BR112020005754B1 - Peça de turbina, pá de turbina, motor de turbina a gás e processo para a fabricação de uma peça de turbina - Google Patents

Peça de turbina, pá de turbina, motor de turbina a gás e processo para a fabricação de uma peça de turbina Download PDF

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Abstract

A invenção refere-se a uma peça de turbina, como uma pá de turbina ou uma palheta de bocal, por exemplo, usada em aeronáutica. A peça de turbina (1), compreende um substrato (2) feito de uma superliga à base de níquel de cristal único, compreendendo rênio e/ ou rutênio e possuindo uma fase ó?-Ni3Al que é predominante em volume e uma fase é—Ni, e um revestimento de ligação (3b) feito de uma superliga de metal à base de níquel cobrindo o substrato (2), em que o revestimento de ligação (3b) possui uma fase é?-Ni3Al (12) de volume maioritário e em que o revestimento de ligação (3b) tem uma fração atômica média: de alumínio entre 0,15 e 0,25; de cromo entre 0,03 e 0,08; de platina entre 0,01 e 0,05; de háfnio inferior a 0,01 e de silício inferior a 0,01.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A invenção refere-se a uma peça de turbina, como uma pá de turbina ou uma palheta de bocal, por exemplo, usada em aeronáutica.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] Em um motor turbojato, os gases de escape gerados pela câmara de combustão podem atingir altas temperaturas, acima de 1200 °C ou mesmo 1600 °C. As peças do motor turbojato em contato com esses gases de escape, como as pás de turbina, por exemplo, devem poder manter suas propriedades mecânicas a essas altas temperaturas.
[003] Para esse fim, é conhecido a fabricação de certas peças do motor turbojato em “superligas”. As superligas são uma família de ligas de metal de alta resistência que podem trabalhar em temperaturas relativamente próximas aos seus pontos de fusão (normalmente 0,7 a 0,8 vezes a temperatura de fusão).
[004] A fim de aumentar a resistência térmica dessas superligas e protegê-las contra oxidação e corrosão, é conhecido revesti-las com um revestimento que atua como uma barreira térmica.
[005] A Figura 1 mostra uma ilustração esquemática de uma seção de uma peça de turbina (1), por exemplo, uma pá de turbina (6) ou uma palheta de bocal. A peça (1) compreende um substrato (2) feito de uma superliga de metal de cristal único revestida com uma barreira térmica (10).
[006] A barreira térmica normalmente consiste em um revestimento de ligação de metal, uma camada protetora e uma camada de isolamento térmico. O revestimento de ligação de metal cobre o substrato de superliga de metal. O revestimento de ligação de metal é ele próprio coberto pela camada protetora, que é formada pela oxidação do revestimento de ligação de metal. A camada protetora protege o substrato da superliga contra corrosão e/ ou oxidação. A camada de isolamento térmico cobre a camada de proteção. A camada de isolamento térmico pode ser feita de cerâmica, por exemplo, zircônia itria (yttriated).
[007] O revestimento de ligação pode ser feito de alumineto de níquel único β-NiAl ou β-NiAlPt de platina modificada. A fração atômica média de alumínio (entre 0,35 e 0,45) do revestimento de ligação é suficiente para formar exclusivamente uma camada protetora de óxido de alumínio (Al2O3) para proteger o substrato da superliga contra oxidação e corrosão.
[008] No entanto, quando a peça é submetida a altas temperaturas, a diferença nas concentrações de níquel, e especialmente de alumínio, entre o substrato de superligas e o revestimento de ligação de metal leva à difusão dos vários elementos, em particular do níquel no substrato para o revestimento de ligação de metal e do alumínio no revestimento de ligação de metal até a superliga. Esse fenômeno é chamado de “interdifusão”.
[009] A interdifusão pode levar à formação de zonas de reação primária e secundária (SRZ) em uma porção do substrato em contato com o revestimento de ligação.
