BR102015005327A2 - camada hermética, revestimento de barreira ambiental, artigo, matéria-prima de aspersão térmica e método para fabricação - Google Patents
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Abstract
camada hermética, revestimento de barreira ambiental, artigo, matéria-prima de aspersão térmica e método para fabricação trata-se de uma camada hermética à base de silicato de terras raras que inclui um revestimento aspergido térmico que inclui um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética. um revestimento de barreira ambiental inclui uma camada de cobertura de ligação que inclui silício; e pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras depositada na camada de cobertura de ligação através de aspersão térmica. a camada hermética à base de silicato de terras raras inclui um revestimento aspergido térmico que inclui um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética. um artigo de serviço em ambientes extremos pode ser fornecido com tal revestimento de barreira ambiental. uma matéria-prima de aspersão térmica para produzir uma camada hermética à base de silicato de terras raras.
Description
“CAMADA HERMÉTICA, REVESTIMENTO DE BARREIRA AMBIENTAL, ARTIGO, MATÉRIA-PRIMA DE ASPERSÃO TÉRMICA E MÉTODO PARA FABRICAÇÃO” Campo da Técníca [001] As realizações descritas no presente documento geralmente referem-se a composições para produzir revestimentos de barreira ambiental e revestimentos de barreira ambiental que compreendem as mesmas. Mais particularmente, as realizações descritas no presente documento geralmente se referem a revestimentos de barreira ambiental que incluem pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras. Outras realizações são feitas e densíficadas com o uso de pelo menos um auxílio de sinterização.
Antecedentes [002] As temperaturas de operação mais elevadas para motores de turbina a gás têm sido buscadas continuamente a fim de aprimorar sua eficiência. No entanto, à medida que as temperaturas de operação aumentam, a durabilidade da temperatura alta dos componentes do motor deve aumentar de maneira correspondente. Os avanços significativos em capacidades de temperatura alta avançaram através da formulação de ferro, níquel e superligas à base de cobalto. Muito embora superligas tenham encontrado amplo uso para componentes usados por todos os motores de turbina a gás e, especialmente, nas seções com temperaturas mais elevadas, os materiais de componente de peso mais leve alternativos foram propostos.
[003] Os compósitos de matriz de cerâmica (CMCs) são uma classe de materiais que consistem em um material de reforço circundado por uma fase de matriz de cerâmica. Tais materiais, juntos com determinadas cerâmicas monolíticas (isto é, materiais cerâmicos sem um material de reforço), estão, atualmente, sendo usados para aplicações em temperatura mais elevada. Esses materiais cerâmicos são leves em comparação com as superligas e ainda podem fornecer resistência e durabilidade para o componente feito a partir deles. Portanto» tais materiais estão sendo atualmente considerados para muitos componentes de turbina a gás usados em seções de temperatura mais elevada de motores de turbina a gás, como aerofóiios (por exemplo, turbinas e pás de hélice), combustores, coberturas de proteção e outros componentes semelhantes que se beneficiariam com a capacidade de peso mais leve e temperatura mais elevada que esses materiais podem oferecer.
[004] Os CMC e componentes de cerâmica monolítica podem ser revestidos com revestimentos de barreira ambiental (EBCs) para proteger os mesmos contra o ambiente hostil de seções de motor com alta temperatura. Os EBCs podem fornecer uma vedação hermética e densa contra os gases corrosivos no ambiente de combustão a quente» que podem oxidar, rapidamente, CMCs que contêm silício e cerâmicas monolíticas. Adicionalmente, o óxido de silício não é estável em vapor de alta temperatura, mas é convertido em espécie hidróxido de silício volátil (gasoso). Então, os EBCs podem ajudar a impedir as alterações dimensionais no componente de cerâmica devido a tais processos de oxídação e de voiatilízação. infelizmente, pode ter algumas questões indesejáveis associadas aos processos de revestimento industriais padrão como aspersão de plasma e deposição de vapor (isto é, deposição de vapor químico, CVD e deposição física de vapor por feixe de elétrons, EBPVD) atualmente usada para aplicar EBCs.
[005] Uma típica microestrutura de aspersão de plasma (APS) para um dissílicato de terras raras é porosa no estado depositado e não é hermética no sentido da espécie gasosa que causa a voiatilízação do compósito de matriz de cerâmica. Portanto, uma camada vítrea como alumínossilicato de bário e estrondo (BSAS) é aspergida para fornecer uma camada hermética para essa espécie gasosa. No entanto, essa camada vítrea não pode fazer contato com uma fonte de silício, como silício ou sílica, e, então, uma camada adicional de siiicato de terras raras deve ser aspergida para separar a camada vítrea da fonte de síiica. A Figura 1 é uma ilustração de um exemplo de um EBC da técnica anterior que tem camadas à base de siiicato de terras raras não herméticas em combinação com BSAS.
[006] Dessa maneira, permanece uma necessidade por revestimentos de barreira ambiental para proteger os CMCs contra ambientes de vapor de alta temperatura presentes em motores de turbina a gás.
[007] O presente sistema e técnicas são direcionados a superar essas e outras deficiências na técnica.
Descrição Resumida [008] De acordo com um aspecto, a presente revelação fornece uma camada hermética à base de siiicato de terras raras. A camada hermética á base de siiicato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um siiicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica.
[009] De acordo com outro aspecto, a presente revelação fornece um revestimento de barreira ambiental que compreende: uma camada de cobertura de ligação que compreende silício; e pelo menos uma camada hermética à base de siiicato de terras raras depositada na camada de cobertura de ligação através de aspersão térmica. A camada hermética à base de siiicato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um siiicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica.
