50. Estructuras erosionadas de la superficie de un liner. a) Remoción de grandes volúmenes que involucra
varias lamelas, las grietas se propagan interlamelares e intralamelares en la superficie que posterormente llegan al
límite interlamelar b) una lamela bien definida se fractura vía cristales columnares c) una lamela de mayor espesor
tiende a removerse completa sin agrietamiento columnar d) lamela con agrietamiento columnar y e) lamela que queda
sola después de haberse removido las otras lamelas en sus inmediaciones, f) vista general de una superficie de TC
erosionada. Código de colores: grieta intralamelar (flechas verdes), grieta interlamelar (flechas naranjadas), grieta
interlamelar (flechas amarillas), PSF (flechas azules), poros (círculos amarillos).
78
Álabes móviles de primera etapa
Las superficies de los álabes se escogieron de acuerdo a dos criterios: i) las simulaciones previas
que se realizaron en el proyecto que servían para calcular los lugares de mayor impacto
direccionado y simulaciones previas de la distribución de esfuerzos que satisfacían el criterio de
Von Mises para estas superficies, reportados en trabajos previos [96], así como los daños
reportados en inspecciones en álabes de EPM y, ii) la observación de daños preferenciales por
medio de las micrografías. Las zonas numeradas en la
Figura 51 a) y b) corresponden también a cortes de secciones transversales del álabe al cual se le
asociaron ángulos de impacto, parámetros de rugosidad, espaciamiento y, mecanismos de remoción
de la TC.
79
Figura 51. a) Diagrama de álabes móviles de primera etapa que muestra donde se tomaron micrografías, medidas de
dureza y rugosidad. Cada cara del álabe se divide en cuatro zonas así: lado de presión: A, B, C y D, y lado de succión:
G,E,H,F (cortesía formato inspección EPM). Además de las zonas identificadas por las letras, en el lado de presión se
definieron zonas más localizadas especificadas por números, del 1 al 11 en el lado de presión y de 12 a 21 en el lado
de succión, b) Fotos con la numeración de las zonas medidas en álabes de turbina GE 7FA que corresponden a la
numeración en el primer diagrama. Esta nomenclatura es utilizada para la medición de parámetros de rugosidad.
Superficie de compresión (compression side)
TIP o Extremo Chirriante:
Superficie superior al área 3 de la zona A-C, se observan daños por contacto directo entre el álabe
y los bloques térmicos, las superficies adyacentes están acompañadas de hollín generado por la TC
y metal removidos, Figura 52 a).
80
Figura 52. a) Fotos del borde de fuga con abrasión por contacto con bloques térmicos, áreas 6 y 3, zona C, borde
chirriante con desgaste en la cola hacia el borde de fuga; b) y c) Remoción de TC vía erosión en el borde chirriante
(TIP), borde de fuga. Las flechas rojas indican la dirección media del flujo y las amarillas, la dirección media de las
fuerzas centrífugas.
El desgaste y remoción de TC cerca al borde de fuga, áreas 6 y 3 zona C es marcadamente erosivo
con poca o ninguna presencia de desprendimientos de láminas completas, Figura 52 a) y b). El
desgaste implicó una remoción gradual de la TC por erosión (marrón), pasando a la BC (en gris),
no se determinó si el desgaste llegó al sustrato, Figura 52 c). La escala de las Figura 52 b) y c)
indica que el mecanismo dominante de erosión fue la remoción de splats.
Centro, Cambio de concavidad (Mid Span):
En las áreas 7 y 5 del lado de presión el mecanismo de remoción predominante es la delaminación
de la TC, esta superficie también revela grietas provenientes desde el sustrato que delimitan esa
remoción. El área de desprendimiento va aumentando hasta llegar cerca al extremo chirriante. Los
límites de las superficies desprendidas tienen la morfología de las grietas radiales, esta zona se
81
caracteriza por estar entre dos canales internos de refrigeración, lo que indica que es una zona que
opera a mayor temperatura que las adyacentes, Figura 53.
Figura 53. Centro del álabe. Áreas 7 y 5 del lado de presión. Se caracteriza por tener grandes volúmenes removidos
de TC vía delaminación, extendiéndose su área en la parte superior. La flecha horizontal indica la dirección de las
fuerzas centrífugas y grietas radiales y la vertical indica la dirección del flujo.
En las áreas 5 y 2 zona C-D hay erosión combinada con desprendimiento, el desprendimiento es
amplio en esta zona, reduciéndose a medida que se acerca a la zona D o parte inferior del álabe,
ésta parte también corresponde a la Figura 53. Las superficies desprendidas de la TC están
delimitadas por las grietas radiales y axiales provenientes del sustrato y que pasan por la BC hasta
llegar a la superficie de la TC.
