BRPI0115917B1 - método de remoção de revestimentos cerâmicos - Google Patents

Abstract

"método de remoção de revestimentos cerâmicos". a presente invenção refere-se a um método de remoção de um revestimento cerâmico (18), e particularmente materiais de revestimento de barreira térmica contendo óxido de zircônio (tbc) tais como óxido de zircônio estabilizado com óxido de ítrio (ysz), que tenha sido intencionalmente ou não intencionalmente depositado na superfície de um componente (10). o método vincula a sujeição de um revestimento cerâmico (18) a uma solução aquosa contendo um sal de fluoreto ácido, tal como um bifluoreto de amônio (nh4hf2) ou bifluoreto de sódio (naf2), e um inibidor de corrosão. o método é capaz de remover completamente o revestimento cerâmico (18) sem remover ou danificar o material substrato subjacente que pode incluir um revestimento aglutinante metálico (16).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE REMOÇÃO DE REVESTIMENTOS CERÂMICOS".

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a métodos para remover revestimentos cerâmicos. Mais particularmente, esta invenção é direcionada a um método para remover uma camada de cerâmica contendo óxido de zircônio, tal como revestimento de barreira térmica de óxido de zircônio estabilizado com óxido de ítrio (YSZ), de uma superfície, tal como aquela de usinagem de um equipamento de deposição ou aquela de um componente de um motor de turbina a gás.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Componentes localizados em certas seções de motores de turbina a gás, tais como a turbina, a câmara de combustão e o amplificador, são freqüentemente isolados termicamente com uma camada de cerâmica de forma a reduzir suas temperaturas de serviço, o que permite ao motor operar mais eficientemente a altas temperaturas. Esses revestimentos, freqüentemente referidos como revestimentos de barreira térmica (TBC), devem ter baixa condutividade térmica, aderir fortemente ao artigo, e permanecer aderente durante muitos ciclos de aquecimento e resfriamento.

Sistemas de revestimento capazes de satisfazer as requisições acima incluem tipicamente um revestimento aglutinante metálico que adere o TBC ao componente. Revestimentos aglutinantes são formados tipicamente de um revestimento de difusão resistente à oxidação tal como uma difusão aluminídea ou platina aluminídea, ou uma liga de sobrerrevestimento resistente à oxidação tal como MCrAIY (onde M é ferro, cobalto e/ou níquel). Óxi-dos metálicos, tais como zircônio (Zr02) parcialmente ou completamente estabilizado por óxido de ítrio (Y2O3), óxido de magnésia, (MgO) ou outros óxidos, foram amplamente empregados como materiais TBC. O TBC é depositado tipicamente por pulverização de chamas, pulverização de plasma de ar (APS) pulverização de plasma a baixa pressão (LPPS), ou uma técnica de deposição física de vapor (PVD) tal como deposição física de vapor por raio de elétrons (EBPVD), que produz uma estrutura de grãos colunar tole- rante à tensão. Essas técnicas de revestimento requerem usinagem para posicionar, girar e mascarar os componentes que estão sendo revestidos, de forma que o processo de revestimento possa ser controlado para blindar ou revestir porções selecionadas dos componentes.