[010] De acordo com outro aspecto, a presente revelação fornece um artigo que tem um revestimento de barreira ambiental, em que o artigo compreende; um substrato que compreende um compósito de matriz de cerâmica; e um revestimento de barreira ambienta! depositado em uma superfície do substrato. O revestimento de barreira ambiental do artigo compreende: uma camada de cobertura de ligação que compreende silício; e pefo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras depositada na camada de cobertura de ligação através de aspersão térmica, em que a dita camada hermética à base de silicato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica. Em determinadas realizações, uma camada não hermética é depositada entre a camada de cobertura de ligação e a pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras do revestimento de barreira ambiental do artigo. Um exemplo de uma camada não hermética adequada para uso no revestimento de barreira ambiental do artigo pode incluir, sem iímítação, uma camada não hermética que compreende um silicato de terras raras que pode ser, sem limitação, (Ybx,Yi.x)2Sí207, em que 0 < x < 1.
[011] De acordo com outro aspecto, a presente revelação fornece uma matéria-prima de aspersão térmica para produzir uma camada hermética à base de siiicato de terras raras. A matéria-prima de aspersão térmica compreende uma suspensão que compreende um silicato de terras raras e um auxilio de sinterização suspenso em um carreador líquido, em que o auxílio de sinterização compreende um oxido ou uma pluralidade de ôxidos e em que a aspersão térmica da suspensão é eficaz para produzir uma camada hermética à base de silicato de terras raras que compreende um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica. Em uma realização, a matéria-prima de aspersão térmica compreende adicionalmente um tensoativo.
[012] De acordo com outro aspecto, a presente revelação fornece um método para produzir uma camada hermética à base de silicato de terras raras. Esse método inclui as seguintes etapas: fornecer uma matéria-prima de aspersão térmica de acordo com a presente revelação; e submeter a matéria-prima de aspersão térmica a um processo de aspersão térmica para produzir uma camada hermética à base de siiicato de terras raras que compreende um siiicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica.
[013] De acordo com outro aspecto» a presente revelação fornece um método para produzir um substrato que tem um revestimento de barreira ambiental. Esse método inclui as seguintes etapas: fornecer um substrato que compreende um compósito de matriz de cerâmica; e apücar um revestimento de barreira ambiental ao substrato. O revestimento de barreira ambiental inclui: uma camada de cobertura de ligação que compreende silício; e pelo menos uma camada hermética à base de siiicato de terras raras depositada na camada de cobertura de ligação através de aspersão térmica. A camada hermética â base de siiicato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um siiicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica. Em determinadas realizações desse método, uma camada não hermética é depositada entre a camada de cobertura de ligação e a pelo menos uma camada hermética à base de siiicato de terras raras do revestimento de barreira ambiental do artigo. Um exemplo de uma camada não hermética adequada para uso no revestimento de barreira ambientai do artigo pode incluir, sem limitação, urna camada não hermética que compreende um siiicato de terras raras que pode ser, sem limitação, (Ybx,Yi.*)2SÍ207, em que 0 < x < 1.
[014] Conforme fornecido no presente documento» a presente revelação descreve uma composição química que permite que um revestimento de barreira ambiental (EBC) seja termicamente aspergido em um estado hermético. A presente revelação estabelece reduzir a quantidade de camadas de EBC necessária para proteger um compósito de matriz de cerâmica (CMC), por exemplo, de cinco a três. Em uma realização, a presente revelação envolve a adição de oxido de ferro, óxido de alumínio ou qualquer outro auxilio de sinterização para um silicato de terras raras (por exemplo, Yb, Y, Sc, Lu, etc.) ao material de matéria-prima de aspersão térmica. Esses auxílios de sinterização reduzem a temperatura de sinterização do silicato de terras raras substancialmente, o que permite que o revestimento sinterize in-situ até uma densidade hermética (tipicamente > 85% da densidade teórica do silicato de terras raras). Conforme estabelecido no presente documento, a sinterização também pode ser realizada ex-situ, [015] Conforme descrito no presente documento, a presente revelação fornece um meio para abaixar a temperatura de sinterização dos materiais de silicato de terras raras como (Yb e/ou Y}2SÍ20? e {Yb e/ou Y)2Si05. Assim, a camada de aspersão térmica depositada com um auxílio de sinterização elimina a necessidade da camada vítrea e da camada de separação.
[016] Esses e outros objetos, recursos e vantagens dos presentes métodos, sistemas e técnicas se tornarão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir a partir dos vários aspectos da presente revelação considerada em conjunto com os desenhos anexos.
Breve Descrição das Figuras [017] Muito embora o relatório descritivo seja concluído com as reivindicações que destacam especificamente e reivindicam de modo distinto a invenção, acredita-se que as realizações estabelecidas no presente documento sejam mais bem compreendidas a partir da descrição a seguir em conjunto com as figuras anexas, nas quais as referências numéricas semelhantes identificam elementos semelhantes.
[018] A Figura 1 é uma vista em corte transversal esquemática de um revestimento de barreira ambiental na técnica anterior. Conforme mostrado, o revestimento de barreira ambiental 200 tem cobertura de ligação 210 (por exemplo, silício), camada não hermética de (Yb.Y^SiaOj 220, camada de BSAS 230, camada não hermética de (Yb.Y^SiaO/ 240 e camada não hermética de (Yb,Y>2SiOs 250, [019] A Figura 2 é uma vista em corte transversal esquemática de uma realização de um revestimento de barreira ambiental de acordo com a presente revelação, [020] A Figura 3 é uma vista em corte transversa! esquemática de uma realização de um artigo que tem um revestimento de barreira ambiental de acordo com a presente revelação, [021] A Figura 4 é uma vista em corte transversa! esquemática de uma realização de um componente que tem um revestimento de barreira ambiental de acordo com a presente revelação.
