BR112020007748A2

BR112020007748A2 - componente de turbina e processo para a fabricação de um componente de turbina

Info

Publication number: BR112020007748A2
Application number: BR112020007748-8A
Authority: BR
Inventors: Amar Saboundji; Virginie Jaquet
Original assignee: Safran
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2020-10-13
Also published as: RU2020114577A3; CN111247312B; CN111247312A; JP2021502478A; JP7481253B2; FR3072717A1; RU2020114577A; CA3081099A1; WO2019077271A1; EP3698020A1; EP3698020B1; US20210199016A1; RU2770263C2; US11293290B2; FR3072717B1

Abstract

A invenção refere-se a uma peça de turbina, como uma lâmina de turbina ou uma palheta de bocal, por exemplo, usada em aeronáutica. O componente de turbina (1), compreende: um substrato (2) de superliga à base de níquel de cristal único, compreendendo rênio, tendo uma fase de Ni ¿-¿?, e uma fração em massa média de cromo de menos de 0,08; uma subcamada de superliga de metal à base de níquel (3) cobrindo o substrato (2); em que a subcamada de superliga de metal (3) compreende pelo menos alumínio, níquel, cromo, silício, háfnio e possui uma fase ¿?-Ni3Al predominantemente em volume.

Description

“COMPONENTE DE TURBINA E PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UM COMPONENTE DE TURBINA” CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção refere-se a uma peça de turbina, como uma lâmina 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 pode atingir temperaturas elevadas, acima de 1200 °C ou até mesmo 1600 °C. As peças do motor turbojato em contato com esses gases de escape, como as lâminas da turbina, por exemplo, devem poder manter suas propriedades mecânicas a essas altas temperaturas.

[003] Para esse fim, é conhecida a fabricação de certas peças do motor turbojato em “superligas”. As superligas são uma família de ligas metálicas de alta resistência que podem trabalhar em temperaturas relativamente próximas aos seus pontos de fusão (normalmente 0,7 a 0,8 vezes a sua 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 um componente de turbina (1), por exemplo, uma lâmina de turbina (6) ou uma palheta de bocal. O componente (1) compreende um substrato (2) feito de uma superliga de metal de cristal único (2) revestida com uma barreira térmica (10).

[006] A barreira térmica (10) tipicamente consiste em uma subcamada de metal, uma camada protetora e um camada isolante térmica. A subcamada de metal cobre o substrato de superliga de metal. A subcamada de metal é coberta pela camada de proteção, que é formada pela oxidação da subcamada 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 itriada.

[007] A subcamada de metal fornece uma ligação entre a superfície do substrato da superliga e a camada protetora: a subcamada de metal às vezes é chamada de “revestimento de ligação”.

[008] Uma subcamada pode ser feita de alumineto de níquel único β-NiAl ou de platina modificada β-NiAlPt. A fração de massa média de alumínio (entre 0,35 e 0,45) da subcamada é suficiente para formar exclusivamente uma camada protetora de óxido de alumínio (Al2O3) para proteger o substrato da superliga contra a oxidação e a corrosão.

[009] No entanto, quando o componente é submetido a altas temperaturas, a diferença nas concentrações de níquel, e especialmente de alumínio, entre o substrato da superliga e da subcamada de metal leva a difusão dos vários elementos, em particular, níquel do substrato para a subcamada de metal e alumínio da subcamada de metal para a superliga. Esse fenômeno é chamado de “inter-difusão”.

[0010] A inter-difusão pode levar à formação de zonas de reação primária e secundária (SRZ) em uma porção do substrato em contato com a subcamada.

