ES2288002T3

ES2288002T3 - Sistema y procedimiento de revestimiento de barrera termica.

Info

Publication number: ES2288002T3
Application number: ES99308241T
Authority: ES
Inventors: Wolfram Beele; Astrid Helennia Francoise Van Lieshout; Gillion Herman Marijnissen; Douglas Hugh Maxwell
Original assignee: Sulzer Metco AG
Current assignee: Oerlikon Metco AG
Priority date: 1998-10-19
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2007-12-16
Anticipated expiration: 2019-10-19
Also published as: EP0995817A1; EP0995817B1; ATE362555T1; DE69936088D1; DE69936088T2

Abstract

Se describe una capa ligante de metal noble de un sistema de recubrimiento de barrera térmica útil para potenciar la adhesión de una capa superior de cerámica a un sustrato de superaleación. La capa ligante incluye aproximadamente de 10 a 30% en peso de aluminio, aproximadamente de 2 a 60% en peso de metal noble, entre cantidades traza y aproximadamente 3% en peso de un elemento reactivo seleccionado del grupo constituido por itrio, circonio, hafnio, escandio, todos los lantánidos y mezclas de los mismos, y el resto seleccionado del grupo constituido por níquel, cobalto, hierro y mezclas de los mismos, estando caracterizada adicionalmente la capa ligante por la ausencia de cromo añadido. Un procedimiento incluye la pulverización con plasma de un polvo de prealeación de la composición de capa ligante sobre el sustrato, seguida de la formación de alúmina y la deposición de la capa superior cerámica. Los usos incluyen sistemas de recubrimiento de barrera térmica sobre componentes de la seccióncaliente de motores de turbina de gas tales como paletas de turbina y paletas aerodinámicas, combustores y toberas de evacuación.

Description

Sistema y procedimiento de revestimiento de barrera térmica.

Solicitudes relacionadas

Esta solicitud está relacionada con el documento WO-A-97/29219.

Campo técnico

La presente invención se refiere a revestimientos de protección para artículos metálicos y, más particularmente, a una revestimiento adhesivo mejorado de un sistema de revestimiento de barrera térmica cerámica para substratos de superaleación.

Información previa

Durante el funcionamiento de los motores de turbinas de gas, los componentes de secciones calientes, tales como las palas de las turbinas y los planos aerodinámicos de las paletas, los dispositivos de combustión y las toberas de escape están sometidos a oxidación y a gases efluentes de combustión corrosivos, a altas temperaturas. Debido a que estos componentes están sometidos con frecuencia al mismo tiempo a tensión de alta magnitud inducida térmica y mecánicamente, la técnica ha desarrollado una variedad de técnicas en el diseño y fabricación de estos componentes para asegurar el mantenimiento de la integridad estructural y metalúrgica a través del alcance de funcionamiento del motor. Por ejemplo, los componentes se fabrican típicamente a partir de composiciones de material, tales como superaleaciones a base de níquel y a base de cobalto que tienen propiedades deseadas a elevadas temperaturas en el alcance de funcionamiento. En el caso de los planos aerodinámicos de las turbinas, la aleación seleccionada se forma generalmente mediante fundición. Para conseguir una resistencia mejorada a alta temperatura, la estructura del grano se puede controlar de una manera ventajosa durante la solidificación de la fundición para producir una forma de cristal direccionalmente solidificada o individual, proporcionando de esta manera mayor resistencia para una composición de aleación dada.

Además de la mejora de la resistencia de los componentes por la selección de la composición de la aleación y el control del proceso de fundición, ambos esquemas de refrigeración interna y externa se emplean extensivamente para mantener las temperaturas de los componentes por debajo de niveles críticos. Se utilizan de forma rutinaria una refrigeración de película adaptada de las superficies externas y una refrigeración de flujo turbulento sofisticado de las cavidades internas configuradas en forma de serpentina en los planos aerodinámicos fundidos en los diseños avanzados de motores de turbinas de gas, respectivamente, para reducir la entrada de energía térmica en el componente y para reducir la subida de la temperatura del mismo.

A pesar de los esfuerzos para optimizar estos métodos diferentes, ya sea solos o en combinación, la eficiencia del diseño avanzado de los motores de turbinas de gas está limitada por la incapacidad de los componentes de las secciones calientes para conseguir vidas útiles operativas aceptables bajo carga mecánica y térmica incrementada. Un método adicional empleado por los técnicos en la materia del diseño de motores de turbinas de gas es el uso de una capa exterior aislante de cerámica relativamente finas sobre las superficies expuestas al flujo de gas efluente. Esto facilita la operación de los componentes a temperaturas de funcionamiento más elevadas. Estos revestimientos, referidos generalmente en a industria como revestimientos de barrera térmica o TBCs, protegen efectivamente el substrato metálico del componente frente a temperaturas extremas. Reduciendo la entrada de energía térmica en el componente se realizan temperaturas más elevadas de los gases efluentes de la combustión y/o un uso más eficiente de los flujos de refrigeración, con un incremento resultante en la eficiencia de funcionamiento del motor.

Los revestimientos cerámicos son propensos a laminación en o en la proximidad de la interfaz de cerámica/substrato debido a las diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre la cerámica relativamente frágil y el substrato de superaleación más dúctil. Posteriormente, la cerámica se puede desprender o separar de la superficie de los componentes. Este mecanismo de fallo se agrava y se acelera en condiciones de actuación cíclica térmica inherente en el funcionamiento de los motores de turbinas de gas. Con el fin de prevenir el fallo prematuro de la cerámica, han sido desarrollados métodos para proporcionar revestimientos cerámicos tolerantes a la deformación. Ciertas aplicaciones de servicios moderados emplean capas de cerámica porosas o pre-fisuradas. En entornos operativos más severos. Tales como los que se encuentran en motores avanzados de turbinas de gas, la técnica utiliza estructuras de cristal cerámico columnar abierto tolerante a la deformación, tal como se describen en la patente de los Estados Unidos U.S. Nº 4.321.311 a nombre de Strangman. También se ha prestado una atención substancial al uso de una capa de revestimiento intermedia o adhesiva dispuesta entre el substrato y la capa cerámica. La capa adhesiva emplea una composición diseñada tanto para mejorar la resistencia adhesiva química entre la cerámica y el substrato de meta como también para servir como un revestimiento de protección en el caso de pérdida prematura de la capa superior de cerámica.

Existen actualmente dos clases principales de composiciones de capa adhesiva que se emplean de una manera convencional en sistemas TBC de capas múltiples de este tipo, cada una de las cuales muestra deficiencias inherentes que reducen su vida útil. Uno tipo de capa adhesiva metálica especificada típicamente por los diseñadores de motores de turbinas de gas se refiere como aleación MCrAlY, en la que M es hierro, cobalto, níquel, o mezclas de los mismos. Los otros constituyentes principales, a saber, cromo, aluminio e itrio, están representados por sus símbolos elementales. En el revestimiento de un substrato de superaleación, la capa adhesiva de MCrAlY se aplica en primer lugar al substrato por un método, tal como deposición de vapor físico ("PVD") o pulverización de plasma a baja presión. La clase de aleaciones de MCrAlY se caracterizan por ser muy resistentes a la oxidación a temperaturas elevadas experimentadas por componentes de secciones calientes debido a su capacidad para formar una película externa de protección adherente fina de óxido de aluminio o alúmina. Además de proporcionar protección, la película de alúmina proporciona también una superficie compatible químicamente, sobre la que crece la capa superior cerámica aislante. Como se conoce por los técnicos en la materia, la capa superior cerámica emplea más comúnmente óxido de zirconio o zirconia, ya sea parcial o totalmente estabilizado a través de la adición de óxidos de itrio, magnesio o calcio. A través del crecimiento de un zirconio estabilizado estructurado en forma de columnas abiertas sobre la película de alúmina, el revestimiento de capas múltiples muestra una integridad mejorada en condiciones térmicas cíclicas sobre los revestimientos cerámicos dispuestos directamente sobre el substrato metálico, proporcionando de esta manera la protección aislante pretendida al componente subyacente durante un periodo de tiempo prolongado.

