ITPR20130041A1 - Processo per prolungare la durata di rivestimenti mcraly di parti metalliche di turbine a gas - Google Patents
Processo per prolungare la durata di rivestimenti mcraly di parti metalliche di turbine a gasInfo
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Description
DESCRIZIONE
TITOLO: PROCESSO PER PROLUNGARE LA DURATA DI RIVESTIMENTI MCRALY DI PARTI METALLICHE DI TURBINE A GAS
STATO DELL’ARTE
Le turbine a gas possono raggiungere una maggiore efficienza termodinamica se la temperatura di esercizio viene aumentata.
Tuttavia, al conseguente aumento della temperatura di esercizio si richiede l’impiego di leghe, costituenti la turbina aventi non solo eccellente resistenza alle alte temperature, ma anche una buona resistenza alla corrosione e all'ossidazione.
Superleghe a base di nichel sono comunemente usate in combinazione con un sistema di rivestimento per soddisfare i suddetti requisiti.
Rivestimenti MCrAIY [dove M = Nichel (Ni) e/o Cobalto (Co)] sono ampiamente utilizzati su pale di turbine e palette per la protezione contro l'ossidazione e la corrosione e come rivestimenti di barriera termica del tipo TBC. Questi materiali sono progettati in modo da sviluppare scale di ossido protettivo durante il servizio ad alta temperatura (ossido cresciuto termicamente, TGO), pertanto, la durata del rivestimento protettivo in MCrAIY dipende dalla disponibilità di alluminio e cromo che formano tali ossidi di protezione in corrispondenza della superficie esterna.
Nei sistemi MCrAIY, la microstruttura consiste generalmente di fasi β (NiAl) e γ (soluzione solida Ni), anche se fasi γ'(Ni3Al) e Ï (Cr, Co) hanno inoltre dimostrato di esistere.
Vari droganti (ad esempio elementi reattivi, cioà ̈ Y ecc ...) sono regolarmente aggiunti a questo tipo di rivestimento per migliorare il comportamento all’ossidazione del sistema.
Rivestimenti di sovrapposizione possono essere depositati con una varietà di metodi, compreso fascio elettronico deposizione di vapore fisico (EB-PVD), spruzzo a bassa pressione del plasma (LPPS), carburante ossigeno ad alta velocità (HVOF) e plasma spray aria (APS) spruzzo termico.
PLASMA SPRAY BASSA PRESSIONE (LPPS)
In un sistema al plasma di tipo convenzionale, la spruzzatura viene effettuata in aria a pressione atmosferica (Air plasma sprayed coating, APS coating): le proprietà di tali depositi sono spesso insoddisfacenti a causa delle strutture porose e cambiamento chimico dei materiali spruzzati per ossidazione.
Per superare gli inconvenienti della spruzzatura convenzionale al plasma, un metodo di spruzzatura al plasma a bassa pressione (LPPS) Ã ̈ stato sviluppato.
Per alcune applicazioni à ̈ competitivo con il metodo a fascio elettronico con deposizione di vapore fisico (EB-PVD) per la produzione di rivestimenti metallici (MCrAIY) di alta qualità a causa della flessibilità compositiva accordata e gli elevati tassi di rivestimento realizzati attraverso il trasferimento di goccia fuso.
Rivestimenti LPPS recano:
• Assenza di densità pori,
• Assenza di ossido libero con elevata purezza,
• con un elevato potere adesivo.
ALTA VELOCITA 'OSSIGENO FUEL/ (HVOF) processo di deposizione
Nel processo HVOF, combustibile e ossigeno vengono introdotti nella camera di combustione insieme con la polvere nebulizzata. La combustione dei gas produce alta temperatura e alta pressione nella camera, che provoca il flusso supersonico dei gas attraverso l'ugello. Le particelle di polvere fondono o parzialmente sciolgono in camera di combustione e durante il tragitto attraverso l'ugello. La temperatura della fiamma varia nell'intervallo da 2500 ° C - 3200 ° C, a seconda del combustibile, del rapporto gas / ossigeno carburante e della pressione del gas.
