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    Oxidación en un material de revestimiento novedoso para motores de turbina de gas de aviones

    Los procesos de oxidación en el siliciuro de iterbio dependen en gran medida de la cantidad de aire en el ambiente, como lo demuestran las imágenes de microscopía electrónica de barrido y los picos de difracción de rayos X. Crédito:Ryo Inoue de la Universidad de Ciencias de Tokio

    Ciertas secciones de motores aeronáuticos de turbina de gas, que son ampliamente utilizados en aviones, alcanzar regularmente temperaturas superiores a 1, 200 ° C. No hace falta decir que, Cualquier material utilizado en entornos tan duros debe ser duradero y estar a la altura de la tarea. Los compuestos de matriz cerámica hechos de carburo de silicio (SiC) han despertado interés recientemente como candidatos prometedores para motores de turbina de gas. Sin embargo, Estos materiales requieren una capa de revestimiento resistente al calor para evitar la oxidación del SiC y la posterior evaporación del SiO. 2 , que es un proceso que conduce a una disminución en el volumen del material y, por lo tanto, defectos estructurales como grietas grandes o descamación de la capa superior.

    Desafortunadamente, Las capas de revestimiento existentes no pueden prevenir completamente esta oxidación a SiO. 2 porque el oxígeno puede penetrar a través de fisuras microscópicas en estas capas o por simple difusión.

    Para abordar este asunto, Algunos científicos se han centrado en el uso de siliciuro de iterbio (Yb-Si) como material de revestimiento porque el Yb-Si puede alcanzar altos puntos de fusión y sus óxidos son principalmente silicatos de Yb. que permanecen adheridos como una capa de óxido y no se evaporan fácilmente. Sin embargo, no se sabe mucho acerca de los fenómenos fundamentales que tienen lugar en estos materiales a altas temperaturas en ambientes de aire o vapor de agua.

    En un estudio reciente publicado en Intermetálicos , un equipo de científicos, incluido el profesor asociado junior Ryo Inoue, El profesor asistente Yutaro Arai y el profesor Yasuo Kogo de la Universidad de Ciencias de Tokio, y el investigador principal Takuya Aoki de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA), se propusieron comprender los mecanismos de oxidación en Yb-Si. Llevaron a cabo una variedad de experimentos para obtener información sobre el comportamiento de oxidación (y degradación) de diferentes recubrimientos de Yb-Si a altas temperaturas bajo tres tipos de atmósferas:aire, vapor de agua, y una mezcla de ambos.

    Encontrar material resistente al calor seguro y duradero para las partes de alta temperatura de los motores de turbina de gas de los aviones es clave para construir mejores aviones. Crédito:Robert Bye en Unsplash

    Mediante análisis de difracción de rayos X, espectroscopía de energía dispersiva, y microscopía electrónica de barrido, los científicos pudieron visualizar y cuantificar con precisión la morfología y composición de las muestras de Yb-Si antes y después de las pruebas de exposición al calor. Uno de los principales hallazgos fue que la relación Yb a Si fue un factor importante en la definición del comportamiento de oxidación del material; Yb 5 Si3 oxidó más que Yb 3 Si 5 debido a la oxidación preferencial de Yb en siliciuro. Es más, la cantidad de óxido disminuyó considerablemente en atmósferas más ricas en vapor de agua.

    Más importante, Los investigadores exploraron los mecanismos por los cuales el contenido de iterbio puede afectar la formación de SiO. 2 . "Después de la exposición al calor de ambos siliciuros en vapor, encontramos SiO 2 en Yb 5 Si 3 , mientras que Si todavía estaba presente en Yb 3 Si 5 , "comenta el Dr. Inoue, quien dirigió el estudio. "Nuestros análisis indican que SiO 2 el crecimiento se suprime en Yb 3 Si 5 porque SiO 2 participa en, y es el factor limitante de, reacciones que forman silicatos de Yb, ", agrega. Aunque las reacciones intermedias exactas que conducen a la formación de los diversos silicatos Yb aún no se comprenden completamente, el equipo presentó dos vías de reacción altamente posibles. Esto probablemente se aclarará a través de estudios futuros con técnicas de caracterización aún más detalladas.

    En general, este estudio proporciona información significativa sobre lo que sucede durante la oxidación de Yb-Si, que ayudará en el desarrollo de recubrimientos protectores para motores de turbinas de gas aeronáuticas. "Si se puede realizar un recubrimiento que pueda soportar entornos más duros, las piezas del motor se volverán más resistentes al calor, lo que naturalmente conduce a una mayor eficiencia del motor, "comenta el Dr. Inoue.

    Ojalá, Los nuevos avances en la tecnología de recubrimiento reducirán los costos de transporte aéreo y el consumo de combustible. hacer que volar sea más barato y menos perjudicial para el medio ambiente.


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