[010] A Figura 2 é uma microfotografia da seção de um revestimento de ligação (3a) cobrindo um substrato (2). A microfotografia é feita antes da peça ser submetida a uma série de ciclos térmicos para simular as condições de temperatura da peça (1) em uso. O substrato (2) é rico em rênio, isto é, a fração em massa média de rênio é maior que ou igual a 0,04. É conhecido o uso de rênio na composição de superligas para aumentar a resistência à fluência das peças de superligas. Tipicamente, o substrato (2) possui uma fase Y-Ni. O substrato (3a) é do tipo β-NiAlPt. O substrato tem uma zona de interdifusão primária (5), na peça do substrato diretamente coberta pelo revestimento de ligação (3a). O substrato (2) também possui uma zona de interdifusão secundária (6), diretamente coberta pela zona de interdifusão primária (5). A espessura da zona de interdifusão secundária (6) mostrada na Figura 2 é de aproximadamente 35 μm.
[011] A Figura 3 é uma microfotografia da seção do revestimento de ligação (3a) cobrindo o substrato (2). A microfotografia mostra o revestimento de ligação (3a) e o substrato (2) após submetê-los à série de ciclos térmicos descrito acima. O revestimento de ligação (3a) cobre o substrato (2). O substrato (2) possui uma zona de interdifusão primária (5) e uma zona de interdifusão secundária (6). Localmente, a espessura da zona de interdifusão secundária (6) pode ser de até 150 μm, conforme representado pelo segmento branco na Figura 3.
[012] Os fenômenos de interdifusão levam ao esgotamento prematuro do revestimento de ligação de alumínio, o que favorece transformações de fase no revestimento de ligação (β-NiAl ^ Y‘—NÍ3AI, transformação martensítica). Essas transformações modificam a estrutura alotrópica do revestimento de ligação (3a) e geram trincas (8) no revestimento de ligação, promovendo o enrugamento da camada protetora de óxido de alumínio.
[013] Assim, as interdifusões entre o substrato da superliga e o revestimento de ligação podem ter consequências adversas na vida útil da parte da superliga.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[014] Um objetivo da invenção é fornecer uma solução para proteger efetivamente uma peça de turbina de superligas contra oxidação e corrosão, enquanto aumenta sua vida útil, durante o uso, em comparação com peças conhecidas.
[015] Outro objetivo da invenção é fornecer uma solução para evitar ou limitar a formação de zonas de reação secundárias no substrato e o descascamento da camada protetora de óxido de alumínio.
[016] Este objetivo é atingido na presente invenção por meio de uma peça de turbina que compreende um substrato feito de uma superliga à base de níquel de cristal único, compreendendo rênio e/ ou rutênio e tendo uma fase Y‘-NÍ3AI que é predominante em volume e uma fase Y-Ni e um revestimento de ligação feito de uma superliga de metal à base de níquel cobrindo o substrato, caracterizada por o revestimento de ligação ter uma fase Y’-Ni3Al que é predominante em volume e em que o revestimento de ligação possui uma fração atômica média de alumínio entre 0,15 e 0,25, de cromo entre 0,03 e 0,08, de platina entre 0,01 e 0,05, de háfnio inferior a 0,01 e de silício inferior a 0,01.
[017] Como o revestimento de ligação de metal possui uma estrutura alotrópica próxima à estrutura do substrato, a formação de zonas de reação secundárias é impedida e/ ou limitada.
[018] Além disso, como a composição do revestimento de ligação de metal corresponde à composição de um revestimento de ligação sob condições de trabalho em um momento após uma transição martensítica, a estrutura alotrópica do revestimento de ligação limita ou impede a formação de zonas de reação secundárias enquanto possui uma composição química adaptado para aumentar o tempo, sob condições de trabalho, durante o qual a camada protetora pode ser formada.