Nel processo HVOF le particelle fondono completamente o solo parzialmente, a seconda della temperatura di fiamma, del tempo di sosta particella, del punto di fusione materiale e conducibilità termica. Su una superficie di almeno 200°C, le goccioline ad elevata temperatura della polvere spruzzo solidificano e formano un rivestimento solido. L'ossidazione si verifica sempre nel processo HVOF di leghe e metalli.
Rivestimenti HVOF sono tipicamente caratterizzati da alta densità e contenuto di ossido interno.
DEGRADO E DURATA DEI RIVESTIMENTI MCRALY
La durata di un rivestimento MCrAIY dipende dalla disponibilità di alluminio e cromo che forma e mantiene lenta le crescita di ossido di protezione presso la superficie esterna.
Il processo di ossidazione richiede che alcuni atomi di Al nel rivestimento diffondano alla superficie e ossidino.
Questo processo porta alla deplezione (la fuga) continua di Al dal rivestimento, e continuando, si forma pseudo-interfaccia sul lato superiore del rivestimento. Questa interfaccia, come mostrato schematicamente in figura 2, separa la regione bifasica contenente fasi (β γ) nel rivestimento da una regione composto unicamente di γ-fase. Questa interfaccia segna l'esaurimento di alluminio dal rivestimento che risulta dalla manutenzione del AHO3 strato di ossido protettivo. Questo pseudo-interfaccia si sposta verso l'interno nel rivestimento quanto l’Al à ̈ diminuito.
A causa della elevata temperatura di esercizio, il rivestimento interagisce in aggiunta con la superlega di base: avviene così la diffusione di vari elementi tra il rivestimento e la base in lega.
Siccome l’Al à ̈ in concentrazioni più elevate nel rivestimento, normalmente diffonde dal rivestimento verso la superlega.
Questo porta ad un'ulteriore riduzione di Al dal rivestimento.
Analoghe pseudo-interfaccia si formano sul lato inferiore del rivestimento in prossimità del substrato superlega.
Questa interfaccia si sposta dalla parte inferiore del rivestimento verso la sua superficie. Ciò segna l'esaurimento di Al dall’interdiffusione tra il rivestimento e la superlega.
Interdiffusione con la superlega causa una significativa riduzione della durata del rivestimento.
Diverse superleghe sperimentano diversi tassi di interdiffusione dei rivestimenti. In alcuni casi la velocità di esaurimento con la superlega à ̈ significativamente più veloce della deplezione di Al dall'ossidazione, ed à ̈ il fattore limitante la vita per il rivestimento. Un minimo di 3wt% Al in un legame con Cromo maggiore del 10% in peso à ̈ preferibile in modo da fornire una rigenerazione dell’allumina.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
L'invenzione viene successivamente spiegata in maggior dettaglio con riferimento a forme di realizzazione esemplari nella congiunzione con i disegni, in cui:
- La Figura 1 mostra la restante zona β-fase di NiCoCrAIYRe su IN738 (LPPS I HVOF) in funzione del tempo a 1000 ° C - La Figura 2 mostra il restante zona β-fase di CoNiCrAIY su IN738 (LPPS I HVOF) in funzione del tempo a 1000 ° C
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE
L'invenzione riguarda il metodo per la protezione di parti metalliche di turbine a gas da ossidazione e corrosione a temperatura elevata e in modo da prolungare la durata del rivestimento MCrAlY a seguito dell’utilizzazione di LPPS e HVOF.
Il metodo depone un doppio strato di qualsiasi MCrAlY sulla superficie di detta parte metallica da proteggere.
La lettera "M" indica Fe o Ni o Co
Il metodo rivendica un doppio strato di MCrAlY cui:
- il primo strato di MCrAlY viene depositato con tecnologia (LPPS) a bassa pressione Plasma Spray, o (VPS) Vacuum Plasma Spray o (EB-PVD) a fascio di elettroni - Physical Vapor Deposition, e - il secondo strato viene applicato mediante qualsiasi tecnica combustibile ossigeno (HVOF) alta velocità .
Inoltre, in questa invenzione il metallo delle parti metalliche sono in superlega a base di Ni o Co o alto acciaio legato ad alta temperatura. Tali parti metalliche sono parte della sezione calda di una turbina a pale delle turbine, palette di turbine, parti di combustione.
