BR102015005097A2

BR102015005097A2 - artigo e método para produzir um artigo.

Info

Publication number: BR102015005097A2
Application number: BR102015005097A
Authority: BR
Inventors: Steven Rosenzweig Larry; Sarrafi-Nour Reza
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2017-02-07
Also published as: JP2015174821A; JP6689572B2; CA2883818A1; EP2918570A3; US20160003063A1; CA2883818C; CN104908396B; CN104908396A; US9938839B2; EP2918570A2; EP2918570B1

Abstract

resumo "artigo e método para produzir um artigo" trata-se de artigos (200) adequados para uso como componentes de máquina de alta temperatura que incluem um substrato (202) e um revestimento de barreira ambiental (210) disposto sobre o substrato (202), em que o revestimento de barreira ambiental (210) inclui pelo menos uma camada de autovedação hermética (212) formada a partir de uma mistura que inclui um aluminossilicato de metal terroso alcalino e um silicato de terra rara e em que a pelo menos uma camada de autovedação hermética (212) exibe substancialmente nenhuma rede remanescente ou expansão residual quando submetida a tratamento por calor de alta temperatura. o revestimento de barreira ambiental (21 o) pode incluir adicionalmente um revestimento de ligação (204) disposto entre o substrato (202) e a camada de autovedação hermética (212), um revestimento superior (214) disposto sobre a camada de autovedação hermética (212) e/ou uma camada intermediária (216) disposta entre a camada de autovedação hermética (212) e o revestimento de ligação (204). a camada intermediária (216) pode incluir um material de barreira que seja substancialmente inerte em relação a sílica.

Description

“ARTIGO E MÉTODO PARA PRODUZIR UM ARTIGO” [0Q11 A presente revelação refere-se a artigos adequados para componentes de máquina de alta temperatura. Mais particularmente» a presente revelação se refere a sistemas de revestimento para proteger os componentes de máquina da exposição a ambientes de alta temperatura. A presente revelaçio -também se refere a métodos para proteger os artigos.

Antecedentes [002] Materials de alta temperatura como, por exemplo, cerâmicas, ligas e intermetáiicos, oferecem propriedades atrativas para uso em estruturas projetadas para serviço em altas temperaturas em tais aplicações como motores de turbina a gás, trocadores de calor e motores de combustão interna, por exemplo. No entanto, a característica de ambientes dessas aplicações, em geral, contém espécies reativas, como vapor de água, que em altas temperaturas pode causar degradação significante da estrutura de metal. Por exemplo, o vapor de água mostrou causar recesso de superfície significante e perda de massa em materiais com base em silício. A taxa de perda de materíaiyé, em geral, inaceitavelmente alta para as aplicações.

[003] Os revestimentos de barreira ambiental (EBG's) são aplicados a materiais com base em silício e outros materiais suscetíveis a ataques por espécies reativas, como vapor de água de alta temperatura; em que os EBCs fornecem proteção proibindo-se o contato entre o ambiente e a superfície do material. Os EBCs aplicados a materiais ..com base em silicío, por exemplo, são projetados para ser relativamente estáveis quimicamente em ambientes que contém vapor de água de alta temperatura. Um sistema EBC convencional exemplificatívo, conforme descrito, na Patente ns U.S. 6,410.148, compreende um silício ou camada de ligação de sílíea aplicada a um substrato oom base em silício; uma camada intermediária que compreende mutita ou uma mistura de aluminossilicato alcalino terroso e mulita depositada sobre a camada de ligação e uma camada superior que compreende um aluminossilicato alcalino terroso depositado sobre a camada Intermediária, Em outro exemplo, a Patente ns U.S. 6.296.941, a camada superior é uma camada de silicato de ítrio em vez de um silicato de alumínio, [004] Os sistemas de revestimento acima podem fornecer proteção adequada para artigos em ambientes rigorosos, mas oportunidades para aprimoramento em desempenho de revestimento existem para alcançar maiores temperaturas de serviço. Por exemplo, materiais de silicato de ítrio, como dissilicato de ítrio e monossilicato de ítrio, podem fornecer capacidade para operação em altas temperaturas, mas podem ser propensos a rachadura durante serviço de alta temperatura. A tecnologia de EBC atual geralmente usa processos de aspersão de plasma para depositar os revestimentos, principalmente devido à flexibilidade do processo para depositar uma grande variedade de materiais, sua habilidade para fornecer uma ampla gama de espessuras de revestimento sem grandes modificações de processo e a facilidade relativa de depositar uma camada de revestimento, No entanto, revestimentos, de cerâmica processados por aspersão de plasma, em geral, contêm porosidade aberta indesejável na forma de uma rede de rachaduras finas fmicrorrachaduras") interceptando de outro modo poros fechados e cavidades. A rede de microrrachadura é formada principalmente por arrefecimento e solidificação de rachaduras e cavidades inerentes ao processo de depósito de,revestimento; em que as rachaduras, em geral, formam entre as camadas de material sucessivamente depositado e entre os “respingos* individuais formados quando partículas fundidas ou parcialmente fundidas são aspergidas sobre a superfície de revestimento. Para aplicações de EBC, a porosidade aberta no revestimento pode ser prejudicial. As mesmas fornecem uma passagem rápida para penetração de vapor de água e outras espécies gasosas e, consequentemente, a deterioração localizada acelerada das camadas de revestimento subjacentes, [005] Diversos métodos foram implantados para atenuar o problema de porosidade aberto em revestimentos de cerâmica. Em algumas aplicações, os revestimentos são aplicados em um substrato quente (T>800 graus Celsius) com o uso de processamento de aspersão de plasma. A deposição em um substrato quente reduz a diferença entre a temperatura de substrato e a temperatura de tesão do material de revestimento e, desse modo, reduz a tendência para formação de rachaduras de arrefecimento. No entanto, a extensão da técnica de processo de depósito a quente para componentes grandes é desafiadora devido à alta temperatura de substratos e às restrições associadas à manipulação das partes e da ferramenta de revestimento. Em outras aplicações, o revestimento EBC aspergído de plasma é submetido a um processo de depósito posterior para impregnara estrutura de revestimento não hermético com precursores de materiais adequados, por exemplo, saís inorgânicos e orgânicos solúveis e alcóxidos que rendem mediante o tratamento por calor de um material de preenchimento de poro final compatível com a matriz de revestimento. Θ material de preenchimento bloqueia ou restringe a via para a, penetração de vapor de água. Tal processo é descrito na Patente na U.5. 7.595.114. Embora esse método seja relativamente fácil de implantar, pode exigir múltiplos ciclos de impregnação por queima para alcançar aprimoramentos de permeabilidade de revestimento e, em certos casos, pode não fornecer uma estrutura de revestimento completamente hermética.

