REVESTIMIENTO DE BARRERA TÉRMICA DE MÚLTIPLES CAPAS
CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a revestimientos cerámicos que son útiles tanto como barreras térmicas y como abrasivos. La invención también se refiere a artículos que tienen revestimientos abrasivos y de barrera térmica y a métodos para producir estos revestimientos. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los revestimientos de barrera térmica (TBCs) se utilizan para reducir el flujo de energía térmica a través del revestimiento entre su ¡nterfase con el ambiente externo y el substrato en el cual se aplica el revestimiento. El componente primario de la mayoría de los revestimientos de barrera térmica es una cerámica debido a la baja conductividad térmica de muchos materiales cerámicos. Los sistemas de revestimiento de barrera térmica usualmente incluyen subrevestimientos metálicos para aumentar la intensidad de unión del revestimiento al substrato, proporcionar protección contra corrosión para el substrato, y mejorar la resistencia a la fatiga térmica y choque térmico del revestimiento. Los revestimientos de barrera térmica tienen muchos usos, incluyendo un número de aplicaciones en motores de turbina de gas. Los motores de turbina de gas modernos para aeronaves, embarcaciones, o propulsión a base del terreno o para generación de energía eléctrica se empujan continuamente a temperaturas de operación de gas más altas para incrementar la eficacia total. Algunas turbinas de gas operan a tales altas temperaturas de gas que los componentes metálicos directamente calentados tales como cámaras de combustión , álabes, y paletas tendrían una vida muy corta , si no les proporciona un revestimiento de barrera térmica cerámico, protector. Existen muchas variaciones de los revestimientos de barrera térmica, en base a los materiales seleccionados para el revestimiento y los procesos de revestimiento. Cuando se utiliza en componentes de turbina de gas, un revestimiento de unión metálico se aplica usualmente al substrato metálico (componente), y sobre el revestimiento de unión se aplica una capa cerámica, usualmente en base al óxido de zirconio (zirconia). Zirconia tiene una conductividad muy baja en comparación con las aleaciones metálicas y muchas otras cerámicas. La capa de zirconia del revestimiento es usualmente preferentemente delgada , es decir de 1 0 mils (0.25 mm) en las álabes y paletas, hasta 80 mils (2 mm) en las cámaras de combustión. Todavía el revestimiento puede reducir la temperatura del substrato por 100 a más de 200 grados Fahrenheit (56 a más de 1 1 1 grados Celsius), dependiendo de las condiciones límite laterales de calor y frío. El revestimiento de unión usualmente sirve al menos a tres propósitos. Mejora la fuerza de unión, protege al substrato de la oxidación u otras formas de corrosión , y proporciona resistencia mejorada al choque térmico y fatiga térmica. Existen muchas composiciones de revestimiento de unión incluyendo aleaciones de Ni-AI (incluyendo los intermetálicos de Ni-AI), aleaciones de Ni-Cr, aleaciones de MCrAI (donde M es Fe, Ni, Co o una combinación de los mismos y la aleación puede también contener Y, Hf, Si, Pt y otros elementos activos), aluminidas de difusión, aluminidas de platino, u otras aluminidas modificadas. Existen un número de métodos para aplicar estos revestimientos de unión dependiendo de su composición incluyendo: rocío térmico (rocío de plasma de aire, rocío de plasma a baja presión o vacío, oxicombustible de alta velocidad , etc. , ), deposición de vapor física (PVD), electrolaminación , y difusión. Los revestimientos de unión usualmente varían en espesor de 3 a 1 0 mils (0.08 a 0.25 mm). Cuando se depositan por técnicas de rocío térmico, usualmente es necesario tratar por calor el revestimiento de unión a una alta temperatura para eliminar o cerrar ia porosidad inherente en el revestimiento mediante sinterización . Este tratamiento por calor puede hacerse ya sea antes o después de que el revestimiento cerámico se aplique sobre el revestimiento de unión. El revestimiento cerámico se basa usualmente en zirconia, que puede estabilizarse completa o parcialmente con itrio, óxidos de tierra rara, magnesia, hafnio, y otros óxidos. El revestimiento cerámico puede depositarse por rocío térmico (principalmente rocío de plasma), deposición de vapor física de haz de electrón (EBPVD), otro PVD, sol gel , u otras técnicas. La microestructura de la cerámica afecta fuertemente sus propiedades termomecánicas y térmicas. La microestructura de un revestimiento de barrera térmica EBPVD típicamente tiene una estructura columnar para reducir el módulo elástico en el plano del revestimiento e incrementar la resistencia a fatiga térmica y choque térmico del revestimiento. La microestructura más común para un revestimiento de barrera térmica cerámica de rocío térmico es simplemente una con un alto nivel de porosidad. Un alto nivel de porosidad puede lograrse por la selección apropiada de ios parámetros de deposición o al incorporar un material fugitivo tal como un poliéster en el revestimiento durante deposición. El material fugitivo se descompone subsecuentemente dejando poros y creando porosidad adicional en el revestimiento. Una variedad de mediciones de conductividad térmica se han llevado a cabo, tal como pruebas