[019] Além disso, a peça de turbina pode ter as seguintes características: - o revestimento de ligação possui uma fase Y’-Ni3Al superior a 95% em volume; - o revestimento de ligação possui uma fase Y’-Ni3Al e uma fase β- NiAlPt; - o revestimento de ligação possui uma fase Y’-Ni3Al e uma fase Y- Ni; - a fração em massa de rênio no substrato é maior que ou igual a 0,04; - o revestimento de ligação compreende ainda pelo menos um elemento selecionado a partir de cobalto, molibdênio, tungstênio, titânio, tântalo; - uma camada protetora de óxido de alumínio cobre o revestimento de ligação; - uma camada de cerâmica de isolamento térmico cobre a camada protetora; - a espessura do revestimento de ligação está entre 5 μm e 50 μm.
[020] A invenção refere-se ainda a uma pá de turbina caracterizada por compreender uma peça como definida anteriormente.
[021] A invenção refere-se ainda a um motor de turbina a gás caracterizado por compreender uma turbina compreendendo uma pá de turbina como definido anteriormente.
[022] A invenção refere-se ainda a um processo para a fabricação de uma peça de turbina compreendendo uma etapa de deposição a vácuo de um revestimento de ligação de uma superliga à base de níquel possuindo uma fase Y’-NÍ3AI predominante em volume, em um substrato feito de uma superliga à base de níquel compreendendo rênio e/ ou rutênio, com o revestimento de ligação com uma fração atômica média: - de alumínio entre 0,15 e 0,25; - de cromo entre 0,03 e 0,08; - de platina entre 0,01 e 0,05; - de háfnio inferior a 0,01 e - de silício inferior a 0,01.
[023] A deposição pode ser realizada por um método selecionado entre deposição de vapor física, pulverização térmica, evaporação de Joule, ablação de laser pulsado e aspersão.
[024] O revestimento de ligação pode ser depositado por alvos de metal de co-pulverização e/ ou co-evaporação.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[025] Outras características e vantagens serão destacadas na descrição a seguir, que é puramente ilustrativa e não limitativa, e devem ser lidas em conjunto com as figuras em anexo, entre as quais: a Figura 1 mostra um diagrama esquemático da seção transversal de uma peça de turbina, por exemplo, uma pá de turbina ou uma palheta de bocal; a Figura 2 é uma microfotografia da seção de um revestimento de ligação que cobre o substrato; a Figura 3 é uma microfotografia da seção de um revestimento de ligação que cobre o substrato; a Figura 4 ilustra esquematicamente a seção de uma barreira térmica que cobre o substrato de uma peça de turbina de acordo com uma forma de realização da invenção; a Figura 5 é uma microfotografia da seção de um revestimento de ligação que cobre um substrato após tratamento térmico; e a Figura 6 é uma microfotografia da seção de um revestimento de ligação que cobre o substrato após tratamento térmico.
DEFINIÇÕES
[026] O termo “superliga” refere-se a uma liga complexa com muito boa resistência à oxidação, corrosão, fluência e tensão cíclica (especialmente mecânica ou térmica) a alta temperatura e pressão. As superligas têm uma aplicação específica na fabricação de peças usadas na aeronáutica, por exemplo, pás de turbinas ou turbinas a gás, pois constituem uma família de ligas de alta resistência que podem trabalhar a temperaturas relativamente próximas aos seus pontos de fusão (normalmente 0,7 a 0,8 vezes suas temperaturas de fusão).
[027] Uma superliga pode ter uma microestrutura de duas fases compreendendo uma primeira fase (chamada “fase Y”) formando uma matriz e uma segunda fase (chamada fase “Y’“) formando precipitados endurecendo na matriz.
[028] A “base” da superliga é o principal componente de metal da matriz. Na maioria dos casos, as superligas incluem uma base de ferro, cobalto ou níquel, mas às vezes também uma base de titânio ou alumínio.
[029] As “superligas à base de níquel” têm a vantagem de oferecer um bom compromisso entre resistência à oxidação, resistência à fratura a alta temperatura e peso, o que justifica seu uso nas peças mais quentes dos motores de turbojato.