[022] A Figura 5 é um micrógrafo de uma realização de uma camada hermética de aspersão térmica de (Yb,Y)2Si207 de acordo com a mesma presente revelação.
[023] As Figuras 6A a 6C são micrógrafos de várias realizações de camadas herméticas de (Yb.YhSiaO? de acordo com a presente revelação. As camadas são mostradas após teste de vapor para hermeticidade. A Figura 6A corresponde à Amostra H2-1344. A Figura 6B corresponde à Amostra H4-1315-50, A Figura 6C corresponde à Amostra P2-1344.
[024] As Figuras 7A a 7B são micrógrafos de várias realizações de camadas não herméticas de (Yb,Y)2Si207 descritas na presente revelação. A Figura 7A corresponde à Amostra H5-1344 e foi testada para vapor. A Figura 7B corresponde à Amostra P3-1344 e foi testada para vapor.
Descrição Detalhada [025] A presente revelação se refere, de modo gerai, a uma camada hermética à base de silicato de terras raras, revestimentos de barreira ambiental que compreendem a camada hermética à base de silicato de terras raras, artigos que têm um revestimento de barreira ambiental conforme revelados, matérias primas de aspersão térmica para produzir a camada hermética à base de siíicato de terras raras, métodos de produção da camada hermética à base de sificato de terras raras e métodos de uso da camada hermética à base de siíicato de terras raras. Em geral, a hermeticidade é alcançada após tratamento térmico da camada de aspersão térmica. Conforme usado no presente documento, o tratamento térmico da camada de aspersão térmica pode ser conduzido in-situ ou ex-situ.
[026] De acordo com um aspecto, a presente revelação fornece uma camada hermética à base de siíicato de terras raras. A camada hermética à base de sificato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um sificato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 86% ou mais de sua densidade teórica. Em várias outras realizações, a camada hermética à base de siíicato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um siíicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 90% ou mais de sua densidade teórica, 95% ou mais de sua densidade teórica, ou 97% ou mais de sua densidade teórica.
[027] Conforme fornecido no presente documento, em determinadas realizações, a microestrutura hermética da camada hermética à base de siíicato de terras raras tem uma porosídade fechada. Em realizações em particular, a porosidade fechada compreende uma porosídade em volume de menos que cerca de 15 por cento. Em várias outras realizações, a porosidade fechada compreende uma porosidade em volume de menos que cerca de 10 por cento, menos que cerca de 5 por cento ou menos que cerca de 3 por cento. Em determinadas realizações, a microestrutura hermética compreende uma fase de siíicato de terras raras denso e uma fase vítrea opcional. Assim, em uma realização, a microestrutura hermética compreende uma fase de sílicato de terras raras denso e uma fase de vítrea. Em outra realização, a mícroestrutura hermética compreende uma fase de sílicato de terras raras denso sem uma fase de vítrea.
[028] Conforme fornecido no presente documento, em determinadas realizações, o revestimento aspergido térmico tem uma espessura entre cerca de 5 micrômetros e cerca de 1.200 micrômetros. Em várias outras realizações, o revestimento aspergido térmico tem uma espessura na faixa entre cerca de 10 a 1.000 micrômetros, de 10 a 800 micrômetros, de 10 a 500 micrômetros, de 10 a 400 micrômetros, de 10 a 300 micrômetros, de 10 a 200 micrômetros, de 10 a 100 micrômetros, de 10 a 50 micrômetros e semelhantes.
[029] Conforme fornecido no presente documento, o sílicato de terras raras de acordo com a presente revelação compreende um elemento de terras raras selecionado a partir do grupo que consiste em itérbio (Yb), ítrio (Y), escândio (Sc), lutêncio (Lu), iantânio (La), cério (Ce), praseodímío (Pr), neodímio (Nd), samário (Sm), disprósio (Dy), ólmio (Ho), érbio (Er), tília (Tm), európio (Eu), gadolínio (Gd), térbio (Tb), promécio (Pm) e uma mistura dos mesmos. Em uma realização, o sílicato de terras raras pode ser (Ybx.Yi-x^SizOy, em que 0 < x s 1 ou (Yby-Yi.y>2Si05, em que 0 < y s 1 ou uma mistura dos mesmos. Em uma realização em particular, o sílicato de terras raras é (YbasYa^SiaO?. Em várias realizações, o siiicato de terras raras compreende de cerca de 90 % em peso a cerca de 99,5 % em peso do revestimento aspergido térmico.
[030] Em uma realização, a camada hermética à base de siiicato de terras raras compreende uma primeira camada que compreende um primeiro siiicato de terras raras e uma segunda camada que compreende um segundo siiicato de terras raras, em que o primeiro siiicato de terras raras é (Yb^Yi-x^SigO?, em que 0 s x < 1, e o segundo siiicato de terras raras é (Yby-Yi.y^SiOs, em que 0 < y s 1. Em uma realização em particular, o primeiro sílicato de terras raras é (Ybo,6Yo,4)2SÍ207 e o segundo silicato de terras raras é Y2Si05.
[031] Conforme fornecido no presente documento, a microestrutura hermética do silicato de terras raras pode ser formada através de sinterização do silicato de terras raras in-situ com um auxílio de sinterização que compreende um óxido ou uma pluralidade de óxidos. Conforme usado no presente documento, o auxílio de sinterização adequado pode incluem, sem limitação, ferro metálico, Ai2G3, Fe304, Si02, Fe203, LiY02 e semelhantes. Em realizações em particular, a pluralidade de óxidos de auxílio de sinterização compreende ferro metálico Ai203, Fe304 e Si02. Em várias realizações, a microestrutura hermética do silicato de terras raras pode ser formada através de sinterização do silicato de terras raras ex-situ.