[006] Muitos arquiteturas de sistema EBG atuais usadas para proteção de componentes de composto de matriz cerâmica (CMC) incluem uma arquitetura de revestimento de camadas múltiplas que compreende uma camada de revestimento de ligação de barreira de oxigênio de silício aspergida de plasma por ar (APS) no CMC, seguida por uma camada de revestimento de dissilicato de terra rara, seguida por um siiicato de alumínio de bário e estrôncio (BSAS), seguido por outra camada de dissilicato de terra rara e, então, um revestimento superior de monossilicato de ítrio (YMS). Foi revelado que as camadas de revestimento de siiicato de terra rara aplicadas através do processo APS exibem uma expansão de rede que segue um tratamento por calor de ar de alta temperatura para cristalizar os materiais de revestimento depositados desse modo príneipalmente amorfos. Essa expansão de rede foi identificada como uma causa de rachadura e separações entre as camadas ao redor de recursos geométricos radiais convexos de componentes.

[007] Tentativas anteriores foram feitas para depositar composições de siiicato de terra rara completamente ou quase completamente cristalinas com o uso de aspersão de plasma por ar combinado com controle de alta temperatura de substrato acima de cerca de 800 °C. É extremamente difícil alcançar e manter tais altas temperaturas de deposição em componentes de CMC grandes e geometricamente complexos.

[008] Os artigos que compreendem um substrato e uma camada de vedação substancialmente hermética e de autovedação disposta sobre o substrato foram descritos na Patente ns U.S. 7.968.217 e na Publicação de Pedido de Patente n2 U.S, 2011/0052925. No entanto, esses artigos são limitados a processos de fabricação, composições e arquiteturas de EBC de camadas múltiplas particulares.

[009] Portanto, há uma necessidade por artigos protegidos por sistemas de revestimento robustos que têm capacidade aprimorada e arquiteturas simplificadas para servir como uma barreira ao vapor de água e outras espécies ambientais prejudiciais. Também há uma necessidade adicional por métodos para produzir esses artigos econômica e reprodutivamente.

[010] A presente revelação é direcionada a superar essas e outras deficiências na técnica.

B^SSlSáoliSiiiM |011] A presente revelação fornece· artigos adequados para uso como componentes de máquina de alta temperatura. Em uma revelação, a presente revelação fornece um artigo que compreende um substrato e um revestimento de barreira ambiental disposto sobre o substrato. O revestimento de barreira ambiental compreende pelo menos uma camada de áutòvedação hermética formada a partir de uma mistura que compreende um aluminossiiicato de metal terroso alcalino e um silicato de terra rara. A pelo menos uma camada de autovedaçio hermética exibe substancialmente nenhuma rede remanescente ou expansão residual quando submetida a um tratamento por calor de alta temperatura.

[0121 Em uma revelação, o revestimento de barreira ambiental do artigo compreende adicionalmente um revestimento de .ligação disposto entre o substrato e a camada de autovadaçflo hermética.

[013] Em..,outra, revelação, o revestimento de barreira ambiental do artigo compreende adícionalmente um. revestimento superior disposto sobre a camada·de·'autovedaçio hermética.

[014] Em uma revelação adicionai, o revestimento de barreira ambiental do artigo compreende adicionalmente uma camada intermediária disposta entre a camada de autovedaçio hermética e o revestimento de ligação, em· .que a camada intermediária, compreende um material de barreira que é..substancialmente inerte em relação-a sílica.

[0.15} A presente revelação também fornece um método para produzir um artigo adequado para uso como um componente de máquina de alta temperatura. Em uma revelação, esse método compreende as etapas de: fornecer um substrato e depositar um revestimento de barreira ambienta!· sobre o substrato, em que o revestimento de barreira ambiental compreende pelo menos uma camada de autovedação hermética formada a partir de uma mistura que compreende um aluminossilicato de metal terroso alcalino e um sílicato de terra rara e em que a pelo menos uma camada de autovedação hermética exibe substancialmente nenhuma rede remanescente ou expansão residual quando submetida a tratamento por calor de alta temperatura após o depósito, [016] A. presente revelação fornece arquiteturas, sistemas e métodos de EBC que tratam o problema.da expansão de rede que segue um tratamento por calor de ar de alta temperatura para cristalizar os materiais de revestimento de APS conforme depositados principalmente amorfos. Conforme notado, essa expansão de rede foi identificada como uma causa de rachadura e separações entre as camadas ao redor de recursos geométricos radiais convexos de componentes. De acordo com a presente revelação, para minimizar essa expansão de rede, em diversas realizações, um revestimento que compreende diversas misturas de materiais de sílicato de terra rara e aluminossilicato alcalino terroso de 90 por cento de volume silicato de terra rara a 50 por cento de volume sílicato de terra rara pode ser usado. As medições de dilatometria em revestimentos independentes mostraram que a expansão dos revestimentos diminuiu em relação a uma amostra de silicato de terra rara monolítico durante a exposição térmita. As misturas que contêm menos que cerca de 90 por cento em peso de silicato de terra rara exibiram expansão de rede desprezível mediante o aquecimento a 1.350 °C e resfriamento até a temperatura ambiente, [017] Esses e outros objetivos, recursos e vantagens dos sistemas e métodos da presente revelação se tomarão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir dos diversos aspectos da presente revelação tomados em conjunto com os desenhos anexos.

