BR112016011229B1

BR112016011229B1 - Processo para obter uma barreira termica com microfissuras transversais

Info

Publication number: BR112016011229B1
Application number: BR112016011229-6A
Authority: BR
Inventors: Pascal Fabrice Bilhe; Laurent Paul Dudon; Pascal Jacques Raymond Martinet
Original assignee: Snecma
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2020-11-24
Also published as: JP2016540122A; CA2930180C; US20160281206A1; RU2674784C1; CN105765099B; CA2930180A1; JP6722585B2; RU2016124252A; CN105765099A; EP3071722A1; EP3071722B1; WO2015075381A1; FR3013360B1; FR3013360A1

Abstract

PROCESSO PARA OBTER UMA BARREIRA TERMICA COM MICROFISSURAS TRANSVERSAIS Trata-se de uma camada ceramica do tipo YSZ que e depositada em uma subcamada de uniao por pulverizagao termica com o uso de uma tocha de arco de plasma, sendo que a propria dita subcamada de uniao e depositada na parte a ser protegida. Um pos-tratamento de sinterizagao e realizado por meio de um varrimento da camada ceramica pelo feixe da tocha de arco de plasma, sendo que a temperatura no ponto de impacto do feixe na superficie da camada ceramica (C) 6, durante esse varrimento, entre 1.300 °C e 1.700 °C.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção e direcionada para barreiras termicas.

[002] A mesma se refere, particularmente, a barreiras termicas do tipo ceramica de YSZ (C) com microfissuras transversals.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[003] Nas turbinas de aeronave, como nas turbinas com base terrestre, as partes constituintes do corpo de Alta Pressao, tais como a camara de combustao, os bocais de suprimento de combustivel, os distribuidores e as pas de turbina de alta pressao (HPD e HPP), sao protegidas por um sistema de isolamento termico do tipo “barreira termica” refrataria.

[004] A integridade desse sistema e determinante para atender as exigencias de servigo das partes protegidas.

[005] Entretanto, durante a operagao normal, comumente observa-se problemas em relagao a erosao por gases quentes. Nas turbomaquinas a gas, a erosao e o resultado combinado de erosao gerada por multiplas explosoes na superficie de depositos (fendmenos de cavitagao) e erosao devido a ciclagem termica em relagao ao desligamento de motor.

[006] Em ambos os casos, o resultado e uma diminuigao na espessura de isolamento por meio de erosao ou microespalagao, que levam a uma menor protegao termica do substrata subjacente. Desse modo, o tempo de vida das partes e reduzido, e as mesmas exigem restauragao frequente, dando origem a um problema em termos de organizagao de manutengao e em termos de custo.

[007] Para as barreiras termicas depositadas atraves de Deposigao Fisica de Vapor por Feixe de Eletrons (EBPVD), as barreiras termicas que tem microfissuras transversals obtidas por pulverizagao de plasma atmosferico (APS) sao, atualmente, o melhor revestimento, atendendo as exigencies tanto de resistencia a erosao quanto de resistencia a ciclagem termica.

[008] Essa tecnica e usada, em particular, para partes circulares solidas, tais como partes de camaras de combustao, ou para partes menores, tais como bocais de injegao de querosene.

[009] Conforme ilustrado na Figura 1, a barreira termica TB depositada em uma parte P e, entao, convencionalmente composta de:- uma subcamada BSL no deposito de liga do tipo MCrAlY (em que M corresponde a Ni, Co, Fe e NiCo) formando uma, assim chamada, subcamada de ligagao (BSL);- uma camada termicamente isolante C na ceramica YSZ (C) (zirconia estabilizada ZrO2 com ftria Y2O3).

[010] Cada uma dentre as duas camadas BSL e C da barreira termica TB e depositada por pulverizagao termica com o uso de uma tocha de arco de plasma.