[032] De acordo com outro aspecto, a presente revelação fornece um revestimento de barreira ambiental que compreende: uma camada de cobertura de ligação que compreende silício; e pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras depositada na camada de cobertura de ligação através de aspersão térmica. A camada hermética à base de silicato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica. Conforme fornecido no presente documento, em várias outras realizações, a camada hermética à base de silicato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 90% ou mais de sua densidade teórica, 95% ou mais de sua densidade teórica ou 97% ou mais de sua densidade teórica.
[033] As várias realizações da camada hermética à base de silicato de terras raras, conforme revelado no presente documento, também se referem ao revestimento de barreira ambiental. Portanto, por exemplo, a microestrutura hermética da camada hermética à base de silicato de terras raras do revestimento de barreira ambientai compreende uma porosidade fechada, em que a porosidade fechada compreende uma porosidade em volume de menos do que cerca de 15 por cento. Conforme fornecido no presente documento, em várias outras realizações, a porosidade fechada compreende uma porosidade em volume de menos do que cerca de 10 por cento, menos do que cerca de 5 por cento ou menos do que cerca de 3 por cento.
[034] Conforme fornecido no presente documento, em determinadas realizações, a camada de cobertura de ligação do revestimento de barreira ambiental compreende uma espessura entre cerca de 1 micrômetro e cerca de 200 micrômetros e a pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras compreende uma espessura entre cerca de 5 micrômetros e cerca de 1.200 micrômetros. Em várias realizações, a camada de cobertura de ligação pode ter uma espessura que varia de cerca de 1 a 150 micrômetros, cerca de 1 a 100 micrômetros, cerca de 1 a 75 micrômetros, cerca de 1 a 50 micrômetros, cerca de 1 a 25 micrômetros, cerca de 1 a 10 micrômetros e semelhantes. Em várias outras realizações, a pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras compreende uma faixa de espessura entre cerca de 10 a 1.000 micrômetros, de 10 a 800 micrômetros, de 10 a 500 micrômetros, de 10 a 400 micrômetros, de 10 a 300 micrômetros, de 10 a 200 micrômetros, de 10 a 100 micrômetros, de 10 a 50 micrômetros e semelhantes.
[035] Em uma realização do revestimento de barreira ambiental, a pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras compreende uma primeira camada que compreende um primeiro silicato de terras raras e uma segunda camada que compreende um segundo silicato de terras raras, sendo que a primeira camada é depositada entre a camada de cobertura de ligação e a segunda camada. Em uma realização, o primeiro silicato de terras raras é (Yb*,Yix)2Si207, em que 0 < x s 1, e o segundo silicato de terras raras é (Yby-Yi.yhSiOs, em que 0 < y < 1, Em uma realização em particular, o primeiro siticato de terras raras é (Ybo.eYo,4h^hOj e o segundo silicato de terras raras é Y2Si05. Em determinadas realizações, uma camada não hermética é depositada entre a camada de cobertura de ligação e a primeira camada. Um exemplo de uma camada não hermética adequada para a deposição entre a camada de cobertura de ligação e a primeira camada pode incluir, sem limitação, uma camada não hermética que compreende um silicato de terras raras que pode ser, sem limitação, (Ybx,Yi.x)2Si20?1 em que 0 < x s 1.
[036] Conforme estabelecido no presente documento acima, a Figura 1 é uma vista em corte transversal esquemática de um ESC da técnica anterior que tem camadas à base de silicato de terras raras não herméticas. Conforme mostrado na Figura 1, o EBC 200 inclui a cobertura de ligação 210 (por exemplo, silício), camada de (Yb,Y)2Si207 220, camada de BSAS 230, camada de (YbtY)2Si207 240 e camada de (Yb,Y)2Si05 250. A camada de BSAS 230 fornece uma camada hermética vítrea. No entanto, devido ao fato de que a camada de BSAS 230 não ser permitida a entrar em contato com a cobertura de ligação de silício 210, a camada de (Yb.Y^SiaQ? 220 pode ser inserida entre a cobertura de ligação de silício 210 e a camada de BSAS 230. Assim, o EBC mostrado na Figura 1 exige camadas adicionais que não são exigidas pelo EBC da presente revelação. Por meto de contraste, conforme mostrado na Figura 2, o EBC 300 da presente revelação incluí uma cobertura de ligação 310 (por exemplo, silício) que tem uma camada de (Yb,Y)2SÍ2C>7 hermética 340 e uma camada de (Yb,Y)2SiOs 350 sobreposta na cobertura de ligação 310. Em várias realizações de EBC 300 da Figura 2, a camada de (Yb.YhSiOs 350 pode ser hermética ou não hermética.
[037] De acordo com outro aspecto, a presente revelação fornece um artigo que tem um revestimento de barreira ambiental, em que o artigo compreende: um substrato que compreende um compósito de matriz de cerâmica; e um revestimento de barreira ambiental depositado em uma superfície do substrato. O revestimento de barreira ambientai do artigo compreende: uma camada de cobertura de ligação que compreende silício; e pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras depositada na camada de cobertura de ligação através de aspersão térmica, em que a camada hermética à base de silicato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica. Conforme fornecido no presente documento, em várias outras realizações, a camada hermética à base de silicato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 90% ou mais de sua densidade teórica, 95% ou mais de sua densidade teórica ou 97% ou mais de sua densidade teórica. Em determinadas realizações, uma camada não hermética é depositada entre a camada de cobertura de ligação e a pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras do revestimento de barreira ambienta! do artigo. Um exemplo de uma camada não hermética adequada para uso no revestimento de barreira ambiental do artigo pode incluir, sem limitação, uma camada não hermética que compreende um silicato de terras raras que pode ser, sem limitação, (Ybx.Yvx^SiaO?, em que 0 < x < 1.
