Revestimiento térmico (TBC) para aleaciones de alta temperatura

Introducción: recubrimientos de barrera térmica (TBC) – proteger componentes de alta temperatura cuando el metal por sí solo no basta

A medida que aumentan la temperatura de entrada a la turbina, las cargas de combustión y los objetivos de eficiencia, las aleaciones base por sí solas ya no pueden garantizar un funcionamiento seguro y económicamente viable. Los recubrimientos de barrera térmica (TBC, por sus siglas en inglés) se han convertido en una tecnología clave para llevar los componentes de alta temperatura más allá de sus límites convencionales. Al aplicar sistemas de recubrimientos cerámicos diseñados sobre superaleaciones y otros sustratos resistentes al calor, los TBC pueden reducir la temperatura metálica aproximadamente entre 100 y 300 °C bajo un diseño y unas condiciones de funcionamiento adecuados, lo que prolonga directamente la vida útil del componente, mejora la fiabilidad y permite mayor eficiencia térmica.

En Neway, nuestros servicios de recubrimientos térmicos se basan en esta misión: integrar mecanizado de precisión, recubrimientos avanzados y un estricto control de proceso para ofrecer soluciones TBC robustas y específicas para cada aplicación en los sectores aeroespacial, generación de energía, oil & gas y entornos industriales altamente exigentes.

Cómo funcionan los recubrimientos de barrera térmica: funciones y mecanismos principales

1. Aislamiento térmico: capas cerámicas que bloquean el flujo de calor

Los TBC se basan en recubrimientos cerámicos superficiales con una conductividad térmica muy baja (normalmente 1–3 W/m·K), que actúan como escudo térmico entre las corrientes de gas caliente y el sustrato metálico. Con un diseño adecuado (material, espesor, porosidad, microestructura), esta barrera:

• Reduce de forma significativa la temperatura del sustrato,

• Disminuye gradientes térmicos y la fatiga térmica,

• Permite temperaturas de gas más altas sin necesidad de rediseñar la aleación base.

Neway ajusta el espesor y la arquitectura del recubrimiento a cada aplicación, buscando un equilibrio entre aislamiento, tolerancia a la deformación y distribución de tensiones, en lugar de simplemente “hacer la capa más gruesa”.

2. Protección frente a oxidación a alta temperatura y corrosión en caliente

Más allá del aislamiento, un sistema TBC bien diseñado también mitiga:

• La oxidación a alta temperatura de aleaciones base de níquel y cobalto,

• El ataque de especies corrosivas como sulfatos, vanadatos o contaminantes presentes en el combustible y el aire,

• La degradación microestructural que, de otro modo, acortaría la vida en servicio.

Para componentes críticos de superaleaciones, esta protección química suele ser tan importante como la función térmica.

Diseño de sistema multicapa: cada capa tiene una función

Capa cerámica superior: la barrera térmica propiamente dicha

La capa cerámica externa se basa normalmente en circonia estabilizada con itria (YSZ) y se diseña para:

• Baja conductividad térmica,

• Estabilidad de fase en el rango de temperatura de servicio,

• Compatibilidad de expansión térmica con las capas subyacentes,

• Porosidad y microfisuras que proporcionan tolerancia a la deformación y resistencia al choque térmico.

Capa de enlace (bond coat): el puente funcional hacia el sustrato

Entre la cerámica y el metal se encuentra una capa de enlace metálica, a menudo del tipo MCrAlY (M = Ni, Co o Ni/Co):

• Aporta una fuerte adhesión para la capa cerámica superior,

• Forma una capa de óxido de alúmina (Al2O3) de crecimiento térmico estable (TGO),

• Actúa como barrera química y de oxidación que protege la aleación base.

Neway personaliza la química de la capa de enlace para aleaciones como Inconel 625, Hastelloy X, Rene 41, garantizando compatibilidad y estabilidad a largo plazo.

Proceso clave I: proyección por plasma atmosférico (APS)

Características del proceso

La proyección por plasma atmosférico (APS) es uno de los métodos de deposición de TBC más utilizados. El polvo de aporte se funde o semi-funde en un chorro de plasma y se proyecta sobre el sustrato preparado. En Neway, los sistemas APS controlados por robot permiten:

• Un espesor de recubrimiento uniforme sobre geometrías complejas,

• Ajustar con precisión la porosidad y la microestructura lamelar,

• Calidad repetible tanto para piezas individuales como para producción en serie.

Aplicaciones típicas y rendimiento

• Álabes y toberas de turbinas de gas, componentes de cámara de combustión, piezas de transición,

• Componentes de quemadores e instalaciones de hornos industriales, conductos de gases calientes.

Los recubrimientos APS se diseñan con porosidad y microfisuras controladas para ofrecer un buen aislamiento y una elevada tolerancia a la deformación bajo cargas térmicas cíclicas.

Proceso clave II: recubrimiento PVD por haz de electrones (EB-PVD)

Microestructura columnar única

El EB-PVD, realizado en alto vacío, utiliza un haz de electrones para evaporar el material cerámico, que luego se condensa sobre la superficie del componente formando un recubrimiento de granos columnares. Esta estructura:

• Absorbe muy bien la deformación térmica,

• Ofrece una excelente resistencia al choque térmico,

• Proporciona superficies lisas bañadas por el flujo de gas, ideales para la aerodinámica de motores aeronáuticos.

