Recubrimientos de materiales compuestos CNF/cerámica y CNF/metal mediante proyección térmica por plasma atmosférico

Una máxima que se plantea en la sociedad actual es la consecución de una mayor eficiencia en los procesos industriales, reduciendo factores como el peso, mejorando la respuesta con los ciclos de los materiales y sobretodo y, ante todo, dando el máximo de funcionalidad y fiabilidad a los sistemas. Cuando esta premisa se traslada a equipos que trabajan a altas temperaturas como turbinas o la conducción eléctrica en altos hornos, es necesario plantearse el estudio de nuevos materiales para conformar las zonas que sufren mayor estrés térmico. Clásicamente se han utilizado aleaciones metálicas de Al-Zr-Cr o de base Ni-Cr para estas zonas, pero como alternativas a estas se han empezado a investigar cerámicos como el Si3N4 y SiC reforzados con fibras. A pesar de las mejores propiedades que se pueden obtener con estos materiales, el máximo problema al que se enfrentan es la corrosión en caliente, la corrosión debida al vapor de agua a elevada temperatura que se encuentra en el interior de estos aparatos. Para solucionar este problema, la estrategia general consiste en aplicar un recubrimiento protector (barrera ambiental) frente a estas atmósferas altamente corrosivas, del mismo modo en que se aplican barreras térmicas para proteger de la oxidación de metales a alta temperatura. Estas barreras ambientales son estructuras multicapas, donde cada capa tiene que ser compatible químicamente con las anexas, presentar unos coeficientes de contracción y dilatación también compatibles tanto con las otras capas como con el sustrato y soportar ciclos térmicos sin degradación de ningún tipo. Por otro lado, en los componentes de los motores que sufren mayor estrés térmico, es necesario mejorar los materiales para proteger estas partes de la oxidación, siendo necesario un buen comportamiento a los ciclos como en el caso anterior, aparte de fluencia tanto a temperatura ambiente como a alta temperatura. Lograr cumplir todas estas propiedades no es baladí, sino que supone un reto para la ciencia de materiales y la ingeniería en general. La presente tesis plantea la generación de una barrera ambiental basada en mullita/nanofibras de carbono sobre sustratos de acero y la generación de recubrimientos Al12Si/nanofibras de carbono sobre sustratos de acero para aplicaciones como pantallas térmicas aplicables en automoción.Maximum raised in today's society is to achieve greater efficiency in industrial processes, reducing factors such as weight, improving response to the cycles of materials and both giving maximum functionality and reliability to systems. When this premise is moved to equipments at high working temperatures such as turbines or electrical conduction in blast furnaces, it is necessary to consider the study of new materials to form areas suffering larger heat stress. Classically Al-Zr-Cr or Ni-Cr alloys are used for these areas, but SiN and fiber-reinforced SiC have been studied as alternatives. Even better properties can be obtained with these ceramic materials, the maximum problem is faced to hot corrosion, corrosion due to water vapor at high temperature which is within these devices. To solve this problem, the overall strategy is to apply a protective coating (environmental barrier) against these highly corrosive atmospheres, such as thermal barriers to protect the oxidation of metals at high temperature are applied. These environmental barriers are multilayer structures, each layer must be compatible chemically with the adjacent layers, presenting similar contraction and expansion coefficients, being compatible with the other layers and substrate and withstand thermal cycling without any degradation. Furthermore, engine components suffer high thermal stress, then it is necessary to improve the materials to protect these parts from oxidation, a good performance with cycles, apart from being necessary creep both at room temperature and high temperature. Achieve all these properties is not trivial, but it is a challenge for materials science and engineering in general. This thesis presents the option to generate mullite /carbon nanofibers environmental barriers on steel substrates and Al12Si/carbon nanofibers thermal barriers on steel substrates for applications such as automotive heat shields