ES2355859T3 - Método para fabricación de recubrimientos de barrera térmica. - Google Patents

Método para fabricación de recubrimientos de barrera térmica. Download PDF

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ES2355859T3 ES07820675T ES07820675T ES2355859T3 ES 2355859 T3 ES2355859 T3 ES 2355859T3 ES 07820675 T ES07820675 T ES 07820675T ES 07820675 T ES07820675 T ES 07820675T ES 2355859 T3 ES2355859 T3 ES 2355859T3
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Andrea Scrivani
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Abstract

Procedimiento para realizar revestimientos gruesos de barrera térmica (11), para utilizar en componentes de turbinas de gas (5) y, principalmente, en pantallas térmicas, cámaras de combustión o paneles de revestimiento de paredes de turbinas, siendo dicho revestimiento de barrera térmica (11) el resultado del depósito sucesivo de varios números de capas (13, 15) que se unen entre sí para constituir el revestimiento (11), obteniéndose el revestimiento (11) mediante un procedimiento de proyección térmica, caracterizado porque comprende las etapas de disponer por lo menos tres capas de revestimiento (13), depositándose cada una de dichas capas con un ángulo distinto (γ, ß, α) de una pistola de proyección (33); definiéndose dichos ángulos (γ, ß, α) con respecto a la superficie a pulverizar y revestir comprendiendo entre 30° y 150° con respecto a la tangente de la superficie (3) del componente (5) a revestir; presentando la estructura de dichas capas de revestimiento (13) una porosidad variable con poros finos distribuidos uniformemente en el cuerpo del revestimiento obtenido.