Embora avanços significativos tenham sido feitos em materiais de revestimento e processos para produzir os revestimentos aglutinantes ambientalmente resistentes e o TBC, há a inevitável necessidade de remover e substituir o TBC sob certas circunstâncias. Por exemplo, a remoção pode ser necessária pela erosão ou por dano de impacto ao TBC durante a operação do motor, ou pela necessidade de reparar certas características tais como o comprimento da ponta de uma lâmina de turbina. A remoção do TBC pode também ser necessária durante a produção do componente para tratar tais problemas como defeitos no revestimento, danos de manuseio e a necessidade de repetir operações de fabricação relativas ao não revestimento que requeiram a remoção da cerâmica, por exemplo, operações de usinagem por descarga elétrica (EDM). Como o equipamento, a usinagem e as coberturas ("maskants") empregadas na deposição do TBC tendem a tornar-se revestidas com o material do TBC, surge também uma necessidade de remover-se periodicamente o TBC desses componentes de forma a assegurar seu funcionamento e operação adequados. Como exemplo, o TBC indesejável pode freqüentemente ser removido de coberturas (maskants) após apenas uns poucos ciclos de revestimento. Métodos correntes de desenvolvimento para reparar componentes protegidos pelo TBC freqüentemente resultam na remoção de todo o sistema TBC, isto é, tanto a cerâmica TBC quanto o revestimento de aglutinação, após o que o revestimento de aglutinação e o TBC devem ser depositados novamente. Uma vez que tal método deve usar abrasivos em procedimentos tais como jateamento com areia, polimento a vapor e choque de contas de vidro, cada um deles sendo um processo lento, de trabalho intensivo, que desgasta o TBC e o revestimento aglutinante, bem como a superfície do substrato debaixo do revestimento de aglutinação. Com o uso repetitivo, esses procedimentos eventualmente destroem o componente reduzindo a espessura da parede do componente. Esta desvantagem é em particular aguda com a difusão dos revestimentos aglutinantes aliminídeos, que têm uma zona de difusão que se estende na superfície do substrato do componente. Danos aos revestimentos de aglutinação de difusão aluminídea ocorrem geralmente pela ruptura das fases quebradiças na zona de difusão, tais como fases PtAI2 em um revestimento aglutinante de platina aluminídeo, ou na camada aditiva, que é a camada de revestimento aglutinante mais externa contendo uma fase intermetálica ambientalmente resistente Mal, onde M é ferro, níquel ou cobalto, dependendo do material do substrato. O dano é particularmente provável quando se trata um componente refrigerado a ar, tais como uma lâmina de turbina ou uma ventoinha cuja superfície do aero-fólio inclui orifícios de resfriamento dos quais o ar de resfriamento é descarregado para resfriar suas superfícies externas.

Em relação à remoção do TBC da usinagem, a necessidade de que o TBC seja repetidamente removido para manter a praticabilidade da usinagem encurta drasticamente a vida da usinagem, levando a freqüentes substituições da usinagem. Devido aos processos de alta temperatura usados para depositar o TBC, a usinagem é freqüentemente formada de materiais de superliga, tais como Hastelloy X, com resultado de que o custo da substituição da usinagem pode ser alto.

Em vista do acima, esforços significativos foram direcionados para desenvolvimento de processos não abrasivos para remoção do TBC. Um desses métodos é um processo de autoclave no qual o TBC é submetido a temperaturas e pressões elevadas na presença de um composto cáustico. Descobriu-se que esse processo enfraquece suficientemente o agluti-namento químico entre o TBC e as camadas de revestimento de aglutinação para permitir a remoção do TBC enquanto deixa intacto o revestimento de aglutinação. Entretanto, um equipamento adequado de autoclave é caro, e as técnicas de autoclave foram incapazes de remover a cerâmica dos orifícios de resfriamento das lâminas de turbinas resfriadas a ar e ventoinhas. Conseqüentemente os orifícios de resfriamento são prováveis de tornar-se constritos quando o novo TBC é depositado, o que é prejudicial à perfor- mance do componente. Outras técnicas conhecidas para remover-se o TBC da usinagem de revestimento e dos componentes do motor da turbina a gás incluem a limpeza do íon fluoreto e tratamentos a alta temperatura com cloreto. Entretanto cada uma dessas técnicas geralmente tem a desvantagem de ser lenta, o que limita significativamente a produtividade operacional e resulta em tempos de retorno relativamente longos.

