La aspersión de plasma precursora de la solución (SPPS) es un proceso de aspersión térmica en el que una solución de materia prima se calienta y luego se deposita sobre un sustrato. Las propiedades básicas del proceso son fundamentalmente similares a otros procesos de pulverización de plasma . Sin embargo, en lugar de inyectar un polvo en la columna de plasma, se utiliza un precursor líquido. Los beneficios de utilizar el proceso SPPS incluyen la capacidad de crear microestructuras únicas de tamaño nanométrico sin los problemas de alimentación por inyección normalmente asociados con los sistemas de polvo y la exploración rápida y flexible de nuevas composiciones precursoras. [1] [2]
Fondo
El uso de un precursor de solución fue informado por primera vez como tecnología de recubrimiento por Karthikeyan, et al. [3] [4] [5] En ese trabajo, Karthikeyan demostró que el uso de un precursor en solución era de hecho factible, sin embargo, no se pudieron generar recubrimientos bien adheridos. En 2001 se informó de nuevos trabajos que refinaron el proceso para producir revestimientos de barrera térmica , [6] películas YAG [7] y revestimientos cerámicos de silicio. [8] Desde entonces, la Universidad de Connecticut e Inframat Corporation han explorado una amplia investigación sobre la tecnología .
El proceso
La solución precursora se formula disolviendo sales (comúnmente circonio e itrio cuando se usan para formular recubrimientos de barrera térmica) en un solvente. Una vez disuelta, la solución se inyecta a través de un sistema de alimentación presurizado. Al igual que con otros procesos de pulverización térmica, la materia prima se funde y luego se deposita sobre un sustrato. Normalmente, en el proceso SPPS se inyecta material en una columna de plasma o en una llama de combustión de combustible de oxígeno de alta velocidad (HVOF). Una vez que se inyecta la solución, las gotitas pasan por varios cambios químicos y físicos [9] y pueden llegar al sustrato en varios estados diferentes, desde completamente derretidos hasta sin pirolizar. El estado de deposición se puede manipular mediante parámetros de pulverización y se puede utilizar para controlar significativamente las propiedades del revestimiento, como la densidad y la resistencia. [2] [10]
Recubrimientos de barrera térmica
La mayor parte de la investigación actual sobre SPPS ha examinado su aplicación para crear recubrimientos de barrera térmica (TBC). Estos complejos sistemas de materiales cerámicos / metálicos se utilizan para proteger componentes en secciones calientes de turbinas de gas y motores diesel. [11] El proceso SPPS se presta particularmente bien a la creación de estos TBC. Los estudios informan sobre la generación de recubrimientos que demuestran una durabilidad y propiedades mecánicas superiores. [12] [13] [14] La durabilidad superior se imparte mediante la creación de grietas verticales controladas a través de espesor. Estas grietas aumentan sólo ligeramente conductividad recubrimiento permitiendo al mismo tiempo la tensión de alivio de la tensión generada por el CTE falta de coincidencia entre el revestimiento y el sustrato durante el calentamiento cíclico. La generación de estas grietas a través del espesor se exploró sistemáticamente y se encontró que era causada por el depósito de una porción controlada de material no pirolizado en el revestimiento. [15] Las propiedades mecánicas superiores, como la fuerza de unión y la tenacidad en el plano, son el resultado de la microestructura de tamaño nanométrico que se crea mediante el proceso SPPS.
Otros estudios han demostrado que los recubrimientos de ingeniería pueden reducir la conductividad térmica a algunos de los valores más bajos reportados para TBC. [16] [17] Estas bajas conductividades térmicas se lograron mediante la generación de una microestructura alterna de alta porosidad y baja porosidad o la síntesis de una composición precursora de baja conductividad con dopantes de tierras raras .
Costos
El proceso SPPS se adapta a los sistemas de pulverización térmica existentes. Los costos de aplicación son significativamente menores que los de los recubrimientos EB-PVD y ligeramente más altos que los de los recubrimientos Air Plasma Spray. [18]
Referencias
- ^ Eric H. Jordan, L. Xie, C. Ma M. Gell, N. Padture, B. Cetegen, J. Roth, TD Xiao y PEC Bryant, "Recubrimientos de barrera térmica superior con aerosol de plasma precursor de solución", Journal of Thermal Spray , 13 (1), 2004, p. 57-65
- ^ a b L. Xie, X. Ma, EH Jordan, NP Padture, TD Xiao y M. Gell, "Deposición de recubrimientos de barrera térmica mediante el proceso de pulverización de plasma precursor de solución", Journal of Materials Science , 39, 2004 p. 1639-1636.
- ^ Karthikeyan J., Berndt CC, Tikkanen J., Wang JY, King AH, Herman H, "Preparación de materiales nanofásicos mediante procesamiento por pulverización térmica de precursores líquidos", Materiales nanoestructurados , 9 (1), 1997, p. 137–140.
