Desarrollo de recubrimientos mediante hvof para aceros resistentes a alta temperatura

Resumen

La necesidad de reducir las emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero, sumado a la necesidad de satisfacer el continuo incremento de la demanda energética a nivel global, están llevando a la industria energética a mejorar la eficiencia de las tecnologías y métodos de producción de energía. En el marco de la generación de energía eléctrica a partir de vapor, particularizado para el caso de las centrales termoeléctricas de carbón, biomasa y combustión conjunta, esta mejora pasa por aumentar las condiciones de operación (temperatura y presión), para así aumentar el rendimiento termodinámico, con un consecuente incremento de la energía generada y una reducción de las emisiones. En una central termoeléctrica, ciertos componentes, como las tuberías de acero empleadas en los intercambiadores de calor, presentan limitaciones importantes en cuanto a temperaturas máximas de operación se refiere. Estas limitaciones se asocian principalmente a fenómenos de oxidación y corrosión, así como a la reducción de sus propiedades mecánicas a estas temperaturas. Por ello, si se pretende alcanzar temperaturas más elevadas, se hace indispensable, o bien la sustitución de estos aceros por materiales con un coste económico muy superior, como son las superaleaciones, o bien la aplicación de recubrimientos protectores resistentes a las altas temperaturas. La presente Tesis Doctoral se centra, entre otros, en el desarrollo de estos recubrimientos mediante la técnica de proyección térmica a alta velocidad (HVOF). Para lograr este objetivo, primero se ha estudiado el comportamiento a alta temperatura de distintos aceros empleados en la actualidad en el sector termoeléctrico, abarcando un rango de aceros que va desde un acero ferrítico de baja aleación como el T24, con solo un 2,4% en Cr, hasta llegar a un acero inoxidable como el AISI 304, con un 17% en Cr. Para abordar el comportamiento en servicio de los distintos aceros, se han realizado ensayos isotermos bajo diferentes condiciones: en atmósfera de aire y en contacto con depósitos agresivos formados por mezclas de KCl, NaCl, Na2SO4 y K2SO4. Estos ensayos se realizaron con el objetivo de evaluar la resistencia físico-química de los materiales simulando, en condiciones de laboratorio, los ambientes a los que se exponen durante su vida en servicio en centrales termoeléctricas de co-combustión y/o biomasa, donde la presencia de sulfatos y cloruros provenientes del combustible es abundante. Paralelamente, se estudiaron distintos recubrimientos empleados específicamente para el trabajo a alta temperatura, como el recubrimiento cermet Al2O3-NiAl y distintos recubrimientos metálicos basados en superaleaciones de Ni y Co. Durante su desarrollo mediante HVOF, se optimizaron todos los parámetros de proyección y, de esta manera, se logró obtener unos recubrimientos duros, bien adheridos al sustrato y con un contenido mínimo de óxidos y porosidad, entre otras propiedades. Al igual que con los aceros empleados como sustratos metálicos, la resistencia a alta temperatura de estos recubrimientos fue evaluada mediante ensayos isotermos y cíclicos, a distintas temperaturas y tiempos, y bajo diferentes condiciones: en atmósfera de aire y en contacto con los depósitos agresivos mencionados anteriormente. Los resultados obtenidos tras la aplicación de los recubrimientos HVOF indican una sustancial mejora del comportamiento a alta temperatura, mejorando no solo su resistencia a la oxidación sino también su resistencia a corrosión en presencia de depósitos agresivos y sales fundidas. Incluso bajo las condiciones más adversas (exposición a depósitos de NaCl-KCl), se logró mantener la integridad de las piezas de acero ensayadas. Tras los ensayos, no solo se determinó la resistencia a alta temperatura de los sistemas sustrato-recubrimiento, sino que también se establecieron los mecanismos principales de corrosión que rigen el comportamiento de estos materiales a altas temperaturas. El desarrollo y aplicación de los recubrimientos mencionados, debe ir ligado a una mejora de la eficiencia energética de la central termoeléctrica, pues su empleo permite trabajar a mayores temperaturas desde un punto de vista metalúrgico. En este sentido, se hace indispensable conocer cómo afecta la aplicación de estos recubrimientos a las propiedades termo-físicas del componente en el que se aplican. Para ello, en el Capítulo 9 de la presente Tesis Doctoral se analizan las propiedades termo-físicas de los sistemas sustrato-recubrimiento empleados, tomando como referencia los valores de difusividad térmica obtenidos con la técnica laser-flash para el recubrimiento Ni20Cr. Los resultados obtenidos tras el análisis de las propiedades termo-físicas fueron muy favorables ya que el empleo de estos recubrimientos no produjo una reducción de los valores de difusividad térmica de los sustratos empleados. Esta Tesis Doctoral se ha presentado como un compendio de artículos, expuesto en 6 capítulos que abarcan desde el Capítulo 4 hasta el Capítulo 9.