Aunque se ha mostrado que los sistemas TBC a base de MCrAlY han demostrado una vida útil mejorada sobre los sistemas que carecen de la capa adhesiva de MCrAlY, continúa produciéndose el desprendimiento y el fallo de la capa superior cerámica, aunque después de un número mayor de ciclos térmicos. En general, se ha aceptado que el mecanismo de fallo está relacionado con la difusión de los constituyentes de la aleación del substrato a través de la capa de revestimiento adhesiva de MCrAlY. Debido a que las aleaciones de MCrAlY son principalmente del tipo de solución sólida, ofrecen poca resistencia a la difusión de elementos desde el substrato de superaleación subyacente, que son perjudiciales para la resistencia adhesiva interfacial. Después de alcanzar la capa de alúmina intermedia, la presencia de constituyentes difundidos provoca deterioro de la resistencia adhesiva entre MCrAlY/alúmina y una aceleración en la tasa de crecimiento de la película de alúmina, con un deterioro y fallo resultantes de la capa superior de cerámica.

Otro tipo de capa adhesiva metálica especificada de forma rutinaria por los técnicos en la materia incluye una clase de materiales conocidos como aluminuros. Se trata de composiciones populares para componentes de motores de turbinas de gases e incluyen níquel, cobalto, y aluminuros modificados con hierro así como aluminuros modificados con platino. Generalmente, los aluminuros son fases intermedias o compuestos intermetálicos con propiedades físicas, químicas y mecánicas substancialmente diferentes de las capas adhesivas de MCrAlY más convencionales. Como se describe a continuación, se conocen algunas composiciones de aluminuros que son útiles como revestimientos para la protección de aleaciones a base de hierro, de cobalto y de níquel contra la oxidación y la corrosión; sin embargo, algunos aluminuros se pueden utilizar como capas adhesivas sobre capas superiores de cerámica en sistemas TBC.

El sistema TBC a base de aluminuro es similar al sistema TBC a base de MCrAlY, en tanto que la capa adhesiva de aluminuro se forma en primer lugar sobre la superficie del substrato por procesos de difusión convencionales, tales como cementación de paquete, como se describe por Duderstadt y col. en la patente de los Estados Unidos U.S. Nº 5.238,752 y Strangman en la solicitud de patente publicada del Reino Unido GB 2.285.632A, cuyas descripciones se incorporan aquí por referencia. El componente revestido con aluminuro tiene también una composición de la superficie que forma fácilmente una película de alúmina protectora cuando se oxida. Una capa superior cerámica de composición y estructura convencionales, como se describe anteriormente, completa el sistema TBC.

Como con el sistema a base de MCrAlY, el eslabón débil en el sistema TBC a base de aluminuro es la resistencia de la adhesión entre la capa adhesiva de aluminuro y la capa de alúmina intermedia. Sin embargo, en lugar de degradarse como una función de la inestabilidad de la difusión, como en los sistemas TBC a base de MCrAlY, la adhesión de aluminuro/alúmina es inherentemente relativamente débil. El mecanismo de fallo para estos revestimientos de difusión de aluminuros convencionales es la formación repetida, el desconchado y la reformación de la película de alúmina en condiciones de ciclos térmicos de servicio de los motores de turbinas de gases típicos, con la eventual reducción de aluminio en la capa adhesiva de aluminuro por debajo de una concentración crítica.

A pesar de las deficiencias operativas de los sistemas TBC a base de aluminuro, existen varias ventajas reconocidas de los sistemas TBC a base de aluminuro sobre los sistemas TBC a base de MCrAlY. Por ejemplo, se aplican típicamente capas adhesivas de aluminuro por procesos de bajo coste y no incluyen el constituyente estratégico costoso de cromo requerido en las capas adhesivas de MCrAlY. Además, las capas adhesivas de aluminuro tienen un punto de función substancialmente más alto y una densidad más baja. Existen consideraciones importantes cuando se revisten partes, tales como planos aerodinámicos de las palas de las turbinas, que funcionan a altas temperaturas y a altas velocidades de rotación. No obstante, es más importante que las capas adhesivas de aluminuro muestran una solubilidad esencialmente más reducida para los elementos solutos de la aleación del substrato, retardando de esta manera su difusión en servicio hasta la adhesión interfacial de aluminuro/alúmina críticamente importante.

Las mayores deficiencias asociadas con las capas adhesivas de aluminuro están relacionadas con las características metalúrgicas inherentes que resultan de la creación de la capa adhesiva por difusión. La producción de una capa adhesiva de aluminuro convencional se basa en la reacción de la aleación de substrato con aluminio que procede de una fuente gaseosa rica en aluminio y la interdifusión con el substrato metálico. La fuente de aluminio gaseoso puede ser producida por cualquiera de una variedad de métodos convencionales. Por ejemplo, Duderstadt y col. describen la producción de una capa adhesiva de aluminuro sobre un substrato de superaleación a base de níquel o a base de cobalto, preferentemente por el método de cementación de paquete. De acuerdo con este método, el aluminio que procede del gas haluro de aluminio en la mezcla de paquete reacciona y se interdifunde con la superficie del substrato en el transcurso del tiempo a temperatura elevada. Strangman describe la producción de capas adhesivas de aluminuro haciendo reaccionar un substrato componente de superaleación a base de níquel, de hierro o de cobalto con un vapor rico en aluminio a temperatura elevada. Strangman se refiere exclusivamente al término "aluminuro de difusión" como característico de la capa adhesiva resultante. Esta caracterización corresponde exactamente al método de producción de la capa adhesiva de aluminuro, a saber, por difusión. Como resultado del método de difusión, la capa adhesiva de aluminuro contiene níquel, hierro o cobalto a partir del substrato del componente a revestir, en función del constituyente primario del substrato de superaleación. Además, muchos de los elementos de aleación de base del substrato, que son en último término perjudiciales para la integridad del sistema TBC, están contenidos necesariamente también en el aluminuro producto de la reacción que se forma sobre la superficie componente. Por lo tanto, estos elementos de la aleación están presentes en la capa adhesiva de aluminuro cuando se produce y están disponibles para afectar de una manera perjudicial a la película de alúmina que se forma eventualmente encima.

Otra deficiencia significativa de las capas adhesivas de aluminuro se refiere a la composición de aluminuro, puesto que afecta a la adherencia de la película o escama de alúmina. Strangman describe la adición de silicio, hafnio, platino, y partículas de óxidos, tales como alúmina, itria, y hafnio a la composición de aluminuro para mejorar la adherencia de la película de alúmina. Sin embargo, los efectos beneficiosos de estos elementos son eliminados, al menos en parte, por la presencia de los elementos de la aleación de base descritos anteriormente, que son perjudiciales para conseguir una adherencia satisfactoria de la alúmina.