de difusión térmica por impulso láser con mediciones de densidad y calor específicas para caracterizar las propiedades térmicas de los sistemas de revestimiento. Además de esto, se han desarrollado los equipos de prueba de choque térmico gradiente e isotérmico. Generalmente se encuentra que un revestimiento cerámico uniforme, tal como uno que tiene estructura y densidad constante por todo su espesor, tiene una limitación de espesor para buen desempeño del choque térmico. Por ejemplo, zirconia estabilizada por itrio simple, aplicada por métodos de rocío de plasma a una densidad de aproximadamente 85 por ciento en teoría (15 por ciento de porosidad real) puede pasar más pruebas de ciclo térmico hasta aproximadamente 20 mils (0.5 mm) de espesor cerámico. Sin embargo a mayor espesor, puede ocurrir fragmentación, dependiendo de la severidad de la prueba de choque térmico. En un motor de turbina de gas existen álabes y sellos de aire (gas) en la sección de compresión de la turbina de gas, cuyo propósito es incrementar la presión y la temperatura del aire por múltiples etapas de álabe y suministrar aire de alta presión caliente a la cámara de combustión. En la sección de cámara de combustión, el combustible se inyecta y la mezcla de combustible-aire se quema para producir productos de combustión gaseosos de presión aún más alta , muy calientes. Los productos de combustión de alta presión , calientes salen de la cámara de combustión y trabajan para girar las álabes en la sección de turbina, donde la energía térmica se convierte así a energía mecánica. Además de operar un motor de turbina de gas a altas temperaturas de gas, existen otros factores que contribuyen a la eficiencia del motor. Uno de estos es la cantidad de aire en la sección de cámara de combustión o gas de combustión en la sección de turbina que fluye sobre las puntas de las álabes o paletas en lugar de fluir sobre las superficies de sustentación de la alabe. La reducción de esta cantidad incrementa la eficiencia de la turbina. Esto se realiza al colocar, radialmente adyacente a las puntas de las álabes giratorias pero ligeramente alejado de las puntas, un anillo de sello de gas exterior o segmentos de un anillo. Estos anillos o segmentos son estacionarios y se fijan para tener un espacio tan pequeño como sea posible entre la superficie del sello de gas y las puntas de la álabe giratoria . Mientras más pequeño sea el espacio, habrá menos derrame del gas de alta presión de una turbina o etapa compresora a la siguiente. Una situación similar existe entre los bordes de cuchillo giratorios y los sellos de gas interiores en las paletas fijas. El espacio entre la superficie del sello de gas y las puntas de la álabe (o los bordes de cuchillo) necesita reducirse para prevenir el derrame de presión de gas entre las etapas. Si el espacio se establece demasiado cerrado, entonces es posible que las puntas de las cuchillas puedan frotar la superficie del sello de gas. Esto puede ocurrir debido a la longitud incrementada de la álabe debido a la expansión térmica o a las fuerzas centrífugas que resultan de la alta velocidad de rotación. Si el espacio se establece demasiado suelto, de manera que jamás ocurriría un frote de punta, la eficiencia del motor se sacrifica. En el caso de un frote, ya sea la punta de la álabe o la superficie del sello de gas o ambas experimentarán desgaste. El desgaste resulta en la pérdida de material de la álabe o sello de aire. La pérdida de material principalmente de la punta de la álabe tiene el efecto de incrementar permanentemente el espacio. La pérdida de desgaste principalmente del sello de gas es más deseable. Los sellos de gas se diseña ligeramente más amplios que el ancho de la álabe de manera que una pista de desgaste en el sello de aire es una ranura tan amplia como el cordón de la punta de la álabe, pero con algún material en los bordes de guía y arrastre del sello de aire sin frotar. Esta ranura proporciona una trayectoria de flujo similar a un laberinto para el gas a alta presión que no resulta en tanta caída de presión de gas que ocurriría si la misma cantidad de desgaste estuviera toda en la punta de la álabe . Por lo tanto se prefiere que el desgaste sea principalmente en las superficies del segmento de sello de gas y se reduzca en las puntas de las álabes. Es posible forzar la mayoría del desgaste al segmento de sello de gas al revestirlo con un revestimiento abrasivo, y revestir la punta de la álabe con un revestimiento resistente a desgaste, o aún un revestimiento de punta abrasivo. Es ventajoso, particularmente en la sección de turbina en donde puede aún ser necesario, que para la abrasión sea también un revestimiento de barrera térmica para proteger el substrato de sello metálico. Esto incrementa la eficiencia del motor al permitir ya sea que temperaturas de operación de gas más altas o al reducir la cantidad del aire de enfriamiento desviado necesario para mantener los segmentos del sello dentro de su rango de temperatura de operación permisible. Muchos atributos pueden tener que satisfacerse simultáneamente mediante un revestimiento en un segmento de sello o anillo incluyendo, como se observa arriba, que puede tener que ser tanto abrasivo como una barrera térmica . La abrasión de un material es una función de un número de factores