[038} Com referência à Figura 3, mostra-se uma vista em corte transversal esquemática de uma realização de um artigo de acordo com a presente revelação. Conforme mostrado, o componente 400 inclui um revestimento de barreira ambiental 300 que compreende uma cobertura de ligação 310 (por exemplo, silício) que tem uma camada hermética à base de silicato de terras raras que compreende uma camada de (Yb,Y)2Si207 hermética 340 e uma camada de (Yb.Y^SiOs 350 sobreposta na cobertura de ligação 310. Em várias realizações de EBG 300 da Figura 3, a camada de (Yb,Y)2SiOs 350 pode ser hermética ou não hermética.
[039] Com referência à Figura 4, mostra-se uma vista em corte transversal esquemática de outra realização de um artigo de acordo com a presente revelação. Conforme mostrado, o componente 400 inclui um revestimento de barreira ambiental 300 que compreende uma cobertura de ligação 310 (por exemplo, silício) que tem uma camada hermética à base de silicato de terras raras que compreende uma camada de (Yb,Y)2Si207 hermética 340 e uma camada de (Yb.YJaSiOs 350 sobreposta na cobertura de ligação 310 e, adicionalmente, um com uma camada não hermética opcional 320 entre a cobertura de ligação 310 e a camada de (Yb.Y^SizO? hermética 340. Em várias realizações de EBC 300 da Figura 4, a camada de (Yb,Y)2Si05 350 pode ser hermética ou não hermética. Um exemplo de uma camada não hermética opcional adequada 320 pode incluir, sem limitação, uma camada não hermética que compreende um silicato de terras raras que pode ser, sem limitação, (Ybx,Yi.x)2Si207, em que 0 á x < 1.
[040] Vários artigos podem incluir o revestimento de barreira ambientai da presente revelação. Por exemplo, em várias realizações, os artigos da presente revelação podem incluir, sem limitação, um componente de motor de turbina selecionado a partir do grupo que consiste em um componente de combustor, pãs de turbina, coberturas de proteção, bocais, blindagens térmicas e pás de hélice.
[041] De acordo com outro aspecto, a presente revelação fornece uma matéria-prima de aspersão térmica para produzir uma camada hermética à base de silicato de terras raras. A matéria-prima de aspersão térmica compreende uma suspensão que compreende um silicato de terras raras e um auxílio de sinterízação suspenso em um carreador líquido, em que o auxílio de sinterização compreende um óxido ou uma pluralidade de óxidos e em que a aspersão térmica da suspensão é eficaz para produzir uma camada hermética à base de silicato de terras raras que compreende um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica. Conforme fornecido no presente documento, em várias outras realizações, a camada hermética à base de silicato de terras raras compreende um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 90% ou mais de sua densidade teórica, 95% ou mais de sua densidade teórica ou 97% ou mais de sua densidade teórica.
[042] As várias características e realizações da camada hermética à base de silicato de terras raras, conforme revelado no presente documento, também se referem à matéria-prima de aspersão térmica para produzir uma camada hermética à base de silicato de terras raras. Por exemplo, os sílicatos de terras raras adequados para o uso na camada hermética à base de silicato de terras raras produzida pela matéria-prima de aspersão térmica podem incluir, sem limitação, um elemento de terras raras selecionado a partir do grupo que consiste em ítérbio (Yb), ítrio (Y), escândio (Sc), lutênio (Lu), lantânio (La), cério (Ce), praseodínio (Pr), neodimínio (Nd), samário (Sm), disprósio (Dy), ólmio (Ho), érbio (Er), túlio (Tm), európio (Eu), gadolínio (Gd), térbio (Tb), promécio (Pm) e uma mistura dos mesmos. Em várias realizações, o silicato de terras raras é (YbXlYi.x)2SÍ20?, em que 0 < x < 1 ou (Yby-Yi_y)2SiG5t em que 0 s y s 1 ou misturas dos mesmos. Em uma realização em particular, o silicato de terras raras é (Ybo.eYo^aSijO?.
[043] Em determinadas realizações da matéria-prima de aspersão térmica, a suspensão compreende de cerca de 1 % em peso a cerca de 40 % em peso do silicato de terras raras. Em outras realizações da matéria-prima de aspersão térmica, a suspensão compreende de cerca de 3 % em peso a cerca de 30 % em peso do siiícato de terras raras. Em outras realizações da matéria-prima de aspersão térmica, a suspensão compreende de cerca de 5 % em peso a cerca de 20 % em peso do silicato de terras raras.
[044] Em determinadas realizações da matéria-prima de aspersão térmica, o silicato de terras raras está em uma forma de uma partícula que tem um diâmetro externo entre cerca de 0,01 micrômetros e cerca de 15 micrômetros. Em outras realizações da matéria-prima de aspersão térmica, o silicato de terras raras está em uma forma de uma partícula que tem um diâmetro externo entre cerca de 0,1 micrômetros e cerca de 10 micrômetros. Em outras realizações da matéria-prima de aspersão térmica, o silicato de terras raras está em uma forma de uma partícula que tem um diâmetro externo entre cerca de 0,4 micrômetros e cerca de 8 micrômetros.
[045] Em determinadas realizações da matéria-prima de aspersão térmica, a suspensão compreende menos do que cerca de 5 % em peso do auxílio de sinterização.