Nella descrizione il termine "IN-738" si riferisce ad un vuoto pressofuso, induriti per precipitazione, lega di nichel-base con elevata resistenza alla temperatura e allo scorrimento, con resistenza alla corrosion del calore superiore a quella di molte superleghe ad alta resistenza del tenore di cromo inferiore.
Esso riguarda l'industria delle turbine a gas con una fusione di lega avente una buona resistenza allo scorrimento fino a 1700 -1800 °F combinata con la capacità di sopportare l'esposizione a lungo tempo agli ambienti corrosivi caldi verificano in turbine a gas.
Il procedimento rivendicato à ̈ applicato sulla superficie di rivestimento esterna parti turbina.
La MCrAlY Ã ̈ di una composizione di un "MCrAlY-famiglia" di:
FeCrAlY,
NiCrAlY,
CoCrAlY,
NiCoCrAlY,
CoNiCrAlY
Il MCrAlY può avere elementi aggiuntivi come Si o elementi refrattari (RE) come Re, Hf, Nb, Ta, Zr, Mo, W.
Il MCrAlY ha una più bassa deplezione in β-fase per ossidazione, di quella con deposito HVOF o con deposito LPPS.
Il primo strato di rivestimento mediante LPPS e del secondo strato, HVOF hanno ciascuno metà dello spessore del rivestimento totale.
Lo spessore totale del rivestimento à ̈ nell'intervallo di 100Î1⁄4m -1000Î1⁄4m.
Il doppio strato depositato à ̈ applicato come mano di rivestimento per una Barriera termica di ricoprimento (TBC) e detta TBC può essere stabilizzata ZrO2 come YSZ (Yttria stabilizzato Zirconia), MgO stabilizzato Zirconia, o delle TBC strutturati pirocloro come Gd2Zr2O7 La2Zr2O7, La2Hf2O7 , Mullites, perovskiti, spinelli, Ossidi come HfO2, CeO2 o ossidi misti come ossidi di Nd-Zr, bassa conducibilità TBC con Yb e Nd, Gd, e Sm.
La TBC Ã ̈ depositata mediante APS, EB-PVD, SPS (Sospensione Plasma Spray), SPPS (Precursore Soluzione Plasma Spray) MO-CVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition).
Varie combinazioni MCrAIY-superleghe - ossidati lungo tempo a 1000°C - ha portato alle conclusioni seguenti:
Tutte le combinazioni MCrAIY-superlega analizzati mostrano una forte dipendenza della quantità di deplezione β-fase - dall'ossidazione e da interdiffusione - sul processo di deposizione di rivestimento, LPPS o HVOF. Ulteriormente composizioni chimiche di entrambi, rivestimento e lega, hanno una grande influenza sulla deplezione β-fase.
La deplezione β-fase MCrAIY dipende dal processo di deposizione, dalla composizione chimica del MCrAIY e della superlega a temperatura fissa.
Le LPPS depositato MCrAIY hanno meno perdita di Al da interdiffusione con superleghe quello HVOF depositato rivestimenti.
LPPS tipici e HVOF campione con uno spessore complessivo di un rivestimento NiCoCrAIYRe di circa 300 micron sono stati analizzati dopo un periodo di ossidazione fino a 5000 ore a 1000 ° C. Durante le prove di ossidazione, l'Al diffusa verso l'esterno del rivestimento di superficie NiCoCrAIYRe forma lo strato di TGO e nel substrato secondo leggi di diffusione solidi, promuovendo rispettiva β-fase di formazione esterna e interna zona di svuotamento.
Lo spessore zona di svuotamento aumenta all'aumentare del periodo di ossidazione aumenta. Dopo 5000 ore, l'esaurimento β-fase del rivestimento NiCoCrAIYRe à ̈ molto dipendente dal processo di deposizione di rivestimento: entrambe le zone esaurimento β-fase - ossidazione e diffusione - dei LPPS spruzzati NiCoCrAIYRe sono significativamente (~ 35%) inferiori a quelli di la HVOF spruzzato rivestimento.