Base del álabe, centro de concavidad:
El área 4 zona B-D tiene fisuras y grietas radiales combinadas con marcas de erosión, estas grietas
se orientaron hasta una posición axial y se observa delaminación y desgaste por erosión adyacente
a ellas. La mayoría de las grietas radiales son rectas pero al intersectarse con grietas axiales se
configuran patrones curvos que definen las zonas de delaminación, Figura 54.
82
Figura 54. a) grietas radiales que se vuelven axiales, o viceversa, no se ha definido el sentido de propagación, estas
grietas facilitan el desprendimiento de la TC; b) las áreas adyacentes a estas grietas están erosionadas. La flecha indica
la dirección media del flujo. Área 4, zona B-D
Borde de ataque
Las grietas axiales observadas en la Figura 55 se han propagado por las superficies de succión y
compresión, estas grietas están alineadas con las perforaciones del borde de ataque y punto de
estancamiento, los bordes de ataque llevan asociado un desprendimiento de TC que es
perpendicular a las grietas axiales.
Figura 55. Superficie de entrada, o borde de ataque de los álabes en el área asociada al punto de estancamiento: a)
desprendimiento de la TC en el borde de ataque, ocurre inmediatamente entra en operación la turbina, b) grietas
aparecen en la superficie de compresión al lado de las perforaciones del borde de ataque acompañadas de erosión que
involucra remoción de splats. Las flechas indican la dirección media del flujo, paralelo a las grietas axiales y, la
dirección media de las fuerzas centrífugas.
83
Superficie de succión
Tip o borde chirriante en el borde de fuga:
Estas superficies se caracterizan por tener un bajo nivel de erosión con respecto a otras zonas del
álabe, se presentan áreas “pulidas” reflejado en una disminución de la rugosidad (los valores de
parámetros superficiales son presentados en la siguiente sección), Figura 56 a) y b).
Mid Span cercano al borde de ataque
Cercanas a las áreas 13 y 16 la zona central GEHF, donde hay un cambio pronunciado en la
concavidad del álabe, en esta sección, las grietas axiales se intersectan con las grietas radiales
formando un entramado en forma de malla con geometrías poligonales, Figura 56 c) y d). Las
zonas cercanas al borde de ataque se caracterizan por tener grietas axiales, como en el lado de
compresión, también están alineadas a las perforaciones de refrigeración en el borde de ataque.
Figura 56. a) grietas axiales en el cambio de concavidad; la parte inferior se intersecta con grietas radiales. b)
intersección de grietas axiales con radiales formando geometrías cerradas. Áreas 13 y 16 zona central GEHF. Las
flechas indican la dirección media del flujo, paralelo a las grietas axiales A y, las grietas radiales R en la dirección
media de las fuerzas centrífugas.
Análisis de muestras de laboratorio (cupones)
Se identificaron las características morfológicas de las muestras (cupones planos) en estado inicial
(sin erosionar) para relacionarlas con los mecanismos de remoción de esas mismas estructuras
después de erosionadas. En estos cupones nuevos se identificaron morfologías representativas de
la superficie y características microestructurales de la TC: Grietas, splats, partículas sin fundir,
columnas del splat, Figura 57. Estas características fueron comparadas con las estructuras
erosionadas en liner y álabes.
84
Figura 57. Micrografía estereográfica de las probetas vírgenes donde se observan contaminantes y zonas de apariencia
vítrea
Tabla 5. Características de las TC depositadas por plasma en los cupones y liner. En paréntesis se indica la cantidad
de atributos analizados.
En una superficie de TC recién depositada se observa un crecimiento y propagación de grietas
intrasplats, probablemente debido a preagrietamiento durante el enfriamiento posterior a la
deposición por plasma, Figura 58.
Figura 58. Micrografías SEM de probetas nuevas: a) un splat depositado en la TC con grietas y poros b) tres splats
sobre otro splat más grande con grietas intrasplats, límites transplat y poros de diferentes morfologías.
Atributo Moda promedio Máximo valor Mínimo valor
Espesor Lamela (90) 1,51µm 1,96µm 4,72µm 0,8µm
Poros (124) 2,15µm 3,40µm 12,49µm 0,12µm
Partículas sin fundir (80) 7,52µm 6,79µm 40,2µm 0,23µm
Ancho pregrietas (119) 0,13µm 0,37µm 1,32µm 0,043µm
85
La microestructura superficial de probetas nuevas y erosionadas permitió identificar mecanismos
globales de remoción superficial en la TC. Un mecanismo en particular fue degradación gradual
de un splat promovida por sus grietas, poros y estructura columnar interna, los patrones de
remoción (Figura 59 b) y desgaste tienen la misma morfología que el preagrietamiento de la
Figura 58 b) y Figura 59 a).
