ES2313599T3

ES2313599T3 - Material ceramico desgastable por abrasion bonificado con alumina.

Info

Publication number: ES2313599T3
Application number: ES06405239T
Authority: ES
Inventors: Andrew Nicoll; Scott Wilson
Original assignee: Sulzer Metco US Inc
Current assignee: Oerlikon Metco US Inc
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2009-03-01
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: EP1734146A1; CN104193330A; DE602006002319D1; CN1880276A; JP2006348942A; ATE405686T1; EP1734146B1; CA2549600C; CA2549600A1; US7736760B2; US20060285972A1; SG128619A1

Abstract

Un material de sellado cerámico desgastable por abrasión para aplicaciones de sellado de turbinas, que consta de zirconio (ZrO2) estabilizado con itrio (Y2O3), que tiene de 6 a 9% en peso de itrio, caracterizado porque el material de sellado está bonificado con 0,5 a 1% en peso de alúmina (Al2O3).

Description

Material cerámico desgastable por abrasión bonificado con alúmina.

La invención se refiere a materiales cerámicos (desgastables por abrasión) de control de holgura para aplicaciones a alta temperatura de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, a un sistema de turbina de gas de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 4 y a un método para formar un polvo para producir revestimientos desgastables por abrasión de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 5.

Los motores de turbina de gas se utilizan en una variedad de aplicaciones, que incluyen los motores de aviación y otras varias aplicaciones industriales, donde las temperaturas de funcionamiento pueden estar en el intervalo de 1000-1200ºC y más. Un motor de turbina de gas es un motor de combustión interna que se compone típicamente de un compresor de aire, cámara de combustión y rueda de turbina que es girada por los productos de expansión de la combustión. Cubre esencialmente la energía química de un combustible líquido en energía mecánica por combustión interna. La eficiencia operativa de los motores de turbina de gas se incrementa con la subida de las temperaturas de funcionamiento, que puede colocar componentes bajo tensión incrementada así como puede someter esos componentes a expansión térmica.

Para incrementar al máximo la eficiencia en el funcionamiento de motores de turbina, es deseable reducir al mínimo las holguras entre los picos de las palas de la turbina y la carcasa o carenado exterior. Una holgura demasiado grande dará como resultado una eficiencia pobre de combustible con el fin de proporcionar las velocidades de funcionamiento operativas, mientras que una holgura demasiado pequeña corre el riesgo de contacto entre las puntas de las palas de la turbina y la carcasa exterior, lo que puede conducir a fallo de componentes. Para resolver este problema, los motores de turbina de gas convencionales incluyen un revestimiento o sellado desgastable por abrasión, que se aplica a la superficie de la carcasa y/o sellado exterior. Estos revestimientos o sellados desgastables por abrasión se pueden cortar por las palas giratorias de la turbina sin dañar las palas de la turbina. Además, los revestimientos o sellados desgastables por abrasión deben permanecer resistentes a la erosión 1 que es causada por partículas sólidas pequeñas y caudales de flujo de gas altos presentes en la turbina. La erosión se refiere al desgaste causado por una corriente de partículas pequeñas y es similar al desgaste al desgaste por abrasión.

El revestimiento o sellado desgastable por abrasión debe tener también buena capacidad de erosión, resistencia a descamación, baja permeabilidad al gas, una superficie lisa, buenas propiedades anti-envejecimiento y resistencia a oxidación de larga duración.

Los motores de turbina de gas convencionales pueden utilizar materiales de cerámica porosa desgastable por abrasión, tales como zirconio estabilizado con itrio (YSZ) (8% en peso de Y_{2}O_{3}, resto ZrO_{2}, como se describe, por ejemplo, en la solicitud de patente europea EP 0 965730 A2). Aunque tales materiales YSZ son adecuados para uso como materiales desgastables por abrasión, son relativamente desmenuzables y susceptibles de efectos de desgaste por erosión. Por lo tanto, existe una necesidad continuada de materiales desgastables por abrasión superiores con rendimiento de abrasión y resistencia a la erosión aceptables, de manera que se pueden optimizar las tolerancias todavía adicionalmente para con seguir eficiencia y actuación mejoradas.

