BRPI0703007B1 - Method of applying a thermal spray coating - Google Patents

Description

“MÉTODO DE APLICAÇÃO DE UM REVESTIMENTO POR ASPERSÃO TÉRMICA” Campo da invenção [001] A presente invenção é direcionada aos métodos de aplicação de um revestimento por aspersão térmica em um artigo apresentando um ou mais artifícios de refrigeração e mais em particular aos métodos de aspersão térmica em um artigo apresentando um ou mais artifícios de refrigeração e a limpeza dos orifícios de refrigeração do artigo, de modo a remover as obstruções resultantes da aspersão excessiva e os outros fragmentos ou resíduos da aspersão térmica.

Fundamentos da invenção [002] Nos motores a turbina a gás, tais como por exemplo nos motores de aeronaves, o ar é aspirado pela frente do motor, comprimido por meio de um compressor de tipo rotatório e montado no eixo e misturado com o combustível. A mistura é queimada e os gases quentes da exaustão passam através de uma turbina montada no mesmo eixo do compressor. O fluxo dos gases gira a turbina, a qual gira o eixo e comanda o compressor e a ventoinha ou aspirador (fan). Os gases quentes da exaustão fluem através do bocal do motor na parte traseira do motor, assim gerando o empuxo para propelir a aeronave para frente.

[003] Durante a operação das turbinas a gás, na temperatura dos gases da combustão podem exceder a 1650 °C (3000 °F), consideravelmente mais altas que as temperaturas de fusão das peças metálicas do motor as quais estão em contato com estes gases. A operação destes motores na temperatura dos gases que estão acima das temperaturas de fusão das peças metálicas é uma técnica bem estabelecida, e depende em parte do suprimento do ar de refrigeração para as superfícies externas das peças metálicas através de diversos métodos. As peças metálicas destes motores que estão particularmente sujeitas às altas temperaturas, e assim necessitam de uma atenção particular com relação a refrigeração, são as peças metálicas que formam os combustores e as partes localizadas a jusante dos combustores.

[004] A temperatura do metal pode ser mantida abaixo dos níveis de fusão empregando os revestimentos de barreira térmica (TBCs), em geral em combinação com diversos projetos de orifícios de refrigeração incorporados em alguns dos componentes do motor. A TBC tipicamente é aplicada no componente através de um processo de aspersão térmica. Contudo, o processo de aspersão térmica em geral resulta em uma aspersão excessiva a qual, de forma parcial ou completa, bloqueia os orifícios de refrigeração do componente. O percentual de bloqueio tipicamente aumenta substancialmente conforme cresce a espessura da TBC.

[005] Como resultado, os processos atuais de aspersão térmica e de limpeza envolvem processos de várias etapas e altamente trabalhosos de aplicação de uma camada parcial do revestimento de TBC, permitindo que o componente e a TBC resfriem de forma suficiente até uma temperatura na qual o componente pode ser facilmente manuseado, de remoção do componente para um suporte de aplicação no qual a aspersão térmica acontece, e a remoção de quaisquer máscaras, o qual então é seguido da remoção separada do revestimento solidificado e bem resfriado dos orifícios de refrigeração empregando um jato de água ou outros métodos de limpeza. Para evitar que os orifícios de refrigeração fiquem obstruídos além do nível a partir do qual estes podem ser limpados de forma satisfatória, somente uma parte ou fração da espessura desejada da TBC é aplicada antes da limpeza. Como resultado, tipicamente todo o processo deve ser repetido diversas vezes até que seja alcançada a espessura desejada da TBC. Este processo complexo resulta em uma baixa produtividade, em ciclos de grande tempo e no aumento dos custos por um fator de cinco a dez vezes em comparação com a aplicação da mesma TBC em uma peça similar sem orifícios.

