BR0100137B1 - método de remoção de uma camada de zircÈnia estabilizada por ìtria de isolamento térmico de um componente de motor de turbina a gás. - Google Patents
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Description
"MÉTODO DE REMOÇÃO DE UMA CAMADA DE ZIRCÔNIA ESTABILIZADA POR ÍTRIA DE ISOLAMENTO TÉRMICO DE UM COMPONENTE DE MOTOR DE TURBINA A GÁS"
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a métodos para remoção de revestimentos ce- râmicos. Mais particularmente, esta invenção refere-se a um método para remoção de uma camada de material cerâmico de isolamento térmico, tal como zircônia estabilizada por ítria (ZEI) a partir da superfície de um componente destinado a funcionamento sob altas temperaturas, tal como um componente de um motor de turbina a gás.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Componentes localizados em certas seções de motores de turbina a gás, tais como a turbina, combustor e amplificador, são freqüentemente isolados termicamente com uma camada de cerâmica a fim de reduzir suas temperaturas de funcionamento, o que permite ao motor operar mais eficientemente sob temperaturas mais altas. Esses revestimentos, freqüentemente referidos como revestimentos de barreira térmica (RBT), devem ter baixa condutividade térmica, aderir fortemente ao artigo e permanecer ade- rentes através dos muitos ciclos de aquecimento e esfriamento.
Sistemas de revestimento capazes de satisfazer às exigências acima incluem tipicamente um revestimento de ligação metálica que adere a camada de cerâmica de isolamento térmico ao componente. Óxidos de metal, tal como zircônia (ZrO2) parcial ou totalmente estabilizada por ítria (Y2O3), magnésia (MgO) ou outros óxidos, têm sido am- plamente empregados como material da camada de cerâmica de isolamento térmico. A camada de cerâmica é tipicamente depositada através de pulverização de plasma sob ar (PPA), pulverização de plasma sob baixa pressão (PPBP), ou uma técnica de depo- sição física a vapor (DFV) tal como deposição física de feixe de elétrons a vapor (DF- FEV), o que produz uma estrutura colunar de grãos tolerante à tensão. Revestimentos de ligação são formados tipicamente de um revestimento por difusão resistente a oxida- ção tal como um aluminídio ou aluminídio de platina de difusão, ou uma liga resistente a oxidação tal como MCrAIY (onde M é ferro, cobalto e/ou níquel). Revestimentos de alu- minídio se distinguem de revestimentos de MCrAIY, em que os primeiros são revesti- mentos principalmente de aluminídio intermetálico enquanto os últimos são uma solução sólida metálica que contém uma mistura de fases, incluindo βΝίΑΙ.
Embora avanços significativos tenham sido realizados com materiais e proces- sos de revestimento para tornar tanto o revestimento de ligação resistente ambiental- mente quanto a camada de cerâmica de isolamento térmico, há uma necessidade inevi- tável de remover e substituir a camada de cerâmica sob certas circunstâncias. Por e- xemplo, a remoção poderá ser necessária devido a dano por erosão ou impacto à ca- mada de cerâmica durante operação do motor, ou devido a uma exigência de reparar certas características tal como o comprimento da extremidade de uma lâmina de turbi- na. Remoção da camada de cerâmica poderá também ser necessária durante produção de componentes para tratar problemas tais como defeitos no revestimento, dano por manipulação e a necessidade de repetir operações de produção relacionadas a não- revestimento que requerem remoção da cerâmica, por exemplo, operações de usina- gem por descarga elétrica (UDE).