Figura 59. (a) splat agrietado recién depositado con grietas intrasplat en muestra nueva y, (b) splat removido por
secciones, vía grietas intrasplat en la superficie de un liner después de 8400 horas de operación. Flechas en verde
muestran esos límites. Los depósitos de partículas en la superficie fueron identificados posteriormente por EDS.
La morfología y origen de las grietas intrasplat se pudo determinar de acuerdo a micrografías SEM
a partir de 5000 aumentos. Se observa que dichas grietas se propagaron a través de las paredes de
los granos columnares que forman el splat. Estos granos columnares pueden tener varios tamaños
que varían del orden de los nanómetros hasta los micrómetros, notándose que los límites de granos
más facilitan creación de nueva superficie en forma de grietas, Figura 60.
Figura 60. Vista superior de las grietas intrasplat que se propagan a través de las paredes de los granos columnares
de un Splat. Probetas de cupón.
En una misma zona erosionada se puede observar varios tipos de grietas, grietas intersplat (entre
las superficies, superior e inferior, de dos splats), intrasplat (dentro de un splat) y transplat (entre
los lados laterales de dos splats), todos ellos pueden promover la remoción de material. Puede darse
86
el caso de un agrietamiento dentro de la estructura del splat, mientras que los límites de contacto
con otros splats se conservan intactos. Las columnas internas pueden tener un contacto más débil
que el contacto intersplat, las grietas se propagan por estas estructuras, Figura 60 y Figura 61.
Figura 61. Agrietamiento en la estructura columnar de los splats, a) cuatro grietas parten de un poro propagándose a
través de las paredes columnares b) una fractura intrasplat con una superficie dominada por la morfología de las
columnas del splat
En muestras vírgenes y de liner con 8400 horas, se encontró que las grietas antes y después de la
erosión suelen pasar a través de los poros, lo cual indica que estos pueden actuar como
concentradores de esfuerzos y facilitan la propagación de grietas intrasplat y la remoción de TC,
Figura 61.
Figura 62. a) Probeta antes de ser sometida a desgaste y b) Probeta después de estar sometida 4 horas a desgaste
erosivo a un ángulo de 90°, temperatura de 1100°C y velocidad 1.2 Mach.
En los ensayos de erosión se presentaron desprendimientos de material vía splats, las imágenes
estereográficas mostraron un cambio en la textura de la TC observándose una formación de
cavidades extensa.
87
Figura 63. Mecanismo de remoción por fatiga que involucró propagación de grietas a través del contacto
intercolumnar, para probetas impactadas a 90°, 1.2 Mach y 1100°C. a) antes de ser sometido a gases de combustión y,
b) posterior al ensayo de erosión.
En las micrografías MEB de la figura 63 se logró dilucidar que la remoción no implica
necesariamente remoción de splats completos debido a que el preagrietamiento columnar juega un
papel importante en el desprendimiento de masa en la TC. El impacto normal a 90° muestra que
hay una extensa propagación de grietas transplat e intersplat.
5.4.2. Rugosidad y PSD en superficies desgastadas
Para hacer un seguimiento de desgaste se obtuvieron varios parámetros de superficie en las
superficies erosionadas del liner y del álabe en la cara de compresión y la cara de succión. Estos
resultados se compararon con las medidas en probetas nuevas de los cupones. De dichos parámetros
se analizaron la rugosidad media Ra (media aritmética de los valores absolutos de la desviación
del perfil), el espaciamiento RSm (Paso medio de las irregularidades del perfil) y la función PSD
(Espectro de densidades de potencias).
Álabes móviles de primera etapa
De acuerdo a las zonas que se identificaron más desgastadas en 10 álabes se reportan los resultados
en la Tabla 6, cuya ubicación en los álabes se muestra en la
Figura 64 y las Figura 48 – 50.
Unalmed 20 kV x9500 2 µm
b) Cupón desgastado 4 horas, cerca al punto de estancamiento
Grietas trans-splat desprendimiento
Unalmed 20 kV x11500 1 µm
a) Cupón nuevo, cerca al punto de estancamiento
Grietas trans-splat preagrietamiento
88
Figura 64. Álabe móvil de primera etapa de la turbina GE-7FA, con las rugosidades medidas y los posibles grupos
de ángulos medios de impacto.
Los álabes están diseñados para que, en el momento de máxima velocidad en carga base los ángulos
medios en la cara de succión sean cercanos a 90° y la fuerza de sustentación sea máxima, sin
embargo, la textura desgastada cercana al borde de fuga es producto de ángulos de impacto oblicuos
debidos a ondas de choque, pérdidas por fricción y flujos secundarios.