[006] O que se busca é um método para a aplicação de uma TBC ou de outro revestimento, através de um processo de aspersão térmica, em um artigo apresentando orifícios e de limpeza destes orifícios de forma concorrente com o processo de aspersão térmica, de modo a reduzir o tempo e os custos monetários associados aos processos incrementais atuais de limpeza e de revestimento em várias etapas. Síntese da invenção [007] É descrito um método para a aplicação de um revestimento por aspersão térmica em um artigo, apresentando orifícios de refrigeração, e de forma concorrente de limpeza das obstruções, tais como o excesso de aspersão da TBC e outros resíduos, destes orifícios. O método compreende fornecer um artigo apresentando uma primeira superfície e uma segunda superfície, o artigo apresentando um ou mais orifícios de refrigeração os quais se estendem desde uma abertura na primeira superfície até uma abertura na segunda superfície, aspergír termicamente uma camada do material de revestindo a primeira superfície do artigo, sendo que os resíduos da aspersão térmica criam uma obstrução a qual obstrui, ao menos parcialmente, um orifício de refrigeração, e de forma concorrente, projetar uma pluralidade de partículas contra a segunda superfície do artigo, ao menos algumas das partículas passando através do orifício de refrigeração na segunda superfície e removendo ao meros uma parte da obstrução do orifício de refrigeração.

[008] Uma vantagem das formas de realização de exemplo da invenção é a de que pode ser conseguida uma economia no tempo e no custo através da redução ou da eliminação do mascaramento e de outras etapas demoradas associadas com os processos de aspersão térmica e de limpeza separados.

[009] Outra vantagem está no fato de que o atual processo de aspersão e de limpeza pode reduzir o número de estações necessárias, sendo que o artigo pode ser aspergido e limpado em um único local.

[010] Outra vantagem está em que o revestimento de barreira térmica pode ser aplicada na sua espessura total desejada em uma única etapa e sem interrupções.

[011] Uma outra vantagem da invenção é a de que a limpeza dos orifícios de refrigeração concorrente com a aspersão térmica permite a limpeza dos depósitos em excesso nos orifícios, enquanto os componentes do revestimento de barreira aplicados ainda estão quentes e maleáveis, aumentado a eficiência na remoção dos resíduos em comparação com as técnicas de limpeza utilizadas após a TBC e o componente, no qual a TBC é aplicada, terem substancialmente resfriado e endurecido.

[012] Mais uma outra vantagem é a de que pode ser incrementada a qualidade do componente através da minimízação da redução de parede no orifício de refrigeração.

[013] Outras características e vantagens da presente invenção ficarão aparentes a partir da descrição detalhada que seque em relação as formas de realização de exemplo, feita em conjunto com os desenhos que a acompanham os quais ilustram, a título de exemplo, os princípios da invenção.

Breve descricão dos desenhos [014] A figura 1 é uma estação de aspersão térmica para uso com os métodos de acordo com as formas de realização de exemplo da invenção.

[015] A figura 2 é uma vista em secção ampliada de uma camisa do com busto r para uso com os métodos de aspersão térmica de acordo com as formas de realização de exemplo da invenção.

[016] A figura 3 é um diagrama mostrando as mudanças no fluxo de ar como uma função da espessura do revestimento de barreira térmica.

[017] As figuras 4 e 5 são microscopias mostrando um orifício de refrigeração de um artigo revestido submetido a uma aspersão térmica e a concorrente limpeza realizada de acordo com uma forma de realização de exemplo da invenção.

[018] A figura 6 é uma microscopia óptica da microestrutura de uma superfície revestida de um artigo apresentando um orifício de revestimento, submetida à aspersão térmica e a concorrente limpeza do orifício, realizada de acordo com uma forma de realização de exemplo da invenção.

Descrição detalhada das formas de realização de exemplo [019] Com referência a figura 1, um artigo 10 apresentando orifícios de refrigeração 12, tal como uma camisa do combustor ou outro componente de uma turbina a gás apresenta uma TBC ou outro revestimento que pode ser aplicado por aspersão térmica. Um dispositivo de aspersão térmica 20 é posicionado de modo a aplicar uma TBC 22 na superfície interna da camisa 10 do combustor (veja a figura 2). Um pulverizador de partículas 30 não metálicas e abrasivas (isto é um pulverizador de particulados) é posicionado de modo a direcionar as partículas finas ou outras partículas na direção da superfície externa da camisa 10 do combustor e para dentro dos orifícios de refrigeração 12. Uma mesa rotatória 15 pode fornecer um movimento relativo entre o dispositivo de aspersão térmica 20, o pulverizador de particulados 30 e a camisa 10 do combustor.