Métodos atuais de reparo do estado da técnica freqüentemente resultam em remoção do sistema total de RBT, isto é, tanto da camada de cerâmica quanto do re- vestimento de ligação, após o que o revestimento de ligação e a camada de cerâmica têm de ser redepositados. Um método dêsse tipo consiste em usar abrasivos em proce- dimentos tais como decapagem com abrasivo, limpeza a vapor e martelagem de contas de vidro, cada um dos quais é um processo lento e trabalhoso que desgasta a camada de cerâmica e o revestimento de ligação, bem como a superfície do substrato sob o revestimento. Com uso repetitivo, esses procedimentos eventualmente destroem o componente por meio de redução da espessura de parede do componente. Essa des- vantagem é particularmente intensa com difusão de revestimentos de ligação de alumi- nídio, que apresentam uma zona de difusão que se estende à superfície do substrato do componente. Dano a revestimentos de ligação de aluminídio de difusão ocorre geral- mente através de rompimento de fases quebradiças na zona de difusão, tal como fases de PtAI2 de um revestimento de ligação platina-aluminídio, ou na camada aditiva, que é a camada de revestimento de ligação mais externa que contém uma fase de MAI inter- metálica resistente ambientalmente, onde M é ferro, níquel ou cobalto, dependendo do material de substrato. Dano é particularmente provável quando do tratamento de um componente esfriado a ar, tal como uma lâmina de turbina cujas superfícies aerofólias incluem orifícios de esfriamento, dos quais ar refrigerante é descarregado para esfriar as superfícies externas da lâmina.
Conseqüentemente, esforços significativos têm sido feitos para desenvolver processos não-abrasivos para remover revestimentos cerâmicos. Um método desse tipo é um processo de autoclave em que o revestimento cerâmico é submetido a temperatu- ras e pressões elevadas na presença de um composto cáustico. Esse processo verifi- cou-se enfraquecer suficientemente a ligação química entre a cerâmica e camadas de óxido de revestimento de ligação para permitir remoção da camada de cerâmica en- quanto deixando a camada de ligação intacta. Contudo, equipamento de autoclave ade- quado é dispendioso, e técnicas de autoclave têm sido incapazes de remover cerâmica dos orifícios de esfriamento de uma lâmina de turbina esfriada a ar.
Conseqüentemente, o que é necessário é um processo capaz de remover uma camada de cerâmica de um componente sem danificar um substrato subjacente, inclu- indo qualquer revestimento de ligação usado para aderir a camada de cerâmica.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção proporciona um método de remover um revestimento ce- râmico, tal como revestimento de barreira térmica (RBT) de zircônia estabilizada por ítria (ΖΕΙ), da superfície de um componente. Particularmente, exemplos notáveis são com- ponentes de motor de turbina a gás expostos ao ambiente térmico hostil das seções de turbina, combustor e amplificador de um motor de turbina a gás. O método é particular- mente adequado para remover completamente um revestimento cerâmico de isolamen- to térmico de um sistema de revestimento de barreira térmica sem remoção de um re- vestimento de ligação metálica, tal como um revestimento de aluminídio de difusão ou revestimento de MCrAIY, que adere o revestimento cerâmico à superfície do componen- te.
O método desta invenção geralmente envolve submeter o revestimento cerâ- mico a uma solução aquosa de bifluoreto de amônio. Um processo preferido para remo- ver o revestimento cerâmico envolve adicionalmente imersão do componente na solu- ção enquanto mantida sob uma temperatura elevada, e submeter o revestimento a e- nergia ultra-sônica. Usando o método desta invenção, um revestimento cerâmico pode ser completamente removido do componente e de quaisquer orifícios de esfriamento, sem essencialmente nenhuma degradação do revestimento de ligação. Con- seqüentemente, esta invenção permite a deposição de um novo revestimento cerâmico em componentes na produção sem restauração ou substituição do revestimento de li- gação e sem depositar cerâmica adicional nos orifícios de esfriamento, o que seria pre- judicial ao desempenho do componente. Se o componente esteve em funcionamento, tal que o revestimento de ligação foi parcialmente exaurido como resultado de oxidação, o revestimento de ligação pode ser restaurado antes de substituição do revestimento cerâmico.