La differenza di LPPS/HVOF β-fase di esaurimento del rivestimento NiCoCrAIYRe per diffusione dopo 5000 ore a 1000°C à ̈ il seguente:
LPPS = 55Î1⁄4m esaurimento HVOF = 90Î1⁄4m esaurimento
La deplezione β-fase del rivestimento CoNiCrAIY accoppiato con IN738 à ̈ anche molto dipendente dal processo di deposizione di rivestimento: la deplezione β-fase per diffusione delle LPPS CoNiCrAIY rivestimento spruzzato à ̈ ancora significativamente inferiore a quella del rivestimento spruzzato HVOF. Dopo 3000 ore a 1000 ° C i svuotamenti sono:
LPPS = 25 micron esaurimento HVOF = 65 micron esaurimento La deplezione β-fase del rivestimento CoNiCrAIY accoppiato con Hastelloy ® X à ̈ simile dipendente. Dopo 3000 ore a 1000 ° C i svuotamenti sono:
LPPS = 145Î1⁄4m deplezione HVOF = 170 micron deplezione
La deplezione β-fase di un MCrAIY per ossidazione non può essere previsto per il processo di deposizione:
- NiCoCrAIYRe che à ̈ noto per essere un buon rivestimento resistente all'ossidazione ha - rispetto CoNiCrAIY - una deplezione β-fase bassa provocato dall'ossidazione e questo impoverimento à ̈ ridotto se depositato da LPPS.
- CoNiCrAIY, noto come rivestimento meno resistente all'ossidazione di un NiCoCrAIY, ha una elevata deplezione β-fase per ossidazione rispetto al NiCoCrAIYRe e questo impoverimento aumenterà persino se depositato da LPPS:
Dopo 3000 ore di ossidazione a 1000 ° C i svuotamenti di CoNiCrAIY-IN738 coppie sono:
LPPS = 100Î1⁄4m deplezione HVOF = 50 micron deplezione
L’esaurimento β-fase per ossidazione dopo 3000 ore a 1000 ° C di CoNiCrAIY-Hastelloy ® X coppia:
LPPS = 150Î1⁄4m deplezione HVOF = 50 micron deplezione
Le altre zone β-fase dei NiCoCrAIYRe-IN738 come combinazione in funzione del tempo e del processo di deposizione si dimostra essere una linea retta per ogni processo di deposizione che finalmente può essere utilizzato per stimare la durata del rivestimento in condizioni di ossidazione statiche in atmosfera di aria per rivestimenti depositati HVOF o LPPS (Fig. 1).
L'estrapolazione può essere utilizzato per stimare la durata del rivestimento in condizioni di ossidazione statica in atmosfera di aria per depositati rivestimenti HVOF o LPPS: a 1000°C uno spessore di 300Î1⁄4m di rivestimento NiCoCrAIYRe (spruzzato LPPS ) avranno una vita rivestimento di circa 23.000 ore, mentre un rivestimento HVOF spruzzato dello stesso spessore durerà solo 14.000 ore (61%).
Le altre zone β-fase di una combinazione CoNiCrAIY - IN738 in funzione del tempo e di processo di deposizione può essere dimostrato di essere una linea retta troppo per ciascun processo di deposizione che finalmente può anche essere utilizzato per stimare la durata del rivestimento in condizioni statiche ossidazione in atmosfera di aria per HVOF o LPPS depositati rivestimenti (Fig.2)
Come per le LPPS depositati rivestimento di NiCoCrAIYRe la interdiffusione di CoNiCrAIY in IN738 à ̈ meno con LPPS rispetto depositati presso il HVOF ma la perdita di alluminio per ossidazione à ̈ più alto con i LPPS depositati CoNiCrAlY.
A causa di questa compensazione la rimanente β-fase à ̈ quasi dello stesso ordine di grandezza in entrambi i rivestimenti; LPPS o HVOF depositate (Fig.2).
Estrapolando, la linea deplezione una vita rivestimento di circa 7500 ore a 1000 ° C può essere previsto.
Conclusione:
Il metodo si applica per un doppio strato di:
a) primo strato depositato per LPPS e
b) secondo strato applicato tramite HVOF
combina i vantaggi di entrambe le tecniche: il minor esaurimento βfase del deposito LPPS rispetto a quello HVOF causato dalla diffusione la minor deplezione β-fase del deposito HVOF rispetto a LPPS causati dall'ossidazione.