incluyendo la fuerza mecánica del material, densidad, friabilidad, temperatura de operación , naturaleza de interacción en su superficie de frote, etc. Las pruebas de frote a escala de laboratorio se han desarrollado para ayudar a guiar la elección de material para su abrasión. Los resultados de toda prueba a la fecha han mostrado que la cantidad y distribución de desgaste depende no solamente en el material que proporciona el sello de gas abrasivo, sino que también del material en la punta de frotamiento. Un intento temprano de proporcionar abrasión incrementada combinada con una punta resistente a desgaste se ilustra por Vine et al., en la Pat. de EE.UU. No. 4,936,745. Vine et al., describe incrementar la abrasión de zirconia al incrementar su porosidad . En este caso, el sistema de revestimiento consiste de un revestimiento de unión MCrALY metálico de 5 a 1 0 mils (0.1 3 a 0.25 mm) de espesor y un revestimiento superior de zirconia parcialmente estabilizado por itrio con una porosidad de 20 a 35 por ciento de volumen, 25 a 50 mils (0.6 a 1 .3 mm) de espesor acoplado contra un borde de cuchillo o punta de álabe abrasiva. El espesor efectivo de este revestimiento se limita sin embargo, ya que este planteamiento proporciona muy poco espesor para muchas aplicaciones. Como se observa arriba, el espesor efectivo de la mayoría de las barreras térmicas se limita debido a que su resistencia a choque térmico disminuye a medida que su espesor aumenta . Todavía , los revestimientos cerámicos más gruesos se desean para sellos de gas para satisfacer los requerimientos de aislamiento térmico crecientes, permitir mayor incursión de las puntas de álabe u otro desgaste y tener suficiente material inicialmente presente para permitir que el anillo de sello de gas se triture en la caja a una dimensión final. La última es particularmente importante cuando el anillo de sello de gas se tritura a un diámetro, el origen del cual se desplaza del centro mecánico del anillo. Un planteamiento a un revestimiento de barrera térmica abrasivo de alguna manera más grueso es un metal de múltiples capas y sistema cerámico descrito por Matarese et al. , en Pat. de E . U . No. 4,588,607. Este revestimiento consiste de primero un revestimiento de unión metálico, después una capa metálica/cerámica graduada con un contenido cerámico gradualmente creciente y finalmente una capa exterior cerámica opcional. La producción del revestimiento incluye análisis de tensión complejo y control de muchas variables, principalmente la temperatura del substrato y revestimiento, durante la deposición de rocío térmico del sistema de revestimiento. De esta manera es un proceso inherentemente difícil de controlar y costoso. De manera similar, Bosshart et al., en Pats. de E . U. Nos. 4,481 ,237 y 4,503, 1 30 describen los revestimientos de múltiples capas que contienen un revestimiento de unión metálico, capas intermedias con contenido cerámico creciente, y una capa exterior cerámica. Los revestimientos de múltiples capas intentan controlar la proporción de tensión a fuerza y por lo tanto relajación en el revestimiento por control de la temperatura a medida que cada capa se deposita. De nuevo, es un proceso muy difícil de controlar y por lo tanto costoso. Taylor, en Pat. de E.U. No. 5,073,433 describe un revestimiento de rocío térmico cerámico relativamente denso, generalmente utilizando zirconia estabilizada por itrio. La microestructura de este revestimiento, utiliza segmentación de grieta vertical para aumentar la resistencia a fatiga térmica y choque térmico. Además, este revestimiento tiene poca tensión interna de rango largo y por sí mismo puede revestirse a espesor muy alto y aún ser resistente a choque térmico. El principal impedimento de utilizar este revestimiento como un sello de gas es su alta densidad y, por lo tanto, su abrasión limitada. Otro planteamiento para un revestimiento de barrera térmica abrasivo de alguna manera más grueso es un revestimiento de múltiples capas complejo descrito por Nissley et al., en Pat. de EE.UU. No. 5,705,231. Un revestimiento de unión MCrAIY inicial se sigue con una capa de "fundamento" de zirconia que consiste de una mezcla específica de diferentes composiciones de zirconia. Múltiples capas se depositan entonces en la capa de fundamento. Cada capa tiene una proporción diferente de las composiciones de zirconia. Finalmente, una capa superior de una mezcla más abrasiva de las composiciones de zirconia se deposita. Los parámetros de deposición se eligen para generar grietas de segmentación vertical en todas las capas de zirconia con 4 a 8 grietaras de segmentación por pulgada lineal (1.6 a 3.1 grietas por centímetro lineal). Este revestimiento requiere múltiples mezclas o mezclas de óxidos y se limita en espesor a aproximadamente 50 mils (1 .3 mm) . BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención proporciona un revestimiento cerámico de múltiples capas para aplicar protección de barrera térmica a un substrato. Tiene una capa cerámica interior que reviste el substrato. La capa cerámica interior tiene una pluralidad de macrogrietas distribuidas por toda la capa cerámica interior. Una capa cerámica exterior reviste la capa cerámica interior. La capa cerámica exterior está substancialmente libre de macrogrietas. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una micrográfica de una sección transversal pulida a 1 00x de magnificación de un revestimiento de múltiples capas del ejemplo 1 . Se muestra en la parte inferior una aleación de substrato con un revestimiento de unión HVOF CoNiCrAIY de 5 mil de espesor (0. 13 mm), después 10 mils (0.25 mm) de una zirconia parcialmente estabilizada por itrio en segmentos verticalmente agrietada rociada de plasma , después en la parte superior 40 mils (1 mm) de zirconia parcialmente estabilizada por itrio de baja densidad rociada de plasma (65% en teoría). La figura 2 es una micrográfica de una sección transversal pulida a 50x de magnificación de un revestimiento de múltiples capas del ejemplo 2. Se muestra en la parte inferior una aleación de substrato con un revestimiento de unión HVOF CoNiCrAIY de 5 mil de espesor (0.1 3 mm), después 1 15 mils (2.9 mm) de una zirconia parcialmente estabilizada por itrio en segmentos verticalmente agrietada rociada de plasma, después en la parte superior 40 mils (1 mm) de zirconia parcialmente estabilizada por itrio de baja densidad rociada de plasma (65% en teoría). La figura 3 es una micrográfica de una sección transversal pulida a 1 00x de magnificación de un revestimiento de múltiples capas del ejemplo 3. Es un revestimiento tapado de DOE del ejemplo 3 que pasa exitosamente la prueba de choque térmico sin fragmentación y solamente 8% de fragmentación del borde después de 2000 ciclos a 2550°F ( 399°C). Se muestra en la parte inferior una aleación de substrato con un revestimiento de unión CoNiCrAIY rociada de plasma de 5 mil de espesor (0.1 3 mm), después 36 mils (0.9 mm) de una zirconia parcialmente estabilizada por itrio rociada de plasma con 63 CPI (grietas por pulgada lineal) o 25 grietas por agrietamiento vertical de cm lineal y 34% de tapado en el ancho completo de la muestra). DESCRIPCIÓN DETALLADA Esta invención proporciona revestimientos que son excelentes barreras térmicas, excelentes abrasivos o ambos. Además, esta invención proporciona revestimientos que facilitan la deposición de revestimientos de barrera térmica mucho más gruesos que lo que previamente fue posible; y estos revestimientos más gruesos retienen excelente resistencia a la fatiga térmica y choque térmico no posible con revestimientos de barrera térmica convencionales. Los revestimientos comprenden múltiples capas de materiales cerámicos con diferentes microestructuras que proporcionan el sistema de revestimiento con mucho mayor resistencia al choque térmico. Los materiales cerámicos utilizados en la invención son usualmente óxidos, con más frecuencia en base a zirconia, y de esta manera son capaces de operación a altas temperaturas, tales como aquellos obtenidos en la sección de turbina a alta temperatura de motores de turbina de gas. Los sistemas de revestimiento también pueden encontrar utilidad en la sección de cámara de combustión de motores de turbina de gas y en otras aplicaciones. Como se observa en la sección de Antecedentes anterior, los revestimientos de óxido de baja densidad , particularmente revestimientos de zirconia de baja densidad, son buenas barreras térmicas y pueden tener buena capacidad de abrasión , pero aún con un revestimiento de unión metálico que usualmente no tiene adecuada resistencia a la fatiga térmica y choque térmico, si son más de aproximadamente 20 mils (0.5 mm) de espesor. Los revestimientos más gruesos se requieren para muchas aplicaciones, por ejemplo en motores de turbina de has para proporcionar adecuada protección térmica y para proporcionar adecuado espesor para permitir la trituración inicial para designar tolerancias y permitir la incursión de las puntas de la alabe y otro desgaste. Esto es particularmente verdadero para revestimientos utilizados como barreras térmicas con abrasión en sellos en motores de turbina de gas. Ventajosamente, esta invención incluye un sistema de revestimiento que tiene una capa exterior de óxido de baja densidad, particularmente zirconia de baja densidad, que es una buena barrera térmica con abrasión y que puede ser substancialmente más gruesa que 20 mils (0.5 mm) y aún tener adecuada resistencia a la fatiga térmica y choque térmico. Se ha encontrado que los revestimientos con múltiples capas, en donde una capa interior entre el substrato o revestimiento de unión y la capa exterior de óxido de baja densidad tiene una microestructura de en macrogrietas única, puede producirse con un revestimiento de capa exterior o superior de baja densidad inusualmente grueso y aún retener resistencia adecuada a la fatiga térmica y choque térmico. Esto es más inesperado, ya que normalmente se pensaría que las grietas conducirían a fragmentación de las capas superiores de un revestimiento bajo condiciones de choque térmico o fatiga térmica tales como aquellas experimentadas en motores de turbina de gas. Las macrogrietas, como se definen en la presente, son aquellas grietas visibles en una sección transversal pulida del revestimiento a 100X de magnificación. Ventajosamente, la macrogrietas de la capa cerámica interior son verticales con respecto al substrato. Las macrogrietas verticales son aquellas que son predominantemente perpendiculares o normales al plano de la interfase del revestimiento con el substrato con una longitud que es al