Breve...

[018] A Figura 1 é um desenho esquemático de uma revelação de um artigo (200) da presente revelação que tem um substrato (202) e um revestimento.de barreira ambiental (210) disposto sobre o substrato.

[019] A Figura 2 é um desenho esquemático de uma revelação de um artigo (200) da presente revelação que tem um substrato (202) e um revestimento de barreira ambiental (210) disposto sobre o substrato. Diversas camadas de revestimento de barreira ambientei 210 são mostradas, as quais incluem revestimento de ligação 204 (opcional), camada de autovedação hermética 212, revestimento superior 214 (opcional) e camada intermediária 216 (opcional).

[020] A Figura 3 é um fluxograma, de acordo com aspectos da revelação que ilustra uma revelação de um método para produzir um artigo da presente revelação.

[021] A Figura 4 é um gráfico que mostra o comportamento de alongamento de camadas de composto de BSAS/silicate de terra rara diferentes fabricadas junto â APS.

Descrição Detauiapa [022] Em geral, os artigos, sistemas e métodos da presente revelação são eficientes para provar um sistema de revestimento isento de defeito e mais confiável, partícularmente ao redor de borda pequena radial de lâminas, caçambas, protetores ou outros componentes de motor de composto de matriz cerâmica (CMC) complexos. Em uma revelação mais particular, a presente revelação também permite menos camadas de revestimento funcionais combinando-se efetivamente duas camadas juntas, desse modo, produzindo um sistema de revestimento mais econômico. Também controlando-se a expansão de rede .da camada de revestimento próxima a zero, a presente revelação permite adicionalmente um ciclo de tratamento por calor térmico mais rápido a ser utilizado que também pode reduzir tempo de processamento de revestimento geral sem o risco de danos de rachadura e delaminação para o revestimento.

[023] De acordo com um aspecto» a presente revelação fornece um artigo adequado para componentes de máquina de alta temperatura. Conforme usado no presente documento, um “componente de máquina de alta temperatura" se refere a qualquer componente ou subcomponente de uma máquina que é projetada para serviço em altas temperaturas, em que as altas temperaturas podem ser de pelo menos 800 °C e, mais partioularmente, podem estar entre cerca de 800 °C e cerca de 1.350 °C, Exemplos de tais máquinas projetadas para serviço em altas temperaturas podem incluir, porém, sem limitação, motores de turbina a gás, trocadores de calor, motores de combustão interna e similares.

[024] Em uma revelação, o artigo compreende um substrato e um revestimento de barreira ambiental disposto sobre o substrato. O revestimento de barreira ambiental compreende pelo menos uma camada de autovedação hermética formada a partir de uma mistura que compreende um aluminossilicato de metal terroso alcalino e um silicato de terra rara. A pelo menos uma camada de autovedação hermética exibe substancialmente nenhuma rede remanescente ou expansão residual quando submetida a tratamento por calor de alta temperatura após um processo de depósito. Em realizações particulares, submeter a camada de autovedação um tratamento por calor de alta temperatura se refere a tal tratamento por calor realizado após a deposição da pelo menos uma camada de autovedação hermética.

[025] Conforme usado no presente documento, "substancialmente nenhuma rede remanescente ou expansão residual” se refere a uma faixa de expansão de -0,2% a +0,2% de uma camada de revestimento de objeto (por exemplo, uma camada de autocura) quando medida em um corpo independente da camada de revestimento sujeita conforme depositada através de dilatômetro quando o mesmo é aquecido pela “primeira vez” a uma temperatura de <1.350 °C, preferencialmente na faixa de 800 °C a 1.350 °C, [026] Conforme usado no presente documento, o termo “processo de depósito" também pode ser chamado no presente documento como “depósito" ou “processo de deposição.” Além disso, a “disposição” de um revestimento sobre um substrato ou outra camada também pode se referir ao campo de “depositar” uma camada sobre outra camada com o uso de um processo de depósito.

[027] O termo “autovedação” conforme usado no presente documento significa que pelo menos uma fração do revestimento é produzida a partir de material (“material de vedação") com capacidade para formar uma fase com capacidade de fluxo, como uma fase vítrea ou liquida, em ou acima de uma temperatura conhecida (“temperatura de vedação”) que está abaixo de uma temperatura de fusão do volume do revestimento. Essa fase vítrea ou líquida tem uma viscosidade na temperatura de vedação adequada para permitir que a fase com capacidade de fluxo flua e pelo menos parcialmente preencha defeitos como rachaduras e poros, desse modo, intensificando a habilidade do revestimento para bloquear o movimento de espécies prejudiciais do ambiente externo no substrato. Por esse mecanismo, o revestimento pode vedar a si mesmo; ou seja, pode aumentar sua resistência a transporte de espécies prejudiciais sem o uso de, por exemplo, um material de vedação separado depositado dentro de poros e rachaduras. Desse modo, em algumas realizações, a camada de vedação é substancialmente isenta de qualquer material adicional disposto dentro de superfícies internas da camada de vedação; essa limitação, certamente, não exclui as realizações em que uma camada adicional está disposta sobre a camada de vedação. Θ termo “substaneialmente hermético” conforme usado no presente documento significa que o revestimento mostra uma permeabilidade de gás, ou seja, abaixo de cerca de 2*10-14 cm2 (cerca de 2*10"6 Darcy), o limite de detecção de técnicas de medição comumente usadas.

[0.283 A fração da camada de vedação produzida a partir do material de vedação, pode ser 'selecionada dependendo de diversos fatores» que incluem», por exemplo» a·, densidade esperada de defeitos que precisam.ser vedados e a viscosidade esperada, da fase com capacidade de fluxo. .Em algumas realizações» essa fração é de pelo menos cerca de 1% em volume de camada" de vedação total; em realizações particulares, a fração é de pelo menos 1.0% em volume.