Como se ha indicado anteriormente, algunas composiciones de aluminuro no se utilizan como capas adhesivas en sistemas TBC, sino más bien solamente como revestimientos de protección sin capas superiores de cerámica. En algunas aplicaciones, un objetivo de los técnicos en la materia es proteger el substrato del artículo subyacente contra gases efluentes químicamente agresivos retardando el deterioro medio ambiental de la aleación de substrato debido a la oxidación acelerada y a la corrosión en caliente. Se han realizado investigaciones y se han concedido patentes sobre los efectos beneficiosos de las adiciones de elementos reactivos, principalmente a revestimientos de aluminuro utilizados solamente para fines de revestimiento. Por ejemplo, la patente de los Estados Unidos U.S Nº 4.835.011 a nombre de Olson y col., cuya descripción se incorpora aquí por referencia, describe un método de formación de un revestimiento de aluminuro de difusión sobre una superaleación a base de níquel o a base de cobalto a través del calentamiento del artículo a revestir en la presencia de una mezcla de polvo que contiene una aleación o mezcla de aluminio, itrio, y uno o mas de cromo, níquel, cobalto, silicio y titanio; un activador de haluro tal como yoduro de cobalto; y una substancia de relleno inerte tal como óxido de itrio. También se puede hacer referencia a un artículo titulado "Hot Corrosion of Yttrium-modified Aluminide Coatings", Materials Science and Engineering, A121 (1989), páginas 387-389, en el que los investigadores describen la resistencia mejorada a la corrosión en caliente de revestimientos de aluminuro cuando se modifica con itrio. Además, en NASA Technical Memorando 101408, titulado "The Effect of 0.1 Atomic Percent Zirconium on the Cyclic Oxidation Behavior of \beta-NiAl for 3000 Hours at 1200ºC", C.A. Barrett describe los efectos beneficiosos del zirconio sobre la resistencia a la oxidación cíclica de aluminuro de níquel. Ninguna de estas referencias describe o contempla el uso de ninguna de estas composiciones como una capa adhesiva en un sistema TBC de cerámica.

Las consecuencias del fallo del sistema TBC son tangibles y costosas. En primer lugar, el margen operativo térmico debe factorizarse en el diseño del motor de turbina de gas para excluir el exceso de temperatura y el fallo de los componentes de secciones calientes. Limitando los parámetros de la combustión por debajo de la relación estequiométrica, se reduce la eficiencia realizable del motor, con un incremento en el consumo de combustible así como niveles de hidrocarburos no quemados y otros contaminantes. Además, los parámetros básicos de funcionamiento del motor se basan en premisas de la existencia de capas superiores uniformes de cerámica, y la vida útil de la capa superior de cerámica es con frecuencia significativamente menor que la vida útil del componente subyacente. Esto significa que los motores deben retirarse del servicio para mantenimiento a intervalos predeterminados, por ejemplo sobre la base de horas de funcionamiento o ciclos térmicos. El dispositivo de combustión, la turbina y los módulos de escape se desmontan y se retiran las partes revestidas, se separan, se inspeccionan y se revisten de nuevo. Se pueden atribuir costes significativos a la no disponibilidad del avión y del motor. Además, costes directos substanciales están asociados con mano de obra, utillaje, y materiales requeridos para desmontar, revestir y reinstalar el hardware afectado. Además, los desmontajes no programados del motor son forzados siempre que la inspección preventiva de la configuración interna del motor revela una degradación del sistema TBC más allá de los límites de servicio de campo predeterminados, interrumpiendo, además, las operaciones e incrementando los costes de soporte.

Resumen de la invención

De acuerdo con las enseñanzas de las reivindicaciones de la invención, se describen un sistema TBC mejorado y métodos de aplicación, principalmente para uso en artículos de superaleación a base de níquel y a base de cobalto, tales como componentes de secciones calientes de motores de turbinas de gas, así como para uso en artículos de superaleación a base de hierro. Las superaleaciones se definen generalmente como una clase de aleaciones metálicas adecuadas para aplicaciones de alta resistencia, a alta temperatura y que tienen resistencia mejorada a la oxidación. Un substrato de superaleación es revestido en primer lugar con una capa adhesiva que tiene una composición MAlY, en la que M es níquel, cobalto, hierro o combinaciones de las mismas. Una capa intermedia de alúmina se forma sobre la capa adhesiva de MAlY y se aplica, en general, una capa superior de cerámica. Como se utiliza aquí, el símbolo químico "Y" significa el uso de elementos reactivos, tales como itrio. Además, como se utiliza aquí, el término "alúmina" significa predominantemente óxido de aluminio, que puede ser alterado por la presencia de elementos reactivos para contener, por ejemplo, óxidos de itrio o de zirconio. La capa de alúmina puede ser referida también como una capa de óxido de crecimiento térmico o capa TGO.

La resistencia adhesiva o adherencia entre la capa adhesiva de MAlY y la película de alúmina se mejora sobre las capas adhesivas convencionales de aluminuro y de MCrAlY restringiendo substancialmente la composición de la capa adhesiva hasta entre 10 y 30% en peso de aluminio, entre cantidades de trazas y 3% en peso de itrio u otro elemento reactivo, tal como zirconio, hafnio, escandio o cualquiera de los lantánidos (es decir, números atómicos 57-71, inclusive), o bien solos o en mezclas de los mismos, y el resto seleccionado a partir de níquel, cobalto o hierro, o bien solos o en mezcla de los mismos. Excluyendo específicamente el cromo de la capa adhesiva en los intervalos de las composiciones mencionados anteriormente, en combinación con un incremento en el contenido de aluminio, se mejora significativamente la estabilidad de la difusión de la capa adhesiva de MAlY libre de cromo sobre las capas adhesivas convencionales de MAlY. Como resultado, la invención proporciona una reducción substancial en la difusión de los constituyentes de la aleación del substrato a través de la capa adhesiva de MAlY, y el mantenimiento de una adhesión fuerte de MAlY/alúmina, resistente a la degradación como una función del tiempo a temperatura elevada, con una mejora concomitante en la integridad de la capa superior de cerámica.

Otra ventaja de la exclusión de cromo de la capa adhesiva se refiere a la alta presión del vapor de cromo y de los productos de oxidación de cromo. A temperaturas operativas intermedias, por ejemplo entre aproximadamente 700ºC y aproximadamente 950ºC, los efectos beneficiosos del cromo para sulfuración o resistencia a la corrosión en caliente dominan a los efectos perjudiciales; sin embargo, a elevadas temperaturas de servicio, la pura resistencia a la oxidación y la protección térmica son objetivos dominantes de los técnicos en la materia. Es en este rango de operación, donde se requiere la realización de sistemas TBC avanzados, donde el alto contenido de cromo en la capa adhesiva puede ser perjudicial.

Adicionalmente todavía, la adhesión MAlY/alúmina es más fuerte que la de una unión convencional de aluminuro/alúmina modificados. Además, la tasa de crecimiento de la película de alúmina se reduce por la presencia de itrio u otro elemento reactivo y el efecto combinado muestra una mejora sobre los sistemas TBC convencionales a base de aluminuro.

De acuerdo con la invención, como se enseña en las reivindicaciones, se describen un sistema TBC mejorado y métodos de aplicación, principalmente para uso en artículos de superaleación a base de níquel y a base de cobalto, tales como componentes de secciones calientes de motores de turbinas de gas, así como para uso en artículos de superaleación a base de hierro. Un substrato de superaleación es revestido en primer lugar con una capa adhesiva de metal noble que tiene una composición que incluye aluminio, uno o más metales nobles, y uno o más elementos reactivos, siendo el resto níquel, cobalto, hierro, o combinaciones de los mismos. Una capa intermedia de alúmina se forma sobre la capa adhesiva de metal noble y una capa superior de cerámica se aplica sobre todo. Como se utiliza aquí, el término "metal noble" se refiere a elementos inactivos o inertes, resistentes a la corrosión, a saber, rutenio, rodio, paladio, plata, osmio, iridio, platino y oro.