Aplicaciones aeroespaciales de alta exigencia

Los TBC aplicados por EB-PVD se utilizan ampliamente en álabes y toberas monocristalinos de motores aeroespaciales, donde la durabilidad, el peso, la eficiencia de refrigeración y el rendimiento aerodinámico son críticos para el éxito de la misión. Las capacidades EB-PVD de Neway están alineadas con exigentes requisitos aeroespaciales de calidad y trazabilidad.

Materiales de recubrimiento: de la YSZ clásica a cerámicas de nueva generación

Circonia estabilizada con itria (YSZ)

La YSZ al 7–8 % en peso de itria sigue siendo el material de referencia del sector gracias a:

• Baja conductividad térmica,

• Buena estabilidad de fase en los rangos de temperatura de servicio,

• Coeficiente de dilatación térmica compatible con superaleaciones base níquel.

Cerámicas avanzadas con tierras raras

Para soportar temperaturas de entrada a turbina más altas y vidas útiles más largas, Neway colabora con socios de investigación en circonatos de tierras raras y otras cerámicas avanzadas que presentan una conductividad térmica aún más baja y una mejor estabilidad de fase a alta temperatura, dirigidas a plataformas aeroespaciales y de generación de energía de próxima generación.

Aseguramiento de calidad: cómo validamos la fiabilidad de los TBC

Espesor, adhesión y microestructura

Nuestro conjunto de herramientas de inspección incluye:

• Mediciones de espesor por ultrasonidos o corrientes inducidas, además de microsecciones metalográficas,

• Ensayos de adherencia/resistencia de unión (requisitos típicos ≥ 30 MPa, según la aplicación),

• Evaluación de la microestructura: láminas, porosidad, crecimiento de TGO, morfología columnar (en EB-PVD).

Ensayos de ciclos térmicos y vida útil

Realizamos ciclos térmicos y ensayos de choque térmico en condiciones representativas, incluyendo temperatura máxima, tiempos de permanencia, velocidades de calentamiento/enfriamiento y métodos de refrigeración ajustados al ciclo real de servicio. Estos ensayos ponen de manifiesto los modos de fallo principales, como:

• Crecimiento y fisuración de la TGO,

• Desprendimiento (spallation) de la capa superior,

• Degradación de interfaces.

Campos de aplicación principales

Motores aeroespaciales

Los TBC se aplican a:

• Álabes y toberas de turbina,

• Revestimientos de cámara de combustión, conductos de transición, carcasas de estanqueidad,

• Boquillas y componentes calientes de pos-tratamiento.

Para componentes en Inconel 718 y aleaciones similares, Neway ofrece soluciones integradas de mecanizado + recubrimiento que cumplen estándares de calidad aeronáutica.

Generación de energía y sistemas industriales

En turbinas de gas estacionarias y equipos de proceso a alta temperatura, los TBC:

• Aumentan la eficiencia de la turbina,

• Prolongan los intervalos entre inspecciones,

• Protegen componentes críticos de gases calientes en equipos químicos, metalúrgicos y de procesos térmicos.

Consideraciones clave de diseño antes de aplicar TBC

1. Compatibilidad entre sustrato y capa de enlace

Evaluamos:

• La composición de la aleación y su historial de tratamientos térmicos,

• La ventana de temperatura de operación y el ciclo de trabajo,

• La resistencia a la oxidación/corrosión en caliente del sustrato y del sistema de bond coat.

2. Entorno de servicio y perfil de cargas

El diseño del recubrimiento se ajusta para:

• Temperaturas pico y cíclicas,

• Composición de gases (impurezas del combustible, especies corrosivas),

• Cargas mecánicas, vibraciones, erosión y riesgo de FOD (Foreign Object Damage).

Para aplicaciones en oil & gas y nuclear, incorporamos restricciones adicionales como estabilidad frente a radiación y mecanismos de corrosión específicos.

Soluciones TBC integradas de Neway: desde la pieza mecanizada hasta el componente recubierto

Neway ofrece un enfoque de “cadena completa”:

• Mecanizado CNC de precisión de superaleaciones, titanio y aceros resistentes al calor,

• Preparación de superficie diseñada: granallado, enmascarado, control de limpieza y rugosidad,

• Sistemas TBC específicos para cada aplicación mediante APS y EB-PVD,

• Ensayos metalúrgicos, inspección dimensional y evaluación de vida útil,

• Un sólido marco de producción en serie con trazabilidad completa para respaldar programas OEM en los sectores aeroespacial, energético e industrial.

Este modelo “one-stop” acorta los plazos de entrega, reduce el riesgo técnico y garantiza que el rendimiento del recubrimiento se integre en la pieza desde la fase de diseño, en lugar de añadirse al final.

FAQ

1. ¿En cuánto puede reducir la temperatura del metal un TBC bien diseñado en turbinas?

2. ¿Cuál es la vida útil típica de los TBC en condiciones reales de motores o turbinas?

3. ¿Cuáles son los modos de fallo más comunes de los TBC y cómo pueden el diseño y el proceso reducirlos?

4. ¿Qué pasos de preparación de superficie se necesitan antes de aplicar un sistema TBC fiable?

5. ¿Se pueden eliminar y volver a aplicar TBC dañados sin perjudicar a la pieza base?