Uma técnica mais rápida para remover o TBC está descrita na Patente U.S. nQ 5.614.054 para Reeves e outros, e emprega um pó ou gás contendo halogênio, preferivelmente fluoreto de amônio (NH4F). Reeves e outros tratam a superfície de um componente revestido com TBC a uma temperatura suficiente para produzir íons de halogênio que acredita-se atacar o óxido metálico aglutinante entre o TBC e o revestimento aglutinante. Reeves e outros notam que os revestimentos aglutinantes aluminídeos são degradados por esse tratamento, embora o substrato de superliga subjacente permaneça incólume. Enquanto Reeves e outros representam um avanço significativo na remoção do TBC, outras melhorias são desejadas, particularmente para processos capazes de remover TBC de uma superfície do componente sem danificar o substrato subjacente, incluindo qualquer revestimento aglutinante usado para aderir o TBC.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção fornece um método para remover um revestimento cerâmico, e particularmente materiais de revestimento de barreira térmica contendo óxido de zircônio. (TBC) tais como óxido de zircônio estabilizado com óxido de ítrio (YSZ), que foi intencionalmente ou não intencionalmente depositado na superfície de um componente. Como tal, os materiais do TBC com ou sem um revestimento aglutinante metálico podem ser removidos pelo processo desta invenção, como revestimentos aglutinantes tipicamente não estão presentes no equipamento, usinagem e coberturas (maskants) usadas para depositar os materiais TBC, enquanto revestimentos aglutinantes são um constituinte preferido na superfície dos componentes de alta temperatura de forma a aderir obstinadamente o TBC ao componente, exemplos notáveis dos quais inclui componentes de motores de turbi- na a gás expostos ao ambiente térmico hostil das seções da turbina, da câmara de combustão e do amplificador de uma turbina a gás. O método é particularmente adequado para remover completamente o TBC sem remover ou danificar o revestimento aglutinante metálico, se presente, ou danificar o material substrato subjacente. O método desta invenção geralmente vincula a submissão do TBC a uma solução aquosa contendo um sal fluoreto ácido, tal como bifluo-reto de amônio (NH4HF2) ou bifluoreto de sódio (NaHF2), e um inibidor de corrosão. Um processo preferido para remover o revestimento cerâmico vincula a imersão do componente na solução enquanto mantido a uma temperatura elevada, e submeter o revestimento à energia ultra-sônica. Usando-se o método desta invenção, um TBC pode ser completamente removido do componente e de quaisquer orifícios da superfície, tais como orifícios de resfriamento freqüentemente presentes nas superfícies dos aerofólios dos componentes do motor de turbina a gás, e com essencialmente nenhuma degradação do revestimento aglutinante (se presente) ou substrato sob 0 TBC. Portanto, o método desta invenção pode ser usado repetitivamente sem eventualmente destruir o componente ou equipamento do qual o TBC é removido.

Em vista do acima, a presente invenção é particularmente adequada para remover o TBC dos componentes do motor de turbina a gás e o TBC espesso que acumula no equipamento, ferramentas e coberturas (maskants) usadas para aplicar o TBC em tais componentes. Esta invenção também permite a deposição de um novo TBC nos componentes que se pretende que sejam termicamente isolados com TBC sem necessitar redeco-ração ou substituição do revestimento aglutinante e sem depositar cerâmica adicional em quaisquer orifícios da superfície, por exemplo, orifícios de resfriamento. Se 0 componente estava anteriormente em serviço, de forma que o revestimento aglutinante tenha sido parcialmente esvaziado como resultado da oxidação, o revestimento aglutinante pode ser redecorado antes da substituição do TBC. Uma vantagem significativa desta invenção é portanto o trabalho reduzido, equipamento e custos de processamento necessários para redecorar os componentes isolados com TBC e para remover TBC não desejado do equipamento, usinagem e coberturas (maskants) usadas para depositar o TBC em tais componentes. Adicionalmente, a vida útil de um componente pode ser estendida evitando-se a substituição de todo o seu sistema TBC, uma vez que a remoção de um revestimento aglutinante resulta na perda de espessura da parede, particularmente se o revestimento aglutinante for uma difusão aluminídea que inerentemente divide uma zona de difusão significativa com o componente substrato.

Uma outra vantagem da presente invenção é que as técnicas da técnica anterior para remover o TBC foram tipicamente incapazes de remover o TBC dos orifícios de resfriamento dos componentes resfriados a ar, ou causaram danos excessivos ao revestimento aglutinante no processo de remoção do TBC. Com a capacidade de remover completamente o TBC dos orifícios de resfriamento de um componente resfriado a ar sem danificar o revestimento aglutinante subjacente, a performance do componente é melhorada pela capacidade de restaurar o TBC para sua espessura original, restabelecendo portanto o efeito desejado de resfriamento do filme na superfície do componente.

Outros objetivos e vantagens desta invenção serão melhor apreciados a partir da descrição detalhada a seguir.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A figura 1 é uma vista seccional de uma porção de superfície de uma lâmina de motor de turbina a gás protegida por um sistema de revestimento de barreira térmica que inclui um TBC aderido à superfície da lâmina com um revestimento aglutinante.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A figura 1 representa uma vista de seção transversal parcial de uma porção do aerofólio de um componente turbina de um motor de turbina a gás 10, tais como uma lâmina ou uma ventoinha. O substrato 12 do componente 10 é mostrado como sendo protegido por um sistema de revestimento de barreira térmica 14 composto de um TBC 18 aderido ao substrato 12 por um revestimento aglutinante 16. O método desta invenção é direcio- nado a remover o TBC 18 do substrato 12 do componente 10 sem remover ou danificar o revestimento aglutinante 16. Conforme será discutido abaixo, o método desta invenção é também direcionado a remover o TBC não intencionalmente depositado no equipamento, usinagem e coberturas (maskants) (doravante referidos como "usinagem") usadas para depositar o TBC nos componentes.