Uma vantagem significativa desta invenção são os reduzidos custos de traba- lho, equipamento e processamento requeridos para remover um revestimento cerâmico de um sistema de revestimento de barreira térmica. Além do processo e equipamento simplificados que podem ser usados, os custos de trabalho e processo são adicional- mente reduzidos ao se evitar dano e remoção do revestimento de ligação. Além disso, a vida útil de um componente pode também ser prolongada ao se evitar substituição de seu sistema total de revestimento de barreira térmica, uma vez que remoção de um revestimento de ligação resulta em perda da espessura de parede, particularmente se o revestimento de ligação for um aluminídio de difusão que inerentemente compartilha uma zona de difusão significativa com o substrato componente. De modo importante, técnicas do estado da técnica para remover uma camada de cerâmica de um RBT têm sido tipicamente incapazes de remover cerâmica dos orifícios de esfriamento, ou cau- sam dano excessivo ao revestimento de ligação no processo de remoção da cerâmica. Removendo completamente a cerâmica dos orifícios de esfriamento de um componente refrigerado a ar, o desempenho do componente é aperfeiçoado pelo esfriamento da película uniforme restaurada de suas superfícies.
Outros objetivos e vantagens desta invenção serão melhores avaliados a partir da seguinte descrição detalhada.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
Figura 1 é uma vista de seção de uma porção de superfície de uma lâmina de motor de turbina a gás protegida por meio de um sistema de revestimento de barreira térmica que inclui uma camada de cerâmica aderida à superfície da lâmina com um re- vestimento de ligação.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Figura 1 representa uma vista de seção transversal parcial de uma porção ae- rofólia de uma lâmina 10 de turbina de motor de turbina a gás. O substrato 12 da lâmina .10 é mostrado como sendo protegido por meio de um sistema de revestimento de bar- reira térmica 14 composto de uma camada de cerâmica 18 aderida ao substrato 12 a- través de um revestimento de ligação 16. O método desta invenção é dirigido à remo- ção da camada de cerâmica 18 do substrato 12 da lâmina 10 sem remoção ou danifica- ção do revestimento de ligação 16.
Como se trata da situação com componentes sob alta temperatura de um mo- tor de turbina a gás, a lâmina 10 poderá ser formada de uma superliga à base de ferro, níquel ou cobalto. O revestimento de ligação 16 é uma composição resistente a oxida- ção tal como um aluminídio de difusão e/ou MCrAIY, ambos os quais formam uma ca- mada ou escama (não-mostrada) de alumina (AI2O3) em sua superfície durante exposi- ção a temperaturas elevadas. A escama de alumina protege o substrato 12 de superliga subjacente de oxidação e proporciona uma superfície à qual a camada de cerâmica 18 adere mais tenazmente. A camada de cerâmica 18 pode ser depositada através de pul- verização de plasma sob ar (PPA), pulverização de plasma sob baixa pressão (PPBP) ou uma técnica de deposição física a vapor (DFV)1 por exemplo, deposição física de feixe de elétrons a vapor (DFFEV), o que produz uma estrutura colunar de grãos tole- rante a tensão (não-mostrada). Um material preferido para a camada de cerâmica 18 é zircônia estabilizada parcialmente com ítria (zircônia estabilizada por ítria, ou ΖΕΙ), em- bora zircônia estabilizada totalmente com ítria possa ser usada, bem como zircônia es- tabilizada por outros óxidos, tais como magnésia (MgO)1 cálcia (CaO)1 céria (CeO2) ou escândia (Sc2O3).