[0011] A Figura 2 é uma microfotografia da seção de uma subcamada (3) sobre um substrato (2). A microfotografia é feita antes do componente ser submetido a uma série de ciclos térmicos para simular as condições de temperatura de trabalho do componente (1). O substrato (2) é rico em rênio, ou seja, a fração de massa média do rênio é superior a 0,04. É conhecido o uso de rênio na composição de superligas para aumentar a resistência à fluência das peças de superligas. É também conhecido o uso de superligas possuindo uma fração de massa de cromo de média baixa, ou seja, menor do que 0,08, para aumentar a resistência à oxidação e corrosão da estrutura, quando o substrato é rico em rênio. Tipicamente, o substrato (2) possui uma fase γ-γ’ de Ni. O substrato (3) é do tipo β-NiAlPt. O substrato tem uma zona de interdifusão primária (5), na parte do substrato (2) diretamente coberta pela subcamada (3). O substrato (2) também possui uma zona de interdifusão secundária (6), diretamente sobreposta pela zona de interdifusão primária (5). A espessura da zona de interdifusão secundária mostrada na Figura 2 é de aproximadamente 35 µm e mais geralmente entre 20 e 50 µm.

[0012] A Figura 3 é uma microfotografia da secção da subcamada (3) recobrindo o substrato (2). A microfotografia mostra a subcamada (3) e o substrato (2) depois submetê-los à série de ciclos térmicos acima descrita. A subcamada (3) cobre o substrato (2). O substrato (2) tem uma zona de interdifusão primária (5) e uma zona de interdifusão secundária (6). Localmente, a espessura da zona de interdifusão secundária pode ser maior que 100 µm e pode ser tão espessa quanto 150 µm, conforme representado pelo segmento branco na Figura 3.

[0013] A combinação de uma superliga de baixo cromo e contendo rênio com uma subcamada do tipo β-NiAlPt leva à formação de zonas de reação secundárias. A formação de zonas de reação secundárias degrada fortemente as propriedades mecânicas (fluência, fadiga) da superliga provocando fissuras (8) e/ ou elevada tensão mecânica no substrato (2), submetendo o componente (1) a condições de altas temperaturas, por exemplo acima de 1000 °C.

[0014] Assim, as difusões entre o substrato da superliga e a subcamada podem ter consequências adversas na vida útil da peça de superliga.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0015] Um objetivo da invenção é fornecer uma solução para proteger efetivamente um componente de turbina de superliga contra oxidação e corrosão enquanto aumenta sua vida útil, durante o uso, em comparação com os componentes conhecidos.

[0016] Este objetivo é obtido na presente invenção por meio de um componente da turbina que compreende um substrato feito de uma superliga à base de níquel de cristal único, que compreende rênio, tendo uma fase de Ni γ- γ’, e uma fração média em massa de cromo inferior a 0,08, uma subcamada de superliga de metal à base de níquel que cobre o substrato, caracterizada pela subcamada de superliga de metal compreender pelo menos alumínio, níquel, cromo, silício, háfnio e possuir uma fase de γ’-Ni3Al predominantemente em volume.

[0017] Como a subcamada de metal possui uma estrutura alotrópica próxima à estrutura do substrato, a formação de zonas de reação secundárias é impedida e/ ou limitada. Assim, a formação de fissuras no substrato de um componente submetido a condições de alta temperatura, por exemplo acima de 1000 °C, bem como a fragmentação da camada protetora de óxido de alumínio é limitada ou impedida.

[0018] Além disso, uma vez que a subcamada de metal compreende alumínio, enquanto tem uma fase de γ’-Ni3Al predominantemente volumosa, a subcamada de metal pode ser oxidada para formar uma camada protetora de alumínio por um longo tempo, sob condições de trabalho, do que o uso de subcamadas de metal conhecidas.

[0019] Além disso, o componente de turbina pode ter as seguintes características: - a subcamada também possui uma fase γ-Ni; - a fração em massa média de rênio do substrato é superior a 0,04; - a fração em massa média de platina da subcamada está entre 0 e 0,05;

- a fração em massa média de alumínio da subcamada está entre 0,06 e 0,25; - a fração em massa média de cromo da subcamada está entre 0,07 e 0,20; - a fração em massa média de háfnio da subcamada é inferior a 5%; - a fração em massa média de silício da subcamada é inferior a 5%; - a subcamada compreende ainda pelo menos um elemento selecionado a partir de cobalto, molibdênio, tungstênio, titânio e tântalo; - uma camada protetora de óxido de alumínio cobre a subcamada; - uma camada de cerâmica termicamente isolante cobre a camada protetora; e - a espessura da subcamada está entre 5 µm e 50 µm.