[029J A temperatura de vedação tipicamente é relacionada a uma transformação ou transição de fase que ocorre dentro do material de vedação. Por exemplo, a temperatura de vedação pode ser escolhida para estar acima de uma temperatura de transição de vidro para uma fase vítrea que se forma no material de vedação. De modo alternativo, a temperatura de vedação pode ser escolhida .para estar em ou acima de uma temperatura de fusão, como uma temperatura eutética ou a temperatura de sólidos, para uma composição ou fase ".particular, presente no material de vedação. Em algumas realizações, a temperatura de vedação é de pelo menos cerca de 800 .graus Celsius e, em realizações particulares» a temperatura de vedação é de pelo menos cerca de 1.350 graus Celsius. Em certas realizações, a. temperatura de operação do artigo é selecionada para estar abaixa da· temperatura de vedação, de modo que o revestimento· não forme novamente uma-fase com capacidade de fluxo durante o serviço·. No entanto, pode haver certas aplicações em que ter uma fase com capacidade de fluxo na camada, dei védaçio durante serviço é aceitável ou desejável e, então, as realizações da presente·invenção também incluem aquelas:.em que a temperatura de vedação está abaixo da. temperatura de serviço. {030| Em termos gerais, a..composição da camada de vedação é selecionada de modo que em uma dada temperatura de vedação selecionada, pelo menos uma fração da camada de vedação seja tanto uma fase líquida quanto uma fase vítrea com capacidade de fluxo, conforme descrito acima. O comportamento de transformação de fase como uma função de composição e temperatura é bem conhecido na técnica para muitos materiais e, desse modo, o procedimento para selecionar materiais adequados para uso em realizações da presente invenção será evidente para profissionais com base nas descrições gerais apresentadas no presente documento. Além das características de transformação de fase descritas acima, outras características de material como, por exemplo, resistência ambiental, facilidade de fabricação, compatibilidade química com materiais adjacentes e outras propriedades, são geralmente levadas em consideração quando seleciona-se um material particular para uso em uma aplicação específica.

[031] Em algumas realizações, a camada de vedação compreende um material de cerâmica, como um óxido. Por exemplo, materiais de aluminossilicato podem ser selecionados devido a sua utilidade como revestimento de barreiras ambientais para uso em tais aplicações de alta temperatura como componentes de turbomáquina. Em: certas realizações, a camada de vedação compreende um aluminossilicato de terra rara. Conforme usado no presente documento, o termo “aluminossilicato de terra rara" é amplamente aplicável a qualquer material, ou seja, o produto que mistura ou reage pelo menos um óxido de terra rara, óxido de silício e óxido de alumínio e esse termo se aplica a qualquer material que tenha uma composição que seja abrangida de uma seção isotérmica ternária que tenha óxido de terra rara, óxido de silício e óxido de alumínio em respectivos ápices. Deve-se verificar que o componente de óxido de terra rara pode, em algumas realizações, abranger mais que um elemento de terra rara, desse modo, tornando o material geral uma mistura ou produto de mais que três óxidos. Por exemplo, uma composição produzida misturando-se e/ou reagindo-se (1) dois ou mais óxidos de terra rara, (2) oxido de silício e (3) óxido de alumínio é considerada para estar dentro do escopo do termo “aluminossilicato de terra rara” conforme usado no presente documento, Em algumas realizações, o aluminossilicato de terra rara compreende pelo menos um elemento selecionado a partir do grupo que consiste em itrio, escindio, gadolínio, disprósio, ólmio, érbio, túlio, itérbio e lutécio, .[032] Certas composições de aluminossilicato de terra rara fornecem vantagens relativas devido a sua habilidade para formar quantidades efetivas de fase desejável com capacidade de fluxos (isto é, líquido ou vidro), para resistir ambientes de alta temperatura, a serem economicamente processadas ou uma combinação desses ou outros fatores. Geralmente, a sílica, alumina e óxido de.terra rara são fornecidos em proporções relativas que possibilitam a formação de uma fase vítrea ou uma fase líquida acima de uma temperatura de cerca de 900 °C. Em uma revelação, o aluminossilicato de terra rara compreende até cerca de 62% em mol de sílica, Em outra revelação, o aluminossilicato de terra rara compreende até cerca de 60% em mol de alumina. Em ainda outra revelação, o aluminossilicato de terra rara compreende até cerca de 33% em mol de óxido de terra rara, [033] Em uma revelação, o artigo da presente revelação inclui uma mistura que compreende o aluminossilicato de metal terroso alcalino em uma quantidade entre cerca de 10 por cento de volume e cerca de 50 por cento de volume da mistura. Em outra revelação, a mistura compreende silicato de terra rara em uma quantidade entre cerca de 50 por cento de volume e cerca de 90 por cento de volume da mistura.

[034] Em uma revelação, o aluminossilicato de metal terroso alcalino.compreende aluminossilicato de bário. e estrôncio (BSAS).

[035] Os siiicatos de terra rara adequados para uso na presente revelação incluem, porém, sem limitação, um monossilicato de terra rara e um dissilicato de terra rara. Os monossilieatos de terra rara adequados podem incluir, por exemplo, monossilicato de Itrio (YMS), monossilicato de itérbio (YbMS), monossilicato de lutécio (LuMS) e combinações dos mesmos.

[036] Os dissilicatos de terra rara adequados para uso na presente revelação incluem, porém, sem limitação, dissilicato de Itrio (YDS), dissilicato de itérbio (YbDS), dissilicato de lutécio (LuDS) e combinações dos mesmos como, porém, sem limitação a, dissilicato de itrio itérbio (YbYDS), dissilicato de itrio lutécio (LuYDS), lutécio-itérbio-ítrio (LuYbYDS) e assim por diante.

