• El proyecto MIM-TBC ha desarrollado un marco de modelización basado en la microestructura para mejorar la durabilidad, eficiencia y fiabilidad de sistemas aeroespaciales y de generación de energía.

Investigadores de IMDEA Materiales han desarrollado un avanzado marco de modelización computacional que permite el análisis sistemático de los posibles mecanismos de fallo y degradación en los recubrimientos de barrera térmica (Thermal Barrier Coatings o TBC en inglés).

Estos recubrimientos son esenciales para proteger componentes críticos sometidos a altas temperaturas en aplicaciones exigentes como las turbinas de gas.

Al proporcionar una comprensión detallada de los complejos procesos físicos que gobiernan la degradación de los recubrimientos, este marco ofrece una base sólida para comprender el comportamiento de los TBC y favorecer el desarrollo de sistemas de recubrimiento más duraderos.

«Los TBC desempeñan un papel fundamental en la protección de los componentes de la sección caliente de las turbinas de gas frente a la corrosión a altas temperaturas y, de forma especialmente crítica, frente a la oxidación», explica el Dr. Mohammad Jalili, investigador principal del proyecto MIM-TBC, financiado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie.

«Gracias a su excepcionalmente baja conductividad térmica, los TBC cerámicos actúan como una capa aislante que limita la transferencia de calor hacia el sustrato metálico subyacente y reduce su temperatura en aproximadamente entre 100 y 300 °C.»

«Esta protección térmica permite que las turbinas operen a temperaturas que pueden aproximarse o incluso superar el punto de fusión nominal de sus componentes metálicos, haciendo posible una mayor eficiencia térmica, un incremento de la potencia generada y una reducción del consumo de combustible», añade.

En aviación, esta capacidad es esencial para alcanzar las exigentes relaciones empuje-peso y los objetivos de consumo específico de combustible de las aeronaves de nueva generación. En la generación eléctrica terrestre, permite operar a temperaturas de combustión más elevadas al tiempo que proporciona la flexibilidad operativa necesaria para complementar y equilibrar fuentes de energía renovable intermitentes.

La durabilidad de los recubrimientos cerámicos basados en circonia ha quedado ampliamente demostrada tras décadas de investigación y uso industrial. Sin embargo, persiste una vulnerabilidad crítica en la capa de unión metálica (el bond coat en inglés) que proporciona adherencia entre la capa cerámica superior y el sustrato metálico.

Esta capa está expuesta a complejas condiciones térmicas, químicas y mecánicas que pueden impulsar progresivamente procesos de degradación y, en última instancia, comprometer la integridad y la vida útil de todo el sistema TBC.

«Lo que distingue a esta investigación es su enfoque de Ingeniería Integrada Computacional de Materiales (ICME, por sus siglas en inglés), orientado al desarrollo de una plataforma virtual que reproduzca las condiciones reales de funcionamiento de los recubrimientos de barrera térmica (TBCs)», explica el Dr. Jalili. «Esto permite evaluar de forma sistemática la influencia de diferentes características microestructurales y propiedades de los materiales y, en última instancia, optimizar el diseño de los TBCs».

La evolución microestructural de los distintos constituyentes del sistema, combinada con la diferencia en los coeficientes de expansión térmica entre el recubrimiento cerámico, la capa de anclaje (bond coat) y el sustrato metálico, provoca la acumulación de tensiones en las interfaces entre las diferentes capas. Esto favorece la iniciación y propagación de grietas y, en última instancia, la degradación de la interfaz entre la capa de anclaje y la capa de óxido de crecimiento térmico (TGO).

Debido a las severas condiciones de operación, la caracterización experimental resulta especialmente compleja. Por ello, una plataforma virtual de ensayo validada experimentalmente proporcionaría una herramienta muy valiosa para comprender mejor los mecanismos de degradación subyacentes.

El proyecto MIM-TBC, supervisado por el investigador principal de IMDEA Materiales, el profesor Javier Segurado, tiene como objetivo abordar este desafío mediante el desarrollo de un marco computacional innovador que pueda utilizarse como herramienta de diseño para predecir de forma mecanística la evolución del sistema TBC a lo largo de toda su vida útil en servicio.

Al capturar los principales procesos de degradación y sus interacciones, este marco permitirá predecir el comportamiento de los TBC bajo condiciones de operación relevantes y respaldará el diseño y la optimización de recubrimientos con una mayor durabilidad y una vida útil prolongada.

El marco desarrollado tiene en cuenta explícitamente la evolución de las características microestructurales de los materiales y los cambios dinámicos que experimentan durante su vida en servicio. Integra, dentro de un entorno de modelización unificado y totalmente acoplado, la cinética de oxidación, los cambios composicionales y de propiedades impulsados por la difusión, el crecimiento de óxidos, la deformación plástica, la fluencia (creep) y el daño interfacial.

«Este enfoque permite al marco capturar las complejas interacciones entre la evolución microestructural y la degradación mecánica y química del sistema TBC, proporcionando una predicción más realista de su comportamiento a lo largo del tiempo», afirma el Dr. Jalili.

Los fundamentos teóricos del proyecto fueron presentados a la comunidad científica internacional durante el Congreso de Métodos Numéricos en Ingeniería (CMN 2026), celebrado a principios de este año, lo que supuso un importante hito en la difusión y validación de las ecuaciones fundamentales y los modelos constitutivos que sustentan el marco desarrollado.

Aunque la verificación experimental final aún está en curso, el proyecto ya ha establecido la arquitectura de modelización fundamental necesaria para hacer posible una metodología de predicción de vida útil basada en principios físicos para los sistemas de recubrimientos de barrera térmica.

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