ES2861198T3 - Capa protectora contra las altas temperaturas para aleaciones de aluminuro de titanio - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento para el recubrimiento de un componente fabricado con una aleación de TiAl destinado a mejorar la resistencia a las altas temperaturas del componente, caracterizado porque sobre el componente se dispone una aleación de capa protectora libre de Pt y de Cr que contiene Al del 57 al 65 % at., Nb del 3 al 6 % at., Mo del 0,2 al 2 % at. B del 0,05 al 0,2 % at. W del 0 al 3 % at. Si del 0 al 0,5 % at. C del 0 al 0,6 % at. Zr del 0 al 6 % at. Y del 0 al 0,5 % at. Hf del 0 al 0,3 % at. Er del 0 al 0,5 % at. Gd del 0 al 0,5 % at. del 0 al 0,3 % at. del 0 al 0,5 % at. del 0 al 0,5 % at. . y el resto de titanio por deposición física de vapor a una temperatura inferior o igual a 600 °C, donde la aleación de la capa de protección presenta un contenido mayor de Al que la aleación de TiAl del componente.

Description

DESCRIPCIÓN
Capa protectora contra las altas temperaturas para aleaciones de aluminuro de titanio
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento para producir una capa protectora contra las altas temperaturas y, particularmente, una capa protectora frente a la oxidación para una aleación de TiAl, así como a un componente de una aleación de TiAl con una capa protectora correspondiente, en particular un componente para una turbomáquina, como una turbina de gas o un motor de avión.
Estado de la técnica
Los aluminuros de titanio y sus aleaciones son materiales interesantes para distintos componentes en la construcción aeroespacial y de motores o en la industria química, debido a las fases intermetálicas presentes en estos materiales, como a2-Ti3Al y Y-TiAl, que les confieren una alta resistencia con un peso bajo específico. No obstante, su uso a temperaturas por encima de 700 °C hasta 750 °C está limitado por una resistencia insuficiente a los gases calientes y a la oxidación a altas temperaturas de los materiales de TiAl, aunque con un contenido alto en aluminio se podría esperar la formación de una capa de óxido de aluminio de crecimiento lento y, por tanto, protectora. En consecuencia, se conocen intentos del estado de la técnica para mejorar la resistencia a la corrosión de gases calientes y a la oxidación, con el fin de permitir temperaturas de funcionamiento más altas.
Para ello, a modo de ejemplo, en el documento WO 03/071002 A1 se sugiere disponer una capa de aluminio en la superficie de un componente de un material de TiAl y, a continuación, someterla a un tratamiento térmico, de modo que el aluminio se oxida y se enriquece en el material de TiAl situado debajo mediante difusión. Si bien con ello se puede conseguir una protección frente a la oxidación a altas temperaturas mediante la formación en la superficie de una capa de óxido de aluminio gruesa y de crecimiento lento, mediante la difusión del aluminio en la zona periférica del material de TiAl del componente se puede llegar a un deterioro de la resistencia del material base, por ejemplo, con la formación de fases intermetálicas quebradizas y con alto contenido en aluminio.
En el documento DE4435321A1 se propone un recubrimiento modificado con niobio con una proporción de Nb entre el 8 y el 21 % at. para un material base de TiAl.
En la solicitud de patente europea EP 2071 046 A2 también se plantea una capa protectora a las altas temperaturas de TiAl a base de platino, mientras que en el documento de Estados Unidos US 5837 387 A se propone una capa protectora a las altas temperaturas de TiAl que contiene cromo. Sin embargo, en ambos recubrimientos basados en aleaciones de TiAl se presenta también el problema de que las altas proporciones de platino y cromo pueden producir transformaciones de fase en la zona periférica del material base de TiAl del componente que se debe proteger.
En consecuencia, se necesita también una capa protectora contra las altas temperaturas que permita equipar a los componentes basados en una aleación de TiAl con una capa protectora contra las altas temperaturas para zonas de funcionamiento por encima de los 700° Celsius, que evite particularmente una oxidación rápida del material base de TiAl y la difusión de oxígeno en la zona periférica del material base.