[011] Para um exemplo de realizagao da dita barreira termica pode-se fazer, vantajosamente, referenda ao pedido de patente n° FR 2.854.166, que descreve um processo para obter uma barreira termica com uma camada C em ceramica (C) e uma subcamada de ligagao (BSL) que tern microfissuras transversals (com componente principal normal ao substrata) que conferem alguma flexibilidade a barreira termica, e permitem a absorgao de varios ciclos de expansao termica diferenciais na interface de substrato/barreira termica, mas tambem na barreira termica.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[012] Um objetivo geral da invenção e aprimorar a resistencia a erosao e a resistencia a microespalagao de barreiras termicas que tern uma camada ceramica YSZ (C) com microfissuras transversals, nas partes tais comoas partes de turbina.

[013] Um objetivo adicional da invenção e aprimorar a resistencia a erosao da camada C ceramica de YSZ (C) de isolamento enquanto mantem uma faixa operacional (faixa de resistencia a temperatura, em particular) que seja quase equivalente, sem ter que fazer, entretanto, quaisquer maiores alteragoes no total de tempo de produgao e custo de barreiras termicas.

[014] Para esse proposito, a invenpao propoe um processo para obter uma barreira termica com microfissuras transversals, e, com isso, a camada C na ceramica (C) do tipo YSZ e depositada em uma subcamada de ligagao (BSL) por meio de pulverizagao termica com o uso de uma tocha de arco de plasma, sendo que a propria dita subcamada de ligagao (BSL) e depositada na parte a ser protegida. O pos-tratamento por sinterizagao e realizado pela varredura da camada C na ceramica (C) com o feixe da tocha de arco de plasma, sendo que a temperatura no ponto de impacto do feixe na camada C de ceramica (C) durante essa varredura e entre 1.300 °C e 1.700 °C, preferencialmente, entre 1.400 °C e 1.450 °C.

[015] E eficazmente conhecido que uma ceramica (C) do tipo YSZ pode ser sinterizada em e apos uma temperatura de 1.300 °C no ar.

[016] Por sinterizagao, aqui e no restante deste texto, entende-se um tratamento para consolidar um material (por exemplo, um po), obtido atraves da minimizagao da energia do sistema por meio de um suprimento de energia (termica, mecanica, a laser, tocha de plasma...), porem, sem a fusao de pelo menos um dos constituintes. A dita sinterizagao da camada na ceramica (C) causa o endurecimento da mesma; isso reduz a porosidade e leva ao aprimoramento de resistencia a erosao.

[017] Para ser sinterizada, a ceramica (C) precisa permanecer dentro de uma faixa:- de temperatura suficientemente alta para a reagao de sinterizagaoter a capacidade de acontecer e- de tempo de comprimento suficiente para conduzir da reagao de sinterizapao- com niveis de porosidade e de particulas nao fundidas conforme os pulverizados que sao baixos (<5%).

[018] Mesmo nas partes de tamanho grande, a barreira termica resfria muito rapidamente, impedindo que a reapao de sinterizapao seja continuada ao longo de uma faixa de tempo suficiente.

[019] O uso de uma tocha de plasma fornece o controle total sobre a sinterizapao.

[020] O processo tambem pode ser vantajosamente usado para partes de tamanho pequeno.

[021] Durante o dito pos-tratamento de sinterizapao, a temperatura do ponto de feixe na superffcie da camada C na ceramica (C) e permanentemente medida, e os parametros da tocha sao ajustados como uma funpao dessa medipao. Os parametros-chave a serem controlados sao, em particular:- distancia de parte de tocha (relacionada a temperatura T);- taxa de deslocamento v da tocha e cobertura percentual C, sendo que tanto a taxa de deslocamento v quanto a cobertura percentual estao relacionadas ao tempo de exposipao a dita temperatura T.

[022] A sinterizapao e um fenomeno que tern uma forpa motriz de difusao que e uma funpao de tempo e temperatura. O controle de parametros fornece uma melhor sinterizapao.