[037] Em uma revelação do artigo da presente revelação, o revestimento de barreira ambiental compreende adicionalmente um revestimento de ligação disposto entre o substrato e a camada de autovedação hermética. Em uma revelação particular, o revestimento de ligação compreende silício ou um silicato de metal. Em outra revelação, o revestimento de ligação compreende pelo menos um material selecionado a partir do grupo que consiste em silício elementar e um silicato.

[038] Em outra revelação do artigo da presente revelação, o revestimento de barreira ambiental compreende adicionalmente um revestimento superior disposto sobre a camada de autovedação hermética. Os revestimentos superiores adequados podem compreender pelo menos um material selecionado a partir do grupo que consiste em um monossilicato de terra rara e um dissiliGato de terra rara.

[039] Em outra revelação do artigo da presente revelação, o revestimento de barreira ambiental compreende adicionalmente uma camada Intermediária disposta entre a camada de autovedação hermética e o revestimento de ligação, em que a camada intermediária compreende um material de barreira que é substancialmente inerte em relação a sílica. Os materiais de barreira adequados podem incluir, por exemplo, um dissilicato de terra rara. Os materiais de barreira adequados também podem incluir, porém, sem limitação, um dissilicato de ítrio e um dissilicato de ítrio itérbio ou quaisquer combinações dos mesmos.

[040] Em uma revelação, o substrato compreende silício. Em outra revelação, o substrato compreende pelo menos um material selecionado a partir do grupo que consiste em nitreto de silício, dissilicato de molibdênio e earboneto de silfcio. Em outra revelação, o substrato compreende um material composto de matriz cerâmica.

[041] Os artigos da presente revelação podem incluir componentes de um conjunto de turbina a gás. Em realizações particulares, o componente pode incluir, porém, sem limitação, uma pá, uma lâmina, um protetor ou um componente de incinerador.

[042] A presente revelação também fornece um método para produzir um artigo adequado para uso como um componente de máquina de alta temperatura. Em uma revelação, esse método compreende as etapas de: depositar um revestimento de barreira ambiental sobre um. substrato, em que o revestimento de barreira ambiental compreende pelo menos uma camada de autovedação hermética formada a partir de uma mistura que compreende um afumínossicato de.metal terroso alcalino e um silicato de terra rara e submeter a pelo menos uma. camada de autovedação hermética a um tratamento, por calor de alta temperatura em uma faixa de cerca de 800 graus Celsius· a cerca de 1.350 graus Celsius·durante um tempo suficiente para que pelo menos uma porção da camada de autovedação flua, desse modo, formando o artigo, em que a pelo menos uma camada de autovedação hermética exibe substancialmente nenhuma rede remanescente ou expansão residual quando submetida ao dito tratamento por calor de alta temperatura após o depósito.

[043] Conforme usado no presente documento, o termo “tratamento por calor de alta temperatura” se refere a um tratamento por calor em que a temperatura é suficiente para que peio menos uma porção da pelo menos uma.camada de autovedaçâo hermética da presente revelação flua. As temperaturas adequadas para uso no “tratamento por caior de alta temperatura” da presente revelação também são descritas e chamadas no presente documento de “temperatura de vedação". {044] Conforme usado no presente documento em relação a esse método, o termo “depositar” também pode ser chamado de um “processo de depósito”, "dispor* e similares.

[045] Em outra revelação, a etapa de depositar o revestimento de barreira ambiental sobre o substrato compreende: dispor um revestimento de ligação sobre o substrato e depositar a mistura sobre o revestimento de ligação para formar a pelo menos uma camada de autovedaçâo hermética sobre o revestimento de ligação do substrato.

[046] Em outra revelação, a etapa de depositar o revestimento de barreira ambiental sobre o substrato compreende: dispor um revestimento de ligação sobre o substrato, depositar a mistura sobre o revestimento de ligação para formar a peio menos uma camada de autovedaçâo hermética sobre o revestimento de ligação do substrato e dispor um revestimento .superior sobre.· a camada de autoveda0o.'.hermétíca.

[047] Em ainda outra revelação, a etapa de depositar o revestimento de barreira ambiental sobre o substrato compreende: dispor um revestimento de ligação sobre o substrato; dispor uma camada intermediária sobre o revestimento de ligação, em que a camada intermediária compreende um material de barreira que é substancialmente inerte em relação a sílica e depositar a mistura sobre a camada intermediária para formar a peio menos uma camada de autovedaçâo hermética sobre a camada intermediária do substrato.

[048] Sem se destinar a limitar o escopo da presente revelação, em realizações particulares, o método envolve misturar um material de BSAS que não se expande com um material de silicato de terra rara que se expande. Durante um ciclo de tratamento por calor de aquecimento e resfriamento, o BSAS absorve efetivamente a tensão produzida durante o aquecimento e a cristalização do material de silicato de terra rara. Portanto, em um aspecto, a presente revelação soluciona deficiências na técnica produzindo-se uma camada de revestimento que compreende misturas de BSAS e silicato de terra rara de modo que a expansão da camada de revestimento resultante possa ser controlada. Isso funciona para minimizar ou eliminar estresses induzidos sobre as camadas de revestimento subjacente do sistema de revestimento EBC durante o tratamento por calor do EBC após o processo de depósito.

[049] A Figura 1 e a Figura 2 retratam artigos exemplificativos 200 da presente revelação. Nessas realizações particulares, o revestimento de barreira ambiental 210 é disposto sobre um substrato 202. Em certas realizações, o artigo 200 é um componente de um conjunto de turbina a gás, como, por exemplo, um forro de combustão, peça de transição, protetor, pá ou lâmina. A habilidade do revestimento de barreira ambiental 210 para proteger o substrato 202 da exposição a vapor de água em altas temperaturas pode ser vantajosa para sua aplicação a componentes de turbina de mancai de silício. Será entendo que embora a aplicação de realizações da presente invenção possa ser descrita em referência às aplicações em substratos de mancai de silício para proteção contra ataques por vapor de água, tais referências são exemplificativas e aquelas realizações da presente invenção incluem materiais de substrato além de materiais de mancai de silício.