menos la menor de 4 mils (0.1 mm) o una mitad del espesor de la capa de revestimiento. Si son al menos la mitad del espesor de la capa de revestimiento, también pueden llamarse grietas de segmentación verticales o de segmentación . Y para los propósitos de esta especificación , las macrogrietas horizontales son aquellos que son predominantemente paralelas al plano de la superficie del substrato y conectan una grieta de segmentación con una grieta de segmentación adyacente. Más ventajosamente, la capa cerámica interior contiene una combinación de macrogrietas verticales y horizontales para incrementar la vida del revestimiento de múltiples capas. La capa cerámica interior del revestimiento de múltiples capas ventajosamente tiene macrogrietas verticales que se extienden al menos lo menos de aproximadamente 0. 1 mm en longitud o una mitad el espesor de la capa cerámica interior. Más ventajosamente estas macrogrietas verticales son grietas de segmentación que se extienden al menos una mitad el espesor de la capa cerámica interior. Además, estas macrogrietas de segmentación verticales ventajosamente tienen una densidad de grieta de aproximadamente 7.5 a 75 macrogrietas verticales por centímetro lineal. Cuando la capa cerámica interior del revestimiento de múltiples capas incluye macrogrietas horizontales, las macrogrietas horizontales totales ventajosamente se extienden desde aproximadamente 1 5 a 1 00 por ciento como se mide de manera acumulativa a través de un plano normal a la interfase del substrato con el revestimiento de múltiples capas. Más ventajosamente, las macrogrietas horizontales totales se extienden desde aproximadamente 20 a 60 por ciento como se mide de manera acumulativa a través de un plano normal a la interfase del substrato con el revestimiento de múltiples capas. El revestimiento de múltiples capas, tal como revestimiento a base de zirconia, más ventajosamente contiene macrogrietas horizontales además de las macrogrietas verticales para formar una estructura similar a un ladrillo con una multitud de grietas horizontales de longitudes que varían de 5 a 1 00 mils (0.1 3 a 2.5 mm) y que se extienden colectivamente de 1 5 a 1 00 por ciento según se mide a través de un plano que se extiende el ancho del revestimiento (referido en la presente como una microestructura tapada). Se ha encontrado que al menos una de las microestructuras con macrogrietas del revestimiento de múltiples capas puede depositarse ventajosamente en una capa gruesa que retiene alta resistencia a la fatiga térmica y choque térmico. Si la capa interna se compone de dos o más subcapas de microestructuras diferencialmente con macrogrietas, después el revestimiento puede tener aún mayor resistencia a la fatiga térmica y choque térmico. Por ejemplo, la capa interior puede incluir una primer capa agrietada y una segunda capa agrietada. Las capas cerámicas interiores adicionales de orientaciones de macrogrieta variadas y densidades pueden proporcionar incrementos crecientes a la vida del revestimiento de múltiples capas. Por ejemplo, el alternado entre las capas cerámicas interiores que contienen solamente macrogrietas verticales y capas que contienen tanto macrogrietas verticales como horizontales pueden incrementar además la vida del revestimiento de múltiples capas. Opcionalmente, las capas cerámicas interior y exterior, tienen una porosidad que aumenta de su superficie interior a su superficie exterior. Esta porosidad incrementada en la superficie exterior reduce la conductividad térmica del revestimiento y puede incrementar su abrasión . Los revestimientos usualmente tienen múltiples capas que comprende lo siguiente: i) un revestimiento de unión metálico opcional; ii) una capa cerámica interior con una o más subcapas; cada una con un patrón de macrogrieta predeterminada; y iii) una capa exterior cerámica contigua sin esencialmente ninguna macrogrieta vertical. La capa cerámica exterior forma un revestimiento continuo o contiguo sobre la capa cerámica interior que contiene macrogrieta . Más ventajosamente, la capa cerámica exterior no contiene macrogrietas verticales.
Las diversas capas de los revestimientos se producen usualmente utilizando uno o más procesos de rocío térmico tal como rocío de plasma, pistola de detonación , oxi-combustible de alta velocidad (HVOF), o aire-combustible de alta velocidad (HVAF). Una o más de las capas también pueden producirse utilizando deposición de vapor química , deposición de vapor física , deposición electrolítica, sol gel, u otras técnicas de deposición. Ventajosamente, un revestimiento de unión metálico, si uno se utiliza , se elige para aumentar la fuerza de unión del revestimiento al substrato, proporcionar protección de corrosión para el substrato, y aumentar las propiedades mecánicas y térmicas del revestimiento, particularmente su resistencia a la fatiga térmica y choque térmico. Cuando el revestimiento se utiliza en la sección de turbina de una turbina de gas, el substrato es usualmente una aleación base de níquel o cobalto y el revestimiento de unión es usualmente un compuesto o aleación de aluminio de níquel, un compuesto o aleación de aluminio de níquel modificado tales como compuestos o aleaciones de aluminio de níquel de platino, o una aleación MCrAIY donde M es Ni, Co, o Fe o combinaciones de los