[0020] A invenção refere-se ainda a um processo para fabricar um componente de turbina compreendendo uma etapa de deposição a vácuo de uma subcamada de uma superliga à base de níquel com uma fase de γ’-Ni3Al predominantemente em volume, bem como opcionalmente uma fase de γ-Ni, em um substrato de superliga à base de níquel compreendendo rênio e tendo uma fase Ni γ-γ’.

[0021] A deposição pode ser realizada por um método selecionado a partir de deposição física por vapor, pulverização térmica (por exemplo, por um combustível de oxigênio de alta velocidade, ou sistema HVOF), evaporação de joule, ablação por laser pulsado e pulverização catódica.

[0022] A subcamada pode ser depositada por alvos de co- pulverização e/ ou por co-evaporação de diferentes materiais metálicos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0023] Outras características e vantagens serão destacadas na descrição a seguir, que é puramente ilustrativa e não limitativa, e deve ser lida em conjunto com as figuras em anexo, entre as quais: - A Figura 1 mostra um diagrama esquemático da seção transversal de um componente de turbina, por exemplo, uma lâmina de turbina ou uma palheta de bocal; - a Figura 2 é uma microfotografia da seção de uma subcamada sobreposta a um substrato; - a Figura 3 é uma microfotografia da seção de uma subcamada (3) sobreposta a um substrato; e - A Figura 4 ilustra esquematicamente uma seção de barreira térmica que cobre o substrato de um componente de turbina de acordo com uma forma de realização da invenção.

DEFINIÇÕES

[0024] 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. Superligas têm uma aplicação particular na fabricação de componentes utilizados no domínio da aeronáutica, por exemplo lâminas de turbinas, uma vez que elas constituem uma família de ligas de alta resistência que pode funcionar a temperaturas relativamente perto dos seus pontos de fusão (tipicamente 0,7 a 0,8 vezes as suas temperaturas de fusão).

[0025] Uma superliga pode ter uma microestrutura bifásica compreendendo uma primeira fase (chamada “fase γ”) formando uma matriz e uma segunda fase (chamada “fase γ’”) formando precipitados endurecendo a matriz.

[0026] A “base” da superliga é o principal componente metálico 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.

[0027] “Superligas à base de níquel” têm a vantagem de oferecer um bom compromisso entre a resistência à oxidação, resistência à fratura em alta temperatura e peso, o que justifica a sua utilização nos componentes mais quentes dos motores turbojato.

[0028] Superligas à base de níquel consistem em uma fase γ (ou matriz) do tipo γ-Ni cúbica austenítica centrada na face, opcionalmente contendo aditivos em solução sólida de substituição  (Co, Cr, W, Mo), e uma fase γ’ (ou precipitados) do tipo γ’-Ni3X, com X = Al, Ti ou Ta. A fase γ’ possui uma estrutura L12 ordenada, derivada da estrutura cúbica centrada na face, coerente com a matriz, ou seja, possuindo uma rede atômica muito próxima a ela.

[0029] Devido ao seu caráter ordenado, a fase γ’ tem a propriedade notável de ter uma resistência mecânica que aumenta com a temperatura até cerca de 800 °C. A coerência muito forte entre as fases γ e γ’ confere uma resistência mecânica a quente muito alta de superligas à base de níquel, que depende da razão γ / γ’ e do tamanho dos precipitados de endurecimento.

[0030] Uma superliga é, em todas as formas de realização da invenção, ricas em rênio ou seja, a fração em massa média de rênio da superliga é maior do que 0,04, o que torna possível aumentar a resistência à fluência dos de superliga em comparação com os componentes feitos de superligas livres de rênio. Uma superliga também é, em todas as formas de realização da invenção, pobres em cromo, ou seja, a fração em massa média do cromo é menor que 0,08, preferencialmente menor que 0,05, a fim de aumentar a resistência à oxidação da estrutura quando o rênio está presente na superliga.

