Os TBCs falham em vários modos de degradação, incluindo enrugamento mecânico da camada de ligação durante a exposição térmica cíclica (especialmente revestimentos em motores de aeronaves), oxidação acelerada, corrosão a quente ou degradação de depósitos fundidos. Existem também problemas com a oxidação (áreas do TBC começam a descascar) do TBC, o que reduz drasticamente a vida útil do componente metálico, levando à fadiga térmica.

Uma característica fundamental de todos os componentes do TBC é a necessidade de coeficientes de expansão térmica bem combinados entre todas as camadas. Os revestimentos de barreira térmica expandem-se e contraem-se a taxas diferentes à medida que o ambiente aquece e arrefece, por isso, se os materiais nas diferentes camadas tiverem coeficientes de expansão térmica mal ajustados, é introduzida deformação que pode levar à fissuração e, em última análise, à falha do revestimento.

A fissuração na camada de óxido de crescimento térmico (TGO) entre a camada superior e a camada de ligação é o modo de falha mais comum para revestimentos de pás de turbinas a gás. O crescimento do TGO produz uma tensão associada à expansão do volume que persiste em todas as temperaturas. Quando o sistema esfria, ainda mais incompatibilidade é introduzida devido à incompatibilidade nos coeficientes de expansão térmica. O resultado são tensões muito elevadas (2-6 GPa) que ocorrem a baixas temperaturas e podem levar à fissuração e, por fim, à lasca do revestimento de barreira. A formação de TGO também resulta na depleção de Al na camada de ligação. Isto pode levar à formação de fases indesejáveis ​​que contribuem para tensões de incompatibilidade. Todos esses processos são acelerados pelo ciclo térmico que muitos revestimentos de barreira térmica passam na prática.[5]​.

YSZ

O YSZ é o TBC mais estudado e utilizado porque proporciona excelente desempenho em aplicações como motores diesel e turbinas a gás. Além disso, foi um dos poucos óxidos refratários que puderam ser depositados como filmes espessos utilizando a então conhecida tecnologia de pulverização de plasma. Em termos de propriedades, possui baixa condutividade térmica, alto coeficiente de expansão térmica e baixa resistência ao choque térmico. No entanto, tem um limite operacional bastante baixo de 1200 °C devido à instabilidade de fase e pode corroer devido à sua transparência de oxigênio.

Mullita

A mulita é um composto de alumina e sílica, com fórmula 3Al2O3-2SiO2. Possui baixa densidade, boas propriedades mecânicas, alta estabilidade térmica, baixa condutividade térmica e é resistente à corrosão e oxidação. No entanto, sofre cristalização e contração de volume acima de 800 °C, levando a rachaduras e delaminação. Portanto, este material é adequado como alternativa à zircônia para aplicações como motores a diesel, onde as temperaturas da superfície são relativamente baixas e as variações de temperatura no revestimento podem ser grandes.

Alumina

Apenas Al2O3 na fase α é estável entre os óxidos de alumínio. Com alta dureza e inércia química, mas alta condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão térmica, a alumina é frequentemente usada como adição a um revestimento TBC existente. Ao incorporar alumina no YSZ TBC, a resistência à oxidação e à corrosão, bem como a dureza e a resistência de ligação podem ser melhoradas sem alterações significativas no módulo de elasticidade ou na tenacidade. Um desafio da alumina é a aplicação do revestimento por pulverização de plasma, que tende a criar uma variedade de fases instáveis, como a γ-alumina. Quando essas fases finalmente se transformam na fase α estável através do ciclo térmico, segue-se uma mudança significativa de volume de ~15% (γ para α), o que pode levar à formação de microfissuras no revestimento.