90°
0°- 25°
Ondas de choque oblicuas
89
Tabla 6. Parámetros de rugosidad y espaciamiento extraídos de álabes móviles de primera etapa y Liners desgastados por erosión. Estas medidas también
corresponden a las zonas ilustradas en la Figura 50 y la Figura 61. En los datos de liners los datos provinieron de una inspección en campo en una sede de EPM
en la avenida 30. Medidas en m.
DESGASTE OBSERVADO ÁLABES PARÁMETROS DESGASTE DE LINER PARÁMETROS
ITEM SUPERFICIE DE PRESIÓN Ra RSm ITEM Características de la TC Ra RSm
1 Borde de fuga inferior D 3,46 144 1 Nivel 2 ↑ desgaste 7,00 100
2 Borde de fuga medio C/D, 7,07 381 2 Nivel 2, hollín desgaste 6,66 127
3 Borde de fuga superior C, ↑ desgaste 4,45 301 3 Nivel 2 ↑ desgaste, 10,29 ----
4 Borde de fuga B/D, ↑ desgaste 5,83 102,5 4 Nivel 2 ↑ desgaste 11,03 114
5 Borde de fuga C/D, ↑ desgaste 5,15 201,5 5 Nivel 2, ↑ desgaste 50,7 77
6 Borde de fuga C, ↑ desgaste 6,31 236,33 6 Nivel 2, ↑ desgaste 9,04 193
7 Borde de ataque superior B, ↑ desgaste 4,73 93,33 7 Nivel 2, ↑ desgaste 9,04 187
8 Borde de ataque medio A, ½ desgaste 3,53 117 8 Nivel 3 , ↑ desgaste 8,49 156
9 Borde de ataque superior A 5,47 120,33 9 Nivel 3, desgaste 6,95 106
10 Borde de ataque superior B 4,24 190 10 Nivel 3, 1/2 desgaste 4,73 94
11 Borde de ataque superior A 3,6 133,67 11 Nivel 3, desgaste 5,2 83
ITEM SUPERFICIE DE SUCCIÓN Ra Rsm 12 Nivel 3, Hollín, ↑desgaste 10,69 109
12 Borde de ataque F/E, ↑ desgaste 7,01 182,5 13 Nivel 4, ½ desgaste 9,05 217
13 Borde de ataque F/E, ↑ desgaste 5,26 158 14 Nivel 4, ½ desgaste 9,47 117
14 Borde de ataque superior E, ↑ desgaste 6,31 148 15 Nivel 4, ↑desgaste 9,71 104
15 Borde de ataque inferior F, ↓ desgaste 2,09 186,67 16 Nivel 4, ↑ desgaste 10,12 169
16 Borde de ataque inferior E, ↓ desgaste 2,23 136,67 17 Nivel 5, ½ desgaste 7,35 166
17 Borde de ataque superior E, ↓ desgaste 2,22 129,67 18 Nivel 5, ↑ desgaste 9,46 172
18 Borde de fuga inferior H, ↓ desgaste 1,62 90,00 19 Nivel 5, Hollín 6,55 111
19 Borde de fuga inferior G, ↓ desgaste 2,34 133,67 20 Nivel 6, ↓ desgaste 5,68 100
20 Borde de fuga superior H, ½ desgaste 4,00 146 21 Nivel 6, ↓ desgaste 6,68 101
21 Borde de fuga superior G, ½ desgaste 3,61 115 22 Nivel 6, ↓ desgaste 4,82 110
90
Seguimiento del desgaste del liner por medio de espectros de potencia PSD
La figura 62 presenta el espectro PSD de la superficie de un cupón sin erosionar. En él se
definieron los límites donde termina la ondulación y comienza la rugosidad, a partir de dos
diferentes condiciones de muestreo en el rugosímetro. En la
Figura 65 se muestran los dos límites de frecuencia, uno a 1.3 𝑚𝑚−1 ± 0.35 𝑚𝑚−1 y otro a
2.2𝑚𝑚−1 ± 0.5𝑚𝑚−1. La zona gris corresponde a las frecuencias espaciales que aportan tanto a
la rugosidad como a la ondulación, debido a las dimensiones características de los grupos de splats
y los splats individuales. Como se verá adelante, estas características topológicas son altamente
sensibles al desgaste por impacto de los gases calientes.