[023] Alem disso, a superffcie da parte oposta da camada C na ceramica (C) e resfriada de modo que a mesma seja mantida a uma temperatura geralmente mais baixa que 950 °C.

[024] O pos-tratamento proposto pode ser usado para umacamada ceramica (C) ja microfissurada apos a mesma ter sido depositada.

[025] Portanto, o pos-tratamento permite a sinterizagao aprimorada da mesma.

[026] Como uma variante, o pos-tratamento de sinterizagao pode gerar as microfissuras apos a pulverizagao de uma barreira termica padrao (nao microfissurada).

[027] Na etapa de pos-tratamento, a superficie da camada de ceramica (C) e submetida a uma varredura pelo feixe para alcangar uma temperatura entre 1.300 °C e 1.700 °C por alguns segundos, tipicamente, entre cinco segundos e cerca de vinte segundos.

[028] O processo proposto encontra, vantajosamente, aplicagao a partes de tamanho grande, em que as barreiras termicas microfissuradas revestidas nesse tipo de parte sao, de modo convencional, escassamente satisfatorias em termos de resistencia a erosao.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[029] Outras caracteristicas e vantagens da invenção se tornarao adicionalmente evidentes a partir da Descrição a seguir, apresentada unicamente como uma ilustragao nao limitante, com referenda as Figuras anexas, em que:- a Figura 1 apresenta uma vista em corte transversal esquematica de uma parte que e, por exemplo, uma parte usada em uma turbina, por exemplo, uma turbina de aeronave, revestida com uma subcamada de ligagao (BSL) e barreira termica;- a Figura 2 ilustra, esquematicamente, as principals etapas de uma possivel realizagao da invenção;- a Figura 3 e uma ilustragao esquematica da implantagao de uma etapa de sinterizagao de pos-tratamento, sendo que a corrente de resfriamento e soprada no lado da parede interna oposto ao ponto termico, e nao e mostrada nesse esquema; e- a Figura 4 e uma vista planar esquematica que ilustra o movimento do ponto termico sobre uma parte revestida com a barreira termica, sendo que a parte que e submetida a uma varredura tem dimensoes pequenas.

DESCRIÇÃO DE REALIZACOES DA INVENÇÃO

[030] Conforme ilustrado na Figura 2, uma possivel realizagao compreende as diferentes seguintes etapas:- preparar a superficie da parte P a ser protegida pelo lixamento (etapa 1);- formar a subcamada de ligagao (BSL) pelo deposito de APS na superficie (etapa 2);- formar a camada C na ceramica (C) YSZ de isolamento refrataria, tambem pelo deposito de APS (etapa 3);- pos-tratamento por sinterizagao da ceramica (C) para aprimorar sua resistencia a erosao (etapa 4).

PARTES DE TAMANHO GRANDE

[031] Uma parte P a ser revestida pode ser uma parte de grandes dimensoes, por exemplo, uma parede de uma camara de combustao.

[032] A dita parede de camara de combustao pode ter a forma de uma parte de metal ligeiramente truncado 5 (Figura 3) que tem um diametro nas duas extremidades na ordem de 600 e 800 mm, e altura de 800 mm, por exemplo.

[033] Essa parte e produzida a partir de uma superliga a base de niquel ou cobalto.A mesma tem uma espessura de 1 a 2 mm, por exemplo.

[034] Para a implantagao das etapas 1 a 4, essa parte 5 e colocada em uma mesa giratoria 6 em uma cabine de pulverizagao 7.

[035] Uma tocha de arco de plasma 8, que segue os metodos normals, garante o deposito da subcamada de ligagao (BSL) (etapa 2) seguido, consequentemente, pelo deposito da camada C na ceramica (C) (etapa 3).

[036] Em particular, o deposito da camada C na ceramica (C) pode ser realizado sob condipoes que garantam microfissurapao conforme pulverizada (consulte documento n° FR 2854166, mencionado acima).