CeO2 + YSZ

CeO2 (Ceria) possui maior coeficiente de expansão térmica e menor condutividade térmica que YSZ. A adição de céria a um revestimento YSZ pode melhorar significativamente o desempenho do TBC, especialmente na resistência ao choque térmico. Isto é provavelmente devido à menor tensão da camada de ligação devido ao melhor isolamento e melhor coeficiente de expansão térmica líquida. Alguns efeitos negativos da adição de céria incluem diminuição da dureza e aceleração da taxa de sinterização do revestimento (menos poroso).

zirconatos de terras raras

LaZrO, também conhecido como LZ, é ​​um exemplo de zirconato de terras raras que apresenta potencial para uso como TBC. Este material é estável em fase até o seu ponto de fusão e pode tolerar amplamente lacunas em qualquer uma de suas sub-redes. Juntamente com a capacidade de substituir o local por outros elementos, isto significa que as propriedades térmicas podem ser potencialmente adaptadas. Embora tenha uma condutividade térmica muito baixa em comparação com o YSZ, também possui um baixo coeficiente de expansão térmica e baixa tenacidade.

óxidos de terras raras

A mistura de óxidos de terras raras está disponível, é barata e pode ser promissora como TBCs eficazes. Revestimentos de óxido de terras raras (por exemplo, La2O3, Nb2O5, Pr2O3, CeO2 como fases principais) têm menor condutividade térmica e maiores coeficientes de expansão térmica em comparação com YSZ. O principal desafio a superar é a natureza polimórfica da maioria dos óxidos de terras raras em temperaturas elevadas, uma vez que a instabilidade de fase tende a impactar negativamente a resistência ao choque térmico.

Compósitos de metal e vidro

Uma mistura em pó de metal e vidro normal pode ser pulverizada com plasma a vácuo, com uma composição adequada resultando em um TBC comparável ao YSZ. Além disso, os compósitos metal-vidro apresentam adesão superior da camada de ligação, maiores coeficientes de expansão térmica e nenhuma porosidade aberta, o que evita a oxidação da camada de ligação.

Automotivo

Os revestimentos cerâmicos de barreira térmica são cada vez mais comuns em aplicações automotivas. Eles são projetados especificamente para reduzir a perda de calor dos componentes do sistema de escapamento "Sistema de escapamento (motor)") do motor, incluindo os coletores de escapamento, carcaças do turboalimentador, coletores de escapamento, tubos de descarga e tubos de escape. Este processo também é conhecido como “gerenciamento de calor de exaustão”. Quando utilizados sob o capô, têm o efeito positivo de reduzir as temperaturas do compartimento do motor e, portanto, reduzir as temperaturas do ar de admissão.

Embora a maioria dos revestimentos cerâmicos sejam aplicados em peças metálicas diretamente relacionadas ao sistema de escapamento do motor, os avanços tecnológicos agora permitem que revestimentos de barreira térmica sejam aplicados por pulverização de plasma em materiais compósitos. Agora é comum encontrar componentes revestidos de cerâmica em motores modernos e em componentes de alto desempenho em séries de corrida como a Fórmula 1. Além de fornecer proteção térmica, esses revestimentos também são usados ​​para evitar a degradação física do material compósito devido ao atrito. Isto é possível porque o material cerâmico adere ao compósito (em vez de simplesmente aderir à superfície com tinta), formando assim um revestimento durável que não lasca nem descasca facilmente.

Embora tenham sido aplicados revestimentos de barreira térmica no interior dos componentes do sistema de escape, foram encontrados problemas devido à dificuldade de preparar a superfície interna antes do revestimento.

Aviação

O interesse em aumentar a eficiência dos motores de turbina a gás para aplicações na aviação tem impulsionado pesquisas sobre temperaturas de combustão mais altas. A eficiência da turbina está fortemente correlacionada com a temperatura de combustão. A combustão em temperaturas mais altas melhora a eficiência termodinâmica da máquina, proporcionando uma proporção mais favorável de trabalho gerado em relação ao calor residual.[6] Revestimentos de barreira térmica são comumente usados ​​para proteger superligas à base de níquel tanto do derretimento quanto do ciclo térmico em turbinas de aviação. Combinados com o fluxo de ar frio, os TBCs aumentam a temperatura permitida do gás acima do ponto de fusão da superliga.[7]​.