mismos y la aleación puede también contener Pt, Hf, Si y otros elementos. Como se observa arriba, cuando el revestimiento de unión se deposita por rocío térmico, usualmente tiene porosidad interconectada que reduce su habilidad para proteger el substrato de oxidación u otra corrosión. De esta manera, el revestimiento de unión puede tratarse por calor a una temperatura elevada para efectuar la sinterización y sellado o eliminación de porosidad. Los revestimientos de unión más efectivamente sellados se depositan con tan alta una densidad sea posible y la menor cantidad de oxidación durante deposición. Estos revestimientos se depositan usualmente utilizando polvos densos, relativamente finos y parámetros de soplete que asegura la fusión completa del polvo; y, como un resultado, tienden a tener una superficie relativamente lisa. Sin embargo, se ha encontrado en algunos casos, dependiendo de la composición cerámica específica y microestructura, que una superficie áspera en el revestimiento de unión (es decir, mayor que aproximadamente 150 micropulgadas (3.8 µ??) y en algunos casos preferentemente mayor que aproximadamente 300 micropulgadas (7.6 µ??) Ra) aumenta la unión a las capas cerámicas subsecuentemente depositadas. Para estos casos, se ha encontrado que es ventajoso utilizar dos subcapas en la estructura de revestimiento de unión. La primera siendo un revestimiento muy denso que puede sellarse efectivamente mediante tratamiento por calor y la segunda siendo un revestimiento producido con una superficie áspera. La última puede lograrse al utilizarse polvo poroso relativamente grueso y utilizando parámetros de deposición que no funde completamente el polvo. El revestimiento de unión puede tratarse por calor, en una atmósfera inerte o preferentemente un vacío, ya sea después de que todas las subcapas se depositan o después de que las capas cerámicas se depositan. El espesor del revestimiento de unión puede variar dependiendo en su composición y los requerimientos del sistema de revestimiento total. Para los revestimientos de rocío térmico, el espesor del revestimiento de unión es usualmente aproximadamente 3 a 100 mils (0.07 a 2.5 mm) con un rango preferido de aproximadamente 5 a 20 mils (0. 1 3 a 0.5 mm).
Las capas o capa cerámica con macrogrietas son usualmente una cerámica a base de zirconia que se estabiliza ya sea completa o parcialmente con itrio, cerio, otros óxidos de tierra rara, magnesia, u otro óxido para estabilizar al menos una de las fases cristalográficas cúbicas o tetragonales. Sin embargo, la capa cerámica o capas pueden ser otras cerámicas tales como óxidos a base de alúmina, cromia o magnesia. Los revestimientos de óxido o cerámica exteriores de baja densidad tienen una densidad de aproximadamente 45 a 90 por ciento en teoría. Ventajosamente, la densidad del revestimiento exterior es aproximadamente 45 a 90 por ciento en teoría, más ventajosamente 50 a 86 por ciento en teoría, y más ventajosamente la densidad es aproximadamente 50 a 70 por ciento en teoría. La composición preferida de los revestimiento de baja densidad es usualmente zirconia estabilizada que se estabiliza completa o parcialmente con itrio, cerio, otras tierras raras, magnesia u otro óxido. Sin embargo, la cerámica exterior de baja densidad pueden ser otros óxidos tales como alúmina, cromio y magnesio. El uso de estos revestimientos de baja densidad puede ser opcional o innecesario en algunas aplicaciones, por ejemplo, aquellas en las cuales el revestimiento no está sujeto a abrasión o en ubicaciones adyacentes a álabes de alta dureza. En los revestimientos de múltiples capas de materiales a base de zirconia, la conductividad térmica ya es demasiado baja debido a la baja conductividad térmica inherente de óxido de zirconia. Sin embargo, además, se ha descubierto que algunas de las estructuras desarrolladas para este sistema de múltiples capas tienen características que modifican además ia conductividad térmica. Estas incluyen la muy baja densidad y de esta manera alta porosidad de la capa de abrasión superior, las grietas verticales desarrolladas para las microestructuras en segmentos, y las grietas horizontales desarrolladas para las microestructuras tapadas. La conductividad térmica se mide para varias de las capas individuales utilizando el método de fusión térmica instantánea láser. El calor específico se mide por separado y la densidad del revestimiento se determina del método de inmersión de ASTM B-328. A partir de estos valores, la conductividad térmica se calcula utilizando ecuaciones estándar. La conductividad térmica se encuentra que es significativamente diferente. Se ha encontrado ahora que la conductividad térmica de espesor director de los revestimientos de múltiples capas de esta invención pueden seleccionarse y producirse al ajustar el espesor de las capas individuales. Por ejemplo, la capa cerámica interior, tal como una capa de zirconia estabilizada, puede contener una primer capa que tiene una primer conductividad térmica y un primer espesor y una segunda capa que tiene una segunda conductividad térmica y un segundo espesor. Después el control del espesor de las capas, primera y segunda , combina las dos diferentes conductividades térmicas y forma una conductividad total deseada y un espesor total deseado.