[037] O mesmo tambem pode ser realizado sob condigoes padrao, sem gerar quaisquer microfissuras.

[038] O pos-tratamento na etapa 4 e, entao, realizado:- No primeiro caso, para aprimorar a sinterizapao da barreira termica TB;- No segundo caso, para microfissurar a camada C na ceramica (C) e a barreira termica TB.

[039] Sera observado que, para acentuar a fissurapao durante o pos-tratamento na etapa 4, um po de pulverizapao termica fino de um tamanho de particula pequeno e usado.

[040] Um po particulado fino do tipo triturado fundido (fusao em fornos a arco, seguida pelo resfriamento e pela triturapao, tendo um tamanho de particula entre 10 e 60 pm) tern a vantagem de se fundir de modo mais homogeneo.

[041] O mesmo fornece baixa porosidade para a camada ceramica (C) (< 5%).

[042] O mesmo possibilita a ausencia total de particulas nao fundidas.

[043] O mesmo permite, portanto, a reapao de sinterizapao e microfissurapao.

[044] Um po possivelmente adequado e o Amperit 831, por exemplo, junto a HC Starck.

[045] Alem disso, o po de pulverizapao tambem e selecionado de modo que, sob as condipoes de pulverizapao padrao (aquelas usadas para revestimentos nao microfissurados), o revestimento C derivado desse po exiba ligapao de pelo menos 25 MPa na subcamada de ligagao (BSL), facilitando a microfissuragao transversal.

[046] As elevadas forgas de ligagao entre as microfissuras Cea subcamada BSL promovem a geragao de microfissuras na espessura do revestimento, em vez de ao longo da interface de subcamada/camada.

[047] O uso de um po fundido, triturado, que permite a ligagao de pelo menos 25MPa do revestimento, contribui para a microfissuragao gerada da barreira termica TB - durante o tratamento de calor pos- pulverizagao descrito abaixo (etapa 4) - unicamente na diregao transversal na proporgao de pelo menos 20 microfissuras / 20 mm.

[048] A implantagao dessa etapa de pos-tratamento 4 e realizada conforme segue.

[049] Todas as mascaras e itens de protegao sao removidos da parte 5, sendo que esses nao sao mais uteis, uma vez que a parte 5 nao sera submetida a qualquer pulverizagao.

[050] A mesma nao e removida da mesa giratoria 6 da cabine de pulverizagao, a menos que a logistica seja necessaria.

[051] A tocha 8 e ajustada na operagao, e a parte e previamente submetida a uma varredura com a mesma para ajustar a mesa giratoria na rotagao para aquecer alguns pontos da barreira termica TB a 1.400 a 1.450 °C.

[052] Um pirometro previamente calibrado 9 colocado em posigao garante medigoes de temperatura em tempo real no ponto de impacto da tocha 8. Esse pirometro 9 e incorporado a um robo na cabine de pulverizagao 7, no interior da parte 5.

[053] O mesmo alveja o ponto de impacto do ponto S da tocha 8 na parte revestida 5.

[054] O mesmo e selecionado para permitir medigoes detemperatura entre 1.200 e 1.700 °C. Caso a ceramica (C) seja uma camada de YSZ, o pirometro e selecionado de modo a operar acima de 8 pm, preferencialmente, entre 11 e 13,6 pm, por exemplo, a 12,6 pm (comprimento de onda Christiansen).

[055] Nesses valores:- a YSZ exibe transmitancia zero (sem medigoes parasiticas);- sua emitancia e praticamente independente de temperatura (sem corregao);- sua emissividade e na ordem de 1, o que permite a leitura direta de temperatura sob condigoes normals do corpo negro.

[056] Sera observado que a temperatura na superficie da ceramica (C) e uma fungao:- da velocidade de rotagao da parte;- da distancia de superficie revestida de tocha;- da cobertura percentual.