[0031] Assim, as superligas à base de níquel geralmente têm uma alta resistência mecânica de até 700 °C, depois uma resistência mecânica que diminui acentuadamente acima de 800 °C.

[0032] O termo “fração em massa” significa a razão entre a massa de um elemento ou grupo de elementos e a massa total.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[0033] A Figura 4 ilustra esquematicamente uma seção da barreira térmica (10) cobrindo o substrato (2) de um componente de turbina (1) em conformidade com uma forma de realização da invenção.

[0034] Os elementos mostrados na Figura 4 podem ser independentemente representativos dos elementos de uma lâmina de turbina (6), como mostrada na Figura 1, uma palheta de bocal ou qualquer outro elemento, peça ou componente de uma turbina.

[0035] O substrato (2) é formado a partir da superliga à base de níquel. A fração em massa média do substrato de rênio (2) é maior que 0,04 e preferencialmente entre 0,045 e 0,055. Preferencialmente, a fração em massa média de substrato em cromo é baixa, isto é, menos do que 0,08 e de preferência inferior a 0,05.

[0036] A barreira térmica (10) consiste em uma subcamada de metal (3), uma camada protetora (4) e um camada de isolamento térmico (9).

[0037] O substrato (2) está coberto pela subcamada de metal (3).

A subcamada de metal (3) está coberta pela camada protetora (4). A camada protetora (4) é coberta pela camada de isolamento térmico (9).

[0038] A deposição de uma subcamada de metal (3) com uma estrutura alotrópica próxima à estrutura do substrato (2) impede a formação de zonas de reação secundárias. Em particular, a subcamada depositada (3) possui uma fase γ e uma fase γ’, como o substrato.

[0039] A subcamada (3) possui uma composição formadora de alumino, permitindo que o componente resista à oxidação e corrosão. Na particular, a maioria do volume da subcamada (3) tem uma fase γ’-Ni3Al.

Preferencialmente, a subcamada (3) também tem uma fase γ-Ni. A subcamada (3) apresenta assim uma estrutura próxima à estrutura do substrato (2), ao mesmo tempo que compreende uma reserva de alumínio que permite formar uma camada protetora (4) de óxido de alumínio por oxidação, por mais tempo, em comparação com uma subcamada que apresenta uma fase γ-Ni majoritária na qual a fração em massa de alumínio é menor. Preferencialmente, a fração em massa média de subcamada de alumínio (3) está entre 0,06 e 0,25 e, preferencialmente, entre 0,06 e 0,12.

[0040] A Tabela 1, abaixo, mostra exemplos de composições da subcamada de superliga à base de níquel (3). As diferentes composições são designadas pela letras de A a C. Os frações em massa, em por cento, da subcamada (3) com uma fase γ, e a fração em volume da subcamada (3) com uma fase γ’, são também descritas para uma subcamada (3) que foi tratada termicamente a 1000 °C. 1000 °C % % Ni Co Mo Cr W Al Ti Ta Pt Hf Si de de γ γ’ A Base 9-17 6-12 0-5 0-5 0-5 B Base 12 9,5 0 1,7 0,6 15 85 C Base 16 7,8 0 1,7 1,5 40 60 TABELA1

[0041] A composição A corresponde a uma subcamada (3) do tipo NiCrAlHfSiPt e possui uma fase majoritária γ’-Ni3Al e uma fase γ-Ni. A composição B corresponde a uma subcamada (3) do tipo NiCrAlHfSi e tem uma fase majoritária γ’-Ni3Al e preferencialmente uma fase γ-Ni. Para uma subcamada (3) submetida a tratamento térmico a 1100 °C, a fração em massa da subcamada (3) que apresenta uma fase γ é de 40% em massa e a fração em massa da subcamada (3) que apresenta uma fase γ’ é de 60% em massa. A composição C corresponde a uma subcamada (3) do tipo NiCrAlHfSi e possui uma fase majoritária γ’-Ni3Al e uma fase γ-Ni.