O método desta invenção envolve remover a camada de cerâmica 18 sem re- moção ou danificação do revestimento de ligação 16, de modo que uma nova camada de cerâmica pode ser depositada no revestimento de ligação 16 original. De acordo com esta invenção, a camada de cerâmica 18 é preferencialmente removida por meio de exposição a uma solução aquosa de remoção de bifluoreto de amônio (NH4HF2) sob uma temperatura elevada. Uma composição adequada para a solução aquosa é de cer- ca de 20 a cerca de 70 gramas de bifluoreto de amônio por litro de solução. Para au- mentar a eficiência da solução, cerca de 0,05 a cerca de 0,2 por cento em volume de um agente de umedecimento pode ser adicionado à solução. Embora não requerida, água destilada ou desionizada é preferida. Agentes de umedecimento adequados con- têm cerca de 1 a 3 por cento em peso de polietileno glicol, com o equilíbrio sendo octil- fenóxi polietoxietanol, com um agente de umedecimento preferido sendo disponível sob o nome TRITON X-100 de Union Carbide. Uma composição preferida para a solução de remoção usando o agente de umedecimento TRITON X-100 é cerca de 30 a cerca de .40 gramas de bifluoreto de amônio por litro de solução, cerca de 0,1 a cerca de 0,2 por cento em volume de TRITON X-100, e o equilíbrio de água destilada ou desionizada.
Um ingrediente opcional para a solução é ácido acético (CH3COOH). Uma composição adequada para uma solução de remoção que contém ácido acético é de cerca de 10 a cerca de 20 gramas de ácido acético por litro de solução, de cerca de 20 a cerca de 70 gramas de bifluoreto de amônio por litro de solução, de cerca de 0,05 a cerca de 0,2 por cento em volume de agente de umedecimento, com o equilíbrio sendo essencialmente água destilada ou desionizada. São preparadas e usadas soluções de remoção adequadas que contêm, por litro de solução, cerca de 16 gramas de ácido acético e cerca de 35 gramas de bifluoreto de amônio, cerca de 0,1 por cento em volu- me do agente de umedecimento TRITON X-100, com o equilíbrio sendo água.
Uma faixa de temperatura adequada para o processo de remoção desta inven- ção é de cerca de 60°C a cerca de 77°C (cerca de 140°F a cerca de 170°F), mais prefe- rencialmente de cerca de 60°C a cerca de 68°C (cerca de 140°F a cerca de 155°F). O tratamento de remoção desta invenção também inclui preferencialmente o uso de ener- gia ultra-sônica transmitida por meio da solução à camada de cerâmica 18. Freqüências de cerca de 20kHz a 40kHz verificam-se adequadas para níveis de energia ultra-sônica de cerca de 50 a cerca de 200 W por galão (cerca de quatro litros) de solução. O trata- mento ultra-sônico pode ser continuado até a camada de cerâmica 18 ser completa- mente removida ou pelo menos suficientemente desprendida de modo que ela possa ser removida através de escovação ou enxaguadura por pulverização sob pressão, tipi- camente em cerca de duas ou cinco horas. Sem tratamento ultra-sônico, uma duração do tratamento total de cerca de quatro a cerca de cinco horas é geralmente suficiente para enfraquecer a ligação química entre a camada de cerâmica 18 e a escama de a- Iumina no revestimento de ligação 16. É previsível que durações mais longas ou mais curtas poderão ser preferidas, dependendo das propriedades do sistema de revestimen- to particular.
Na prática, a solução de remoção desta invenção foi usada para remover RBT de ZEI de aerofólios de superliga à base de níquel sem danificar um revestimento de ligação de aluminídio de platina subjacente. Notavelmente, RBT dentro dos orifícios de esfriamento dos aerofólios foi também removido, enquanto porções dos revestimentos de ligação dentro dos orifícios e revestidas de RBT, bem como revestimento de ligação não-revestido dentro de passagens de esfriamento internas dos aerofólios, não foram atacadas. Após o tratamento, os aerofólios foram revestidos com êxito com RBT sem requerer qualquer restauração do revestimento de ligação. Porque o processo de remo- ção desta invenção removeu completamente o RBT dos orifícios de esfriamento, o de- sempenho térmico dos aerofólios não foi prejudicado pela acumulação de excesso de RBT nos orifícios de esfriamento. Além disso, porque o processo de remoção desta invenção não danifica quaisquer porções dos revestimentos de ligação, etapas de pro- cessamento adicionais para reparar ou substituir os revestimentos de ligação foram desnecessárias. Se as lâminas estiveram em funcionamento, tal que os revestimentos de ligação foram parcialmente exauridos como resultado de oxidação, os revestimentos de ligação, seja um aluminídio de difusão ou tipo MCrAIY, podem ser restaurados antes de deposição de RBT usando uma técnica de aluminização por difusão tal como cimen- tação em pacotes ou aluminização em fase vapor.
