Recubrimientos protectores para incrementar la vida en servicio de materiales que operan en condiciones extremas

Resumen

Hasta el momento, los componentes expuestos al vapor ultrasupercrítico se fabricaban de aceros ferrítico/martensíticos, por sus buenas propiedades mecánicas y su resistencia a la oxidación hasta los 625ºC. Sin embargo, el empleo de condiciones de trabajo más agresivas en las futuras centrales, para obtener rendimientos superiores al 50% y mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero en un 25%, obliga a utilizar aceros austeníticos, que elevan el coste y disminuyen la eficiencia de la turbina debido a su peor conductividad térmica. Así pues, en esta Tesis Doctoral se vio la potencialidad de emplear recubrimientos superpuestos base nitruro para proteger y extender el uso de componentes de acero ferrítico/martensítico, pese a la limitada información existente sobre su conducta frente a la oxidación en atmósferas de vapor. En el presente estudio se ha evaluado el comportamiento de tres bloques de recubrimientos base CrN depositados sobre acero P92 (ferrítico/martensítico) tras largos tiempos de oxidación en vapor a 650ºC, en comparación con el acero desnudo. Cada uno de esos tres bloques se caracteriza por la incorporación de diferentes elementos químicos a esa composición básica, o bien, por el diseño de diferentes configuraciones arquitectónicas de capas. Además, se exploraron los efectos del empleo de distintas técnicas de deposición física de vapor y del rol del acabado superficial del sustrato, importantes factores desde el punto de vista del escalado de estas investigaciones al tejido industrial. Gracias al empleo de técnicas de caracterización que se complementan entre sí (EPMA, gravimetría, XRD, (FE-)SEM/EDX y GDOES), junto a la realizaron de simulaciones termodinámicas para predecir las fases sólidas y volátiles estables que se pudieran formar debido a la interacción de cada uno de los sistemas de recubrimientos con la atmósfera de vapor a esa temperatura, se pudo concluir de manera general que todos los sistemas depositados, exceptuando uno de los CrAlZrN, mejoraron la resistencia a la oxidación del sustrato sin recubrir, al exhibir velocidades de oxidación al menos un orden de magnitud inferior al obtenido para este. También, se pudo verificar la relevancia de la preparación superficial del sustrato en el resultado final, siendo el acabado con mejores prestaciones el desbaste hasta granulometría P600. Del estudio del primer bloque, monocapas y multicapas de (Cr(Al)N/)CrAlSiN, en los cuales en ningún caso se superó el límite de solubilidad del aluminio en el interior de la estructura cristalina del Cr(Al)N, se dedujo, por un lado, la existencia de dos principales mecanismos de degradación: (1) el desprendimiento de los defectos superficiales característicos de la técnica de deposición (droplets) y (2) la concentración de aluminio en el recubrimiento, que está ligada a la transformación de la fase c-Cr(Al)N a la fase h-Cr2N durante la oxidación, lo que conlleva una expansión volumétrica de la estructura cristalina y la liberación de N2. Por otro lado, al variar la arquitectura de capas se encontró que los recubrimientos con mejor resistencia a la oxidación fueron una monocapa con composición Cr0.81(AlSi)0.19N y una multicapa de CrAlN/CrAlSiN. En el segundo bloque de recubrimientos monocapa CrAl(Y,Zr)N, se verificó que el dopaje con un 1.4%at.Y fue suficiente para mejorar la estabilidad química y térmica del CrAlN, que sufre la formación del Al(OH)3 volátil. Sin embargo, no se pudo determinar el papel del Zr en el proceso de oxidación, dado que los recubrimientos tras la deposición mostraron cierta porosidad y agrietamiento. Finalmente, del último bloque con recubrimientos con configuración superred de CrN/NbN se extrajo como conclusión principal que los recubrimientos con 12%at.Nb desarrollaron NbO con mayor carácter protector que los óxidos mixtos de Cr-Nb, que se generaron en los recubrimientos con 22.5%at.Nb, debido al crecimiento más lento que presenta el primero.