Figura 65. Espectro PSD de una probeta nueva, sin erosionar, obtenida de los cupones, se identificaron los espectros
asociados a: Forma e inclinación de la muestra, 0 a 0.2 mm-1; Longitud característica “L”: 10 a 5 mm. O: Ondulación,
0.2 a 1.3 mm-1; L: 5000 a 800 µm Frecuencia Característica “FC” de 0.3 a 0.4 mm-1. O y R: Ondulación y Rugosidad,
1.3 mm-1 a 2.2 mm-1; L: 800 µm a 450 µm; FC de 1.5 a 1.8 mm-1. R: Rugosidad, 2.2 mm-1 a 10 mm-1; FC de 5.4 y
6.1 mm-1 = potencias: 450 µm a 100 µm FC de ~ 2.8; ~ 5 mm-1
En los 16 cupones analizados las frecuencias de mayor peso están ubicadas en el intervalo de 0.2
a 1.3 mm-1 correspondientes a ondulación. Este conjunto de frecuencias está asociado a conjuntos
de splats que forman “surcos” producto de la aspersión por plasma, esto se confirmó con la
observación de las superficies en estereoscopio y SEM. Para frecuencias de 0.3 y 0.4 mm-1 están
las mayores potencias aportadas por surcos de deposición con longitudes de aproximadas de 3 a 5
mm.
Splats
Gru
po
s
sp
lats
Su
rco
s d
e
asp
ers
ión
O O y R R
91
Los intervalos de frecuencia en la zona gris aportan magnitudes de potencia a la mitad o tercera
parte del aporte de potencia en ondulación, las frecuencias en este intervalo corresponden a
longitudes características de la microestructura asociadas grupos pequeños de splats (de 2 a 3) y a
splats individuales. En la parte de rugosidad aparecen espectros con distancias características
asociadas a los tamaños de los splats, a partir de 2.2 mm-1 en adelante.
Figura 66. Comparación de espectros PSD entre cuatro perfiles obtenidos a partir del cupón 1
A pesar de la anisotropía de la TC se logran identificar grupos de frecuencias características de
acuerdo a la morfología del recubrimiento, para ondulación se tienen potencias en 0.3 y 0.4 mm-1,
pudiendo desplazarse localmente a valores inferiores a 0.2 mm-1 o valores superiores a 0.5 mm-1,
asociados a longitudes características de surcos de deposición en el proceso de aspersión por
plasma (5 mm ≤ X ≤ 2 mm); la variabilidad de este proceso y la amplia gama de tamaños en los
splats y PSF inciden en los desplazamientos de las frecuencias. Para frecuencias de 1, 1.4, 1.5 y
1.9 mm-1 se presentan potencias asociadas a splats, y grupos de splats.
92
a) Liner Zona 4
b) Liner zona 2
Figura 67. Áreas del liner correspondientes a zonas representativas de desgaste; zona 4 que presenta las mayores
variaciones y zona 2 que posee un grado fuerte de desgaste, las líneas amarillas expresan la longitud de medición que
corresponde a dos longitudes de evaluación, desde el punto negro.
0°- 45°
0°- 90°
93
La evolución del espectro PSD es sensible al grado de desgaste lo que se refleja en un aumento en
la potencia en frecuencias asociadas a rugosidad y cuyas medidas características corresponden a
tamaños típicos de splats. También hay variaciones en la ondulación, sin embargo no está claro
cómo está vinculada a la remoción de splats y tampoco se evidencian señales de arado que
corroboren los cambios fuertes de ondulaciones; es posible que estos cambios se deban a
remociones generalizadas de grupos de splats a través de la superficie de acuerdo a sitios
preferenciales de impacto de los gases de combustión. El angulo medio en el liner es muy variable,
sin embargo, de acuerdo a la posición del quemador y la trayectoria esperada de los gases de
combustión, se asociaron los perfiles de textura superficial medidos al ángulo medio de impacto.
La rugosidad aparece más alta en estas zonas erosionadas pero no siempre corresponde a al
incremento de desgaste, en general, la rugosidad de un liner es mayor a la rugosidad de un álabe.
En la Tabla 7 se observa esta característica.
Tabla 7. Rugosidades medidas en el liner en las mismas longitudes de evaluación de los espectros PSD del liner
zona 2 y zona 4, estos valores incluyen el efecto de la ondulación por eso se reporta como Pa en vez de Ra, figuras
64 y 65.
Zona medida Parámetro Pa
perfil 1 15,6585
Perfil 2 17,3577
perfil 3 14,7642
perfil 4 15,5976
perfil 5 16,3935
perfil 6 12,2587
perfil 7 14,9313
perfil 8 14,1543
perfil 9 17,3830
perfil 10 14,2498
perfil 11 13,3406
94
0°- 30° 0°- 45°
0° a 45° 0° a 45°
0° a 45° 45°- 90°
45°- 90° 45°- 90°
95
Figura 68. Evolución de los espectros PSD acorde al grado de desgaste asociado al impacto y ángulo de los gases
de combustión en la zona 4 del liner, en relación con las fotografías del liner zona 2. Figura 64.
