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English title:	Yttria-stabilized zirconia thermal barrier coatings deposited by atmospheric plasma spraying: theoretical/experimental analysis of the process
Spanish title:	Recubrimientos de barrera t�rmica de zirconia estabilizada con itria depositados por rociado de plasma atmosf�rico: an�lisis te�rico/experimental del proceso
English abstract:	Thermal barrier coatings have made it possible to increase the operating temperature of turbine engines used in air transport. Increasing the gas turbine temperature achieves the safety-critical conditions associated with phase stability for the most commonly used material 7 wt% - 8 wt% yttria-stabilized zirconia. The physical properties of the coating and thermal/chemical stability are intimately related to the properties of the feed powder as well as the deposition parameters, such as pressure, standoff distance, current, powder feed rate, substrate temperature, etc. These parameters are responsible for the deposition kinetics that confer kinetic and thermal energy to the particles to reach the molten or semi-molten state in flight and then collide with the substrate surface to re-consolidate in the form of disk-shaped spatters with a brick-like configuration. Since the deposition process is a cumulative effect of individual particles, during deposition, porosity appears as an inherent characteristic of atmospheric plasma spray processing that depends on the parameters mentioned above. This porosity plays a fundamental role in thermal barrier coatings performance; on the one hand, under controlled conditions, it helps in the reduction of thermal conductivity, and on the other hand, they help to withstand mechanical loads and deformations related to volume changes during heating and cooling cycles. However, yttria-stabilized zirconia consists of a metastable tetragonal phase. The metastability of that phase is strongly influenced by temperature and surface interactions of the coating at temperatures above 1200�C, where phase stability is lost as a function of time and thermal fatigue. Mathematical modeling of atmospheric plasma spray is a very useful tool in the optimization of ceramic coatings for thermal barrier applications. In this contribution, a tool for thermal spraying process analysis based on computational fluid dynamics code considering finite difference method, namely (a) plume, (b) particles in flight, and (c) coating, is presented for the analysis of atmospheric plasma spray process for commercial plasma torch. The current model includes the analysis of swirl effects in the plasma plume, particle behavior in injection, in-flight (plasma interactions), and impact conditions leading to different accumulation and solidification conditions of the deposited coating represented by footprint maps. The model was validated with focused alumina coating deposition experiments and plume characterization to determine in-flight particle velocity, droplet size, and temperatures using diagnostic tools such as differential pulse voltammetry. Experimental evidence of swirl effects on 3D particle trajectories in flight is presented based on the analysis of static and dynamic traces as a function of the separation distance of the deposited Al2O3 using a Metco-9MB torch. The swirl effects were validated with computational fluid dynamics code considering an argon-hydrogen plasma stream, the trajectories of the particles in flight, both the creation of the spray cone and the impact of the particles to form a footprint on a fixed substrate located at different distances up to 120 mm. Static and dynamic traces showed that the swirling produces a slight deviation of the individual particle trajectories and thus rotation of the footprint, which may affect the coating characteristics. Finally, theoretical-experimental results are presented for optimizing 7 wt% - 8 wt% yttria-stabilized zirconia coatings with porosity gradients based on mathematical modeling, plume diagnostic tools, and physical property characterization of the obtained coatings.
Spanish abstract:	Los recubrimientos de barrera t�rmica han permitido aumentar la temperatura de funcionamiento de los motores de turbina utilizados en el transporte a�reo. Al aumentar la temperatura de la turbina de gas se alcanzan las condiciones cr�ticas de seguridad asociadas a la estabilidad de fase para el material m�s utilizado 7 wt% - 8 wt% de circonio estabilizado con itria. Las propiedades f�sicas de recubrimientos 7 wt% - 8 wt% de circonio estabilizado con itria y su estabilidad t�rmica/qu�mica est�n �ntimamente relacionadas con las propiedades del polvo de alimentaci�n, as� como con los par�metros de dep�sito, como la presi�n, la distancia de separaci�n, la corriente, la velocidad de alimentaci�n del polvo, temperatura de substrato, etc. Estos par�metros son responsables de la cin�tica de la deposici�n que confiere energ�a cin�tica y t�rmica a las part�culas para que alcancen el estado fundido o semifundido en vuelo y, a continuaci�n, colisionen con la superficie del sustrato para volver a consolidarse en forma de salpicaduras en forma de disco con una configuraci�n similar a la de los ladrillos. Dado que el proceso de deposici�n es un efecto acumulativo de part�culas individuales, durante el dep�sito, la porosidad aparece como una caracter�stica inherente al procesamiento de rociado de plasma atmosf�rico que depende de los par�metros mencionados. Esta porosidad juega un papel fundamental en el rendimiento del recubrimientos de barrera t�rmica; por un lado, en condiciones controladas, ayuda a la reducci�n de la conductividad t�rmica y por otro ayudan a soportar las cargas mec�nicas y deformaciones relacionadas con los cambios de volumen durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento. Sin embargo, la zirconia estabilizada con itria, consta de una fase tetragonal metaestable. La metaestabilidad de dicha fase est� muy influida por la temperatura y las interacciones superficiales del recubrimiento a temperaturas superiores a 1200�C, donde la estabilidad de la fase se pierde en funci�n del tiempo y la fatiga t�rmica. El modelado matem�tico del rociado de plasma atmosf�rico es una herramienta muy �til en la optimizaci�n de recubrimientos cer�micos para aplicaciones en recubrimientos de barrera t�rmica. En este trabajo se presenta una herramienta para el an�lisis del proceso de proyecci�n t�rmica basado en c�digo de din�mica de fluidos computacional que considera el m�todo de diferencias finitas para el an�lisis del proceso del rociado de plasma atmosf�rico en una pistola de geometr�a conocida. El modelo actual incluye el an�lisis de los efectos de remolino en la pluma de plasma, el comportamiento de las part�culas en la inyecci�n, en el vuelo (interacciones de plasma) y las condiciones de impacto que conducen a diferentes condiciones de acumulaci�n y solidificaci�n del recubrimiento depositado representado por mapas de huellas. El modelo fue validado con experimentos focalizados de deposici�n de recubrimiento de al�mina y caracterizaci�n de la pluma para determinar la velocidad de las part�culas en vuelo, el tama�o de las gotas y las temperaturas utilizando herramientas de diagn�stico como voltametr�a de pulso diferencial.
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Speaker:

Authors

Name	Institution	Email
Gerardo Tr�paga Mart�nez	Centro de Investigaci�n y de Estudios Avanzados del Instituto Polit�cnico Nacional	trapaga@cinvestav.mx
Haidee Ruiz Luna	Universidad Aut�noma de Zacatecas	ruluhaid@uaz.edu.mx
Israel Martinez Villegas	Centro de Investigaci�n y de Estudios Avanzados del Instituto Polit�cnico Nacional	israelmartinez@cinvestav.mx
Juan Mu�oz Salda�a	Centro de Investigaci�n y de Estudios Avanzados del Instituto Polit�cnico Nacional	jmunoz@cinvestav.mx

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Room:	Principal Room
Date:	26 July 2022
Hour:	10:30 - 11:00

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