Descripción de la invención
Objeto de la invención
Por ello, el objeto de la presente invención es proponer una capa protectora contra las altas temperaturas y, en particular, una capa protectora frente a la oxidación para componentes fabricados con aleaciones de TiAl, que permiten aumentar la temperatura de funcionamiento de los materiales de TiAl sin perjudicar sus características mecánicas. Además, el recubrimiento debe ser fácil de fabricar y fiable en su aplicación.
Solución técnica
Este objeto se consigue mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 1, así como con un componente con la característica de la reivindicación 10. Las configuraciones ventajosas se tratan en las reivindicaciones dependientes.
La invención propone aportar una aleación de capa protectora con un contenido de aluminio mayor que el de la aleación del material base en un componente fabricado de una aleación de TiAl como capa protectora contra las altas temperaturas, donde se prescinde del uso de determinados constituyentes, como el platino, el cromo o incluso el níquel, con el fin de evitar una influencia desfavorable del material base con las transformaciones de fase correspondientes. La aleación de la capa protectora se forma mediante una aleación de TiAl que presenta del 57 al 65 % at. de aluminio, del 3 al 6 % at. de niobio, del 0,2 al 2 % at. de molibdeno y del 0,05 al 0,2 % at. de boro, así como el resto de titanio, y puede contener otros constituyentes de la aleación, en particular wolframio, carbono, circón, itrio, hafnio, erbio, gadolinio o silicio. Por tanto, la aleación de la capa protectora presenta la siguiente composición:
Al del 57 al 65 % at.,
Nb del 3 al 6 % at.,
Mo del 0,2 al 2 % at.
B del 0,05 al 0,2 % at
W del 0 al 3 % at.
Si del 0 al 0,5 % at.
C del 0 al 0,6 % at.
Zr del 0 al 6 % at.
Y del 0 al 0,5 % at.
Hf del 0 al 0,3 % at.
Er del 0 al 0,5 % at.
Gd del 0 al 0,5 % at.
y el resto de titanio.
Por la alta proporción de aluminio de la aleación de TiAl, que se aplica como recubrimiento, se puede garantizar que se forma una capa protectora de óxido de aluminio de crecimiento lento en la superficie.
La adición de silicio, erbio y/o gadolinio puede dificultar la difusión de oxígeno en el material, de modo que la difusión observada de oxígeno en las actuales aleaciones de TiAl puede disminuir o evitarse a temperaturas por encima de los 700° Celsius, por lo que de manera independiente y en interacción con las fases con alto contenido en aluminio y resistentes al ataque del oxígeno, se puede reducir o evitar la desestabilización estructural por ataque del oxígeno en las zonas periféricas del componente.
Además, de acuerdo con la invención está previsto que se deposite el recubrimiento mediante deposición física de vapor (PVD o physical vapour deposition) a una temperatura menor o igual a 600° Celsius, de modo que no puede producirse ningún cambio desfavorable del material base como consecuencia de la carga térmica durante el proceso de recubrimiento. De esta manera, se obtiene una capa protectora eficaz frente a las altas temperaturas y al mismo tiempo se mantienen las características mecánicas del componente o de la estructura del material base.
La deposición del recubrimiento puede producirse por pulverización catódica y, en particular, por pulverización de magnetrón. El objetivo, atomizado por pulverización catódica y formado por la aleación de la capa protectora que se debe depositar en el componente, se puede fabricar por pulvimetalurgia y presentar una estructura de grano fino. Debido a su estructura de grano fino, se consiguen tasas de deposición uniformes y una distribución homogénea de los elementos de la aleación en el recubrimiento. El material del objetivo puede presentar una composición ligeramente diferente a la de la aleación de la capa protectora, posiblemente con el fin de compensar las pérdidas de componentes de aleación producidas durante el proceso de recubrimiento, de modo que la composición del recubrimiento depositado coincida con la de la aleación deseada de la capa protectora.
La aleación de la capa protectora puede depositarse sobre el componente de TiAl con un espesor de la capa de 5 a 100 |_im, en particular de 15 a 50 |_im, para poder evitar de forma fiable una difusión de oxígeno al material base.