[057] Os parametros relacionados a inicializagao do plasma na saida da tocha (taxa de fluxo de gas plasmogenico, tensao e intensidade...), uma vez que a estabilidade de plasma tenha sido alcangada, sao mantidos independentemente de tempo.

[058] Portanto, o controle de temperatura na superficie da camada C na ceramica (C) fornece controle sobre a cinetica de sinterizagao.

[059] Quando a mesa giratoria 6 e ajustada em movimento, a tocha 8 e movida na diregao de varredura vertical, a qual combina com o movimento na rotagao da mesa giratoria para permitir que o ponto S pulverizado pela tocha na barreira termica garanta a varredura helicoidal da mesma.

[060] Os parametros de plasma sao controlados de modo que a temperatura de superficie de superficie medida pelo pirometro se mantenha dentro de uma faixa de temperatura de 1.400 a 1600 °C (temperatura de sinterizagao ideal).

[061] Tipicamente, a parte 6 e completamente tratada dentro de cerca de 35 minutos.

[062] A tocha 8 e um modelo F4, por exemplo, equipado com um bocal de 6 mm, ou um bocal de 8 mm, que produz um ponto termico mais amplo.

[063] A velocidade de rotagao da mesa giratoria 6 e de 1 m/min, por exemplo, enquanto o afastamento helicoidal descrito na barreira termica e de 12 mm.

[064] A distancia entre a saida de bocal da tocha e a superffcie da parte varia entre 30 e 70 mm, dependendo do diametro do dito bocal e dos parametros de po da tocha.

[065] Outras combinagbes de parametro tambem sao, evidentemente, possiveis.

[066] Entretanto, sera observado que a temperatura de superffcie precisa ser de pelo menos 1.300 °C (preferencialmente, entre 1.400 °C e 1.450 °C), e pode ser alcangada dentro de menos que 5 a 10 segundos (extrapolagao na velocidade zero), do contrario, pode acontecer a transferencia de calor na parte, em vez do tratamento de sinterizagao. Alem disso, durante o pos- tratamento, a superffcie de camada na ceramica (C) e submetida a uma varredura pelo feixe para alcangar uma temperatura entre 1.300 °C e 1.700 °C por alguns segundos, tipicamente, entre cinco segundos e cerca de vinte segundos, para causar a reagao de endurecimento.

[067] Tambem e recomendavel que a temperatura no lado oposto, o lado de metal, nao deva exceder 950 °C, preferencialmente, 900 °C (possivelmente, um pico de 1.000 °C), do contrario, a subcamada pode se deteriorar pela oxidagao.

[068] Em particular, para impedir o aquecimento da porgao demetal da parte, essa porgao e resfriada no decorrer de todo o tratamento realizado na etapa 4. Para esse proposito, sao usados varios jatos de ar potentes. Esses podem ser direcionados tanto para o lado de metal quanto para o lado de ceramica (C). Evidentemente, no lado de ceramica (C), nenhum fluxo e direcionado proximo ao ponto, sendo que as correntes de ar sao mantidas distantes do mesmo por pelo menos +/- 100 mm.

[069] O dito resfriamento:- estabiliza a temperatura geral da parte mais rapidamente, logo no inicio do tratamento;- impede o superaquecimento, que pode danificar as porgoes de metal da parte.

[070] A temperatura no lado oposto a barreira termica, no lado de metal, e permanentemente medida tanto por manchas termicas termocoloridas quanto por pirometria ou por termopares.

[071] Os parametros da tocha e de resfriamento por sopro sao controlados para permitir que essa temperatura seja mantida no nivel desejado.

PARTES DE PEQUENAS DIMENSOES

[072] O tratamento de sinterizagao na etapa 4 pode tambem ser usado para microfissurar o revestimento de barreira termica TB de partes de tamanho pequeno, tais como bocais de injegao de querosene, por exemplo.