45°- 90° 45°- 90°
90°
96
Figura 69. Perspectiva tridimensional de los PSD del liner, forma continua y discretizada, se observa la evolución
de los espectros de potencia de las superficies desgastadas de acuerdo al ángulo medio de impacto LR: liner
referencia LE: liner erosionado.
Frecuencias
características
97
6. Discusión
Sobre el protocolo de ensayos de erosión a alta temperatura y velocidad
Se desarrolló el protocolo para determinar el nivel de daño erosivo de las barreras térmicas bajo
condiciones estándar de operación en la central termoeléctrica, sin ingresar partículas sólidas salvo
las que son generadas en la combustión de acuerdo a las condiciones del gas y aire suministrados
para la combustión en la turbina GE7FA. Los resultados de desgaste obtenidos la erosión se
deberán expresar en términos de masa perdida con respecto al tiempo de exposición y los perfiles
de presión y temperatura adquiridos durante ese tiempo.
El equipo puede adaptarse para introducir material particulado sólido, en este caso, la erosión se
puede expresar como la cantidad de masa de material removido en la superficie (g) con respecto a
la masa de material proyectado hacia la probeta (Kg), es decir, la masa total de partículas que
impactan la superficie. El nivel de erosión se expresaría entonces en g/Kg. En estos términos se ha
reportado la erosión en trabajos del área [7], [74], [75].
La estabilidad del medio erosivo es dependiente de las condiciones de presión y caudal
suministrados por el compresor de aire y el “City Gate” de gas de la Central Termoeléctrica. No
se tuvo control de los niveles de humedad, temperatura, composición y flujo másico del aire y
combustible, por lo cual, a pesar de una estabilidad del medio erosivo a través de los diferentes
ensayos, es variable el tiempo y la temperatura a la cual aparecen las ondas de choque para un
mismo valor de presión.
En términos de las recomendaciones generales de ensayo, es primordial llevar un control estricto
de las dimensiones de las probetas cortadas y la protección de sus bordes en su preparación, esto
debido a que al momento de introducirlas al portamuestras puede haber desprendimientos de TC.
Lo mismo que el proceso de secado y limpieza de las muestras antes y después del proceso erosivo
para eliminar en lo posible ruido en la medida de pérdida de masa.
Los ensayos de erosión deben iniciarse cuando las condiciones que generan el flujo de combustión
se estabilicen, esto es: presión y temperatura. Los ensayos deben aproximarse a condiciones
estacionarias al momento de exponer la superficie del TBC y al momento de retirarla.
Sobre los mecanismos de erosión
Los mecanismos de remoción de material a nivel microestructural están gobernados por la
remoción de splats y PSF, dejando una evidente huella de contacto intersplat independientemente
si se trata de muestras sometidas a erosión controlada, un liner o un álabe.
El análisis de las muestras permite afirmar que las PSF se remueven por completo a diferencia de
los splats que en muchos casos tienden a removerse por segmentos. La superficie de contacto y el
nivel de cohesión entre splats son factores que determinan la tasa de erosión de acuerdo al volumen
removido. Los splats de mayor espesor tienden a desprenderse completos, lo cual apoya la
afirmación mencionada en trabajos previos [23] en el sentido que la tasa de erosión es directamente
proporcional al espesor del splat. Por otro lado, en la medida en que el espesor del splat disminuye
98
el fenómeno de agrietamiento columnar se convierte en el principal responsable de la remoción de
material, ya no como consecuencia de la pérdida de grandes volúmenes localizados sino producto
de la suma de pequeñas secciones de splats, lo que a la larga genera también un gran volumen de
masa removida.
En este orden de ideas, en las muestras analizadas en esta investigación se encontró que los splats
bien depositados se remueven por partes y no en un solo paso (completos). La mayor parte de las
veces hay desprendimientos de secciones del splat o lamela delimitadas por el preagrietamiento o
agrietamiento columnar. En la literatura es común encontrar que el desprendimiento de los splats
siempre es completo, [3], [23], pero no se tiene en cuenta en general el efecto del espesor. Para
espesores altos se tienen estructuras columnares menos definidas y la energía de impacto se
distribuye preferencialmente por el límite intersplat removiendo un splat completo, Figura 50,
mientras que espesores reducidos están asociados a estructuras columnares bien definidas y a un
preagrietamiento que facilita a la energía de impacto propagarse entre las caras de los granos
columnares, esto se observa en las Figura 59, Figura 60 y Figura 61.