[020] Como pode ser melhor visualizado através da figura 2, os orifícios de refrigeração 12 se estendem desde uma abertura 21 na primeira superfície 11 da camisa 10 do combustor, na qual a TBC 22 é aplicada, até uma segunda abertura 23 na segunda superfície 13 da camisa 10 do combustor, [021] A TBC 22 compreende uma ou mais camadas de um material de revestimento metálico e/ou cerâmico aplicado na superfície das peças metálicas de modo a impedir a transferência de calor dos gases quentes da combustão para as peças metálicas, assim isolando o componente dos gases quentes da combustão. A presença da TBC 22 na superfície permite que os gases da combustão sejam mais quentes em comparação ao que seria possível em relação ao material em particular e ao processo de fabricação. Pode ser aplicada qualquer composição desejada e apropriada da TBC 22. No caso das camisas 10 do combustor, uma TBC 22 apropriada compreende uma camada de ligação de MCrAIY, na qual M é preferencialmente Ni, Co ou uma combinação entre estes, seguida de uma camada de zircônia estabilizada com ítria (YSZ).

[022] As camisas do combustor tipicamente apresentam uma geometria anular, e como resultado, a primeira superfície 11 na qual a TBC 22 é aplicada, é usualmente a superfície interna da camisa 10 do combustor. A segunda superfície 13 externa é exposta à passagem dos gases de refrigeração durante a operação, e pode ser deixada sem tratamento para uma transferência térmica mais eficiente. Desta forma, o dispositivo de aspersão térmica 20, tal como uma pistola de aspersão a plasma em ar, é posicionada de modo a aplicar a TBC 22 na superfície interna 11 da camisa 10 do combustor.

[023] Para aplicar a TBC 22 mesmo sobre toda a primeira superfície 11 da camisa 10 do combustor, o dispositivo de aspersão 20 pode ser movido com relação a camisa 10 do combustor ou vice-versa, ou pode ser empregada alguma combinação entre ambos os movimentos. De acordo com alguns métodos de aplicação da TBC 22 em um componente anular, tal como a camisa 10 do combustor, a camisa 10 do combustor é posicionada na mesa giratória 15. De modo a auxiliar na aplicação do revestimento, a mesa 15 pode ser girada em qualquer velocidade, tipicamente de cerca de 50 a 75 rotações por minuto, enquanto que o dispositivo de aspersão térmica 20 e o pulverizador de particulados 30 são estacionários. O movimento relativo pode resultar no depósito de um revestimento com aproximadamente um mícron de espessura na superfície 11 da camisa 10 do combustor, cada vez que um ponto em particular passa pelo dispositivo de aspersão térmica 20. Poderá ser visto que a TBC 22 pode ser aplicada com qualquer espessura desejada, apresar de que uma espessura de cerca de 127 micra a cerca de 254 micra (de cerca de 5 mils a cerca de 10 mils) para a MCrAIY e ma espessura de cerca de 254 micra a cerca de 508 micra (de cerca de 10 mils a cerca de 20 mils) para a YSZ é típica.

[024] Conforme a camisa 10 do combustor gira na mesa 15, os resíduos da aspersão térmica, tal como um excesso da aspersão, podem formar uma obstrução 32 nos orifícios de refrigeração. Estas obstruções 32 podem bloquear, parcial ou completamente, os orifícios de refrigeração 12, assim reduzindo ou eliminado a capacidade dos orifícios de refrigeração de servir para o seu propósito de refrigerar, a menos que uma parte destas obstruções seja removida.