Como é a situação com componentes de alta temperatura de um motor de turbina a gás, o componente 10 pode ser formado de uma superli-ga com base de ferro, níquel ou cobalto. O revestimento aglutinante 16 é uma composição resistente à oxidação tal como uma difusão aluminídea e/ou McrAIY, os quais formam uma camada de alumina (AI2O3) ou escama (não mostrada) em sua superfície durante a exposição a temperaturas elevadas. A escama de alumina protege o substrato de superliga subjacente 12 de oxidação e fornece uma superfície para a qual o TBC 18 adere mais obstinadamente. O TBC 18 pode ser depositado por pulverização de chama, pulverização de plasma a ar (APS), pulverização de plasma a baixa pressão (LPPS) ou uma técnica de deposição física de vapor, por exemplo, deposição física de vapor por raios de elétrons (EBPVD), que produz uma estrutura colunar de grãos tolerante à tensão (não mostrada). Um material preferido para 0 TBC 18 é óxido de zircônio parcialmente estabilizado com óxido de ítrio (óxido de zircônio estabilizado com óxido de ítrio, ou YSZ), embora possa ser usado óxido de zircônio totalmente estabilizado com óxido de ítrio, bem como óxido de zircônio estabilizado com outros óxidos, tais como óxido de magnésio (MgO), óxido de cálcio (CaO), óxido de cério (Ce02) ou óxido de escândio (Sc203). O método dessa invenção vincula a remoção do TBC 18 sem remover ou danificar 0 revestimento aglutinante 16 ou o substrato de superliga subjacente 12, de forma que um novo TBC possa ser depositado no revestimento aglutinante original 16. De acordo com esta invenção, o TBC 18 é preferencialmente removido pela exposição a uma solução aquosa de extração contendo um sal de fluoreto ácido, a saber bifluoreto de amônio (NH4HF2) ou bifluoreto de sódio (NaHF2), e um inibidor de corrosão. Uma composição adequada para a solução aquosa é cerca de 20 até cerca de 100 gramas do sal de fluoreto ácido por litro de água, e até cerca de 0,5 por cento em volume do inibidor de corrosão. Embora não requisitado, água destilada ou desionizada é preferida. Vários inibidores de corrosão foram avaliados no curso da chegada até a presente invenção, com o resultado de que um inibidor particularmente preferido foi identificado como contendo ácido sulfúrico (H2S04), 1-3-dietiltiouréia (C2H5NHCSNHC2H5) e alquil piridinas (por exemplo, etilpiridina, metilpiridina, propilpiridina, etc.). Um inibidor de corrosão adequado está disponível comercialmente sob o nome RODINE® 31A da Henkel Surface Technologies of Madison Heights, Michigan, USA, e contém cerca de 10 até cerca de 30 por cento em volume de ácido sulfúrico, cerca de 10 até cerca de 30 por cento em volume de 1,3-dietiltiouréia, e cerca de 30 por cento até cerca de 60 por cento em volume de uma mistura de alquil piridinas. Uma composição preferida para a solução de extração usando-se o inibidor de corrosão RODINE® 31A é cerca de 45 até cerca de 55 gramas de bifluoreto de amônio por litro de água, ao qual é adicionado cerca de 0,2 até cerca de 0,4 por cento em volume de RODINE® 31 A. Embora não se deseje ficar preso a nenhuma teoria em particular, acredita-se que os sais de fluoreto ácido ataquem o oxido de zircônio, convertendo-o em fluoreto de zircônio, enquanto o inibidor de corrosão comporta-se de uma forma similar a um passivador, protegendo o material metálico sob o TBC 18 e a escama do óxido. A superfície do componente 10 é preferivelmente tratada com a solução de extração a uma temperatura elevada. Uma faixa de temperatura adequada é de cerca de 60°C até cerca de 77°C (140°F até cerca de 170°F), mais preferivelmente cerca de 60°C até cerca de 68°C (140°F até cerca de 155°F). O tratamento de extração desta invenção inclui também preferivelmente o uso de energia ultra-sônica transmitida através da solução para o TBC 18. Foram descobertas freqüências de cerca de 20kHz até 40 kHz adequadas para níveis de energia ultra-sônica de cerca de 50 a cerca de 200 W por galão (cerca de 4 litros) de solução. O tratamento ultra-sônico pode ser continuado até que 0 TBC 18 seja completamente removido ou pelo menos suficientemente liberado de forma que possa ser removido por escovação ou limpeza por pulverização por pressão, tipicamente após uma exposição de cerca de duas a cinco horas. Sem tratamento ultra-sônico, a duração total do tratamento de cerca de quatro até cerca de cinco horas é geralmente suficiente para enfraquecer a aglutinação química entre o TBC e a escama de alumina no revestimento aglutinante 16. É previsível que durações mais longas ou mais curtas possam ser preferidas, dependendo das propriedades do sistema de revestimento particular.