Description

La presente invención se refiere al desarrollo de un revestimiento grueso de TBC, para su aplicación en los componentes de turbinas de gas, principalmente en pantallas térmicas, cámaras de combustión y paneles de revestimiento de paredes de turbinas, y al procedimiento para realizar el mismo.
Sin embargo, no se requiere en este caso únicamente protección para dicha aplicación de tales, sino para cualquier aplicación de depósito de TBC, tal como por ejemplo en la industria del automóvil (motores de combustión).
La presente invención se refiere a los revestimientos. habitualmente de material cerámico, depositados en una capa depositada previamente utilizada como revestimiento de unión, obteniéndose dichas capas mediante procedimientos de proyección térmica, tales como:
 Proyección de plasma en el aire
 Proyección de plasma al vacío
 Combustible de oxígeno utrarrápido
Al disminuir la temperatura de funcionamiento de los componentes recubiertos de este modo, dichos revestimientos mejoran la resistencia a la corrosión y a la oxidación térmica de los componentes, tales como turbinas de gas y motores aeronáuticos.
La patente US 5.897.921 da a conocer un procedimiento para realizar revestimientos gruesos de barrera térmica según el preámbulo de la reivindicación 1.
Los depósitos mencionados anteriormente pueden ser, por ejemplo, revestimientos de un material metálico obtenido a partir de una aleación de M-CrAlY (en la que M significa Ni, Co, Fe o una combinación de los mismos) y a continuación óxido de circonio estabilizado parcialmente con itrio (YPSZ).
El proceso o procedimiento de depósito de revestimientos de barrera térmica (TBC) divide los revestimientos cerámicos según su espesor: los TBC delgados se definen como los revestimientos de un espesor comprendido entre 200 y 800 μm, mientras que los TBC gruesos son revestimientos cerámicos de un espesor superior a 1 mm, generalmente en comprendido entre 1,2 y 3 mm.
En particular, la presente invención se refiere al procedimiento particular para depositar revestimientos gruesos, es decir, al manejo / giro de la pistola con respecto a la superficie en la que se ha de depositar el revestimiento, para obtener una microestructura de revestimiento mejorada en comparación con las disponibles en la actualidad.
La presente invención se aplica tanto a los revestimientos gruesos como delgados.
Además, la estructura obtenida de este modo mejora la resistencia del revestimiento ante la fatiga de las oscilaciones térmicas (TFC) y, por lo tanto, aumenta el rendimiento de los componentes recubiertos de este modo (bajas temperaturas de funcionamiento y mayor vida útil del componente).
El principio de las tecnologías de proyección térmica consiste en suministrar energía al material a depositar hasta que se derrite y transfiere la misma al sustrato a revestir. La energía se puede suministrar al material a depositar a partir de diversas fuentes: la energía procedente de la combustión entre oxígeno y un combustible, tanto en forma de gas (propano, acetileno, hidrógeno) o en forma líquida (queroseno) o procedente de la recombinación de iones en un plasma.
Las tecnologías de proyección térmica comprenden:
 Proyección con llama por combustión,
 Proyección con llama por arco,
 Proyección de plasma,
 HVOF (combustible de oxígeno utrarrápido).
El revestimiento se obtiene a partir del depósito sucesivo de una pluralidad de capas que se unen entre sí para formar el revestimiento (pasadas).
Una variable importante que influye en la estructura del recubrimiento obtenido de este modo y, por consiguiente en su rendimiento, es la inclinación de la pistola de proyección con respecto a la superficie a revestir.
La presente invención proporciona una combinación de inclinaciones sucesivas para las diversas pasadas que permiten obtener a una estructura ideal del revestimiento: una porosidad fina con poros pequeños distribuidos uniformemente sobre la estructura del revestimiento.
Los objetivos y ventajas anteriores se alcanzan mediante el procedimiento para la realización de revestimientos de barrera térmica según la presente invención, que se caracteriza como se expone en las reivindicaciones adjuntas.
Estas y otras características se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la siguiente descripción de algunas formas de realización, que se presentan a título de ejemplo y sin limitación en los dibujos adjuntos, en los que:
-
La figura 1 representa un componente a revestir según el procedimiento actual, en particular una pieza de una cámara de combustión.
-
La figura 2 representa la estructura de una barrera térmica.
-
La figura 3 es una microfotografía de ejemplo de la barrera térmica obtenida mediante el procedimiento actual, demostrando que la porosidad es variable.
-
La figura 4 es una vista esquemática del sistema de depósito por proyección térmica de la capa, que muestra el cambio de ángulo de incidencia de la pistola con respecto a la superficie a revestir.
Haciendo referencia en particular a la figura 1, la referencia numérica 5 indica un componente a revestir mediante el TBC tal como se ha descrito anteriormente; el componente 5 puede formar parte de una turbina de gas o aeronáutica.
En este caso, la superficie 3 es la que se ha de revestir mediante el TBC grueso.
Haciendo referencia en particular a la figura 2, se representa un sistema de revestimiento de barrera térmica 11, según las especificaciones de la presente invención, cuya barrera 11 se dispone sobre la superficie 3 del componente 5.
El sistema de revestimiento de barrera térmica (TBC) 11 presenta un sustrato 15 que actúa como un aglutinante y/o una pluralidad de otras capas indicadas para otras finalidades posibles, tales como: resistencia a la corrosión, adherencia, barrera de difusión.
El sustrato 15 se deposita preferentemente en la superficie 3 del componente 5 mediante un procedimiento convencional muy conocido.
A continuación, la capa 15 se deposita en dicho substrato 15 para actuar como barrera térmica, utilizando el procedimiento tal como se describirá a continuación.
Haciendo referencia en particular a la figura 3, se representa una microestructura posible del TBC grueso 13, obtenida mediante el procedimiento de revestimiento de la presente invención.
Dicha microestructura presenta poros 23 de tamaños distintos en función de las tecnologías del depósito y los parámetros utilizados.
Dichas porosidades se caracterizan por una disposición muy homogénea, tal como garantiza el sistema de depósito de la presente invención.
Se representa la dispersión de los poros 21 y 23, cuyo número varía en función de la energía suministrada durante el depósito. Por lo tanto, la estructura presenta una porosidad variable con poros finos distribuidos uniformemente en el cuerpo del revestimiento obtenido mediante el procedimiento de la presente invención.
Se pueden observar asimismo las áreas de mayor cohesión cerámica 21.
Haciendo referencia en particular a la figura 4, se representa una vista esquemática de una de las combinaciones del procedimiento para depositar el revestimiento 13, que se realiza mediante pasadas sucesivas con distintos ángulos de incidencia de la pistola 33.