[073] Durante a deposigao convencional de um sistema de barreira termica, uma parte desse tipo e submetida a uma elevagao de temperatura. Essa temperatura e suficientemente alta, de modo que a sinterizagao da ceramica (C) (inicialmente na forma pre-sinterizada) tenha a capacidade de ser aprimorada atraves da implantagao de sinterizagao de pos- tratamento (etapa 4).

[074] Como acontece com o caso de partes de tamanho grande, para formar a camada C, e usado um po de pulverizagao fino de tamanho de partfcula pequeno, que permite que a dita camada C exiba ligagao maior que 25 MPa na subcamada de ligagao (BSL), enquanto, ao mesmo tempo, garanteporosidade mais baixa que 5%, e sem quaisquer particulas nao fundidas.

[075] O pos-tratamento de camada C na ceramica (C) por sinterizagao (etapa 4) e o controle de temperatura durante esse pos-tratamento sao similares aqueles descritos acima para uma parede de camara de combustao.

[076] Em particular, o pirometro usado pode ser do mesmo tipo.

[077] Entretanto, sendo a geometria da parte a ser tratada diferente, o aquecimento e controlado pela varredura linear do ponto da tocha 8 ao longo da altura da parte a ser tratada.

[078] Um exemplo de varredura e a do tipo ilustrado na Figura 4, por exemplo. A taxa de varredura e de 1 m/min, com um afastamento de 12 mm. A cobertura do ponto termico de um passo para outro e de pelo menos 10%.

Claims

1. PROCESSO PARA OBTER UMA BARREIRA TERMICA COM MICROFISSURAS TRANSVERSAIS, em que uma camada ceramica (C) do tipo YSZ e depositada em uma subcamada de ligagao (BSL) por meio de pulverizapao termica com o uso de uma tocha de arco de plasma (8), sendo que a propria subcamada de ligagao (BSL) e depositada na parte a ser protegida, caracterizado pela implantagao de pos-tratamento de sinterizapao ser realizado pela varredura da camada ceramica (C) com o feixe da tocha de arco de plasma (8), sendo que a temperatura no ponto de impacto do feixe na superffcie da camada ceramica (C) durante essa varredura e entre 1.300 °C e 1.700 °C.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela temperatura no ponto de impacto do feixe na superffcie da camada ceramica (C) durante essa varredura ser entre 1.400 °C e 1.450 °C.

3. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicaçoes 1 a 2, caracterizado por, durante esse pos-tratamento de sinterizapao, a temperatura do ponto do feixe na superffcie da camada ceramica (C) ser permanentemente medida, e os parametros de tocha sao controlados como uma fungao dessa medigao.

4. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicaçoes 1 a 3, caracterizado pelo po de pulverizapao usado para depositar a camada ceramica (C) ser um po do tipo fundido e triturado que tern um tamanho de particula de entre 10 e 60 pm.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pela camada ceramica (C) ter menos que 5% de porosidade.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pela camada ceramica (C) ter ligagao maior que 25 MPa com a subcamada de ligagao (BSL).

7. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicaçoes 1 a 6, caracterizado pela superficie da parte oposta a camada ceramica (C) ser resfriada de modo que a superficie e mantida a uma temperatura geralmente mais baixa que 950 °C.

8. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicaçoes 1 a 7, caracterizado pela camada ceramica (C) ser microfissurada apos ser depositada, sendo que o pos-tratamento permite a sinterizagao aprimorada da mesma.

9. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicaçoes 1 a 7, caracterizado pelo pos-tratamento gerar microfissuras transversals na camada ceramica (C).

10. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicaçoes 1 a 9, caracterizado pela parte ser uma parte de turbina.

11. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por, na etapa de pos-tratamento, a superficie da camada ceramica (C) ser submetida a uma varredura pelo feixe de modo a alcangar uma temperatura entre 1.300 °C e 1.700 °C por alguns segundos, preferencialmente, entre cinco segundos e vinte segundos.