La resistencia adhesiva o adherencia entre la capa adhesiva de metal noble y la película de alúmina se mejora sobre las capas adhesivas convencionales de aluminuro y de MCrAlY restringiendo substancialmente la composición de la capa adhesiva hasta entre 10 y 30% en peso de aluminio, entre 2 y 60% en peso de metal noble, entre cantidades de trazas y 3% en peso de itrio u otro elemento reactivo, tal como zirconio, hafnio, escandio o cualquiera de los lantánidos, o bien solos o en mezclas de los mismos, y el resto seleccionado a partir de níquel, cobalto o hierro, o bien solos o en mezcla de los mismos.

La resistencia adhesiva entre la capa adhesiva de metal noble y la película de alúmina se mejora substancialmente sobre los sistemas TBC convencionales, en parte, debido a la presencia de elementos reactivos. La composición de la capa adhesiva de metal noble y los elementos reactivos contenidos aquí interfieren con el mecanismo de difusión de los constituyentes desde la aleación de substrato a través de la capa adhesiva. De acuerdo con ello, se reduce la difusión de los constituyentes en la capa de alúmina, lo mismo que la tasa de crecimiento de la capa de alúmina. Adicionalmente, se reduce el inicio y la propagación de las grietas en la interfaz de la capa adhesiva y la capa de alúmina, de manera que se mejora la vida cíclica del sistema TBC. Este efecto es debido a los precipitados de óxido de los elementos reactivos, que están presentes como bonificadores en la interfaz de la capa adhesiva/capa de alúmina. Los mecanismos útiles para la explicación de la influencia benéfica de los precipitados de óxido se describen por autores tales como E. Orowan en AIME Publication "Dislocations in Metals" (1954) en la página 69 y por Kelly and Fine en "Werkstofftechnik Metalle I" (192) editado por O. Knotek y E. Lugscheider (Vorlesungsumdruck für die Vertieferrichtung, Werkstofftechnik, 1992) en las páginas 2.14 y 2.15, cuyas descripciones se incorporan aquí por referencia. La formación de precipitados de óxido en la interfaz puede ser el resultado del proceso de revestimiento empleado para producir el sistema TBC. Alternativa o adicionalmente, la formación de precipitados de óxido puede resultar del uso del artículo revestido en el motor.

Se pueden emplear varios métodos para aplicar la capa adhesiva MAlY a un substrato de artículo de superaleación. Por ejemplo, en un primer método similar al empleado para aplicar una capa adhesiva convencional, se deposita en primer lugar itrio y/u otro elemento reactivo sobre el substrato utilizando PVD de haz de electrones seguido por aluminización en fase de gas o cementación de paquete. Aunque este método tiene las deficiencias descritas anteriormente con respecto a los aluminuros de difusión, la presencia de itrio o de otro elemento reactivo mejora significativamente la adherencia de la capa de óxido por las razones mencionadas anteriormente. Se podría realizar una deposición simple de vapor físico o químico de elementos reactivos sobre la superficie de un revestimiento de aluminuro convencional llevando a cabo la modificación deseada de la composición de la superficie. Alternativamente, en métodos de realización preferidos, se puede emplear PVD de iones o pulverización catódica para recubrir la superficie utilizando un cátodo de MAlY prealeado. Todavía otro método preferido emplea pulverización de plasma a vacío o a baja presión de polvo de MAlY prealeado sobre el substrato. Un método adicional implica la deposición de níquel y la deposición simultánea de un polvo de aleación de aluminio e itrio. En todos los tres métodos preferidos, el componente revestido es sometido posteriormente a un ciclo de procesamiento térmico para adherir metalúrgicamente el revestimiento a la superficie del componente y en el último ejemplo para homogeneizar el revestimiento en lo que se refiere a la composición. Típicamente, se podría emplear un tratamiento térmico a vacío durante aproximadamente dos horas a 1080ºC aproximadamente para efectuar la adhesión metalúrgica. De acuerdo con los métodos preferidos, la capa adhesiva de MAlY producida de esta manera contiene a lo sumo trazas de constituyentes de aleación del substrato de superaleación, debido a que la composición de la capa adhesiva MAlY es establecida antes de su aplicación sobre la superficie del substrato y debido a que su aplicación no realiza una reacción de difusión que implique al substrato. De acuerdo con ello, la capa adhesiva está substancialmente libre de cromo. Alguna cantidad menor de cromo se podría difundir en la capa adhesiva durante un periodo de tiempo prolongado a temperaturas de funcionamiento. Los efectos perjudiciales anticipados de esto se consideran menores en comparación con otras alternativas de revestimiento, tanto debido a la cantidad sin consecuencias de cromo difundido como al periodo de tiempo extraordinariamente largo requerido con respecto a la vida útil del componente subyacente. En todos los métodos, el crecimiento de alúmina sobre la capa adhesiva de MAlY depositada y la aplicación de la capa superior de cerámica se pueden realizar por métodos convencionales.

También se pueden emplear varios métodos para aplicar la capa adhesiva de metal noble a un substrato de artículo de superaleación. Por ejemplo, de acuerdo con un primer método, la capa adhesiva de metal noble puede ser aplicada por PVD, por ejemplo PVD de haz de electrones, utilizando una fuente o múltiples fuentes que contienen aluminio, uno o una mezcla de metales nobles, y uno o una mezcla de elementos reactivos. Alternativamente, la capa adhesiva de metal noble se puede aplicar por técnicas de pulverización térmica, tales como pulverización de plasma de un aluminio que contiene polvo, uno o una mezcla de metales nobles, y uno o una mezcla de elementos reactivos. Todavía adicionalmente, la capa adhesiva de metal noble se puede aplicar por una combinación de métodos, utilizando un método de múltiples etapas, por ejemplo depositando uno o una mezcla de metales nobles o uno o una mezcla de elementos reactivos en una etapa individual o en etapas separadas. La deposición de estas capas se puede realizar en cualquier orden, seguido por la deposición del aluminio.

De acuerdo con cualquiera de estos métodos, el componente revestido es sometido posteriormente a un ciclo de procesamiento térmico para adherir metalúrgicamente el revestimiento a la superficie del componente y/o para homogeneizar el revestimiento en lo que se refiere a la composición. Típicamente, se podría emplear un tratamiento térmico a vacío durante aproximadamente dos horas a 1080ºC aproximadamente para efectuar la adhesión metalúrgica. De acuerdo con estos métodos, la capa adhesiva de metal noble producida de esta manera contiene a lo sumo trazas de constituyentes de aleación del substrato de superaleación, debido a que la composición de la capa adhesiva de metal noble es establecida antes de su aplicación sobre la superficie del substrato y debido a que su aplicación no realiza una reacción de difusión que implique al substrato. De acuerdo con ello, la capa adhesiva está substancialmente libre de cromo. Alguna cantidad menor de cromo se podría difundir en la capa adhesiva durante un periodo de tiempo prolongado a temperaturas de funcionamiento. Los efectos perjudiciales anticipados de esto se consideran menores en comparación con otras alternativas de revestimiento, tanto debido a la cantidad sin consecuencias de cromo difundido como al periodo de tiempo extraordinariamente largo requerido con respecto a la vida útil del componente subyacente. En todos los métodos, el crecimiento de alúmina sobre la capa adhesiva de metal noble depositada y la aplicación de la capa superior de cerámica se pueden realizar por métodos convencionales.