[025] De acordo com uma forma de realização de exemplo da invenção, um pulverizador de particulados 30, ou outro dispositivo emissor de particulados, é fornecido para a limpeza concorrente dos orifícios de refrigeração 12, durante o processo de aspersão térmica. O pulverizador de particulados 30 é configurado de modo a projetar partículas pequenas 34 contra a segunda superfície 13 da camisa 10 do combustor. A segunda superfície 13, contra a qual as partículas pequenas 34 são projetadas, pode ser qualquer superfície da camisa 10 do combustor ou de outro componente no qual a segunda abertura 23 do orifício de refrigeração é fornecida e cuja superfície é diferente da primeira superfície 11. A segunda superfície 13 tipicamente, mas não necessariamente, é uma superfície oposta a primeira superfície 11.

[026] Conforme as partículas 34 batem contra a segunda superfície 13 da camisa 10 do combustor, uma parte destas partículas passa para dentro e através do orifício(s) de refrigeração 12 na abertura(s) 23 na segunda superfície 13, sendo que alguns ou todos os orifícios de refrigeração 12 estão ao menos parcialmente obstruídos pelos componentes da TBC ou por outros resíduos que formas as obstruções 32 resultantes do processo de aspersão térmica. As partículas 34 são projetadas a partir de um ou mais bocais de saída do pulverizador de particulados 30, direcionado para a segunda superfície 13 da camisa 10 do combustor. O pulverizador de particulados 30 aplica uma velocidade suficiente para as partículas 34 de tal forma que quando as partículas 34 batem contra os componentes da TBC ainda quentes e moles no orifício de refrigeração 12, tanto as partículas 34 quanto ao menos parte das obstruções 32 são golpeadas para fora do orifício de refrigeração 12 através da primeira abertura 21 na primeira superfície 11.

[027] Como supra descrito, o pulverizador de particulados 30 é posicionado para uma operação concorrente com o dispositivo de aspersão térmica 20. Por “concorrente” se entende que as partículas 34 são projetadas a partir do pulverizador de particulados 30 contra a segunda superfície 13 e através dos orifícios de refrigeração 12 de forma simultânea ou logo após a TBC 22 ser aplicada na primeira superfície 11 através do dispositivo de aspersão térmica 20, de tal forma que os componentes da TBC ainda não tenham resfriado e solidificado, mas estão suficientemente quentes e moles de modo a serem golpeados para fora dos orifícios de refrigeração 12 pelas partículas 34 do pulverizador de particulados 30. Os componentes da TBC tipicamente ainda estão quentes e moles o suficiente quando ocorre a projeção concorrente das partículas 34 contra a segunda superfície 13 dentro de cerca de 1 segundo após a aplicação da TBC 22, apesar de que é preferida uma pulverização concorrente dentro de cerca de 0,1 segundos após a aplicação do revestimento de barreira térmica, e pode ocorrer dentro de cerca de 0,01 segundos a simultaneamente a aplicação da TBC 22.

[028] Voltando a figura 2, a qual ilustra uma vista ampliada em secção de um aparte da camisa 10 do combustor, o dispositivo de aspersão térmica 20 pode ser posicionado com qualquer ângulo em relação a primeira superfície 11 da camisa 10 do combustor entre cerca de 20 graus a cerca de 230 graus. Mais tipicamente, o dispositivo de aspersão térmica 20 é disposto com um ângulo de cerca de 30 a cerca de 55 graus, e mais tipicamente com um ângulo de cerca de 45 graus. Poderá ser visto que o orifício de refrigeração 12 pode estar em ângulo conforme este passa da primeira superfície 11 para a segunda superfície 13 através da camisa 10 do combustor ou de outro componente, assim aumentando o comprimento do orifício através do componente e fornecendo uma maior área da superfície interna para a transferência térmica. No caso dos orifícios de refrigeração em ângulo, o dispositivo de aspersão térmica 20 é preferencialmente disposto em ângulo de modo a minimizar a profundidade dentro do orifício de refrigeração 12 o excesso de aspersão transita e o número de obstruções 32 dentro deste. Isto pode ser obtido através da disposição em ângulo do dispositivo de aspersão térmica 20 contra o ângulo do orifício de refrigeração 12 na primeira abertura 21, como mostrado na figura 2.