[0461 Em determinadas realizações da matéria-prima de aspersão térmica, o auxílio de sinterização é selecionado a partir do grupo que consiste em ferro metálico, Al203, Fe304, Si02 e FeaCb. Em determinadas realizações, uma suspensão que compreende a pluralidade de óxidos de auxílio de sinterização compreende de cerca de 0 % em peso a cerca de 0,5 % em peso de At203, de cerca de 0,5 % em peso a cerca de 2 % em peso de Fe304 e de cerca de 0 % em peso a cerca de 2 % em peso de Si02.
[047] Em determinadas realizações, o óxido de auxílio de sinterização oxide está em uma forma de uma partícula ftna que tem um diâmetro externo entre cerca de 5 nanômetros e cerca de 3 micrômetros, entre cerca de 5 nanômetros e cerca de 100 nanômetros, entre cerca de 30 nanômetros e cerca de 70 nanômetros. Em realizações em particular, os auxílios de sinterização são nanopós e os sílicatos de terras raras têm o tamanho de mícron.
[048] Em determinadas realizações, a matéria-prima de aspersão térmica compreende um carreador líquido. Os carreadores líquidos adequados podem incluir, sem limitação, áicoois, água e misturas dos mesmos. Em uma realização em particular, o carreador líquido é um álcool e, mais especificamente, etanol, embora quaisquer outros átcoois possam ser usados. Outros líquidos podem ser usados como o carreador líquido e, geralmente, evaporam no processo. Muito embora a água e os álcoois sejam os carreadores líquidos mais comuns, a presente revelação cobre o uso de qualquer carreador líquido adequado para a matéria-prima de aspersão térmica.
[049] Em determinadas realizações, a matéria-prima de aspersão térmica pode compreender, adicionalmente, um tensoativo. Os tensoativos adequados podem incluir, sem limitação, politeiienoimína, polivinil pirroíidona, sais de polimetacrilato e outros dispersantes comuns ao processamento de cerâmica.
[050] De acordo com outro aspecto, a presente revelação fornece um método para produzir uma camada hermética à base de siíicato de terras raras. Esse método inclui as seguintes etapas; fornecer uma matéria-prima de aspersão térmica de acordo com a presente revelação; e submeter a matéria-prima de aspersão térmica a um processo de aspersão térmica para produzir uma camada hermética à base de siíicato de terras raras que compreende um siíicato de terras raras que tem uma mícroestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica. Conforme fornecido no presente documento, em várias outras realizações, a camada hermética à base de siíicato de terras raras compreende um siíicato de terras raras que tem uma mícroestrutura hermética que tem uma densidade de 90% ou mais de sua densidade teórica, 95% ou mais de sua densidade teórica ou 97% ou mais de sua densidade teórica.
[051] De acordo com outro aspecto, a presente revelação fornece um método para produzir um substrato que tem um revestimento de barreira ambiental. Esse método incluí as seguintes etapas: fornecer um substrato que compreende um compósito de matriz de cerâmica; e aplicar um revestimento de barreira ambientai ao substrato. O revestimento de barreira ambiental inclui: uma camada de cobertura de ligação que compreende silício; e pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras depositada na camada de cobertura de ligação através de aspersão térmica. A camada hermética à base de silicato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica. Conforme fornecido no presente documento, em várias outras realizações, a camada hermética à base de silicato de terras raras compreende um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 90% ou mais de sua densidade teórica, 95% ou mais de sua densidade teórica ou 97% ou mais de sua densidade teórica.
[052] Conforme fornecido no presente documento, a presente revelação descreve uma composição química que permite que um revestimento de barreira ambiental (EBC) seja termicamente aspergido em um estado hermético. A presente revelação estabelece reduzir a quantidade de camadas de EBC necessária para proteger um compósito de matriz de cerâmica (CMC), por exemplo, de cinco a três. Em uma realização, a presente revelação envolve a adição de óxido de ferro, oxido de alumínio ou qualquer outro auxílio de sinterização para um silicato de terras raras (por exemplo, Yb, Y, Sc, Lu, etc.) à alimentação em pó de aspersão térmica. Esses auxílios de sinterização reduzem a temperatura de sinterização do silicato de terras raras substancíalmente, o que permite que o revestimento sinterize in-situ até uma densidade hermética (tipicamente > 85% da densidade teórica do silicato de terras raras). Conforme estabelecido no presente documento, a sinterização também pode ser realizada ex-situ.
[053] Conforme descrito no presente documento, a presente revelação fornece um meio para abaixar a temperatura de sinterização dos materiais de silicato de terras raras como (Yb e/ou Y^SLO? e (Yb e/ou Y^SiOs. Assim, a camada de aspersão térmica depositada com um auxílio de sinterização elimina a necessidade da camada vítrea e da camada de separação.
[054] Em várias realizações, a sinterização pode ser alcançada através do aquecimento de um componente seco a uma taxa de cerca de 1 °C/min. a cerca de 15 °C/min. para uma temperatura de cerca de 1.100 °C a cerca de 1.700 °C e da permanência do componente nessa temperatura por cerca de 0 a cerca de 24 horas. Em outras realizações, a sinterização pode ser alcançada através do aquecimento do componente revestido a uma taxa de cerca de 5 °C/min. a cerca de 15 °C/min. para uma temperatura de cerca de 1.300 °C a cerca de 1.375 °C e da permanência do componente nessa temperatura por cerca de 0 a cerca de 24 horas.
[055] De acordo com os aspectos da presente revelação, a camada de cobertura de ligação pode ser aplicada através de processos de aspersão térmica, processo de deposição de vapor químico, processo de deposição física de vapor por feixe de elétrons, imersão em silício fundido, processos de bombardeamento iônico e outros processos de aplicação convencional conhecidos por aqueles elementos versados na técnica.