Estrapolando la linea di esaurimento di questa combinazione porta quindi ad una vita del rivestimento di circa 13000 ore.
Questo à ̈ quasi raddoppiato rispetto alla durata di uno spessore di 300 micron di rivestimento CoNiCrAIY IN738 a 1000 ° C con un doppio strato (prima LPPS - 2 ° HVOF) rispetto ad uno spessore di solo LPPS o solo un rivestimento HVOF.
E’ importante utilizzare LPPS come primo strato.
Poi differenziare per strato successivo
-> Con basso ittrio <0,4% (come Sicoat2464) stare con LPPS
-> Con ittrio> 0,4% (come AMDRY 995) HVOF utilizzare come secondo strato.
Claims (13)
- RIVENDICAZIONI 1. Processo per prolungare la durata di rivestimenti MCrAlY, rivestimenti di parti metalliche di turbine a gas, dove M à ̈ Fe o Ni o Co, caratterizzato dal fatto che prevede di deporre un doppio strato di rivestimento MCrAlY sulla superficie metallica da proteggere dall'ossidazione e corrosione a temperatura elevata e caratterizzato dal fatto che il primo strato di MCrAlY rivestimento viene depositato con metodo LPPS, deposizione a bassa pressione al plasma spray, e il secondo strato à ̈ applicator con un processo HVOF ovvero di deposizione ad alta velocità di ossigeno combustibile.
- 2. Il processo della rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che al posto del metodo LPPS il primo strato di MCrAlY rivestimento à ̈ depositato con metodo VPS (Vacuum Plasma Spray) o EB - PVD (Electron Beam - Physical Vapor Deposition).
- 3. Il processo della rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il metallo delle parti metalliche di una a base di Ni o Co - superlega a base o un alto acciaio legato ad alta temperatura.
- 4. Il processo della rivendicazione 1 in cui le parti metalliche sono parti della sezione calda di una turbina a pale delle turbine, palette di turbine, parti di combustione.
- 5. Il processo della rivendicazione 2 in cui la superficie esterna delle parti della turbina sono rivestite
- 6. Il processo della rivendicazione 1 in cui l'MCrAlY Ã ̈ di una composizione di una famigli MCrAlY quale FeCrAlY, NiCrAlY, CoCrAlY, NiCoCrAlY, CoNiCrAlY.
- 7. Il processo della rivendicazione 6 in cui il MCrAlY può avere elementi aggiuntivi come elementi di Si o refrattario (RE) come Re, Hf, Nb, Ta, Zr, Mo, W,
- 8. Il processo della rivendicazione 6 in cui il MCrAlY ha una deplezione β-fase inferiore a quella ottenibile con deposito HVOF o con il deposito LPPS
- 9. Il processo della rivendicazione 1 in cui il primo strato di rivestimento mediante LPPS e del secondo strato, HVOF hanno ciascuna metà dello spessore del rivestimento totale.
- 10. Il procedimento della rivendicazione 9, in cui lo spessore totale del rivestimento à ̈ nell'intervallo di 100 pm - 1000 micron
- 11. Il processo della rivendicazione 1 in cui detto depositato doppio strato viene applicato come strato di legame con metodo di ricoprimento a barrier termica (TBC).
- 12. Il processo della rivendicazione 11 in cui il TBC può essere stabilizzato ZrO2 come YSZ (stabilizzato con ittrio zirconia), MgO zirconio stabilizzato, o delle TBC strutturati pyrochlore come Gd2Zr2 La2Zr2O7, La2Hf2O7, Mullites, perovskiti , Spinelli, ossidi come HfO2, CeO2 o ossidi misti come ossidi di Nd-Zr, bassa conducibilità TBC con Yb e Nd, Gd, andSm
- 13. Il processo della rivendicazione 1 e 2, in cui il TBC Ã ̈ depositato da APS, EB-PVD, SPS (Sospensione Plasma Spray), SPPS (Precursor Soluzione Plasma Spray) MO-CVD (Metallo-Organic Chemical Vapor Deposition)
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