[029] O pulverizador de particulados 30 pode apresentar um ou mais bocais de saída e pode ser configurado de modo a produzir um fluxo convergente ou divergente de partículas 34. O pulverizador de particulados 30 pode ser posicionado em qualquer ângulo com relação a segunda superfície 13, mas tipicamente o posicionado em ângulo com o orifício de refrigeração 12, e em algumas circunstâncias pode estar alinhado de forma substancialmente paralela com o orifício de refrigeração 12. Isto pode aumentar a profundidade com a qual as partículas do pulverizador de particulados 30 se deslocam antes de entrar em contato com as paredes internas do orifício de refrigeração 12 ou dos componentes da TBC que formas as obstruções 32 neste, assim aumentando o momento com o qual estas partículas se chocam com as obstruções 32.

[030] As partículas 34 do pulverizador de particulados 30 podem ser de qualquer material apropriado, incluindo alumina, areia, leitos de vidro, ou qualquer outro material não metálico abrasivo, somente a titulo de exemplo, e pode ser transportada por qualquer fluido apropriado, como gasoso ou líquido. Pode ser selecionado qualquer tamanho mesh desejado para os particulados, tipicamente dentro de uma faixa de cerca de 250 pm (60 mesh) a cerca de 37 pm (400 mesh). Da mesma forma, a pressão com a qual o pulverizador de particulados 30 é operado pode variar dependendo do tamanho de partícula selecionado, mas em geral fica dentro da faixa de cerca de 207 kPa (30 psi) a cerca de 621 kPa (90 psi).

[031] O tamanho das partículas do pulverizador de particulados 30 e o ângulo do dispositivo de aspersão térmica 20 durante a aplicação da TBC 22 podem alterar a eficiência geral do processo concorrente de aspersão térmica e de limpeza do orifício de refrigeração. Os efeitos comparativos da modificação destas características podem ser calculados através da medição dos diversos fluxos de ar através dos orifícios de refrigeração em um componente não revestido e do fluxo de ar através dos orifícios de refrigeração de um componente que tenha sido revestido por meio de aspersão térmica, com os seus orifícios de refrigeração sendo concorrentemente limpados como supra descrito.

[032] A figura 3 ilustra os resultados na forma de um painel dos materiais de amostra apresentando orifícios de refrigeração em ângulo nos quais uma TBC foi aplicada com o concorrente jateamento de particulados para limpar os orifícios de refrigeração de acordo com as formas de realização de exemplo da invenção. Um revestimento de NiCrAIY foi aplicado em amostras HS188 através de aspersão a plasma em ar em dois ângulos diferentes e com quatro níveis de espessura do revestimento. Os ângulos da aspersão térmica foram (1) 90 graus com relação a primeira superfície 11 e (2) de 45 graus com relação a primeira superfície 11, contra o ângulo do orifício de refrigeração 12 na forma ilustrada na figura 2. Alumina, com três tamanhos diferentes 125 pm, 70 pm e 49 pm (120 mesh, 220 mesh e 320 mesh) transportada por ar foi utilizada como o meio particulado para a limpeza concorrente do orifício de refrigeração a 60 psi durante a aplicação da aspersão térmica.

[033] Após cada amostra ter sido revestida e os seus orifícios limpados, passou-se ar pelos orifícios de refrigeração e o fluxo da massa de ar foi medido em temperatura padrão e em pressão padrão. O fluxo de ar medido foi comparado contra o fluxo de ar através da amostra de controle que era idêntica, exceto que a amostra de controle não foi revestida e assim possuía orifícios de refrigeração sabidamente livres de quaisquer obstruções. O fluxo de ar medido através da amostra foi calculado como uma diferença percentual com relação ao fluxo de ar através do controle e é mostrado impresso na figura 3 contra a espessura do revestimento que foi aplicado. As mudanças no fluxo de ar menores que mais ou menos 5% são particularmente desejáveis.

[034] As figuras 4 e 5 são microscopias ópticas do componente de amostra no qual a TBC 22 de NiCrAIY foi aplicada através de aspersão a plasma em ar com 45 graus com o concorrente jateamento de particulados utilizando alumina de tamanho 220 a 60 psi. As microscopias ópticas ainda demonstram que a primeira superfície 11 da amostra foi revestida de forma satisfatória enquanto que o orifício de refrigeração 12 na amostra revestida se encontra substancialmente livre de qualquer obstrução 32.