Exemplos [058] Os exemplos a seguir são destinados a ilustrar realizações específicas, mas não são, de modo algum, destinados a limitar o escopo dos presentes sistemas e técnicas.
Exemplo 1 Aspersão Térmica de Suspensão para Camada de (Ye.YhSbQ? Hermética [057] Um método exemplificativo para produzir uma aspersão térmica de suspensão para camada de {Yb,Y)2Si207 hermética é estabelecido abaixo.
[058] Uma matéria-prima líquida é alimentada para um processo de aspersão térmico. A matéria-prima líquida compreendei um carreador líquido (Etanol); partículas de (Yb,Y)2Si207 suspensas; um tenso ativo (REI); auxílios de sinterização {AI2O3, Ρβ3θ4 e StOa); e os auxílios de sinterízação são adicionados à suspensão na forma de partículas finas. A matéria-prima líquida é alimentada no processo com o uso de uma bomba peristãttica que a conduz a partir de um vaso agitado para o processo de aspersão térmica, O processo de aspersão térmica é um maçarico de aspersão de plasma ou um maçarico de Oxicombustive! de Alta Velocidade (HVOF).
[059] Os parâmetros de processo de aspersão térmica são ajustados para que, na interação com o processo de aspersão térmica, as partículas suspensas sejam libertadas do carreador líquido, aquecidas e aceleradas em direção a um substrato. Ademais, as partículas pelo menos parcialmente fundidas são depositadas nas superfícies do substrato para formar um revestimento. Para a aspersão de plasma, os parâmetros de processo principais são a potência da pistola e distância de afastamento entre o maçarico e o substrato a ser revestido. Para o HVOF, os parâmetros de processo principais são taxas de fluxo de gás e composição e a distância de afastamento entre o maçarico e o substrato a ser revestido.
[060} O substrato revestido é tratado por calor para sinterizar a microestrutura. A Figura 5 mostra uma realização dos constituintes do revestimento final. Conforme mostrado nas Figuras 6A a 6C, o revestimento resultante é hermético e é composto de: fase de (Yb,Y)2Sb07 denso; porosidade fechada; fase de vítrea; e outra fase (por exemplo, talvez de Yb, Y, Sí, Al, Fe, O e misturas dos mesmos). EXEMPL02 Material de Matéria-Prima [061] Um método exemplifícativo para fabricar uma matéria-prima é estabelecido conforme segue: Pó de partida: (Yb,Y)2Si207 de St-Gobain (DV1099 - finos). Pó de partida molhado triturado até o tamanho desejado em etanol desnaturado (Físher A-407). A pasta aquosa triturada diluída com etanol desnaturado para aicançar a concentração desejada. Adição de tensoativo (PEI da Alfa Aesar) para estabilizar a suspensão. Adicionar < 0,07% de PE!. Misturar auxílios de sínterização em suspensão: 1 % de mol de A^Os, da Alfa Aesar #44931; 2 % de mol de Fe304 da Sígma Aldrich #637106; e 1 % em peso de Si02, da Sigma Aldrich #381276. Os materiais de matéria-prima de amostra são apresentados na Tabela 1. A concentração sólida e distribuição de tamanho de partícula das partículas de (YbAOaSigO? nos materiais de matéria-prima de amostra são listados na Tabela 1.
Tabela 1: Material de Matéria-Prima *Éssa suspensão não tem quaisquer auxílios de siníertzação misturados na suspensão.
Exemplo 3 Condições de Aspersão {062] As condições de aspersão exemplificativas para o uso na presente revelação são fornecidas abaixo e apresentada na Tabela 2 e na Tabela 3. Vários materiais e métodos incluem os seguintes: Pistola de plasma: Axiai III da Northwest Mettech Corp., Vancouver, Canadá; pistola de HVOF; GTV-770.000-AUS, Genie Products, Brevard, NC, USA; e Bomba de alimentação peristáltica: Watson Marlow, Série 520 EA, Modelo 520SN/REH.
Tabela 2: Condições de Aspersão de Plasma Tabela 3: Condições de Asfersão de HVOF Exemplo 4 Tratamento Térmico [063] As condições de tratamento térmico exemplificatívas para o uso na presente revelação são fornecidas abaixo e apresentados na Tabela 4. As amostras foram tratadas em uma fornalha de ar.
Tabela 4: Condições de Aspersão pe Plasma Exemplo 5 Teste de Vapor para Hermeticipape [064] O teste de vapor exemplificativo para exemplos de hermeticidade são fornecidos abaixo. As amostras incluíram uma camada de (Yb,Y)2Si207 em um botão de SiC revestido com Si. kPa (Atmosfera): ΡΗ2ο = 91,19 kPa (0,9 atmosfera); e P02 = 10,13 kPa (0,1 atmosfera). 500 horas de teste e 250 ciclos. Um ciclo de 2 horas foi conduzido conforme a seguir: Começar em temperatura ambiente (~20 °C); Reduzir amostra em zona quente (1.315 °C); Impregnar a 1.315 °C por aproximadamente 106 minutos; Levantar a amostra da zona quente (temperatura ambientai); e impregnar em temperatura ambiente por 10 minutos (na fornalha, as amostras estão em 1.315 °C; as amostras resfriam para menos do que 100 °C quando são impregnadas a temperatura ambiente por 10 minutos). Caracterização: A espessura da camada de oxido termicamente crescida (TGO) em cobertura de iigação de Si, Critérios para hermeticidade: Camada hermética quando TGO s ~6 μηη. Várias condições e aspectos das amostras são fornecidos na Tabela 5.