Métodos de evaluación v prueba Las técnicas metalográficas estándar se utilizan para examinar y caracterizar las microestructuras de los revestimientos. Las secciones transversales de las muestras de revestimiento se impregnan primero al vacío con una epoxi para conservar la estructura, después incrustarse en montes metalográficos estándar y finalmente se trituran y pulen para exponer un plano transversal a través del revestimiento perpendicular al substrato. Muchos de los revestimientos descritos en la presente incluyen una variedad de grietas; esto es particularmente verdadero de revestimientos de rocío térmico. Algunas de las grietas en los revestimientos de rocío térmico son muy finas y se revelan solamente en las secciones transversales pulidas a altas magnificaciones. Una caracterización cuantitativa de los patrones de macrogrieta observados en la sección transversal pulida de los revestimientos consiste de contar, a una magnificación de 100X, solamente aquellas macrogrietas de segmentación verticales que son más largas que la mitad del espesor de la capa de revestimiento. Conociendo la longitud de la muestra revestida, CPI se calcula y después se convierte a grietas por centímetro. Las macrogrietas horizontales tuvieron una regla de conteo diferente. En muchas áreas del revestimiento, las grietas horizontales conectaron dos grietas de segmentación verticales adyacentes, y en algunos casos en varios niveles entre un par dado de macrogrietas verticales, similares a una estructura de escala. Solamente la longitud de la grieta horizontal más larga en tal patrón se mide. Si una grieta horizontal solamente contacta una grieta vertical no se cuenta . Algunas de las estructuras desarrolladas que tuvieron muchas grietas horizontales y verticales en un revestimiento, de manera que la vista microscópica fue similar a una pared de ladrillo, entonces el valor que representa las grietas se denomina "el por ciento de tapado". El por ciento de tapado se define como la suma de todas las longitudes de grieta horizontal a través de la sección transversal completa pulida (su longitud colectiva), satisfaciendo las reglas anteriores, dividida por la longitud total de la muestra observada . El por ciento de tapado podría variar de cero , donde ninguna grieta vertical se contacta con una grieta horizontal, hasta 100 por ciento en donde las grietas horizontales pasan el ancho completo de la sección transversal pulida , pero no en una línea continua o plano. Una importante característica de los revestimientos relativos a su capacidad de abrasión y choque térmico es su densidad . Las densidades de los revestimientos evaluados en la presente se determinan utilizando el método de inmersión (AST B-328-73). Un valor de 6.05 gm/cm3 se utiliza como la densidad teórica de material voluminoso de zirconia estabilizada por itrio (YSZ) en 7 por ciento en peso completamente denso suponiendo una estructura de cristal tetragonal La densidad teórica (TD) es la densidad del material en un estado libre de poros, completamente compactado. La densidad teórica de YSZ varía ligeramente con la cantidad de itrio y las fases cristalográficas presentes. Una prueba de laboratorio se desarrolla para simular la interacción de las puntas de la álabe y anillos de sello o segmentos en una sección de turbina o cabina de compresión de un motor de turbina de gas. Se utiliza para evaluar la capacidad de abrasión de los revestimientos y la resistencia al desgaste de las puntas de la álabe o revestimientos de la punta de la álabe en varias combinaciones y bajo diversas velocidades de la punta y tasas de incursión (velocidades de alimentación) de la punta de la álabe en el segmento de sello. El aparato de prueba o anillo no tuvo calentamiento auxiliar, pero el calentamiento friccional fue alto en algunos casos. El segmento de sello en esta prueba fue una placa plana aproximadamente de 1 .5 pulgadas de ancho por 1 .5 pulgadas (3.8 x 3.8 cm) de largo y 0.375 pulgadas (0.95 cm) de espesor. El revestimiento de sello se deposita en uno de los lados de 1 .5 por 1 .5 pulgadas (3.8 x 3.8 cm). La álabe fue aproximadamente 0.55 pulgadas (1 .5 cm) de largo con una punta plana y tiene una sección transversal de 0.75 por 0.10 pulgadas (1 .9 x 0.25 cm). La álabe se mantiene en un volante giratorio de manera que la punta de álabe describe un círculo de rotación de 8 pulgadas (20 cm) en diámetro. El segmento de sello revestido se mantiene en un aparato que se mueve hacia la álabe giratoria en el volante por un accionador de motor escalonado, controlado. Esto causó que la álabe contacte y se corte en el segmento de sello. La pista de desgaste en el sello fue de esta manera una valva de 0.75 pulgadas (1 .9 cm) que tiene un radio de 4 pulgadas (10 cm). Para todos los experimentos descritos en la presente, la velocidad de la punta fue 1 56 ft/seg (47.5 m/s) y la tasa de alimentación fue 0.05 mils/seg (0.001 3 mm/s). La medición de desgaste en el segmento de sello se toma para ser la profundidad máxima promedio de la pista de desgaste y en la punta, la pérdida promedio de longitud (profundidad de desgaste) a través de la punta. Para que la prueba de mejores resultados de comparación , una pérdida de desgaste total constante (profundidad máxima en el sello más profundidad de desgaste en la punta) de 1 0 mils (0.25 mm) se elige. Una que la obtención de esa cantidad exactamente en cada prueba sería experimentalmente difícil debido a la incertidumbre del inicio del frote, dos pruebas se corren usualmente para cada conjunto de condiciones, una para una pérdida de desgaste de aproximadamente 7 mils (0. 