Na prática, a solução de extração dessa invenção foi usada para remover YSZ TBC de aerofólios de superliga com base de níquel sem danificar um revestimento aglutinante de platina aluminídea subjacente. Notada-mente, o TBC dentro dos orifícios de resfriamento dos aerofólios foi também removido, enquanto as porções dos revestimentos aglutinantes dentro dos orifícios revestidos pelo TBC, bem como um revestimento aglutinante não revestido dentro das passagens internas de resfriamento dos aerofólios, não foram atacadas. Após o tratamento, os aerofólios foram novamente revestidos com sucesso com o TBC sem necessidade de qualquer redecoração do revestimento aglutinante. Como o processo de extração desta invenção removeu completamente o TBC dos orifícios de resfriamento, a performance térmica dos aerofólios não foi prejudicada pela acumulação do excesso de TBC nos orifícios de resfriamento. Além disso, como o processo de extração desta invenção não danificou quaisquer porções dos revestimentos aglutinantes, etapas adicionais de processamento para reparar ou substituir os revestimentos aglutinantes foram desnecessários. Se as lâminas estavam em serviço, de forma que os revestimentos aglutinantes foram parcialmente exauridos como resultado da oxidação, os revestimentos aglutinantes, quer seja uma difusão aluminídea ou do tipo MCrAIY, poderíam ser redecorados antes da deposição do TBC usando-se uma técnica de difusão de aluminiza-ção tal como cimentação em caixa ("pack") ou fase vapor de aluminização. A solução de extração desta invenção foi também usada para extrair o YSZ TBC da usinagem usada nos revestidores PVD. A usinagem foi formada na superliga com base de níquel Hastelloy X, e o TBC foi extraído a uma taxa de cerca de 75 até cerca de 125 micrometros por hora (0,003 até 0,005 polegada por hora) sem qualquer degradação aparente do substrato. Embora a invenção tenha sido descrita em termos de uma representação preferida, é aparente que outras formas podem ser adotadas por aqueles que são versados na técnica. Portanto, o escopo da invenção deve ser limitado apenas pelas reivindicações a seguir.

Claims (7)

1. Método de remoção de pelo menos uma porção de um revestimento cerâmico contendo óxido de ztrcônio (18) de uma superfície, o método CARACTERIZADO pelo fato de que compreende a etapa de submeter a porção de revestimento cerâmico (18) a uma solução aquosa compreendendo um sal de fluore-to ácido e um inibidor de corrosão, onde a solução compreende de 20 a 100 gramas do sal de fluorefo ácido por litro de água, e de 0,2 a 0,5 por cento em volume do inibidor de corrosão; e onde o inibidor de corrosão compreende ácido sulfúrico e 1,3-dietiltiouréia e alquilpiridinas.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sal de fluoreto ácido é bifluoreto de amônio.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o inibidor de corrosão compreende de 10 a 30 por cento em volume de ácido sulfúrico, de 10 a 30 por cento em volume de 1,3-díetiltiouréia, e de 30 a 60 por cento em volume de uma mistura de alquii píridinas.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de sujeição adicionalmente compreende dirigir a energia ultra-sônica no revestimento cerâmico (18) enquanto a superfície é submetida à solução.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de sujeição adicionalmente compreende aquecer a superfície e a solução de 60¾ a 77¾ por uma duração de pelo menos duas horas.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a superfície é aquela da usinagem (10) de um equipamento de deposição e o revestimento cerâmico (18) foi depositado na usinagem pelo equipamento de deposição; ou em que a superfície é aquela do componente (10) de um motor de turbina a gás.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a superfície compreende um revestimento aglutinante metálico (16) que adere o revestimento cerâmico (18) ao componente (10), e onde a solução não remove o revestimento aglutinante (16).