Embora a invenção tenha sido descrita em termos de uma modalidade preferi- da, é evidente que outras formas poderiam ser adotadas por aquele versado no estado da técnica. Portanto, o âmbito da invenção deve ser limitado apenas pelas reivindica- ções seguintes.
Claims (13)
1. Método de remoção de uma camada de zircônia estabilizada por ítria (ZEI) (18) de isolamento térmico de um componente de motor de turbina a gás (10) sem re- moção de um revestimento de ligação metálica (16) em uma superfície do componente (10), o qual adere a camada de ZEI (18) ao componente (10), compreendendo a etapa de imersão do componente (10) em uma solução aquosa de decapagem, CARACTERI- ZADO pelo fato de que a etapa de imersão é realizada numa solução aquosa compre- endendo bifluoreto de amônio e um agente de umedecimento, a uma temperatura de60°C a 77°C.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de imersão compreende adicionalmente a aplicação de energia ultra-sônica na camada de ZEI (18) enquanto o componente (10) está imerso na solução.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a solução compreende de 30 a 40 gramas de bifluoreto de amônio por litro da solu- ção
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a solução adicionalmente compreende de 10 a 20 gramas de ácido acético por litro da solução.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de imersão compreende o aquecimento do componente (10) e da solução a uma temperatura de 60 C a 68 C.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o revestimento de ligação (16) é um revestimento de aluminídio de difusão.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de deposição de um material de ZEI (18) em uma superfície do revestimento de ligação (16) exposto após a remoção da camada de ZEI (18).
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a solução compreende de 20 a 70 gramas de bifluoreto de amônio por litro da solu- ção, o remanescente sendo essencialmente água.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a solução compreende de 10 a 20 gramas de ácido acético por litro da solução, de20 a 70 gramas de bifluoreto de amônio por litro da solução e de 0,05 a 0,2 por cento em volume de agente de umedecimento, o remanescente sendo essencialmente água.
10. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a solução compreende cerca de 20 a cerca de 70 gramas de bifluoreto de amônio por litro da solução, cerca de 0,05 a cerca de 0,2 por cento em volume de agente de umedecimento, o remanescente sendo essencialmente água.
11. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a solução aquosa de decapagem compreende um agente de umedecimento com- preendendo de 1 a 3 por cento em peso de polietileno glicol, o remanescente sendo essencialmente octilfenóxi polietoxietanol.
12. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que o componente (10) com- preende adicionalmente um revestimento de ligação metálica (16) que adere o revesti- mento cerâmico (18) ao componente (10), CARACTERIZADO pelo fato de que a solu- ção não remove o revestimento de ligação (16).
13. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a solução compreende adicionalmente ácido acético.
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| B06A | Patent application procedure suspended [chapter 6.1 patent gazette] | ||
| B09A | Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette] | ||
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Free format text: PRAZO DE VALIDADE: 10 (DEZ) ANOS CONTADOS A PARTIR DE 27/11/2012, MEDIANTE O RECOLHIMENTO DA TAXA QUINQUENAL DE MANUTENCAO (ARTIGOS 119 E 120 DA LPI) E OBSERVADAS AS DEMAIS CONDICOES LEGAIS. |
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| B21F | Lapse acc. art. 78, item iv - on non-payment of the annual fees in time | ||
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