[035] A figura 6 é uma microscopia óptica da microestrutura da primeira superfície 11 da amostra e do revestimento da TBC 22 de NiCrAIY ilustrando que a microestrutura da primeira superfície 11 e da TBC 22 ficaram essencialmente inalteradas após o processo de limpeza concorrente.

[036] Apesar de ter sido descrita em relação às camisas do combustor, poderá ser percebido que os métodos aqui descritos podem ser igualmente aplicados com relação a qualquer componente de um motor a turbina que apresente orifícios de refrigeração, incluindo as pás defletoras, os envoltórios e os bocais de exaustão, somente a titulo de exemplo.

[037] Apesar da descrição supra ilustrar e descrever as formas de realização de exemplo desta invenção, deverá ser entendido pelos peritos na arte que podem ser feitas várias mudanças e que elementos podem ser substituídos por equivalentes destes sem com isto escapar do escopo da invenção. Em adição, podem ser feitas várias modificações de modo a adaptar as técnicas da invenção a um material em particular ou a uma situação em particular, sem com isto escapar do escopo da invenção. Portanto, pretende-se que a invenção não seja limitada pelas formas particulares de realização descritas como a melhor forma de realização contemplada para a realização prática da invenção, mas que a invenção possa incluir todas a formas de realização que recaem dentro do escopo das reivindicações em anexo.

Reivindicações

Claims (8)

1. MÉTODO DE APLICAÇÃO DE UM REVESTIMENTO POR ASPERSÃO TÉRMICA (22) em um artigo (10) apresentando um ou mais orifícios de refrigeração (12), sendo que o método compreende as etapas: fornecer um artigo (10) apresentando uma primeira superfície (11) e uma segunda superfície (13), o artigo (10) apresentando um ou mais orifícios de refrigeração (12) os quais se estendem desde uma abertura (21) na primeira superfície (11) até uma abertura (23) na segunda superfície (13); e aspergir termicamente uma camada do material de revestimento (22) na primeira superfície (11) do artigo (10), sendo que os resíduos da aspersão térmica criam uma obstrução (32) a qual obstrui, ao menos parcialmente, ao menos um orifício de refrigeração (12), caracterizado pelo fato de que uma pluralidade de partículas (34) é projetada contra a segunda superfície (13) do artigo (10) simultaneamente com a aspersão térmica da camada do material de revestimento (22) ou em até 1,0 segundo após a mesma, em que ao menos parte das partículas (34) passam através do orifício de refrigeração (12) na segunda superfície (13), removendo ao menos uma parte da obstrução (32) do orifício de refrigeração (12), as partículas sendo projetadas com uma faixa pressão de 207 kPa a 621 kPa.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato no qual a etapa de fornecer um artigo (10) compreende fornecer um componente de um motor de uma turbina a gás selecionado dentro do grupo que consiste de uma camisa do combustor, uma pá defletora e um bocal de exaustão.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato no qual a etapa de aspergir termicamente compreende a aspersão térmica de uma camada de MCrAIY, na qual M é Ni ou Co. 4 ^ acor(j0 com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato no qual a etapa de aspergir termicamente compreende a aspersão térmica de uma camada de zircônia estabilizada com ítria.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato no qual a etapa de projetar as partículas (34) compreende projetar partículas abrasivas não metálicas transportadas em um fluido.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato no qual a etapa de projetar as partículas (34) compreende projetar partículas apresentando um tamanho de 250 pm a 37 pm.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato no qual a etapa de aspergir termicamente compreende a aspersão térmica em um ângulo de 30 graus a 55 graus com relação a primeira (11) superfície.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato no qual a etapa de aspergir termicamente compreende a aspersão térmica em um ângulo de 45 graus com relação a primeira superfície (11).

8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato no qual a etapa de projetar as partículas compreende projetar partículas contra a segunda superfície dentro de 0,1 segundos após a aspersão térmica do material na primeira superfície.