Caracterización de cerámicas circona-carburo de silicio procesadas por Spark Plasma Sintering

Abstract

[ES] En el presente trabajo fin de máster se pretende abordar el desarrollo de materiales compuestos cerámicos empleados en el sector aeroespacial que actúen como barreras térmicas en turbinas de gas. Los requerimientos de estos materiales son severos, ya que han de resistir altas temperaturas en ambientes abrasivos protegiendo los álabes metálicos. Para ello se han empleado composites de cerámicas base ZrO2 reforzadas con diferentes proporciones de SiC y procesadas mediante Spark Plasma Sintering (SPS). Como matriz del composite se empleó circona tetragonal dopada con un 4% mol de itria (4YTZP), un material ampliamente estudiado por su baja conductividad térmica, alta tenacidad, alta dureza y alto coeficiente de expansión térmica. Como refuerzo se seleccionó carburo de silicio (SiC) por sus buenas propiedades mecánicas y su capacidad de inhibición en la propagación de las grietas, aumentando así su tenacidad. Los diferentes composites 4YTZP-SiC obtenidos se han sinterizado en vacío por la técnica noconvencional de Spark Plasma Sintering a diferentes temperaturas (1300, 1350 y 1400 °C), con una presión uniaxial de 80 MPa, una rampa de calentamiento de 100 °C/min y una estancia 5 min. Una vez obtenidos los composites, se han caracterizado mediante difracción de rayos X. Se ha estudiado su microestructura mediante técnicas de FESEM y se han analizado sus propiedades mecánicas mediante microdureza y tenacidad. Por último, para estudiar el comportamiento de estos materiales en ambientes abrasivos, se han realizado ensayos de rayados en los que se ha variado la carga y la profundidad de penetración.

[CA] En el present treball fi de màster es pretén abordar el desenvolupament de materials compostos ceràmics empleats en el sector aeroespacial que actuen com a barreres tèrmiques en turbines de gas. Els requeriments d'aquests materials són severs, ja que han de resistir altes temperatures en ambients abrasius protegint els àleps metàl·lics. Per a això s'han emprat composites de ceràmiques base ZrO2 reforçades amb diferents proporcions de SiC i processades mitjançant Spark Plasma Sintering (SPS). Com a matriu del composite es va emprar circona tetragonal dopada amb un 4% mol de itria (4Y-TZP), un material àmpliament estudiat per la seua baixa conductivitat tèrmica, alta tenacitat, alta duresa i alt coeficient d'expansió tèrmica. Com a reforç es va seleccionar carbur de silici (SiC) per les seues bones propietats mecàniques i la seua capacitat d'inhibició en la propagació de les clivelles, augmentant així la seua tenacitat. Els diferents composites 4YTZP-SiC obtinguts s'han sinterizado en buit per la tècnica no-convencional de Spark Plasma Sintering a diferents temperatures (1300, 1350 i 1400 °C), amb una pressió uniaxial de 80 MPa, una rampa de calfament de 100 °C/min i una estada 5 min. Una vegada obtinguts els composites, s'han caracteritzat mitjançant difracció de raigs X. S'ha estudiat la seua microestructura mitjançant tècniques de FESEM i s'han analitzat les seues propietats mecàniques mitjançant microdureza i tenacitat. Finalment, per a estudiar el comportament d'aquests materials en ambients abrasius, s'han realitzat assajos de ratllats en els quals s'ha variat la càrrega i la profunditat de penetració.

[EN] This final master's degree project aims to address the development of ceramic composite materials used in the aerospace sector to act as thermal barriers in gas turbines. The requirements of these materials are severe, since they have to resist high temperatures in abrasive environments protecting the metal blades. For this purpose, ZrO2 based ceramic composites reinforced with different proportions of SiC and processed by Spark Plasma Sintering (SPS) have been used. As matrix of the composite, tetragonal zirconia doped with 4% mol of yttria (4YTZP) was used, a material widely studied for its low thermal conductivity, high tenacity, high hardness and high coefficient of thermal expansion. As reinforcement, silicon carbide (SiC) was selected for its good mechanical properties and its ability to inhibit crack propagation, thus increasing its toughness. The different 4YTZP-SiC composites obtained have been sintered in vacuum by the non-conventional Spark Plasma Sintering technique at different temperatures (1300, 1350 and 1400 ºC), with a uniaxial pressure of 80 MPa, a heating ramp of 100 ºC/min and a stay of 5 min. Once the composites have been obtained, they have been characterised by X-ray diffraction. Their microstructure has been studied using SEM techniques and their mechanical properties have been analysed using microhardness and toughness. Finally, to study the behaviour of these materials in abrasive environments, scratch tests have been carried out in which the load and depth of penetration have been varied.