- ^ Karthikeyan J., Berndt CC, Tikkanen J., Wang JY, King AH, Herman H., "Polvos y depósitos de nanomateriales preparados por el procesamiento de precursores líquidos por aspersión de llama", 8 (1), 1997, p. 61–74.
- ^ Jeganathan Karthikeyan, Christopher C. Berndt, Sri Reddy, Jenn-Yue Wang, Alexander H. King y Herbert Herman, "Depósitos de nanomateriales formados por pulverización con plasma DC de materias primas líquidas", Revista de la American Ceramic Society , 81, 1998, pag. 121-128.
- ^ NP Padture, KW Schlichting, T. Bhatia, A. Ozturk, B. Cetegen, EH Jordan, M. Gell, S. Jiang, TD Xiao, PR Strutt, E. García, P. Miranzo y MI Osendi, "Towards Durable Recubrimientos de barrera térmica con nuevas microestructuras depositadas por pulverización de plasma precursor de solución ", Acta Materialia , 49, 2001, p. 2251–2257.
- ^ Sujatha D. Parukuttyamma, Joshua Margolis, Haiming Liu, Clare P. Gray, Sanjay Sampath, Herbert Herman y John B. Parise, "Películas de itrio aluminio granate (YAG) a través de una técnica de pulverización de plasma precursor", Journal of the American Ceramic Society , 84 (8), 2001, pág. 1906–908.
- ^ E. Bouyer, G. Schiller, M. Muller y RH Heane, "Deposición de vapor químico de plasma térmico de recubrimientos cerámicos a base de Si de precursores líquidos", Química del plasma y procesamiento del plasma , 21 (4), 2001, p. 523–546.
- ^ Ozturk, A. y Cetegen BM, "Modelado de gotitas precursoras inyectadas axial y transversalmente en un entorno de plasma", Revista internacional de transferencia de calor y masa , 48 (21-22), 2005, p. 4367–4383.
- ^ L. Xie, X. Ma, EH Jordan, NP Padture, TD Xiao y M. Gell, "Identificación de mecanismos de deposición de revestimiento en el proceso de pulverización de plasma de precursores de solución utilizando experimentos de pulverización modelo", Ciencia e ingeniería de materiales A, 362 , 2003, pág. 204–212.
- ^ Padtre, Nitin P., Gell, Maurice, Jordan, Eric H., "Recubrimientos de barrera térmica para aplicaciones de motores de turbina de gas", Ciencia , 296, 2002, p. 280–285.
- ^ L. Xie, X. Ma, EH Jordan, NP Padture, TD Xiao y M. Gell, "Recubrimientos de barrera térmica altamente duraderos fabricados por el proceso de pulverización de plasma precursor de la solución", Tecnología de superficies y recubrimientos , 177-178, 2004, p. . 97-102.
- ^ Amol Jadhav, Nitin Padture, Fang Wu, Eric Jordan, Maurice Gell, "Recubrimientos cerámicos gruesos de barrera térmica con alta durabilidad depositados con aerosol de plasma precursor de solución", Ciencia e ingeniería de materiales A, 405, 2005, p. 313–320.
- ^ Liangde Xie, Eric H. Jordan y Maurice Gell, "Fase y estabilidad microestructural de recubrimientos de barrera térmica rociados con plasma precursor", Ciencia e ingeniería de materiales A, 381, 2004, p. 189-195.
- ^ Liangde Xie, Dianying Chen, Eric H. Jordan, Alper Ozturk, Fang Wu, Xinqing Ma, Baki M. Cetegen y Maurice Bell, "Formación de grietas verticales en solución - Plasma precursor - Recubrimientos de barrera térmica rociados", Recubrimientos superficiales y tecnología 201, 2006, pág. 1058–1064.
- ^ Xinqing Ma, Fang Wu, Jeff Roth, Maurice Gell, Eric Jordan, "Recubrimiento de barrera térmica de baja conductividad térmica depositado por el proceso de pulverización de plasma de solución", Tecnología de superficies y recubrimientos , 201, 2006, p. 3343–3349.
- ^ XQ Ma, TD Xiao, J. Roth, LD Xie, EH Jordan, NP Padture, M. Gell, XQ Chen, JR Price, "Recubrimientos de barrera térmica gruesa con microestructuras controladas mediante el proceso de pulverización de plasma precursor de solución", Spray térmico 2004: Advances in Technology and Application , ASM International, 10 al 12 de mayo de 2004 (Osaka, Japón), ASM International, 2004.
- ^ Maurice Gell, Fang Wu, Eric H. Jordan, Nitin P. Padture, Baki M. Cetegen, Liangde Zie, Alper Ozturk, Eric Cao, Amol Jadhav, Dianying Chen y Xinqin Ma, el proceso de pulverización de plasma precursor de la solución para hacer altamente Recubrimientos de barrera térmica duraderos, Actas de GT2005, ASME Turbo Expo 2005.