[030] As superligas à base de níquel consistem em uma fase y (ou matriz) do tipo y-Ni cúbico austenítico centrado na face, contendo opcionalmente aditivos em solução sólida de α substituição (Co, Cr, W, Mo) e uma fase y’ (ou precipitados) do tipo y’-Ni3X, com X = Al, Ti ou Ta. A fase y’ tem uma estrutura L12 ordenada, derivada da estrutura cúbica centrada na face, coerente com a matriz, isto é, tendo uma rede atômica muito próxima a ela.
[031] Devido ao seu caráter ordenado, a fase y’ tem a propriedade notável de ter uma resistência mecânica que aumenta com a temperatura até cerca de 800 °C. A coerência entre as fases Y e Y’ confere uma resistência mecânica a quente muito alta de superligas à base de níquel, que depende da proporção y/ y’ e do tamanho dos precipitados de endurecimento.
[032] Uma superliga é, em todas as formas de realização da invenção, rica em rênio e/ ou rutênio, isto é, a fração atômica média de rênio e/ ou rutênio na superliga é maior que ou igual a 0,04. A presença de rênio aumenta a resistência à fluência das partes da superliga em comparação com as partes da superliga livre de rênio sem rutênio. Além disso, a presença de rutênio melhora a distribuição de elementos químicos refratários nas fases Y e Y’.
[033] Assim, as superligas à base de níquel, de forma geral, possuem uma alta resistência mecânica até 700 °C, depois uma resistência mecânica que diminui acentuadamente acima de 800 °C.
[034] O termo “fração atômica” refere-se à concentração.
DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO
[035] A Figura 4 ilustra esquematicamente uma seção da barreira térmica (10) que cobre o substrato (2) de uma peça de turbina (1).
[036] Os componentes mostrados na Figura 4 podem ser independentemente representativos dos componentes de uma pá de turbina (6), uma palheta de bocal ou qualquer outro componente, peça ou parte de uma turbina.
[037] O substrato (2) é formado a partir de uma superliga à base de níquel compreendendo rênio e/ ou rutênio. A fração em massa média do substrato rênio e/ ou rutênio (2) é maior que ou igual a 0,04 e de forma preferencial entre 0,045 e 0,055.
[038] A barreira térmica consiste em um revestimento de ligação de metal (3b), uma camada protetora (4) e uma camada de isolamento térmico (9).
[039] O substrato (2) é coberto pelo revestimento de ligação de metal (3b). A camada de metal (3b) é coberta pela camada de proteção (4). A camada de proteção (4) é coberta pela camada de isolamento térmico (9).
[040] A composição do revestimento de ligação de metal (3b) depositada, tem uma fração atômica média de alumínio entre 0,15 e 0,25, de forma preferencial entre 0,19 e 0,23, de cromo entre 0,03 e 0,08, de forma preferencial entre 0,03 e 0,06, de platina entre 0,01 e 0,05, de háfnio menor inferior a 0,01, de forma preferencial inferior a 0,008, e de silício inferior a 0,01, de forma preferencial inferior a 0,008. A composição preferencial é descrita na Tabela 1 abaixo, sendo a fração atômica média dada em porcentagem.
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Tabela 1
[041] O revestimento de ligação de metal (3b) tem uma maioria de fase Y’-NÍ3AI (12) em volume. Assim, a estrutura alotrópica do revestimento de ligação (3b) está próxima da estrutura do substrato (2), impedindo a formação de zonas de reação secundárias durante o uso da peça de turbina (1) a temperaturas acima de 900 °C e de forma preferencial acima de 1100 °C. De forma vantajosa, a fase Y’-NÍ3AI é superior a 95% em volume no revestimento de ligação de metal. Além da fase Y’-NÍ3AI, o revestimento de ligação de metal (3b) pode ter uma fase β-NiAlPt ou uma fase Y-NÍ.
[042] A composição química e a estrutura alotrópica do revestimento de ligação (3b) foram determinadas através da análise da composição química e da estrutura de um revestimento de ligação (3b), inicialmente do tipo β-NiAlPt, diretamente após uma fase de transformação martensítica durante um tratamento do revestimento de ligação (3b) simulando as condições térmicas de uso da peça (1).