Para evitar as dificuldades associadas ao ponto de fusão das superligas, muitos pesquisadores estão investigando compósitos de matriz cerâmica (CMCs) como alternativas de alta temperatura. Geralmente, estes são feitos de SiC reforçado com fibra. As peças rotativas são especialmente boas candidatas à mudança de material devido à enorme fadiga que suportam. Os CMCs não apenas têm melhores propriedades térmicas, mas também são mais leves, o que significa que seria necessário menos combustível para produzir o mesmo empuxo para aeronaves mais leves.[8]​ No entanto, a mudança de material não é isenta de consequências. Em altas temperaturas, esses CMCs reagem com água e formam compostos gasosos de hidróxido de silício que corroem o CMC.

SiOH + HO = SiO(OH).

SiOH + 2HO = Si(OH).

2SiOH + 3HO = SiO(OH)[9]​.

Os dados termodinâmicos destas reações foram determinados experimentalmente durante muitos anos para determinar que o Si(OH) é geralmente a espécie de vapor dominante.[10] São necessários revestimentos de barreira ambiental ainda mais avançados para proteger esses CMCs do vapor de água e de outros degradadores ambientais. Por exemplo, à medida que a temperatura do gás aumenta para 1400K-1500K, as partículas de areia começam a derreter e a reagir com os revestimentos. A areia fundida é geralmente uma mistura de óxido de cálcio, óxido de magnésio, óxido de alumínio e óxido de silício (comumente conhecido como CMAS). Muitos grupos de pesquisa estão investigando os efeitos nocivos do CMAS nos revestimentos de turbinas e como prevenir danos. O CMAS é uma barreira importante para o aumento da temperatura de combustão dos motores de turbina a gás e precisará ser resolvido antes que as turbinas experimentem um grande aumento na eficiência devido ao aumento da temperatura.[11]​.

Na indústria, os revestimentos de barreira térmica são aplicados de diversas maneiras:

Além disso, o desenvolvimento de revestimentos e métodos de processamento avançados é um campo de pesquisa ativa. Um exemplo é o processo de pulverização de plasma precursor de solução, que tem sido usado para criar TBCs com algumas das condutividades térmicas mais baixas relatadas sem sacrificar a durabilidade térmica cíclica.

Os TBCs falham em vários modos de degradação, incluindo enrugamento mecânico da camada de ligação durante a exposição térmica cíclica (especialmente revestimentos em motores de aeronaves), oxidação acelerada, corrosão a quente ou degradação de depósitos fundidos. Existem também problemas com a oxidação (áreas do TBC começam a descascar) do TBC, o que reduz drasticamente a vida útil do componente metálico, levando à fadiga térmica.

Uma característica fundamental de todos os componentes do TBC é a necessidade de coeficientes de expansão térmica bem combinados entre todas as camadas. Os revestimentos de barreira térmica expandem-se e contraem-se a taxas diferentes à medida que o ambiente aquece e arrefece, por isso, se os materiais nas diferentes camadas tiverem coeficientes de expansão térmica mal ajustados, é introduzida deformação que pode levar à fissuração e, em última análise, à falha do revestimento.

A fissuração na camada de óxido de crescimento térmico (TGO) entre a camada superior e a camada de ligação é o modo de falha mais comum para revestimentos de pás de turbinas a gás. O crescimento do TGO produz uma tensão associada à expansão do volume que persiste em todas as temperaturas. Quando o sistema esfria, ainda mais incompatibilidade é introduzida devido à incompatibilidade nos coeficientes de expansão térmica. O resultado são tensões muito elevadas (2-6 GPa) que ocorrem a baixas temperaturas e podem levar à fissuração e, por fim, à lasca do revestimento de barreira. A formação de TGO também resulta na depleção de Al na camada de ligação. Isto pode levar à formação de fases indesejáveis ​​que contribuem para tensões de incompatibilidade. Todos esses processos são acelerados pelo ciclo térmico que muitos revestimentos de barreira térmica passam na prática.[5]​.

YSZ

O YSZ é o TBC mais estudado e utilizado porque proporciona excelente desempenho em aplicações como motores diesel e turbinas a gás. Além disso, foi um dos poucos óxidos refratários que puderam ser depositados como filmes espessos utilizando a então conhecida tecnologia de pulverização de plasma. Em termos de propriedades, possui baixa condutividade térmica, alto coeficiente de expansão térmica e baixa resistência ao choque térmico. No entanto, tem um limite operacional bastante baixo de 1200 °C devido à instabilidade de fase e pode corroer devido à sua transparência de oxigênio.