[050] A Figura 2 ilustra diversas camadas exemplificativas que podem compreender revestimento de barreira ambiental 210, conforme descrito em maiores detalhes abaixo de. Cada uma das camadas de revestimento de barreira ambiental 210 retratadas sâo opcionais, com a exceção da camada de autevedaçfio hermética 212, [051J Conforme mostrado na Figura 2, em certas aplicações, o revestimento de barreira ambientai 210 inclui adicionalmente revestimento de iígaçâo 204 disposto entre o substrato 202 e a camada de autovedaçio hermética. 212.

[052J Conforme mostrado na Figura 2, em certas aplicações, o revestimento de barreira ambiental 210 inclui adicionalmente revestimento superior 214 disposto sobre a camada de autovedação hermética 212. O revestimento superior 214 pode ser usado para fornecer isolamento térmico (um revestimento de barreira térmica), proteção ambiental (um revestimento de barreira ambiental) ou uma combinação dessas funções, A seleção de um material de revestimento superior adequado irá depender do tipo de ambiente no qual o artigo deve ser exposto, da composição dos revestimentos subjacentes e substrato, do custo de processamento e de outros fatores conhecidos,na.técnica. Em algumas realizações, o revestimento superior 214 é um material de cerâmica. Muitas classes de materiais de cerâmica são conhecidas por sua habilidade para servir como revestimentos de barreira ambiental e/ou térmica; esses materiais incluem, mas sem limitação, sifioatos, alumonossilicatos e zireônia estabilizada por ftrio, Em certas realizações, o revestimento superior 214 contém um monossilícato de terra rara e/ou dissilicato de terra rara; em realizações particulares, o revestimento superior 214 é um revestimento de camada dupla, com uma camada externa de monossilícato de terra rara e uma camada interna de dissilicato de terra rara. Os elementos de terra rara associados a esses materiais de monossilícato e dissilicato, em algumas realizações, podem incluir um ou mais de itrio, itérbío, lutécio e eseândio. Um exemplo particular é aquele em que a camada externa é monossilícato de itrio e a camada interna é um dissilicato de terra rara.

[053] Conforme mostrado na Figura 2, em certas aplicações, o revestimento de barreira ambiental 210 inclui adicionalmente camada intermediária 216 disposta entre a camada de autovedação hermética 212 e o revestimento de ligação 204, em que a camada intermediária 216 compreende um material de barreira que é substancíalmente inerte em relação a sflica, Im certa revelação, a camada intermediária é produzida a partir de um material de barreira que seja substancialmente inerte em relação a óxido de silício para promover a estabilidade química no sistema de revestimento, “Substancialmente inerte” significa que há no máximo apenas interação acidental (solubilidade ou reatividade) entre a sflica e o material de barreira. Os dissilicatos de terra rara, como dissilicatos de (trio, itérbio, lutécio, escândio e outros elementos de terra rara, são exemplos não limitantes de materiais de barreira. adequados.

[054] A espessura de qualquer uma das diversas camadas de revestimento descritas acima é geralmente escolhida para fornecer proteção adequada para um dado tempo de serviço enquanto mantém os estresses térmicos em um nível sustentável. Além disso, a espessura de revestimento também pode ser determinada peta habilidade de um. método de revestimento selecionado para produzir uma camada contínua sobre a área de deposição. Exemplos não limitantes de faixas de espessura aproximadas para os diversos revestimentos incluem o seguinte: para a camada de vedação, de cerca de· 25 micrômetros a cerca de 150 micrômetros; para o revestimento de ligação, de cerca de 75 micrômetros a cerca de 1.25 micrômetros; para a camada intermediária, de cerca de 50 micrômetros a cerca de 100-micrômetros; para o revestimento superior camada, de cerca de 50 micrômetros a cerca de 250 micrômetros. Para a realização de revestimento superior de camada dupla descrita acima, a camada externa de mpnossiiicato de ítrio pode ser de cerca de 25 micrômetros a cerca de 50 micrômetros em certas realizações.

[055] Os revestimentos descritos acima podem ser depositados com: o uso de tecnologia de revestimento conhecida na técnica. As realizações da presente invenção são de interesse particular em que os métodos para deposição de revestimento sio usados tipicamente resultando em uma quantidade substancia! de rachadura e porosidade aberta interna. A tecnologia de aspersâo de plasma e processos de revestimento com base em pasta aquosa são exemplos de métodos de revestimento comumente usados que geram revestimentos com tais recursos. Em tais casos, a presença da camada de vedação serve para aumentar consideravelmente a hermeticidade e, desse modo, a eficácia de proteção do revestimento.

[056] A fim de ativar o caráter de autovedação da camada de vedação, a camada de vedação é aquecida à temperatura de vedação (descrita acima) na qual pelo menos uma porção da camada de vedação irá fluir; a porção fluida, desse modo, se move em rachaduras e poros e, mediante a solidificação, veda esses defeitos que serviríam de outro modo como vias para espécies prejudiciais, como vapor de água, do ambiente para o substrato. Dependendo'do. caráter do revestimento, das economias do processamento e de outros fatores, a etapa de aquecimento pode ser realizada imediatamente após depositar a camada de vedação, após todos os revestimentos serem depositados, mas antes de colocar o artigo terminado em serviço ou mesmo durante o próprio serviço se for permitido que .a temperatura de serviço seja suficientemente ■ alta.