[043] A Figura 5 é uma microfotografia da seção de um revestimento de ligação (3a), diferente de um revestimento de ligação da invenção, cobrindo um substrato após tratamento térmico. O substrato coberto pelo revestimento de ligação (3a) é um substrato feito de uma superliga à base de níquel do tipo AM1, que não compreende rênio nem rutênio. A peça que compreende o revestimento de ligação (3a) foi tratada por uma série de 250 ciclos térmicos, cada ciclo correspondendo a um tratamento térmico da peça que compreende o revestimento de ligação (3a) a uma temperatura de 1100 °C por 60 minutos. A maioria do volume do revestimento de ligação (3a) é uma fase β-NiAlPt (11) e a minoria é uma fase Y’-NÍ3AI (12). O revestimento de ligação (3a) é coberto por uma camada protetora (4). A interface entre o revestimento de ligação (3a) e a camada protetora (4) é muito irregular: possui uma rugosidade alta o suficiente para fazer com que a camada protetora (4) se lasque (ou enrole) quando a peça é usada. Essa rugosidade é causada durante o tratamento térmico por transformações martensíticas das fases de β-NiAlPt (11) no revestimento de ligação (3a).
[044] A Figura 6 é uma microfotografia da seção de um revestimento de ligação (3b), de acordo com uma forma de realização da invenção, cobrindo um substrato (2) feito de uma superliga à base de níquel de cristal único compreendendo rênio e/ ou rutênio, após um tratamento térmico. A peça que compreende o revestimento de ligação (3b) foi tratada por uma série de 500 ciclos térmicos, cada ciclo correspondendo a um tratamento térmico da peça (1) compreendendo o revestimento de ligação (3b) a uma temperatura de 1100 °C por 60 minutos. A maior peça do volume do revestimento de ligação (3b) é uma fase Y’-NÍ3AI (12) e a minoria é uma fase de β-NiAlPt (11). O revestimento de ligação (3a) é coberto por uma camada protetora (4). A interface entre o revestimento de ligação (3b) e a camada protetora (4) tem uma rugosidade menor do que a rugosidade entre o revestimento de ligação (3a) e a camada protetora (4) mostrada na Figura 5, apesar de um tratamento térmico do sistema que compreende o revestimento de ligação (3b) que é mais longo que o tratamento térmico descrito com referência à Figura 5. Esta diferença de rugosidade está associada a uma transformação martensítica mais rápida das fases β-NiAlPt (11) do revestimento de ligação (3b) do que a das fases β-NiAlPt (11) do revestimento de ligação (3a). Além disso, o revestimento de ligação (3b) ilustrado na Figura 6 apresenta principalmente em volume uma fase Y’-NÍ3AI (12) e menos em volume uma fase β-NiAlPt (11).
[045] A estrutura alotrópica e a composição química do revestimento de ligação (3b) após 500 ciclos térmicos foram analisadas e selecionadas. Essa estrutura e composição correspondem à estrutura e composições descritas acima, particularmente na Tabela 1.
[046] Assim, devido a uma maioria de fase Y‘—NÍ3AI (12) em volume e devido à composição descrita na Tabela 1, o revestimento de ligação (3b) está sujeito pouco ou nada às transformações martensíticas que levam ao fenômeno de enrugamento (rumpling), enquanto apresenta uma composição que aumenta o tempo, sob condições de trabalho, durante o qual a camada protetora (4) pode ser formada.
[047] O revestimento de ligação (3b) pode ser depositado sob vácuo, por exemplo, por meio de deposição de vapor físico (PVD). Diferentes métodos de PVD podem ser utilizados para a fabricação do revestimento de ligação (3b), como aspersão, evaporação de Joule, ablação de laser e deposição de vapor física assistida por feixe de elétrons. O revestimento de ligação (3b) também pode ser depositado por pulverização térmica.
[048] Assim, o revestimento de ligação (3b) pode ser depositado no substrato (2), apresentando, antes de qualquer tratamento térmico, uma composição química e uma estrutura alotrópica adaptada para evitar o fenômeno de enrugamento.