La invención proporciona un material de sellado cerámico desgastable por abrasión que tiene las características de la reivindicación 1.

De acuerdo con ello, la invención se refiere a un material cerámico desgastable por abrasión para control de la holgura entre las puntas de las palas de la turbina y el carenado o carcasa en los motores de turbina de gas para aplicaciones industriales y/o aeroespaciales. El material cerámico desgastable por abrasión de acuerdo con la invención es un material desgastable por abrasión blando que proporciona resistencia incrementada a la erosión así como la capacidad de las puntas de las palas de la turbina para cortar el material desgastable por abrasión sin provocar daños en las mismas. Estas propiedades permiten tolerancias óptimas dentro del motor de turbina de gas, lo que da como resultado una eficiencia y actuación superiores.

La invención proporciona un material cerámico desgastable por abrasión que está constituido por circonio estabilizado con itrio (YSZ) que está bonificado con alúmina (Al_{2}O_{3}). De acuerdo con una forma de realización de la invención, se añade aproximadamente de 0,5 a 1% en peso de alúmina a un circonio normalizado estabilizado con itrio (por ejemplo, aproximadamente 8% en peso de Y_{2}O_{3}, resto ZrO_{2}). La composición desgastable por abrasión de acuerdo con la invención muestra una mejora de cuatro a cinco veces en la resistencia a la erosión por partículas sólidas y
caudales de flujo de gas altos en comparación con los materiales de YSZ convencionales desgastables por abrasión.

De acuerdo con formas de realización de la invención, la invención proporciona también la aplicación de la composición de circonio estabilizado con itrio bonificado con alúmina para componentes de sellado en un motor de turbina de gas. Esto incluye aplicar el material desgastable por abrasión como un sellado entre las palas de la turbina y la carcasa o carenado que alojan el motor de turbina de gas.

Por lo tanto, la invención proporciona un material cerámico desgastable por abrasión que tiene resistencia superior a la erosión, capacidad de abrasión, resistencia al desmenuzamiento, baja permeabilidad al gas, una superficie lisa, buenas propiedades anti-envejecimiento y resistencia a la oxidación de larga duración.

La invención proporciona, además, un método para formar un polvo para uso en un proceso de pulverización térmica para producir revestimientos desgastables por abrasión que tiene las características de la reivindicación 5.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos que se acompañan se incluyen para proporcionar una mejor comprensión de la invención y se incorporan y constituyen una parte de esta memoria descriptiva. Los dibujos que se acompañan ilustran formas de realización de la invención y sirven junto con la descripción para explicar los principios de la invención.

En las figuras:

La figura 1 ilustra una vista de la sección transversal de una sección de un motor de turbina de gas con el material desgastable por abrasión de acuerdo con la invención.

La figura 2 muestra la superficie de una punta de hoja con un revestimiento abrasivo de nitruro de boro cúbico protector aplicado a su superficie.

La figura 3 ilustra una instalación de ensayo para verificar el material cerámico desgastable por abrasión de acuerdo con una forma de realización de la invención.

La figura 4 ilustra una matriz de ensayo típica o "mapa de desgaste" utilizado para evaluar la actuación de desgaste por abrasión de cerámica desgastable por abrasión contra cBN.

La figura 5 ilustra una comparación de la composición de material cerámico desgastable por abrasión bonificada con alúmina de acuerdo con una forma de realización de la invención en comparación con los materiales convencionales.

La figura 6 proporciona un gráfico comparativo de la resistencia al desgaste y a la erosión de las palas para materiales de sellado seleccionados desgastables por abrasión.

La figura 7 muestra un diagrama de flujo de un método para formar un polvo para revestimientos desgastables por abrasión de acuerdo con una forma de realización de la invención.

Descripción detallada de la invención

A continuación se hará referencia en detalle a las formas de realización preferidas de la presente invención, cuyos ejemplos se ilustran en los dibujos que se acompañan.