[057] A temperatura de vedação é mantida durante um tempo efetivo para permitir que o tempo para o material fluido .alcance e pelo menos parcialmente preencha ou de outro, modo vede os defeitos. A duração de tempo necessária para alcançar isso é geralmente selecionada com base no número e caráter dos defeitos a ser vedados e a quantidade de material fluido disponível na camada de vedação. Em uma revelação, a camada de vedação é aquecida a uma temperatura de vedação em uma faixa de cerca de 800 °C a cerca de 1.350 °C durante um tempo na faixa de cercai de 30 minutos a cerca de 10 horas; em realizações particulares o tempo está na faixa de cerca de 30 minutos a cerca de 4 horas. Em algumas realizações, a temperatura está na faixa de cerca de 900 °C a 1050 °C durante um tempo na faixa de cerca de 30 minutos a cerca. de. 4 horas. Em outras realizações, a temperatura está na faixa de-cerca de 950 °Ç a 1.050. °G durante um tempo na faixa de cerca de 30 minutos a cerca de 4 horas, enquanto em outras realizações a temperatura é de cerca de 1.350 °C durante um tempo nessa faixa. A etapa de aquecimento para vedar o revestimento pode ser realizada em ar, vácuo, em uma atmosfera inerte ou outro ambiente, dependendo pelo menos em parte das exigências dos materiais que são aquecidos (isto é, o substrato e outras camadas de revestimento, se presentes).

[058] Conforme mostrado na Figura 3, em .uma revelação, o método 100 da presente revelação compreende depositar um revestimento de barreira ambiental sobre um substrato, em que o revestimento de barreira ambiental compreende pelo menos uma camada de autovedação hermética formada a partir de uma mistura que compreende um aluminossílicato de metal terroso alcalino e um silleato de terra rara (110). A pelo menos uma camada de autovedação hermética para tratamento por calor de alta temperatura em uma faixa de cerca de 800 graus Celsius a cerca de 1,350 graus Celsius durante um tempo suficiente para que pelo menos uma porção da camada de autovedação flua, desse modo, formando o artigo (120). A pelo menos uma camada de autovedação hermética exibe substancialmente nenhuma rede remanescente ou expansão residual quando submetida ao dito tratamento por calor de alta temperatura apôs p.depósito. usas [059] Os exemplos a seguir se destinam a ilustrar realizações particulares, mas não se destinam a limitar o escopo das técnicas e sistemas presentes.

Exemplo. 1 [060] Os dados experimenteis em relação a diversas realizações de um artigo e/ou método da presente revelação são fornecidos abaixo nesse exemplo.

[061] Os revestimentos monolíticos independentes individuais de cerca de 1.000 a 1.500 mícrons de espessura foram aspergidos de plasma por ar com razões de mistura combinadas diferentes de dissilicato de ítrio itérbio e pós de BSAS. Os pós foram mecanicamente combinados com razões de mistura de 90:10, 70:30, 60:40 e 50:50 por cento de volume de dissilicato de ítrio itérbio:BSAS. As medições de dilatometria com o uso de um dilatômetro vertical de haste impulsora dupla comercial operado em modo diferencial foram conduzidas em cada um dos revestimentos independentes produzidos com o uso das razões de mistura diferentes. Conforme mostrado na Figura 4, a expansão de rede após um ciclo de tratamento por calor de aquecimento e resfriamento em ar de 25 graus Celsius a 1.350 graus Celsius foi próxima a zero por cento ou ligeiramente negativa para misturas de 60:40 e 50:50, e cerca de 0,4% para a mistura de 90:10. A expansão de rede típica para 100% de revestimentos de dissilicato de ítrio itérbio foi entre cerca de 0,4% e cerca de 0,7%.

Exemplo 2 [062] Os dados experimenteis em relação a diversas realizações de um artigo e/ou método da presente revelação são fornecidos abaixo nesse exemplo.

[063] Os conjuntos de revestimento com camadas múltiplas foram depositados por aspersão de plasma por ar em substratos de composto de matriz cerâmica de carboneto de silício. Uma amostra foi revestida com uma primeira camada de cerca de 100 microns de silício, seguida por uma segunda camada de dissilicato de ítrio itérbio de cerca de 200 microns, seguida por uma terceira camada de monossílicato de ítrio de cerca de 50 microns. Uma segunda amostra foi revestida com uma primeira camada de cerca de 100 microns de silício, seguida por uma segunda camada de dissilicato de ítrio itérbio de cerca de 50 microns, seguida por uma terceira camada produzida a partir de uma mistura de 60:40 de dissilicato de ítrio itérbior-BSAS de cerca de 150 microns, seguida por uma quarta camada de monossílicato de ítrio de cerca de 50 microns. Uma terceira amostra foi revestida de modo similar à segunda amostra, exceto que a terceira camada produzida a partir de uma mistura de volume de 50:50 por cento. As três amostras foram tratadas a quente em ar por 10 horas a 1.315 graus Celsius. Seguindo o tratamento por calor, as amostras foram expostas a ciclos múltiplos de 2 horas de exposição em um ambiente de. 90%. de vapor de água/10% de oxigênio a 1.315 °C. Após 500 horas de exposição, as amostras foram seccionadas e metalograficamente examinadas para avaliação.microestrutural e para medir a espessura.da escala de óxido formada na interface, entre, e camada de ligação de.silício e a segunda camada. A espessura de escala de óxido da primeira amostra foi sobre um fator 2 vezes mais alto que o medido nas segunda, e terceira amostras que demonstram..hermeticidade aprimorada das misturas que contêm BSAS.

[064] Adicionalmente·, cada amostra foi fabricada com cerca, de um raio convexo de 1.500 microns· nos cantos que antecedem a deposição de revestimento. Na primeira amostra apenas, apôs as 500 horas de exposição, houve separação significativa e da camada de· revestimento de ligação de silício do-substrato de composto de matriz cerâmica, de carbonato de silício nos cantos, comcxídação severa do.substrato, o que demonstra que a. expansão de rede próxima, a zero das camadas misturadas aprimora a. resistência a hermeticidade e rachad.ura em recursos geométricos de raio convexo.

[065] Embora diversas realizações tenham sido retratadas e descritas em detalhes no presente documento» será evidente para aqueles versados na térmica relevante que diversas modificações, adições, substituições e similares podem ser feitas sem se afastarem do espírito da invenção e essas sio» portanto, consideradas para estarem dentro do escopo da invenção conforme definido nas reivindicações a seguir.