Sobre la remoción de TC en componentes de turbina
Álabes móviles de primera etapa
La remoción de grandes extensiones de capas de la TC o “spallation”, en la zona de compresión
de un álabe no es debida solamente al efecto del impacto de los gases, sino a un efecto combinado
de los siguientes factores:
i) Diferencias en los CTE entre el sustrato, la BC y la TC: incrementadas por la
distribución de los canales de refrigeración en dichos álabes que generan áreas calientes
adyacentes a otras zonas más frías.
ii) De acuerdo a los reportes técnicos y trabajos anteriores [96], [97], comparados con las
grietas observadas en la Figura 56, las vibraciones de alta frecuencia y los esfuerzos
de flexión en la geometría helicoidal del álabe a partir de los bordes en la superficie de
compresión (debidos a la fuerza de impulso o sustentación) generan grietas en la
superficie de succión con un patrón de geometría cerrada en forma de panal. Esta
distribución corresponde a la distribución de esfuerzos calculados en un álabe. Las
fuerzas centrífugas a “full speed” generan y propagan grietas axiales facilitando la
remoción y desprendimiento de TC.
iii) La erosión se efectúa vía remoción de splats, ésta va esculpiendo la topografía
desgastada en la superficie de compresión, especialmente en el borde de fuga, Figura
55Figura 56 y, en la superficie adyacente al punto de estancamiento o borde de ataque,
Figura 55.
iv) Las grietas axiales de la Figura 54 pudieron haber seguido límites de grano de la
solidificación direccionada del álabe y haber desembocado en un conjunto de grietas
radiales muy cercanas entre sí en la TC. La propagación de grietas desde los límites de
granos columnares del sustrato gobiernan la morfología de desprendimiento en la TC.
99
v) Los ángulos en los álabes son altamente direccionados pero turbulentos por lo que no
se definió un efecto del perfil de ángulos de impacto localizados adyacentes a la
superficie. Por otro lado se lograron identificar algunos ángulos medios que
determinaban los mecanismos de remoción: para ángulos de 90° y cercanos, el
mecanismo predominante era fatiga y delaminación, como se evidencia en el borde de
ataque.
La fuerza centrífuga a “Full Speed” extendió la longitud del álabe o Span facilitando el contacto
entre las dos superficies, este fenómeno es más acentuado a medida que se acerca al borde de fuga.
Liners
Los gases de combustión impactan desde la zona 6 hasta la zona 2 intermitentemente volviendo a
seguir su curso hacia el acople con la pieza de transición donde se comprimen. El aire secundario
y el terciario desviaron el impacto de los gases dejaron patrones de intensidad de desgaste en la
superficie de las zonas 3, 4 y 5. El espesor de los splats y la formación de granos columnares
gobiernan los mecanismos de remoción del material.
Hay dos tipos de huellas de remoción identificadas en la caracterización microestructural, las
huellas circulares que siguen la morfología de las PSF, Figura 44, y zonas de remoción o “valles”
que corresponden a splats, sus pedazos, o conjuntos de splats removidos, Figura 45 y Figura 47.
Sobre el efecto del ángulo medio de impacto
El efecto del ángulo medio de impacto de los gases es más marcado en el álabe que en liner. En el
liner los ángulos medios son rasantes y no superan los 45°, el flujo de gases de combustión es
premeditadamente turbulento debido a que las salidas de los quemadores están diseñadas para
generar turbulencia y mejorar la mezcla aire-gas en la combustión, y las entradas de aire secundario
incrementan esta condición. En los álabes, si bien hay flujos secundarios que no permiten
determinar el efecto localizado de un ángulo en la superficie (dentro un perfil de ángulos), hay
zonas donde los ángulos medios del flujo primario tienen un efecto marcado en los mecanismos
globales de erosión, estos son:
Borde de ataque: ángulo medio de impacto a 90o, asociado al punto de estancamiento. El
mecanismo de desgaste dominante es fatiga, hay delaminación y un posterior
desprendimiento de grandes capas, los reportes técnicos de inspección indican que esta
capa se remueve inmediatamente después de la primera puesta en operación de los álabes.
El agrietamiento por fatiga es también asociado a diferencias en el CTE debidos a que el
borde de ataque es uno de los puntos más calientes del álabe y al mismo tiempo uno de
los más refrigerados por la parte posterior del componente [96].
Centro de concavidad: acorde al diseño de los canales de refrigeración interna, que no
llegan esa zona, la distribución de calor tiene un efecto en el desprendimiento de TC y el
crecimiento de grietas radiales en los límites de granos direccionados del sustrato. Esta
zona está acompañada de erosión que implica remoción de splats. El ángulo medio de
100
impacto en esta zona es también cercano a 90° lo que se refleja en daños por fatiga y por
alta temperatura respecto a otras zonas, efectos reportados anteriormente [98][32].