Para cualquiera de las capas adhesivas de MAlY o de metal noble, la capa superior de cerámica puede tener múltiples capas, cuyas capas adyacentes tienen microestructuras de granos generalmente columnares con diferentes direcciones de la orientación de los granos, como se describe en el documento US-A-6 455 173, titulado "Thermal Barrier Coating Ceramic Structure", cuya descripción se incorpora aquí por referencia en su integridad.

Breve descripción de los dibujos

La invención, de acuerdo con formas de realización preferidas y ejemplares, junto con otras ventajas de las mismas, se describe más particularmente en la siguiente descripción detallada tomada en combinación con los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 es una vista esquemática de la sección transversal de un motor de turbina de gas típico que ilustra componentes de secciones calientes adecuados para aplicación de un sistema TBC de acuerdo con una forma de realización preferida de la presente invención.

La figura 2A es una vista esquemática ampliada de la sección transversal de una porción de un artículo de superaleación revestido con un sistema TBC de acuerdo con una forma de realización preferida de la presente invención.

La figura 2B es una vista esquemática ampliada de la sección transversal de una porción de un artículo de superaleación revestido con un sistema TBC de acuerdo con una forma de realización alternativa de la presente invención.

La figura 3A es una vista esquemática ampliada de la sección transversal de una porción de un artículo de superaleación revestido con un sistema TBC de acuerdo con otra forma de realización preferida de la presente invención.

La figura 3B es una vista esquemática ampliada de la sección transversal de una porción de un artículo de superaleación revestido con un sistema TBC de acuerdo con otra forma de realización preferida de la presente invención.

Modo(s) de realización de la invención

En la figura 1 se ilustra una vista esquemática de la sección transversal de un motor de turbina de gas turboventilador típico 10 que muestra componentes de secciones calientes, representados generalmente en 12, adecuados para aplicación de un sistema TBC a base de metal noble de acuerdo con la presente invención. Como se ilustra, el motor 10 incluye, en relación de flujo en serie desde la entrada hasta la salida, un bastidor de entrada 14, un compresor de baja presión de dos fases ("LPC" o ventilador 16, un compresor de alta presión de tres fases ("HPC") 18, un dispositivo de combustión 20, una turbina de alta presión de fase individual ("HPT") 22, una turbina de baja presión de dos fases ("LPT") 24, un bastidor de turbina 26, y una tobera de escale 28.

El aire comprimido que sale desde el compresor HPC 18 es mezclado con combustible en el dispositivo de combustión 20 y es encendido. El efluente de combustión de alta energía, de alta temperatura pasa tanto a través de HPT 22 como a través de LPT 24, donde se extrae energía para accionar el HPC 18 y el ventilador 16. Cada fase de la turbina, por ejemplo HPT 22, incluye un conjunto de paletas de turbinas estacionarias 30 y palas de turbinas giratorias 32 dispuestas en la corriente de efluente para optimizar la orientación del flujo y la extracción de energía. Después de pasas a través del bastidor de la turbina 24, que soporta los componentes giratorios del motor 10, el efluente se mezcla con el flujo del ventilador a través de la tobera de escape 28, produciendo una fuerza neta o empuje que impulsa el motor 10 hacia delante.

Los componentes de secciones calientes 12 expuestos al efluente de combustión corrosivo a alta temperatura se pueden revestir con los sistemas TBC de capa adhesiva de MAlY o de metal noble, de acuerdo con las enseñanzas de esta invención para proteger el substrato de superaleación frente a la temperatura excesiva así como a la oxidación durante el funcionamiento del motor.

Con referencia ahora a la figura 2A, se ilustra una vista esquemática ampliada de la sección transversal de una porción de un artículo de superaleación 34, tal como una pared de un plano aerodinámico de una pala de turbina 32, revestida con el sistema TBC de capa adhesiva de MAlY de acuerdo con una forma de realización preferida de la presente invención. La representación esquemática y el espesor relativo de cada capa de los sistemas TBC de capas múltiples ilustrados en las figuras 2A y 2B están destinados solamente para fines ilustrativos y de ninguna manera están destinados para limitar el alcance de la invención.

El artículo 34 de la figura 2A incluye un substrato 36, una de cuyas porciones se ilustra. El substrato 36 está compuesto con preferencia de una superaleación a base de hierro, níquel o cobalto; no obstante, se contempla que la capa adhesiva de MAlY de la presente invención puede ser adecuada para uso con cualquier superaleación u otro substrato metálico con el que puede formar una unión adecuada. Para los fines indicados aquí, una adhesión adecuada se puede caracterizar como adherencia igual o superior a la que existe entre otras capas en el sistema
TBC.

Sobre el substrato 36 se produce una capa adhesiva de MAlY 38 que tiene una composición de acuerdo con la reivindicación 1 entre 10 y 30% en peso de aluminio, entre cantidades de trazas y 3% en peso de un elemento reactivo, tal como itrio, zirconio, hafnio, escandio o cualquiera de los lantánidos o mezclas de los mismos, y el resto es níquel, cobalto, hierro o mezclas de los mismos. En una composición preferida, la capa adhesiva 38 incluye aproximadamente entre 20 y 22% en peso de aluminio, entre aproximadamente 0,2 y 0,4% en peso de itrio, y el resto es níquel. En ambos casos, se omite de forma intencionada el cromo de la capa adhesiva 38, aunque se contempla que puede existir alguna cantidad de trazas inadvertida sin consecuencias. La capa adhesiva 38 es producida con preferencia por medio de pulverización de plasma a baja presión o a vacío utilizando un polvo prealeado, en lugar de métodos de difusión convencionales, tales como cementación de paquete. Un método de pulverización de plasma ejemplar se describe, por ejemplo, en la patente de los Estados Unidos U. A. Nº Re. 33.876 a nombre de Goward y col., cuya descripción se incorpora aquí por referencia. Utilizando un método de pulverización de plasma, se puede controlar mejor la composición de la capa adhesiva 38 y se puede reducir en una medida significativa la migración de los elementos de la aleación de base desde el substrato 36, que en otro caso pueden representar un detrimento para la adherencia de la unión de la capa/alúmina. Una zona de difusión 40 relativamente fina se forma entre la capa adhesiva 38 y el substrato 36, soportando la adhesión entre ellos.

Debido a la naturaleza altamente reactiva de la capa adhesiva de MAlY 38 durante la producción del sistema TBC, el aluminio próximo a la superficie exterior expuesta de la capa adhesiva 38 se oxida de una manera substancialmente instantánea después de la exposición a cualquier entorno que contiene oxígeno o humedad a elevada temperatura, resultando una capa fina de óxido de aluminio o de alúmina 42. Tal capa oxidada se puede referir como una película o escama de alúmina. Finalmente, se dispone una capa superior de cerámica 44 sobre la película de alúmina 42 para conseguir las propiedades de aislamiento deseadas del sistema TBC. Como se ilustra, la capa superior de cerámica 44 preferida tiene una microestructura columnar, consistente substancialmente con la descrita en la patente de los Estados Unidos U. S. Nº 4.321.311 a nombre de Strangman, cuya descripción se incorpora aquí por referencia. La capa superior columnar de cerámica 44 es producida con preferencia por PVD de haz de electrones, aunque se pueden utilizar otras técnicas consistentes con la producción de tal microestructura columnar, si se desea. Un ejemplo de método PVD y de aparato se describe en la patente de los Estados Unidos U. S. Nº 4.880.614 a nombre de Strangman y col., cuya descripción se incorpora aquí por referencia. Como se ha mencionado anteriormente, se puede empelar una capa superior de cerámica columnar de capas múltiples con l menos dos direcciones de la orientación de los granos.