Mullita

A mulita é um composto de alumina e sílica, com fórmula 3Al2O3-2SiO2. Possui baixa densidade, boas propriedades mecânicas, alta estabilidade térmica, baixa condutividade térmica e é resistente à corrosão e oxidação. No entanto, sofre cristalização e contração de volume acima de 800 °C, levando a rachaduras e delaminação. Portanto, este material é adequado como alternativa à zircônia para aplicações como motores a diesel, onde as temperaturas da superfície são relativamente baixas e as variações de temperatura no revestimento podem ser grandes.

Alumina

Apenas Al2O3 na fase α é estável entre os óxidos de alumínio. Com alta dureza e inércia química, mas alta condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão térmica, a alumina é frequentemente usada como adição a um revestimento TBC existente. Ao incorporar alumina no YSZ TBC, a resistência à oxidação e à corrosão, bem como a dureza e a resistência de ligação podem ser melhoradas sem alterações significativas no módulo de elasticidade ou na tenacidade. Um desafio da alumina é a aplicação do revestimento por pulverização de plasma, que tende a criar uma variedade de fases instáveis, como a γ-alumina. Quando essas fases finalmente se transformam na fase α estável através do ciclo térmico, segue-se uma mudança significativa de volume de ~15% (γ para α), o que pode levar à formação de microfissuras no revestimento.

CeO2 + YSZ

CeO2 (Ceria) possui maior coeficiente de expansão térmica e menor condutividade térmica que YSZ. A adição de céria a um revestimento YSZ pode melhorar significativamente o desempenho do TBC, especialmente na resistência ao choque térmico. Isto é provavelmente devido à menor tensão da camada de ligação devido ao melhor isolamento e melhor coeficiente de expansão térmica líquida. Alguns efeitos negativos da adição de céria incluem diminuição da dureza e aceleração da taxa de sinterização do revestimento (menos poroso).

zirconatos de terras raras

LaZrO, também conhecido como LZ, é ​​um exemplo de zirconato de terras raras que apresenta potencial para uso como TBC. Este material é estável em fase até o seu ponto de fusão e pode tolerar amplamente lacunas em qualquer uma de suas sub-redes. Juntamente com a capacidade de substituir o local por outros elementos, isto significa que as propriedades térmicas podem ser potencialmente adaptadas. Embora tenha uma condutividade térmica muito baixa em comparação com o YSZ, também possui um baixo coeficiente de expansão térmica e baixa tenacidade.

óxidos de terras raras

A mistura de óxidos de terras raras está disponível, é barata e pode ser promissora como TBCs eficazes. Revestimentos de óxido de terras raras (por exemplo, La2O3, Nb2O5, Pr2O3, CeO2 como fases principais) têm menor condutividade térmica e maiores coeficientes de expansão térmica em comparação com YSZ. O principal desafio a superar é a natureza polimórfica da maioria dos óxidos de terras raras em temperaturas elevadas, uma vez que a instabilidade de fase tende a impactar negativamente a resistência ao choque térmico.

Compósitos de metal e vidro

Uma mistura em pó de metal e vidro normal pode ser pulverizada com plasma a vácuo, com uma composição adequada resultando em um TBC comparável ao YSZ. Além disso, os compósitos metal-vidro apresentam adesão superior da camada de ligação, maiores coeficientes de expansão térmica e nenhuma porosidade aberta, o que evita a oxidação da camada de ligação.

Automotivo

Os revestimentos cerâmicos de barreira térmica são cada vez mais comuns em aplicações automotivas. Eles são projetados especificamente para reduzir a perda de calor dos componentes do sistema de escapamento "Sistema de escapamento (motor)") do motor, incluindo os coletores de escapamento, carcaças do turboalimentador, coletores de escapamento, tubos de descarga e tubos de escape. Este processo também é conhecido como “gerenciamento de calor de exaustão”. Quando utilizados sob o capô, têm o efeito positivo de reduzir as temperaturas do compartimento do motor e, portanto, reduzir as temperaturas do ar de admissão.