[0042] Em geral, a subcamada (3), preferencialmente, tem uma fração em massa média de platina de menos de 0,02 e/ ou uma fração em massa média de cromo entre 0,07 e 0,17. Assim, a resistência à oxidação do componente é aumentada.

[0043] A subcamada (3) pode ser depositada em um vácuo, por exemplo, por meio de deposição física de vapor (PVD). Métodos PVD diferentes podem ser usados para a fabricação da subcamada (3), tais como pulverização catódica, evaporação por efeito de Joule, ablação a laser e deposição de vapor física assistida por feixe de elétrons. A subcamada (3) também pode ser depositada por pulverização térmica.

[0044] Assim, a subcamada (3) pode ser depositada sobre o substrato (2) sem o uso de um método de formação de subcamada por difusão de químicos elementos dentro do substrato (2), tal como a platina. Estes métodos de deposição também simplificam a formação da subcamada (3) sobre o substrato (2) e permitem um melhor controle das composições químicas da subcamada (3). Eles também torna possível depositar uma subcamada (3) com uma fase γ’-Ni3Al, e opcionalmente uma fase γ-Ni, ao contrário dos métodos conhecidos.

[0045] Vários alvos de diferentes materiais metálicos podem ser usados em paralelo, simultaneamente, ao depositar uma subcamada (3). Este tipo de deposição pode ser efetuada por co-evaporação ou por co-pulverização catódica: a taxa, respectivamente de evaporação ou pulverização aplicada a cada alvo durante a deposição da subcamada (3), em seguida, determina a estequiometria da referida camada.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. COMPONENTE DE TURBINA (1), compreendendo: um substrato (2) de superliga à base de níquel de cristal único, compreendendo rênio, tendo uma fase de Ni γ-γ’, e uma fração em massa média de cromo de menos de 0,08; uma subcamada de superliga de metal à base de níquel (3) cobrindo o substrato (2); caracterizado pela subcamada de superliga de metal (3) compreender pelo menos alumínio, níquel, cromo, silício, háfnio e possuir uma fase γ’-Ni3Al predominantemente em volume.

2. COMPONENTE (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela subcamada (3) também possuir uma fase γ-Ni.

3. COMPONENTE (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pela fração em massa média de rênio do substrato (2) ser superior a 0,04.

4. COMPONENTE (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela fração em massa média de platina da subcamada (3) ser inferior a 0,05.

5. COMPONENTE (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela fração em massa média de alumínio da subcamada (3) estar compreendida entre 0,06 e 0,25.

6. COMPONENTE (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela fração em massa média de cromo da subcamada (3) estar entre 0,07 e 0,20.

7. COMPONENTE (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pela fração em massa média de háfnio da subcamada (3) ser inferior a 5%.

8. COMPONENTE (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pela fração em massa média de silício da subcamada (3) ser inferior a 5%.

9. COMPONENTE (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pela subcamada (3) compreender ainda pelo menos um elemento selecionado a partir de cobalto, molibdênio, tungstênio, titânio, tântalo.

10. COMPONENTE (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por compreender uma camada protetora de óxido de alumínio (4) cobrindo a subcamada (3).

11. COMPONENTE (1), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por compreender uma camada cerâmica termicamente isolante (9) cobrindo a camada protetora (4).

12. COMPONENTE (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pela espessura da subcamada (3) estar entre 5 µm e 50 µm.

13. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UM COMPONENTE DE TURBINA (1), caracterizado por compreender uma etapa de deposição a vácuo de uma subcamada (3) de uma superliga à base de níquel que tem, predominantemente em volume, uma fase γ’-Ni3Al, bem como opcionalmente uma fase γ-Ni, em um substrato (2) da superliga à base de níquel compreendendo rênio e tendo uma fase de γ-γ’ Ni.

14. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pela deposição ser realizada por um método selecionado a partir de deposição física de vapor, pulverização térmica, evaporação por efeito de Joule, ablação a laser pulsado e pulverização catódica.

15. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 14, caracterizado pela subcamada (3) ser depositada por co-

pulverização e/ ou co-evaporação de alvos de diferentes materiais metálicos.