Por «aleación de TiAl» en lo sucesivo se entiende una aleación cuyos constituyentes principales son el titanio y el aluminio, de modo que la proporción de aluminio y titanio en porcentaje atómico o porcentaje en peso es mayor que la proporción correspondiente de cada uno de los otros componentes de la aleación. En este caso, la proporción de aluminio en porcentaje atómico o en porcentaje en peso puede ser mayor que la proporción de titanio, a pesar de que parezca que la denominación «TiAl» indica lo contrario. Además, por «aleación de TiAl» se entiende una aleación formada principalmente por fases intermetálicas con constituyentes de titanio y/o de aluminio. Por «fases intermetálicas» se deben entender las fases del sistema de TiAl que presentan una alta proporción de fuerzas de enlace covalente dentro del enlace metálico y que, por tanto, disponen de una alta resistencia, en particular una resistencia a las altas temperaturas.
El componente sobre el que se aplica el recubrimiento y que está compuesto por una aleación de TiAl con una proporción de Al menor a la del recubrimiento puede estar formado por una aleación de TiAl que contenga al menos el 30 % at. de titanio y al menos el 30 % at. de aluminio. Los demás constituyentes de la aleación pueden variar dentro de un rango amplio y comprender todas las aleaciones de TiAl técnicamente aplicables.
En particular, la aleación de TiAl del componente o del material base puede ser una aleación de TiAl a base de la fase intermetálica de Y-TiAl, que se alea con niobio y molibdeno o boro y, por tanto, puede denominarse aleación TNM o TNB. Dichas aleaciones presentan titanio como constituyente principal, así como aproximadamente del 40 al 45 % at. de aluminio, cerca del 5 % at. de niobio y, por ejemplo, el 1 % at. de molibdeno, además de una proporción mínima de boro. La estructura se caracteriza por una proporción alta de Y-TiAl y también por proporciones significativas de a2-Ti3Al, aunque pueden estar presentes en menor proporción fases adicionales, como la fase p o la fase B19.
Tras depositar el recubrimiento, se puede llevar a cabo un tratamiento térmico para disponer la estructura de la manera deseada en la capa protectora contra las altas temperaturas.
En un componente con una capa protectora contra las altas temperaturas depositada de forma adecuada y fabricada a partir de una aleación de TiAl con mayor contenido de aluminio que la aleación de TiAl del material base, se puede conseguir que no se produzca ningún cambio o solo cambios mínimos en la formación de la estructura de la zona periférica del material base, al prescindir de constituyentes como platino o cromo. La aleación de TiAl con alto contenido en aluminio y dispuesta sobre el componente fabricado con un material de TiAl puede presentar una composición a través de la cual se consigue especialmente que la proporción de la fase de Y-TiAl sea superior o igual al 75 % vol., en particular superior o igual al 90 % vol. de la estructura de la capa protectora contra las altas temperaturas. En particular, con la aleación de TiAl preferentemente utilizada que se ha descrito con anterioridad, se puede depositar un recubrimiento que presenta una matriz de Y-TiAl, la cual cuenta con una estructura globular autónoma. La proporción de Y-TiAl puede ser superior o igual al 90 % vol. de la estructura. En la matriz de Y-TiAl pueden estar previstas varias fases distintas, como por ejemplo la fase a o fases intermetálicas con alto contenido en aluminio, como AhTi y A^Ti. Asimismo, se pueden formar óxidos, carburos y/o siliciuros. En particular, las proporciones de circón e itrio del material de recubrimiento pueden formar óxidos de circón y de itrio en el recubrimiento mediante el tratamiento térmico posterior al proceso de recubrimiento.
Para evitar la penetración del oxígeno en el material base del componente, el recubrimiento se hace lo más grueso posible, y puede presentar una porosidad inferior o igual al 1 % vol. y, en particular, inferior o igual al 0,5 % vol.
Gracias a la formación gruesa del recubrimiento con alto contenido de aluminio, se puede evitar que el oxígeno penetre en el material base, y el ataque de oxidación se puede limitar mediante una capa de óxido de aluminio de crecimiento lento que se forma cuando se usa a altas temperaturas. Además, dado que, con la excepción de los elementos de aleación especificados, se prescinde de constituyentes adicionales de aleación en la aleación de TiAl para el recubrimiento y/o se limita la proporción de los elementos de la aleación, se puede evitar que se produzcan transformaciones estructurales en la zona periférica del material base del componente que se va a recubrir y que perjudiquen a las características mecánicas.