Embora a maioria dos revestimentos cerâmicos sejam aplicados em peças metálicas diretamente relacionadas ao sistema de escapamento do motor, os avanços tecnológicos agora permitem que revestimentos de barreira térmica sejam aplicados por pulverização de plasma em materiais compósitos. Agora é comum encontrar componentes revestidos de cerâmica em motores modernos e em componentes de alto desempenho em séries de corrida como a Fórmula 1. Além de fornecer proteção térmica, esses revestimentos também são usados ​​para evitar a degradação física do material compósito devido ao atrito. Isto é possível porque o material cerâmico adere ao compósito (em vez de simplesmente aderir à superfície com tinta), formando assim um revestimento durável que não lasca nem descasca facilmente.

Embora tenham sido aplicados revestimentos de barreira térmica no interior dos componentes do sistema de escape, foram encontrados problemas devido à dificuldade de preparar a superfície interna antes do revestimento.

Aviação

O interesse em aumentar a eficiência dos motores de turbina a gás para aplicações na aviação tem impulsionado pesquisas sobre temperaturas de combustão mais altas. A eficiência da turbina está fortemente correlacionada com a temperatura de combustão. A combustão em temperaturas mais altas melhora a eficiência termodinâmica da máquina, proporcionando uma proporção mais favorável de trabalho gerado em relação ao calor residual.[6] Revestimentos de barreira térmica são comumente usados ​​para proteger superligas à base de níquel tanto do derretimento quanto do ciclo térmico em turbinas de aviação. Combinados com o fluxo de ar frio, os TBCs aumentam a temperatura permitida do gás acima do ponto de fusão da superliga.[7]​.

Para evitar as dificuldades associadas ao ponto de fusão das superligas, muitos pesquisadores estão investigando compósitos de matriz cerâmica (CMCs) como alternativas de alta temperatura. Geralmente, estes são feitos de SiC reforçado com fibra. As peças rotativas são especialmente boas candidatas à mudança de material devido à enorme fadiga que suportam. Os CMCs não apenas têm melhores propriedades térmicas, mas também são mais leves, o que significa que seria necessário menos combustível para produzir o mesmo empuxo para aeronaves mais leves.[8]​ No entanto, a mudança de material não é isenta de consequências. Em altas temperaturas, esses CMCs reagem com água e formam compostos gasosos de hidróxido de silício que corroem o CMC.

SiOH + HO = SiO(OH).

SiOH + 2HO = Si(OH).

2SiOH + 3HO = SiO(OH)[9]​.

Os dados termodinâmicos destas reações foram determinados experimentalmente durante muitos anos para determinar que o Si(OH) é geralmente a espécie de vapor dominante.[10] São necessários revestimentos de barreira ambiental ainda mais avançados para proteger esses CMCs do vapor de água e de outros degradadores ambientais. Por exemplo, à medida que a temperatura do gás aumenta para 1400K-1500K, as partículas de areia começam a derreter e a reagir com os revestimentos. A areia fundida é geralmente uma mistura de óxido de cálcio, óxido de magnésio, óxido de alumínio e óxido de silício (comumente conhecido como CMAS). Muitos grupos de pesquisa estão investigando os efeitos nocivos do CMAS nos revestimentos de turbinas e como prevenir danos. O CMAS é uma barreira importante para o aumento da temperatura de combustão dos motores de turbina a gás e precisará ser resolvido antes que as turbinas experimentem um grande aumento na eficiência devido ao aumento da temperatura.[11]​.

Na indústria, os revestimentos de barreira térmica são aplicados de diversas maneiras:

Além disso, o desenvolvimento de revestimentos e métodos de processamento avançados é um campo de pesquisa ativa. Um exemplo é o processo de pulverização de plasma precursor de solução, que tem sido usado para criar TBCs com algumas das condutividades térmicas mais baixas relatadas sem sacrificar a durabilidade térmica cíclica.