Con referencia ahora a la figura 2B, se ilustra una vista esquemática ampliada de la sección transversal de una porción de un artículo de superaleación 134 revestido con un sistema TBC de acuerdo con una forma de realización alternativa de la presente invención. El artículo 134 incluye un substrato 136, compuesto con preferencia de una superaleación a base de hierro, níquel o cobalto. No obstante, se contempla que la capa adhesiva de MAlY de la presente forma de realización puede ser adecuada también para uso con cualquier superaleación u otros substratos metálicos con los que puede formar una adhesión adecuada.

Sobre el substrato 136 se produce una capa adhesiva de MAlY 138 que tiene una composición de acuerdo con la reivindicación 1 entre 10 y 30% en peso de aluminio, entre cantidades de trazas y 3% en peso de un elemento reactivo, tal como itrio, zirconio, hafnio, escandio, o cualquiera de los lantánidos o mezclas de los mismos, y siendo el resto níquel, cobalto, hierro o mezclas de los mismos. En una composición preferida, la capa adhesiva 138 incluye aproximadamente 20 a 22% en peso de aluminio, aproximadamente entre 0,25 y 0,4% en peso de itrio, y siendo el resto níquel. Aquí de nuevo, se omite de forma intencionada el cromo de la capa adhesiva 138. En esta forma de realización, la capa adhesiva 138 es producida aplicando en primer lugar itrio al substrato 136 por cualquier método convencional, tal como PVD de haz de electrones. Posteriormente, la capa adhesiva de MAlY 138 se puede producir mediante aluminización en fase de gas. De acuerdo con este proceso, el substrato de superaleación 136 se hace reaccionar con un gas haluro de aluminio a elevada temperatura durante un periodo de tiempo suficiente para producir el espesor deseado de la capa adhesiva y la composición de acuerdo con los rangos de constituyentes mencionados anteriormente. Claramente, el método no está limitado a aluminización en fase de gas, porque se puede emplear cualquier fuente de aluminio para soportar la etapa de aluminización.

Como se representa de forma esquemática en la figura 2B, la capa adhesiva de MAlY 138 incluye tanto el revestimiento de aluminuro como también partículas 148 en fase intermetálica ricas en itrio incrustadas. Claramente, si el substrato subyacente 136 es una aleación a base de níquel, entonces el revestimiento formado será aluminuro de níquel. De una manera similar, si el substrato es una aleación a base de cobalto, el revestimiento formado será aluminuro de cobalto. Además, si en lugar de aplicar en primer lugar itrio al substrato 136, se aplicase zirconio, hafnio, escandio o cualquiera de los lantánidos en concentración suficientemente alta, las partículas resultantes 148 serían ricas en el elemento reactivo aplicado.

Como con la forma de realización de la figura 2A, se forma inherentemente una zona de difusión 140 relativamente fina entre la capa adhesiva 138 y el substrato 136 soportando la adhesión entre ellos. La zona de difusión 140 puede contener el elemento reactivo difundido aplicado en primer lugar.

Debido a la naturaleza altamente reactiva de la capa adhesiva de MAlY 138 durante la producción del sistema TBC en la figura 2B, el aluminio próximo a la superficie exterior expuesta de la capa adhesiva 138 se oxida substancialmente de forma instantánea después de la exposición a entorno que contiene oxígeno o humedad a elevada temperatura, resultando una capa fina de alúmina 142. Finalmente, se dispone una capa superior cerámica 144 sobre la película de alúmina 142 para conseguir las propiedades de aislamiento deseadas del sistema TBC. Como se ilustra, la capa superior cerámica 144 preferida tiene una morfología no-columnar, pero tolerante a la deformación producida por técnicas de pulverización de plasma, aunque se pueden emplear otros métodos convencionales de aplicación, si se desea. La capa superior de cerámica 144 pulverizada con plasma puede ser uniformemente densa, o puede mostrar porosidad controlada como se ilustra generalmente en 146, que tiene una superficie externa substancialmente no porosa y una porosidad creciente en la proximidad de la capa de alúmina 142.

El espesor medio de las capas individuales de los sistemas TBC de capas múltiples ilustrados en las figuras 2A y 2B se puede seleccionar por los técnicos en la materia para conseguir un resultado de aislamiento deseado. En una aplicación típica en un motor de turbina de gas 10 u otro entorno severo, el espesor de la capa adhesiva 38, 138 puede estar entre aproximadamente 40 y 120 micras; el espesor de la película de alúmina 42, 142 puede estar entre aproximadamente 0,1 y 3 micras; y el espesor de la capa superior de cerámica 44, 144 puede estar entre aproximadamente 80 y 350 micras. Estos intervalos son ejemplares. Los valores fuera de estos intervalos, solos o en combinación, se consideran dentro del alcance de la invención. En una forma de realización preferida para un plano aerodinámico de una pala 32 o paleta 30 de motor de turbina de gas, el espesor de la capa adhesiva 38 puede estar entre aproximadamente 50 y 80 a 90 micras; el espesor de la película de alúmina 42, 142 puede estar entre aproximadamente 0,5 y 1,5 micras; y el espesor de la capa superior de cerámica 44, 144 puede estar entre aproximadamente 100 y
150 micras.

Con referencia ahora a la figura 3A, se ilustra una vista esquemática ampliada de la sección transversal de una porción de un artículo de superaleación 234, tal como una pared de un plano aerodinámico de una pala de turbina 232, revestida con el sistema TBC de la capa adhesiva de metal noble de acuerdo con otra forma de realización preferida de la presente invención. La representación esquemática y el espesor relativo de cada capa de los sistemas TBC de capas múltiples ilustrados en las figuras 3A y 3B se entiende solamente para fines de ilustración y de ninguna manera están destinados para restringir el alcance de la invención.

El artículo 234 en la figura 3A incluye un substrato 236, una de cuyas porciones se ilustra. El substrato 236 está compuesto con preferencia de una superaleación a base de hierro, níquel o cobalto; no obstante, se contempla que la capa adhesiva de metal noble de la presente invención puede ser adecuada para uso con cualquier superaleación u otros substratos metálicos con los que puede formar una adhesión adecuada.

Sobre el substrato 236 se produce una capa adhesiva de metal noble 238 que tiene una composición de aproximadamente 10 a 30% en peso de aluminio, entre aproximadamente 2 y 60% en peso de metal noble, entre cantidades de trazas y aproximadamente 3% en peso de un elemento reactivo, tal como itrio, zirconio, hafnio, escandio, o cualquiera de los lantánidos o mezclas de los mismos, y siendo el resto níquel, cobalto, hierro o mezclas de los mismos. En una composición preferida, la capa adhesiva 238 incluye entre aproximadamente 20 y 25% en peso de aluminio, entre aproximadamente 30 y 40% en peso de platino, entre aproximadamente 0,2 y 0,4% en peso de itrio, entre aproximadamente 0,03 y 0,06% en peso de zirconio, siéndole resto níquel, cobalto, hierro o mezclas de los mismos. N ambos casos, se omite de forma intencionada e cromo de la capa adhesiva 238, aunque se contempla que puede existir allí alguna cantidad de trazas inadvertida sin consecuencias. La capa adhesiva 238 se produce con preferencia por medio de pulverización de plasma a baja presión o a vacío utilizando un aluminio que contiene polvo prealeado, o uno o una mezcla de metales nobles, y uno o una mezcla de elementos reactivos en lugar de métodos de difusión convencionales, tales como cementación de paquete. Utilizando un método de pulverización de plasma, se puede controlar mejor la composición de la capa adhesiva 238 y se puede reducir significativamente la migración de elementos de aleación de base desde el substrato 236, que puede representar en otro caso un perjuicio para la adherencia de la unión de la capa/alúmina. Una zona de difusión 240 relativamente fina se forma inherentemente entre la capa adhesiva 238 y el substrato 236 soportando la adhesión entre ellos.