Durante las pruebas, un componente cilíndrico a revestir se giró sobre su propio eje y la pistola se desplazó por una trayectoria rectilínea a lo largo de una línea recta paralela al eje de rotación del componente a revestir. La inclinación de la pistola con respecto a una superficie ideal tangente a la que se va a revestir se puede describir del siguiente modo: la pistola 33 realiza una primera etapa de depósito con un cierto ángulo α con respecto a la superficie 3 a revestir; a continuación, la pistola 33 se gira hasta una posición tal que forme un segundo ángulo de incidencia de β, distinto a α, para realizar otra etapa de depósito sobre el revestimiento que se acaba de disponer con un ángulo de inclinación α; por último, la pistola 33 se dispone / gira para formar un tercer ángulo de incidencia τ y se realiza una etapa adicional de depósito.
En las pruebas se utilizaron los ángulos siguientes τ, β y α
-primer pasada a 45 ° ± 15°, [τ]
-segunda pasada a 90 ° ± 15°, [β]
-tercera pasada a 135 ° ± 15°, [α]
Dicho ciclo de 3 pasadas con tres inclinaciones se puede repetir varias veces hasta alcanzar el espesor pretendido.
Mientras que el ejemplo se refiere a un ciclo de 3 pasadas con 3 inclinaciones, se puede proporcionar un ciclo distinto.
Una pasada con una inclinación constante se puede repetir n veces, lo que significa que el ciclo puede comprender:
-
n pasadas en el ángulo de inclinación α
-
n pasadas en el ángulo de inclinación β
-
n pasadas en el ángulo de inclinación τ
Se han probado ciclos como estos.
El ciclo anterior se puede repetir el número pretendido de veces.
La sucesión de diversos pasos con distintas inclinaciones proporciona una microestructura de revestimiento compuesta por poros finos distribuidos uniformemente en la estructura del revestimiento.
El número de poros aumenta con la energía utilizada durante el depósito.
El ámbito de aplicación de la presente invención comprende tanto el componente mecánico 1 (tal como la turbina de gas o aeronáutica) con revestimientos TBC gruesos (habitualmente con unos espesores comprendidos entre 0,8 y 3 mm) de material cerámico, tales como el óxido de itrio estabilizado con óxido de circonio, obtenido mediante un procedimiento de proyección térmica, depositado en la superficie del revestimiento de unión del componente, como el procedimiento para realizarlo, en los que se obtiene el revestimiento térmico 13 con tres o más distintas inclinaciones de la pistola de depósito 22, con unos ángulos diferentes y bien definidos con respecto a la superficie a pulverizar.
Dichos ángulos τ, β y α son preferentemente del siguiente modo:
-
En una primera pasada 45° ± 15°, [τ]
-
En una segunda pasada 90° ± 15°, [β]
-
En una tercera pasada 135° ± 15°, [α]
Sin embargo, puede cambiar el orden en que la pistola 33 se inclina para formar los diversos ángulos de incidencia τ, β y α para depositar el revestimiento en cada ciclo y se pueden proporcionar combinaciones distintas a las anteriores.
Aunque se ha hecho referencia en particular en la presente memoria a tres ángulos de la incidencia precisos, el presente procedimiento permite que el cabezal 33 funcione con ángulos comprendidos entre 30° y 150° con respecto a la tangente de la superficie 3 a revestir.
En el ciclo de revestimiento anterior, la pistola 33 se inclina por lo menos con tres ángulos distintos, realizando la etapa de depósito con cada uno de los mismos, realizándose un cierto número requerido de pasadas cada ángulo.
El ámbito de aplicación de la presente invención comprende obviamente todos los revestimientos obtenidos mediante el procedimiento anterior, para cualquier sustrato y componente (no necesariamente una pieza de una turbina de gas o de un motor aeronáutico) revestido con el TBC.
El revestimiento 13 puede estar compuesto de óxido de circonio, posiblemente estabilizada con otros materiales (por ejemplo, óxidos de cerio, de disprosio, de iterbio, de calcio o de magnesio) u otros materiales cerámicos (alúmina, óxido de titanio, espinelas, perovskita, etc.)
El alcance de la presente invención comprende el propio revestimiento, obtenido utilizando el procedimiento descrito en la presente memoria.
La presente invención tal como se ha describo en la presente memoria proporciona una contribución esencial a la resistencia a la fatiga de las oscilaciones térmicas de los revestimientos TBC, en particular gracias a la estructura del revestimiento.
En la práctica industrial ordinaria, cuanto mayor sea la porosidad, mayor será la resistencia a la fatiga de las oscilaciones térmicas. Gracias a la presente invención, la resistencia a la fatiga de las 5 oscilaciones térmicas se obtiene independientemente de la porosidad (entre el 11% y el 28% en las
pruebas).
Mediante la presente invención, se obtuvieron cuatro niveles distintos de porosidad utilizando la misma estructura con poros finos distribuidos uniformemente en el cuerpo de revestimiento.
Dichas estructuras se encuentran asimismo dentro del ámbito de aplicación de la presente 10 invención, ya que se obtienen mediante el mismo procedimiento.
Por último, se ha de indicar que el procedimiento de depósito anterior se aplica al depósito de barreras térmicas y de materiales cerámicos en general, independientemente de los parámetros utilizados para suministrar energía suficiente al polvo para que se derrita dicho polvo.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para realizar revestimientos gruesos de barrera térmica (11), para utilizar en componentes de turbinas de gas (5) y, principalmente, en pantallas térmicas, cámaras de combustión o paneles de revestimiento de paredes de turbinas, siendo dicho revestimiento de
    5 barrera térmica (11) el resultado del depósito sucesivo de varios números de capas (13, 15) que se unen entre sí para constituir el revestimiento (11), obteniéndose el revestimiento (11) mediante un procedimiento de proyección térmica, caracterizado porque comprende las etapas de disponer por lo menos tres capas de revestimiento (13), depositándose cada una de dichas capas con un ángulo distinto (τ, β, α) de una pistola de proyección (33); definiéndose dichos ángulos (τ, β, α) con
    10 respecto a la superficie a pulverizar y revestir comprendiendo entre 30° y 150° con respecto a la tangente de la superficie (3) del componente (5) a revestir; presentando la estructura de dichas capas de revestimiento (13) una porosidad variable con poros finos distribuidos uniformemente en el cuerpo del revestimiento obtenido.
  2. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos ángulos (τ, β y α) son
    15 preferentemente de 45° ± 15°, 90° ± 15° y 135° ± 15°; el orden en que la pistola (33) se inclina para formar dichos ángulos (τ, β y α) de incidencia puede cambiar según cualquier combinación.
  3. 3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la pistola (33) realiza una o más pasadas de revestimiento por cada uno de dichos por lo menos tres ángulos.
  4. 4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se puede repetir un número 20 arbitrario de veces.
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