BEMMPtgAgÔiS

Claims

1. ARTIGO {200}., caracterizado pelo fato de que compreende: um substrato (202); e um revestimento de barreira ambiental (210) disposto sobre o substrato (202), em que o revestimento de barreira ambiental (210) compreende pelo menos uma camada de autovedaçdo hermética (212) formada a partir de uma mistura que compreende um aiuminossilicato de metal terroso alcalino e um silicato de terra rara, e em que a pelo menos uma camada de autovedação hermética (212) exibe substaneiaimente nenhuma rede remanescente ou expansão residual quando submetida a tratamento por calor de alta temperatura,

2. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura compreende o aiuminossilicato de metal terroso alcalino em uma quantidade de entre cerca de 10 por cento de volume e cerca de 50 por cento de volume da mistura.

3. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura compreende silicato de terra rara em uma quantidade de entre cerca de 50 por cento de volume e cerca de 90 por cento de volume da mistura.

4. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aiuminossilicato de metal terroso alcalino compreende aiuminossilicato de bário e estrôncio (BSAS).

5. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o silicato de terra rara é selecionado a partir do grupo que consiste em um monossilicato de terra rara e um dissilicato de terra rara.

6. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o monossíllcato de terra rara é selecionado a partir do grupo que consiste em monossilicato de ítrio (VMS), monossilicato de itérbio (YbMS), monossilicato de lutécio (LuMS) e combinações dos mesmos.

7. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dissilicato de terra rara é selecionado a partir do grupo que consiste em dissilicato de itrio (YDS), dissilicato de itérbio (YbDS), dissilicato de lutécio (LuDS) e quaisquer combinações dos mesmos, em que as ditas combinações são selecionadas a partir do grupo que consiste em dissilicato de ítrio itérbio (YbYDS), dissilicato de itrio lutécio (LuYDS) e lutécio-itérbio-ítrio (LuYbYDS).

8. ARTIGO (200), de acordo coro a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento de barreira ambiental (210) compreende adicionalmente um revestimento de ligação (204) disposto entre o substrato (202) e.a camada de autovedação hermética (212).

9. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o revestimento de ligação (204) compreende silício ou um siKçato-.de metal.

10. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o revestimento de ligação (204) compreende pelo menos um material selecionado a partir do grupo que consiste em silício elementar e um silicato.

11. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento de barreira ambiental (210) compreende adicionalmente um revestimento superior (214) disposto sobre a camada de autovedação hermética (212).

12. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o revestimento superior (214) compreende pelo menos um material selecionado a partir do grupo que consiste em um monossilicato de terra rara e um dissilieato de terra rara.

13. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento de barreira ambiental (210) compreende adicionalmente uma camada intermediária (216) disposta entre a oamada de autovedação hermética (212) e o revestimento de ligação (204), em que a camada intermediária (216) compreende um material de barreira que é substancialmente inerte.em. .relação a silica.

14. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o material de barreira compreende um dissilieato de terra rara.

15. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado* pelo fato de que o material de barreira é selecionado a partir do grupo que consiste em um dissilieato de (trio e um dissilieato de ítrio itérbio.

16. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 1, » caracterizado pelo fato de que o substrato (202) compreende silício.

17. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato (202) compreende pelo menos um material selecionado a partir do grupo que consiste em nitreto de silício, dissilieato de molibdênio e carboneto de silício.

18. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 17, caracterizado* pelo fato de que o substrato (202) compreende um material composto de matriz cerâmica.

19. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o artigo (200) compreende um componente de um conjunto de turbina a gás,

20. ARTIGO (200), de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o componente é uma pá, uma lâmina, um protetor ou um componente de incinerador.

21. MÉTODO PARA PRODUZIR UM ARTIGO (200), caracterizado pelo fato de que o dito método compreende: depositar um revestimento de barreira ambiental (210) sobre um substrato (202), em que o revestimento de barreira ambiental (210) compreende pelo menos uma camada de autovedaçio hermética (212) formada a partir de uma mistura que compreende um aluminossilicato de metal terroso alcalino e um silicato de terra rara; e submeter a pelo menos uma camada de autovedaçâo hermética (212) um tratamento por calor de alta temperatura em uma faixa de cerca de 800 graus Celsius a cerca de 1.350 graus Celsius durante um tempo suficiente para que pelo menos uma porção da camada de autovedaçâo (212) flua, desse modo, formando o artigo (200), em que a pelo menos uma camada de autovedaçio hermética (212) exibe substancialmente nenhuma rede remanescente ou expansão residual quando submetida ao dito tratamento por calor de. alta temperatura apôs o depósito.

22. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que depositar o revestimento de barreira ambiental (210) sobre o substrato (202) compreende: dispor um. revestimento de ligação (204) sobre o substrato (202); e depositar a mistura sobre o revestimento de ligação (204) para formar a pelo menos uma., camada de autovedaçâo hermética (212) sobre o revestimento de ligação (204).do substrato (202).

23. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que depositar o revestimento de barreira ambiental (210) sobre o substrato (202) compreende: dispor um revestimento de ligação (204) sobre o substrato (202); depositar a mistura sobre o revestimento de ligação (204) para formar a pelo menos uma camada de autovedação hermética (212) sobre o revestimento de ligação (204.) do substrato (202); e dispor um revestimento superior (214) sobre a camada de autovedação hermética (21.2),

24. MÉTODO;, de acordo com a reivindicaç&o..21, caracterizado pelo fato de que depositar o revestimento de barreira ambiental (210) sobre o substrato (202) compreende: dispor um revestimento de ligação (204) sobre o substrato (202); dispor uma camada intermediária (216) sobre o revestimento de ligação (204), em que a camada intermediária (216) compreende um material de barreira que seja substancialmente inerte em relação a sílica; e depositar a mistura sobre a camada intermediária (216) para formar a pelo menos uma camada de autovedação hermética (212) sobre a camada, intermediária (216) do substrato (202).