Debido a la naturaleza altamente reactiva de la capa adhesiva de metal noble 238 durante la producción del sistema TBC, el aluminio próximo a la superficie exterior expuesta de la capa adhesiva 238 se oxida substancialmente de forma instantánea después de la exposición a cualquier entorno que contiene oxígeno o humedad a elevada temperatura, resultando una capa fina de óxido de aluminio o alúmina 242. Finalmente, se dispone una capa superior de cerámica 244 sobre la película de alúmina 242 para conseguir las propiedades de aislamiento deseadas del sistema TBC. Como se ilustra, la capa superior cerámica 244 preferida tiene una microestructura columnar, que se puede producir por PVD de haz de electrones, aunque se pueden utilizar otras técnicas consistentes con la producción de tal microestructura columnar, si se desea. Alternativamente, se puede emplear una capa superior cerámica columnar de capas múltiples con al menos dos direcciones de orientación del grano.

Con referencia a la figura 3B, se ilustra una vista esquemática ampliada de la sección transversal de una porción de un artículo de superaleación 334 revestido con un sistema TBC de acuerdo con otra forma de realización alternativa de la presente invención. El artículo 334 incluye un substrato 336, compuesto con preferencia de una superaleación a base de hierro, níquel o cobalto. No obstante, se contempla que la capa adhesiva de metal noble de la presente forma de realización de la invención puede ser también adecuada para uso con cualquier superaleación u otros substratos metálicos, con lo que puede formar una adhesión adecuada.

Sobre el substrato 336 se produce una capa adhesiva de metal noble 338 que tiene una composición de 10 a 30% en peso de aluminio, 2 a 60% en peso de metal noble, entre cantidades de trazas y 3% en peso de un elemento reactivo, tal como itrio, zirconio, hafnio, escandio, o cualquiera de los lantánidos o mezclas de los mismos, y siendo el resto níquel, cobalto, hierro o mezclas de los mismos. En una composición preferida, la capa adhesiva 338 incluye aproximadamente 20 a 25% en peso de aluminio, aproximadamente 30 a 40% en peso de platino, aproximadamente 0,2 a 0,4% en peso de itrio, aproximadamente 0,03 a 0,06% en peso de zirconio y siendo el resto níquel, cobalto, hierro o mezclas de los mismos. Aquí de nuevo, se omite de forma intencionada el cromo de la capa adhesiva 338. En esta forma de realización, la capa adhesiva 338 se produce aplicando en primer lugar uno o más elementos reactivos al substrato 336 por cualquier método convencional, tal como haz de electrones u otra técnica PVD, o deposición de vapor químico ("CVD"). Posteriormente, la capa adhesiva de metal noble 338 se puede producir mediante aluminización en fase de gas. De acuerdo con este proceso, el substrato de superaleación 336 se hace reaccionar con un gas haluro de aluminio a elevada temperatura durante un periodo de tiempo suficiente para producir el espesor deseado de la capa adhesiva y la composición de acuerdo con los rangos de constituyentes mencionados anteriormente. Claramente, el método no está limitado a aluminización en fase de gas, porque se puede emplear cualquier fuente de aluminio para soportar la etapa de aluminización. Por ejemplo, métodos alternativos incluyen cementación de paquete, deposición de vapor de iones o bien desde una fuente de paquete o desde cualquier otro gas que lleva aluminio, electrogalvanizado, y técnicas electroforéticas.

Como se representa de forma esquemática en la figura 3B, la capa adhesiva de metal noble 338 incluye tanto el revestimiento de aluminuro como también partículas 348 en fase intermetálica ricas en elementos reactivos incrustadas. Claramente, si el substrato subyacente 336 es una aleación a base de níquel, entonces el revestimiento formado será aluminuro de níquel. De una manera similar, si el substrato es una aleación a base de cobalto, el revestimiento formado será aluminuro de cobalto.

Como con la forma de realización de la figura 3A, se forma inherentemente una zona de difusión 340 relativamente fina entre la capa adhesiva 338 y el substrato 336 soportando la adhesión entre ellos. La zona de difusión 340 puede contener el elemento reactivo difundido aplicado en primer lugar.

Debido a la naturaleza altamente reactiva de la capa adhesiva de metal noble 338 durante la producción del sistema TBC en la figura 3B, el aluminio próximo a la superficie exterior expuesta de la capa adhesiva 338 se oxida substancialmente de forma instantánea después de la exposición a entorno que contiene oxígeno o humedad a elevada temperatura, resultando una capa fina de alúmina 342. Finalmente, se dispone una capa superior cerámica 344 sobre la película de alúmina 342 para conseguir las propiedades de aislamiento deseadas del sistema TBC. Como se ilustra, la capa superior cerámica 344 preferida tiene una morfología no-columnar, pero tolerante a la deformación producida por técnicas de pulverización de plasma, aunque se pueden emplear otros métodos convencionales de aplicación, si se desea. La capa superior de cerámica 344 pulverizada con plasma puede ser uniformemente densa, o puede mostrar porosidad controlada como se ilustra generalmente en 346, que tiene una superficie externa substancialmente no porosa y una porosidad creciente en la proximidad de la capa de alúmina 342.

El espesor medio de las capas individuales de los sistemas TBC de capas múltiples ilustrados en las figuras 3A y 3B se puede seleccionar por los técnicos en la materia para conseguir un resultado de aislamiento deseado. En una aplicación típica en un motor de turbina de gas 10 u otro entorno severo, el espesor de la capa adhesiva 238, 338 puede estar entre aproximadamente 40 y 120 micras; el espesor de la película de alúmina 242, 342 puede estar entre aproximadamente 0,1 y 3 micras; y el espesor de la capa superior de cerámica 244, 344 puede estar entre aproximadamente 80 y 350 micras. Estos intervalos son ejemplares. Los valores fuera de estos intervalos, solos o en combinación, se consideran dentro del alcance de la invención. En una forma de realización preferida para un plano aerodinámico de una pala 32 o paleta 30 de motor de turbina de gas, el espesor de la capa adhesiva 238, 338 puede estar entre aproximadamente 20 y 70 micras; el espesor de la película de alúmina 242, 342 puede estar entre aproximadamente 0,5 y 1,5 micras; y el espesor de la capa superior de cerámica 244, 344 puede estar entre aproximadamente 100 y 150 micras.

En una forma de realización, la capa adhesiva de metal noble incluye el equivalente de una capa de metal noble que tiene un espesor de aproximadamente 2 a 5 micras, una capa de elemento reactivo que tiene un espesor de hasta aproximadamente 3 micras, y una capa de aluminio que tiene un espesor de aproximadamente 30 a 60 micras, siendo el resto níquel, cobalto, hierro, y mezclas de los mismos. La capa de metal noble se puede depositar por PVP o electrogalvanizado, la capa de elemento reactivo por PVD o CVD, y la capa de aluminio por cementación de paquete, CVD de fase de gas, deposición de vapor de iones, electrogalvanizado o técnicas electroforéticas. La difusión del aluminio se puede producir o bien durante o después del proceso de revestimiento.