La figura 1 ilustra una vista de la sección transversal de un motor de turbina de gas. La figura 1 muestra una pala 120 que está fijada a una raíz de pala 130 y a un disco 140. El disco 140 es accionado para impartir movimiento de rotación a la pala 120. la pala 120 tiene también una punta abrasiva 170 que puede estar fabricada de un material abrasivo, tal como nitruro de boro cúbico (cBN) incrustado en una matriz de aleación resistente a la fluencia. La figura 1 muestra también el segmento de carcasa 110 o carenado que actúa para cubrir o alojar todo el motor de turbina de gas. Un (material de) sellado abrasivo 150 está previsto entre la punta abrasiva 170 de la pala 120 y el segmento de carcasa 110. El (material de) sellado 150 desgastable por abrasión de acuerdo con la invención incluye circonio estabilizado con itrio que está bonificado con 0,5 a 1% en peso de alúmina. El zirconio estabilizado con itrio para uso en formas de realización de la presente invención puede estar generalmente en el intervalo de aproximadamente 6 a 9% en peso de Y_{2}O_{3}, resto ZrO_{2}. Los resultados de ensayos y las descripciones siguientes se refieren a una forma de realización que utiliza circonio estabilizado con itrio que tiene aproximadamente de 8% en peso de Y_{2}O_{3},
resto ZrO_{2}.

En funcionamiento, el movimiento giratorio es impartido por el disco 140 a la pala 120. La pala funciona a velocidades de rotación muy altas y a una temperatura ambiental alta. Con el fin de incrementar al máximo la eficiencia y actuación, las tolerancias entre la placa 120 y el segmento de carcasa 110 son muy pequeñas y precisas. La rotación de la pala 120 provoca que la punta abrasiva 170 entre en contacto repetido con el sellado desgastable por abrasión 150. La punta abrasiva 170 es capaz de cortar el sellado 150 desgastable por abrasión, que previene el daño de la pala 120 o del segmento de carcasa 110. El sellado 150 desgastable por erosión de acuerdo con la invención es resistente también a la erosión, que puede ser causada por partículas sólidas pequeñas y caudales de flujo de gas altos.

La figura 2 muestra la superficie de una punta de pala 35 convencional que tiene un revestimiento abrasivo de nitruro de boro cúbico 25 protector convencional aplicado a su superficie. El material de revestimiento abrasivo 25 puede ser, por ejemplo, un material de cBN disponible en el comercio. La punta de la pala 35 y el revestimiento abrasivo 25 mostrado en la figura 2 han sido sometidos a ensayo de incursión contra material de cerámica bonificado con alúmina desgastable por abrasión de acuerdo formas de realización de la presente invención. Se muestra que tanto la punta de la pala 35 como también el revestimiento 25 no tienen ningún daño debido a contacto con un revestimiento de carenado fabricado de material de cerámica desgastable por abrasión de acuerdo con una forma de realización de la invención.

La figura 3 ilustra una estación de ensayo 300 para ensayar el material cerámico desgastable por abrasión de acuerdo con una forma de realización de la invención. En general, la estación de ensayo 300 incluye un rotor 310, una etapa de muestra móvil 320 y un dispositivo calefactor 330. Como se muestra en la figura 3, el disco de rotor 310 está cubierto por una carcasa de aislamiento 315 que permite la re-circulación de gases calientes producidos por combustión de llama del dispositivo calefactor 330. Está prevista una hoja o cuchilla 318 que se mantiene en un entorno caliente aislante para cada ciclo de rotación. El material de cerámica 360 desgastable por erosión se puede calentar hasta temperaturas de 1200ºC y se puede someter a ensayo de incursión contra la cuchilla 318 a velocidades de la punta de hasta 410 m/s y a tasas de incursión que varían entre 2 y 2000 micras por segundo. La estación de ensayo reproduce las condiciones de un motor de turbina de gas y se puede analizar el desgaste en el material 360 desgastable por abrasión.

La figura 4 ilustra una matriz de ensayo típica o "mapa de desgaste" utilizado para ensayo de incursión del material desgastable por abrasión en diferentes velocidades de la punta de la pala y diferentes tasas de incursión de acuerdo con la invención. Las condiciones de ensayo ilustradas en el mapa de desgaste proporcionan una visión general de las condiciones nominales de incursión de la punta de la pala, que se pueden encontrar típicamente en una turbina de aire o turbina de potencia.