Ejemplo de modalidad
Sobre un componente de una turbomáquina fabricado con una aleación de TiAl, como se especifica anteriormente con ejemplos, se deposita un recubrimiento con una composición del 61 % at. de aluminio, del 4 % at. de niobio, del 1 % at. de molibdeno, del 0,2 % at. de silicio, del 0,3 % at. de carbono, del 0,1 % at. de itrio y del 0,1 % at. de boro, y el resto de Ti, por pulverización catódica a una temperatura inferior a 600° Celsius con un grosor entre 15 y 50 micras.
Cuando se mantiene a 900° Celsius durante 1000 horas, se forma una capa superior de óxido de aluminio gruesa y firmemente adherida, de modo que el aumento de la masa es inferior o igual a 2 mg por cm2. En el área límite entre la capa protectora contra las altas temperaturas y el material base no se observa ninguna transformación de fases ni/o la formación de fases quebradizas.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento para el recubrimiento de un componente fabricado con una aleación de TiAl destinado a mejorar la resistencia a las altas temperaturas del componente,
caracterizado porque
sobre el componente se dispone una aleación de capa protectora libre de Pt y de Cr que contiene
Al del 57 al 65 % at.,
Nb del 3 al 6 % at.,
Mo del 0,2 al 2 % at.
B del 0,05 al 0,2 % at.
W del 0 al 3 % at.
Si del 0 al 0,5 % at.
C del 0 al 0,6 % at.
Zr del 0 al 6 % at.
Y del 0 al 0,5 % at.
Hf del 0 al 0,3 % at.
Er del 0 al 0,5 % at.
Gd del 0 al 0,5 % at.
y el resto de titanio por deposición física de vapor a una temperatura inferior o igual a 600 °C, donde la aleación de la capa de protección presenta un contenido mayor de Al que la aleación de TiAl del componente.
2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque
la deposición física de vapor tiene lugar por pulverización catódica, de modo que particularmente el objetivo se fabrica por pulvimetalurgia para la pulverización catódica.
3. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque
la aleación de TiAl se aplica sobre el componente con un grosor de capa de 10 a 100 |_im, en particular de 15 a 50 |_im.
4. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque
el componente sobre el que se aplica el recubrimiento está formado por una aleación de TiAl que contiene al menos el 30 % at. de titanio y al menos el 30 % at. de aluminio.
5. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque
tras depositar la capa protectora contra las altas temperaturas se realiza un tratamiento térmico para ajustar su estructura.
6. Un componente, en particular para una turbomáquina, que presenta un material base de una aleación de TiAl y al menos un recubrimiento protector frente a la oxidación dispuesto en parte en la superficie del componente, de modo que el revestimiento está fabricado con una aleación libre de Pt y Cr, contiene
Al del 57 al 65 % at.,
Nb del 3 al 6 % at.,
Mo del 0,2 al 2 % at.
B del 0,05 al 0,2 % at.
W del 0 al 3 % at.
Si del 0 al 0,5 % at.
C del 0 al 0,6 % at.
Zr del 0 al 6 % at.
Y del 0 al 0,5 % at.
Hf del 0 al 0,3 % at.
Er del 0 al 0,5 % at.
Gd del 0 al 0,5 % at.
y el resto de titanio, está dispuesto preferentemente con un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores y presenta un contenido en Al superior al de la aleación de TiAl del componente.
7. El componente de acuerdo con la reivindicación 6,
caracterizado porque
la proporción de la fase de Y-TiAl en el recubrimiento asciende al 75 % vol. o más de la estructura, en particular al 90 % vol.
8. Componente de acuerdo con la reivindicación 6 o 7,
caracterizado porque
en el recubrimiento está presente una matriz Y-TiAl que contiene una estructura autónoma, de red o globular.
9. El componente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8,
caracterizado porque
los precipitados en el recubrimiento comprenden ZrO2 y/o Y2O3.
10. El componente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9,
caracterizado porque
el recubrimiento presenta una porosidad inferior o igual al 1 % vol., en particular inferior o igual al 0,5 % vol.
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