Como se ha mencionado anteriormente, la capa adhesiva de metal noble se puede aplicar por una combinación de métodos, utilizando un método de etapas múltiples, tales como deposición de uno o una mezcla de metales nobles seguido por deposición de un compuesto de aluminuro de aluminio con uno o una mezcla de elementos reactivos por cementación de paquete, CVD en fase de gas, deposición de vapor de iones, electrogalvanizado o técnicas electroforéticas.

De acuerdo con una forma de realización, la capa adhesiva de metal noble se puede aplicar depositando una capa de uno o una mezcla de elementos reactivos por PVD y, después de la deposición, difundiendo esta capa en el substrato. Posteriormente, se deposita una capa de uno o una mezcla de metales nobles por electrogalvanizado y, después de la deposición, se difunde esta capa en el substrato, si el proceso así lo requiere. Finalmente, la capa adhesiva puede ser aluminizada utilizando una técnica de deposición en fase de vapor como se ha descrito anteriormente.

Por último, la capa superior de cerámica puede ser un revestimiento de zirconia estabilizado parcialmente con itria (por ejemplo, de 6 a 8% en peso), con una estructura columnar que se deposita sobre la parte superior de la capa adhesiva de metal noble. La capa de alúmina, que tiene un espesor de aproximadamente 0,1 a 0,4 micras puede crecer sobre la capa adhesiva ya sea antes, durante o después de la deposición de la capa superior de cerámica, aunque el crecimiento de la capa de alúmina durante la deposición cerámica puede ser un método preferido.

Aunque se han descrito aquí las que se consideran ejemplos de realización ejemplares y preferidas de la presente invención, serán evidentes otras modificaciones de la invención para los técnicos en la materia a partir de las enseñanzas mostradas aquí. Por ejemplo, las capas superiores cerámicas columnares de las figuras 2A y 3A podrían aplicarse sobre las capas adhesivas 138, 338 ilustradas en las figuras 2B y 3B. De una manera similar, las capas superiores cerámicas pulverizadas con plasma de las figuras 2B y 3B podrían aplicarse sobre las capas adhesivas 38, 238 ilustradas en las figuras 2A y 3A. Adicionalmente, se podría utilizar cualquier método para generar las capas adhesivas de MAlY y de metal noble. Por lo tanto, es deseable asegurarse en las reivindicaciones anexas que también todas las modificaciones caen dentro del espíritu verdadero y del alcance de la invención. De acuerdo con ello, lo que se desea es asegurarse mediante patente la invención como se define y se diferencia en las reivindicaciones siguientes.

Claims

1. Una capa adhesiva para un sistema de revestimiento de barrera térmica sobre un substrato de superaleación, incluyendo el sistema de revestimiento de barrera térmica una capa superior cerámica, en la que la capa adhesiva comprende:

10 a 30% en peso de aluminio;

2 a 60% en peso de metal noble;

entre cantidades de trazas y 3% en peso de un elemento reactivo seleccionado a partir del grupo que consta de escandio, itrio, zirconio, todos los lantánidos, hafnio y mezclas de los mismos; y

el resto seleccionado a partir del grupo que consta de níquel, cobalto, hierro y mezclas de los mismos, en el que la capa adhesiva se caracteriza, además, por ausencia de cromo añadido.

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2. Una capa adhesiva de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:

20 a 25% en peso de aluminio;

30 a 40% en peso de platino;

0,2 a 0,4% en peso de itrio;

0,03 a 0,06% en peso de zirconio; y

el resto seleccionado a partir del grupo que consta de níquel, cobalto, hierro y mezclas de los mismos.

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3. Una capa adhesiva substancialmente libre de cromo de acuerdo con la reivindicación 1, que consta esencialmente de:

10 a 30% en peso de aluminio;

2 a 60% en peso de metal noble;

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4. Una capa adhesiva de acuerdo con la reivindicación 3, que consta esencialmente de:

20 a 25% en peso de aluminio;

30 a 40% en peso de platino;

0,2 a 0,4% en peso de itrio;

0,03 a 0,06% en peso de zirconio; y

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5. Un sistema de revestimiento de barrera térmica, que comprende:

una capa adhesiva de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4;

una capa de alúmina sobre la capa adhesiva; y

una capa superior de cerámica sobre la capa de alúmina.

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6. Un artículo revestido, que comprende:

un substrato de superaleación; y

un sistema de revestimiento de barrera térmica sobre el substrato, en el que el sistema de revestimiento de barrera térmica es de acuerdo con la reivindicación 5.

7. Un artículo revestido de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el substrato de superaleación comprende una superaleación seleccionada a partir del grupo de superaleación a base de níquel, superaleación a base de cobalto y superaleación a base de hierro.

8. Un artículo revestido de acuerdo con la reivindicación 6 ó 7, en el que el artículo revestido comprende una parte de motor, al menos una parte del cual está expuesta a efluente de combustión durante su funcionamiento.

9. Un artículo revestido de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la parte del motor está seleccionada a partir del grupo que consta de dispositivos de combustión, palas de turbinas, paletas de turbinas, bastidores de turbinas, y toberas de escape.

10. Un método de producción de un sistema de revestimiento de barrera térmica sobre un substrato de superaleación, incluyendo el sistema de revestimiento de barrera térmica una capa superior cerámica, comprendiendo el método las etapas de:

1): proporcionar un substrato de superaleación; y

2): producir una capa adhesiva sobre el substrato mediante:

a): deposición de un elemento reactivo sobre el substrato; siendo seleccionado el elemento reactivo a partir del grupo que consta de escandio, itrio, zirconio, todos los lantánidos y hafnio, y mezclas de los mismos; y

b): hacer reaccionar a continuación el substrato con una fuente de aluminio, en el que la capa adhesiva producida comprende:

: 10 a 30% en peso de aluminio;

: entre cantidades de trazas y 3% en peso del elemento reactivo; y

: mezclas de los mismos, en el que la capa adhesiva producida se caracteriza, además, por la ausencia de cromo añadido, en el que la etapa de producción de la capa adhesiva comprende, además, la sub-etapa de depositar un metal noble sobre el substrato, de tal manera que la capa adhesiva comprende entre 2 y 60% en peso de metal noble.

11. La invención de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende, además, la etapa de formar una película de alúmina sobre la capa adhesiva.

12. La invención de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende, además, la etapa de producir una capa superior cerámica sobre la película de alúmina.

13. Un método de producción de un sistema de revestimiento de barrera térmica sobre un substrato de superaleación, incluyendo el revestimiento de barrera térmica una capa superior de cerámica, comprendiendo el método las etapas de:

a): proporcionar un substrato de superaleación;

b): producir una capa adhesiva sobre el substrato mediante pulverización por plasma de un polvo superaleado, comprendiendo la capa adhesiva:

: entre aproximadamente 10 y aproximadamente 30% en peso de aluminio;

: entre aproximadamente 2 y aproximadamente 30% en peso de metal noble;

: entre cantidades de trazas y aproximadamente 3% en peso de un elemento reactivo seleccionado a partir del grupo que consta de escandio, itrio, zirconio, todos los lantánidos y hafnio, y mezclas de los mismos; y

: el resto seleccionado a partir del grupo que consta de níquel, cobalto, hierro, y mezclas de los mismos, en el que el polvo superaleado se caracteriza, además, por la ausencia de cromo añadido.

14. La invención de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende, además, la etapa de formar una película de alúmina sobre la capa adhesiva.

15. La invención de acuerdo con la reivindicación 14, que comprende, además, la etapa de producir una capa superior de cerámica sobre la película de alúmina.