[049] Estes métodos de deposição também simplificam a formação do revestimento de ligação (3b) no substrato (2), bem como um melhor controle da composição química do revestimento de ligação (3b).
[050] Finalmente, esses métodos de deposição permitem o controle preciso da espessura do revestimento de ligação (3b), diferentemente dos métodos de formação do revestimento de ligação por difusão do elemento químico. De forma vantajosa, a espessura do revestimento de ligação (3b) está entre 5 μm e 50 μm.
[051] Vários alvos de diferentes materiais de metal podem ser usados em paralelo, simultaneamente, ao depositar um revestimento de ligação (3b). Este tipo de deposição pode ser realizado por co-evaporação ou co-pulverização: a taxa, respectivamente, de evaporação ou pulverização imposta a cada alvo durante a deposição do revestimento de ligação (3b), determina a estequiometria da referida camada.

Claims (13)

1. PEÇA DE TURBINA (1), compreendendo um substrato (2) feito de uma superliga à base de níquel de cristal único, compreendendo rênio e/ ou rutênio e possuindo uma fase Y’-NÍ3AI que é predominante em volume e uma fase Y-Ni, e um revestimento de ligação (3b) feito de uma superliga de metal à base de níquel cobrindo o substrato (2), caracterizada pelo revestimento de ligação (3b) possuir uma fase Y’-Ni3Al (12) de volume maioritário e em que o revestimento de ligação (3b) tem uma fração atômica média: - de alumínio entre 0,15 e 0,25; - de cromo entre 0,03 e 0,08; - de platina entre 0,01 e 0,05; - de háfnio inferior a 0,01 e - de silício inferior a 0,01 - em que a peça de turbina (1) compreende uma camada protetora (4) de óxido de alumínio que cobre o revestimento de ligação (3b).
2. PEÇA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo revestimento de ligação (3b) ter uma fase Y’-Ni3Al (12) superior a 95% em volume.
3. PEÇA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo revestimento de ligação (3b) possuir uma fase Y’-Ni3Al (12) e uma fase β-NiAlPt (11).
4. PEÇA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo revestimento de ligação (3b) ter uma fase Y’-Ni3Al (12) e uma fase Y-Ni.
5. PEÇA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pela fração em massa de rênio do substrato (2) ser maior que ou igual a 0,04.
6. PEÇA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo revestimento de ligação (3b) compreender ainda pelo menos um elemento selecionado a partir de cobalto, molibdênio, tungstênio, titânio, tântalo.
7. PEÇA, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por compreender uma camada de cerâmica de isolamento térmico (9) cobrindo a camada de proteção (4).
8. PEÇA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pela espessura do revestimento de ligação (3) estar entre 5 μm e 50 μm.
9. PÁ DE TURBINA (6), caracterizada por compreender uma peça (1), conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.
10. MOTOR DE TURBINA A GÁS, caracterizado por compreender uma turbina compreendendo uma pá de turbina (6), conforme definida na reivindicação 9.
11. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA PEÇA DE TURBINA (1), caracterizado por compreender uma etapa de deposição a vácuo de um revestimento de ligação (3b) de uma superliga à base de níquel possuindo uma fase Y‘-NÍ3AI predominante em volume, em um substrato (2) feito de uma superliga à base de níquel compreendendo rênio e/ ou rutênio, o revestimento de ligação (3b) tendo uma fração atômica média: - de alumínio entre 0,15 e 0,25; - de cromo entre 0,03 e 0,08; - de platina entre 0,01 e 0,05; - de háfnio inferior a 0,01 e - de silício inferior a 0,01 e uma etapa de formar uma camada protetora (4) de óxido de alumínio que cobre o revestimento de ligação (3b).
12. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pela deposição ser realizada por um método selecionado a partir de deposição de vapor física, pulverização térmica, evaporação de Joule, ablação de laser pulsado e aspersão.
13. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 12, caracterizado pelo revestimento de ligação (3b) ser depositado por alvos de metal de co-pulverização e/ ou co-evaporação.
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