Tabela 5: Amostras Testadas por Vapor [065] Os exempios de revestimentos testados por vapor são ilustrados na Figura 6A (Amostra H2-1344), Figura 6B (Amostra H4-1315-50) e Figura 8C (Amostra P2-1344), Por meto de comparação, os exemplos de revestimentos não herméticos são ilustrados na Figura 7A (Amostra H5-1344) e Figura 7B (Amostra P3-1344), [066] Muito embora várias realizações tenham sido retratadas e descritas em detalhes no presente documento, será evidente para aqueles elementos versados na técnica relevante que várias modificações, adições, substituições e semelhantes podem ser feitas sem que haja desvio do espírito da invenção e essas são consideradas, portanto, como estando dentro do escopo da invenção, conforme definido nas reivindicações que seguem.
Claims (15)
1. CAMADA HERMÉTICA, à base de siücato de terras raras, caracterizada pelo fato de que compreende: um revestimento aspergido térmico que compreende um siücato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica.
2. CAMADA HERMÉTICA, à base de siücato de terras raras, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada peto fato de que a microestrutura hermética compreende uma porosidade fechada, sendo que a dita porosidade fechada compreende uma porosidade em volume de menos que cerca de 15 por cento.
3. CAMADA HERMÉTICA, à base de siücato de terras raras, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a microestrutura hermética compreende uma fase de silicato de terras raras densa e uma fase vítrea opcional.
4. CAMADA HERMÉTICA, à base de silicato de terras raras, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o revestimento aspergido térmico tem uma espessura entre cerca de 5 micrômetros e cerca de 1.200 micrômetros.
5. CAMADA HERMÉTICA, à base de silicato de terras raras, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o silicato de terras raras é selecionado a partir do grupo que consiste em (Yb^Yi^SiaO?, em que 0 < xsl, (Yby-Yi-yfeSiOs, em que Osyál ou uma mistura dos mesmos.
6. CAMADA HERMÉTICA, à base de silicato de terras raras, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a dita camada hermética à base de silicato de terras raras compreende uma primeira camada que compreende um primeiro silicato de terras raras e uma segunda camada que compreende um segundo silicato de terras raras, em que o primeiro silicato de terras raras é (Ybx.Yt-xJaSíaO?, em que 0 s x < 1, e o segundo siticato de terras raras é (Yby-Yi-y}2Si05, em que 0 < y < 1.
7. CAMADA HERMÉTICA, à base de silícato de terras raras, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o silicato de terras raras compreende de cerca de 90 % em peso a cerca de 99,5 % em peso do revestimento aspergido térmico.
8. REVESTIMENTO DE BARREIRA AMBIENTAL, caracterizado pelo fato de que compreendei - uma camada de cobertura de ligação que compreende silício; e - pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras depositada na camada de cobertura de ligação através de aspersão térmica, em que a dita camada hermética à base de silícato de terras raras compreende um revestimento aspergido térmico que compreende um silicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica.
9. REVESTIMENTO DE BARREIRA AMBIENTAL, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a microestrutura hermética compreende uma porosidade fechada, sendo que a dita porosidade fechada compreende uma porosidade em volume menor que cerca de 15 por cento.
10. REVESTIMENTO DE BARREIRA AMBIENTAL, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a camada de cobertura de ligação compreende uma espessura entre cerca de 1 micrômetro e cerca de 200 micrômetros e a pelo menos uma camada hermética à base de silicato de terras raras compreende uma espessura entre cerca de 5 micrômetros e cerca de 1.200 micrômetros.
11. REVESTIMENTO DE BARREIRA AMBIENTAL, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a dita pelo menos uma camada hermética à base de silícato de terras raras compreende uma primeira camada que compreende um primeiro siiícato de terras raras e uma segunda camada que compreende um segundo siiicato de terras raras, sendo que a dita primeira camada é depositada entre a camada de cobertura de ligação e a segunda camada.
12. ARTIGO, que tem um revestimento de barreira ambienta!, sendo que o dito artigo é caracterizado pelo fato de que compreende: - um substrato que compreende um compósito de matriz de cerâmica; e - um revestimento de barreira ambiental depositado em uma superfície do substrato, sendo que o dito revestimento de barreira ambientai compreende: - uma camada de cobertura de ligação que compreende silício; e - pelo menos uma camada hermética à base de siiícato de terras raras, conforme definido na reivindicação 1, depositada na camada de cobertura de ligação.
13. ARTIGO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: - uma camada não hermética depositada entre a camada de cobertura de ligação e a peio menos uma camada hermética à base de siiícato de terras raras.
14. MATÉRIA-PRIMA DE ASPERSÃO TÉRMICA, para produzir uma camada hermética à base de siiicato de terras raras, sendo que a dita matéria-prima de aspersão térmica é caracterizada peio fato de que compreende: - uma suspensão que compreende um siiícato de terras raras e um auxílio de sinterízação suspenso em um carreador líquido, em que o dito auxilio de sinterízação compreende um oxido ou uma pluralidade de óxidos e em que a aspersão térmica da suspensão é eficaz para produzir uma camada hermética à base de sílicato de terras raras que compreenda um siiicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica,
15. MÉTODO PARA FABRICAÇÃO, de uma camada hermética à base de siiicato de terras raras, sendo que o dito método é caracterizado pelo fato de que compreendei - fornecer uma matéria-prima de aspersão térmica, conforme definido na reivindicação 14; e - submeter a matéria-prima de aspersão térmica a um processo de aspersão térmica para produzir uma camada hermética à base de siiicato de terras raras que compreenda um siiicato de terras raras que tem uma microestrutura hermética que tem uma densidade de 85% ou mais de sua densidade teórica.
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