ES2313599T3 - Material ceramico desgastable por abrasion bonificado con alumina. - Google Patents
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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.
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.
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.
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}.
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 (9)
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.
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