La figura 5 proporciona una comparación descriptiva del material desgastable por abrasión de acuerdo con formas de realización de la invención (designado "bonificado con Al_{2}O_{3}" en la figura 5 en comparación con materiales de cerámica convencionales desgastables por abrasión (materiales disponibles en el comercio a partir de Sulzer Metco, SM 2460 y XPT 395). Como se ha descrito anteriormente, el material desgastable por abrasión de acuerdo con la invención proporciona resistencia superior a la erosión, que se describe más adelante con relación a la figura 6.

La figura 6 proporciona un grafo comparativo de la resistencia al desgaste y erosión de la hoja a partir de ensayos en sellados del carenado con materiales cerámicos convencionales desgastables por abrasión (SM 2460 y XPT 395) y con materiales de acuerdo con una forma de realización de la invención (designado con "bonificado con Al_{2}O_{3}" en la figura). Se sometieron a ensayo revestimientos de carenados de cada material de acuerdo con los procedimientos descritos anteriormente con respecto a la figura 3 y se muestran gráficamente en la figura 6. En general, los datos muestran que el uso de material de acuerdo con formas de realización de la invención conduce a mejores de cuatro a cinco veces mayores en la resistencia de los revestimientos a erosión por partículas sólidas, utilizando un ensayo de erosión estándar, sin comprometer la capacidad de abrasión. La capacidad de abrasión de cada revestimiento se representa por la cantidad de desgaste experimentado por la pala después de un ensayo de incursión. El desgaste de la pala se mide como un porcentaje de la distancia total de incursión experimentada por la punta de la pala durante el ensayo. Para los tres revestimientos desgastables por abrasión mostrados en la figura 6, el porcentaje de desgaste de la pala o bien es ligeramente positivo, donde el material ha sido retirado de la punta de la pala, o negativo, donde ha sido transferido material cerámico desgastable por abrasión hasta la punta de la pala durante el proceso de corte, haciéndolo "crecer" de esta manera. En términos de resistencia a la erosión, un número de erosión GE mayor que 1.0 seg./mil es indicativo de resistencia a la erosión aceptable para un motor. Los dos materiales XPT 395 y SM 2460 estándar desgastables por abrasión muestran valores de erosión GE de 1,2 a 0,7 seg./mil, respectivamente. El material desgastable por abrasión bonificado con alúmina tiene una resistencia a la erosión considerablemente mejor a 6,3 seg./mil, combinado con su capacidad de abrasión comparable, proporciona un producto de rendimiento mejorado comparado con los dos materiales desgastables por abrasión estándar.

Generalmente, el material de acuerdo con formas de realización de la presente invención se puede suministrar en una pluralidad de formas convencionales, tales como en forma de polvo parcialmente estabilizado, como un polvo aglomerado de los constituyentes individuales, una suspensión de polvo parcialmente estabilizado, o una solución química. Con referencia a la figura 7, se proporciona un método de formación de un polvo para revestimientos desgastables por abrasión. Generalmente, la composición desgastable por abrasión de acuerdo con la invención se puede fabricar por un proceso de liofilización convencional, en la etapa 705 se mezclan itrio, circonio y alúmina de acuerdo con los porcentajes en peso descritos anteriormente. En la etapa 710, estos materiales se pueden mezclar en un depósito de mezcla, agua y desespumantes. La mezcla resultan se te puede bombear en un depósito y se puede alimentar a través de una tobera creando gotitas. En la etapa 715, las gotitas son pulverizadas en un entorno a alta temperatura, que extrae el agua, dejando partículas micronizadas que se aglomeran para formar polvo liofilizado de acuerdo con la invención. En la etapa 720, el polvo desgastable por abrasión puede ser sometido entonces a un proceso de esferodización adicional (HOSP), en el que se alimentan las partículas a través de un plasma de alto rendimiento, que funde el material para producir partículas esféricas cerámicas huecas que son una solución sólida de los constituyentes precursores del polvo.