Borde de fuga, superficie de compresión: hay un efecto combinado entre ángulos medios
de ataque cercanos a 90° (diseñados para generar fuerza de empuje) y ángulos rasantes de
20 a 25° de gases perturbados desde el cuello de los álabes [9], [96].
Cambio de convexidad, superficie de succión: el efecto de los ángulos medios de impacto
en la erosión es mínimo y es la zona que presenta concentración de esfuerzos de
compresión (debido al efecto de flexión desde la superficie de compresión) combinados
con esfuerzos de tensión (debidas a las fuerzas centrífugas), lo que genera grietas
poligonales [96].
Sobre la calidad superficial de las superficies analizadas
En términos generales los álabes poseen un mejor acabado superficial que el liner debido a que los
álabes son pulidos manualmente posterior proceso de manufactura.
Dejando claro lo anterior, la presencia de PSF en la TC del liner pudo haberse visto afectada por
la variación cónica en la geometría del cilindro cerca al acople del combustor reduciéndose el
espacio entre la pistola APS y la superficie revestida; esto no permitió una buena aceleración y
fusión de las partículas de 7% YSZ. Sin embargo, pudo ocurrir una unión parcial de partículas
durante el trayecto del haz de plasma entre la pistola y la superficie debido a la fusión superficial
de dichas partículas, esto se logra observar en la Figura 44. En las micrografías se observaron
surcos de deposición entre 2 y 4 mm y en los ensayos de PSD se encontró que la distancia de
medida incluía como mínimo dos ciclos de esos surcos.
Al obtener funciones PSD a partir perfiles no filtrados se incluyen todas las variaciones: rugosidad,
ondulación y forma, información que para las TC depositadas por plasma es bastante relevante
dado que las características superficiales pueden ir de 1 µm (espesor de columnas internas y altura
del splat) hasta el orden de mm para los patrones de deposición. Es importante notar además que
la punta del rugosímetro puede no detectar las variaciones del ancho de columna del splat pero sí
puede detectar un conglomerado de éstas en un pedazo de superficie del splat.
A partir del análisis de los espectros PSD se definió que los conjuntos de splats, grietas, partículas
sin fundir, y poros hacen parte de la rugosidad; por otro lado, las capas de deposición y su dirección
hacen parte de la ondulación y forma de los surcos de deposición plasma.
101
CONCLUSIONES
Las variaciones en el ángulo medio de impacto de los gases de combustión tienen un efecto
marcado sobre los mecanismos de desgaste dominantes en los componentes de la turbina evaluados
en este trabajo. En el liner, en el que el impacto es predominantemente rasante, la remoción de
splats y partículas sin fundir son responsables por la mayor parte de la pérdida de masa. En los
álabes, por su parte, cuando el impacto es también rasante estos mecanismos también son
determinantes, pero cuando la incidencia de los gases es cercana al ángulo normal toma más fuerza
el efecto del agrietamiento por fatiga y la delaminación.
En todos los casos analizados, además de las condiciones impuestas por el nivel de turbulencia del
flujo de gases y los ángulos medios de impacto que se configuran, se encontró que el tamaño y
forma de los splats, así como la cantidad y distribución de partículas sin fundir, son factores
cruciales que a la larga determinan la tasa efectiva de erosión de los componentes.
El aumento del tamaño medio de splat y la reducción del ángulo medio de impacto de los gases
favorecen la remoción de splats completos. Por otro lado, en recubrimientos con splats de menor
tamaño la estructura columnar interna del splat juega un papel importante ya que los límites
intercolumnares pueden almacenar más energía, evidenciándose así una tendencia a perder masa
por desprendimiento de porciones de splats.
En términos generales, la morfología de la microestructura determina los mecanismos de
nucleación y propagación de grietas, así como la remoción de material de la superficie, si bien la
erosión sigue los preceptos de la mecánica de contacto y la fractura, termina siendo fuertemente
dependiente de la morfología Lamelar de la TC.
En lo que se refiere al estudio experimental controlado de la resistencia a erosión de recubrimientos
de barrera térmica, fue posible poner a punto un protocolo de ensayo mediante el cual se exponen
muestras a la acción de un medio erosivo a temperaturas de 1100°C y velocidades medias de
impacto de hasta 1.5 Mach. Los mecanismos de desgaste que actúan sobre las superficies ensayadas
y las tasas de erosión encontradas se acercan razonablemente a lo observado en componentes en
operación en planta (liner y álabes), lo que indica que la prueba será útil para identificar de manera
más fidedigna los fenómenos de falla y desgaste de los componentes de una turbina.
102
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