Antes de la aplicación del material desgastable por abrasión, las partículas de HOSP se pueden tamizar, en la etapa 725, y mezclar junto con una fase de generación de porosidad (por ejemplo, poliéster) y luego se pueden depositar sobre el segmento de sellado del carenado utilizando el proceso de pulverización térmica de plasma. El material desgastable por abrasión resultante se puede aplicar utilizando pulverización térmica, en composiciones similares a las descritas en la solicitud de patente relacionada U.S. Nº 6.887.530 y 5.530.050. En una forma de realización, los polvos mezclados pueden tener un componente de zirconio estabilizado con itrio, bonificado con alúmina y un componente de plástico revestido con cerámica. El componente de plástico revestido de cerámica se produce mediante trituración por atrición de partículas finas con partículas de núcleo de plástico, provocando que las partículas finas cerámicas se liguen a la superficie del núcleo de plástico sin utilizar un aglutinante. En otra forma de realización, un componente de circonio estabilizado con otro bonificado con alúmina se puede combinar con un lubricante sólido y se utiliza una aleación de metal de formación de matriz para formar un sellado de tres fases desgastable por abrasión. Algunos materiales cerámicos desgastables por abrasión disponibles en el comercio emplean también el uso de una fase "dislocadora" de nitruro de boro hexagonal para contribuir a la eliminación de partículas durante la incursión de la punta de la pala en la microestructura de revestimiento, por ejemplo, XPT 395. También se pueden utilizar técnicas similares en aspectos de la presente invención.

Claims

1. Un material de sellado cerámico desgastable por abrasión para aplicaciones de sellado de turbinas, que consta de zirconio (ZrO_{2}) estabilizado con itrio (Y_{2}O_{3}), que tiene de 6 a 9% en peso de itrio, caracterizado porque el material de sellado está bonificado con 0,5 a 1% en peso de alúmina (Al_{2}O_{3}).

2. El material de sellado cerámico desgastable por abrasión de la figura 1, en el que el material incluye 8% en peso de itrio.

3. Utilización del material cerámico de la reivindicación 1 ó 2 para control de la holgura entre puntas de palas de turbina y un carenado en un motor de turbina de gas.

4. Un sistema de turbina de gas, que comprende:

al menos una pala de turbina;

una punta abrasiva sobre una superficie superior de al menos una pala de turbina;

un carenado que aloja al menos una pala de turbina; y

un sellado desgastable por abrasión depositado entre al menos una pala de turbina y el carenado, caracterizado porque el sellado desgastable por abrasión incluye zirconio estabilizado con itrio, que está bonificado con 0,5 a 1% en peso de alúmina, y el zirconio estabilizado con itrio comprende de 6 a 9% en peso, en particular 8% en peso de itrio.

5. Un método de formación de un polvo para uso en un proceso de pulverización térmica para producir revestimientos desgastables por abrasión, comprendiendo el método:

proporcionar un material de base que consta de zirconio, itrio y alúmina, mezclar el material de base con un aglutinante, agua y desespumantes para formar una mezcla, y

liofilizar la mezcla para formar un polvo liofilizado de partículas micronizadas, caracterizado porque el material de base comprende de 6 a 9% en peso de itrio y de 0,5 a 1% en peso de alúmina.

6. El método de la reivindicación 6, en el que el material de base está en una forma de polvo parcialmente estabilizado, o en la forma de polvo aglomerado de los constituyentes individuales, o en la forma de una suspensión de polvo parcialmente estabilizado, o en forma de una solución química.

7. El método de la reivindicación 6 ó 7, que compren de, además, la etapa de exponer el polvo liofilizado a un proceso de esferodización de plasma para producir partículas esféricas cerámicas huecas.

8. El método de la reivindicación 8, que comprende, además, la etapa de mezclar las partículas esféricas cerámicas huecas con una fase generadora de porosidad.

9. Utilización del polvo producido de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 a 9 para aplicar un sellado desgastable por abrasión sobre un carenado de un sistema de turbina de gas utilizando un proceso de pulverización térmica de plasma.