1 8 mm) y una para aproximadamente 14 mils (0.36 mm) y los resultados se interpolan a 1 0 mils (0.25 mm) . Una manera de expresar el resultado de la prueba es calcular la pérdida de longitud por la muestra de punta dividida por la profundidad máxima de la cicatriz de desgaste en el revestimiento de sello. Esta es la proporción de desgaste de punta a sello, un término común utilizado por aquellos que trabajan en este campo. Idealmente, una proporción de desgaste de punta a sello para un buen par de punta y sello es aproximadamente 0.1 o aún mejor, 0.05. Otro parámetro que expresa el mismo resultado es la fracción de desgaste total en la punta. Si WR es la proporción de desgaste de punta a sello, y FT es la fracción del desgaste total en la punta, entonces FT=WR/( 1 +WR) FT correspondiente a WR de 0.05 es 0.0476. Es decir, 4.76 por ciento del desgaste total se originaría por la punta , lo que sería un resultado aceptable por los diseñadores del motor. La resistencia al choque térmico de los revestimientos se caracteriza en una prueba de choque térmico cíclica . El revestimiento de interés se deposita en un lado de los substratos de aleación 71 8 (50-54NÍ-1 7-21 Cr-1 Co-2.8-3.3Mo-4.75-5.5Nb-0.65-1 .15??-0.2-0.8A1 -0.08C-0.35Mn-0.35Si-.006B-bal.Fe) o superaleaciones Mar M 509 (Co-23.5Cr-7W-3.5Ta-1 Ni-0.6C-0.5Zr-0.2Ti) que son de 1 pulgada (2.5 cm) de diámetro y 0.125 pulgadas (0.32 cm) de espesor. Estas muestras se trituran en la periferia a un diámetro de 0.94 pulgadas (2.4 cm) que exponen los bordes de todas las capas del revestimiento sin revestimiento envolviéndose alrededor del substrato. Las muestras se mantienen en un aparato que mueve las muestras a una posición de calentamiento con una flama golpeando el lado revestido donde se mantienen por 20 segundos, después a una posición donde el lado revestido se enfría con una descarga de gas de nitrógeno por 20 segundos, y finalmente a dos posiciones donde las muestras son enfriadas a aire ambiental por 20 segundos en cada posición. Este ciclo se repite 2000 veces. El lado frontal del revestimiento cerámico alcanzó una temperatura de aproximadamente 2500 a 2600T ( 1 371 a 1427°C), mientras que lado sin revestir, opuesto de la muestra alcanzó una temperatura de aproximadamente 1200 a 1700°F (649 a 927°C) al final del periodo de calentamiento. Las muestras se examinan para cualquier evidencia de fragmentación o separación del revestimiento después de la prueba. Ejemplo 1 Un ejemplo de una de las modalidades de la invención comprende un revestimiento de sello con un revestimiento de unión CoNiCrAIY, una primer capa de zirconia en segmentos, y una segunda capa de zirconia de baja densidad . El revestimiento de unión de 5 mil de grueso (0.13 mm) se deposita utilizando un soplete JP-5000® HVOF utilizando una boquilla de 16 pulgadas (40.6 cm). Combustible de queroseno en 6 galones por hora (22 litros por hora) y gas de oxígeno a 1650 scfh (46.7 sm3/h) formó la mezcla de combustión. Un gas de vehículo de argón inyectó 1 30 gramos/minuto de una aleación con una composición normal de Co-32Ni-21 Cr-8AI-0.5Y en por ciento en peso. Un soplete Metco 3MB se utiliza para depositar ambas capas de zirconia. El polvo de zirconia fue Praxair Surface Techonologies' ZrO-1 82, un polvo nominal de malla -140/ malla +325 (-105/+44 micrones) que tiene aproximadamente 8% en peso de itrio. Para la primer capa de zirconia , las velocidades de la mezcla de gas del soplete y flujo fueron 80 cfh (2.3 sm3/h) de argón y 30 cfh (0.8 sm3/h) de hidrógeno, y el veh ículo de polvo fue 1 3 cfh (0.4 sm3/h) de argón. La tasa de alimentación de polvo fue 50 gramos por minuto. El soplete se opera a 500 amps a aproximadamente 75 voltios con una velocidad de superficie de 600 pulgadas/minuto (15 m/minuto) y avance de 0.25 pulgadas/revolución (6.4 mm/revolución). Un patrón de segmentación de grieta se produce con aproximadamente 40 grietas por pulgada (15.7 grietas por centímetro) medido a lo largo de una línea paralela a la interfase de substrato, cada grieta contable siendo al menos la mitad del espesor de revestimiento cerámico. El patrón de grieta se mide utilizando un microscopio de luz a 1 00X de magnificación. La densidad de revestimiento fue aproximadamente 89% de densidad teórica. La primer capa de zirconia fue aproximadamente 1 0 mils (0.25 mm) de espesor. Para la segunda capa de zirconia , el polvo de zirconia ZrO-182 se mezcla con 4 por ciento en peso de material fugitivo de poliéster. Las velocidades de la mezcla de gas del soplete y flujo fueron 80 cfh (2.3 sm3/h) de argón y 1 5 cfh (0.42 sm3/h) de hidrógeno, y el vehículo de polvo fue 1 3 cfh (0.36 sm3/h) de argón . La tasa de alimentación de polvo mezclado fue 45 gramos por minuto. El soplete se opera a 500 amps a aproximadamente 65 voltios con una velocidad de superficie de 1 560 pulgadas/minuto (40 m/min.) y un avance de 0.25 pulgadas/revolución (6.4 mm/revolución). La segunda capa de zirconia fue aproximadamente 40 mils (1 mm) de espesor, no tuvo grietas de segmentación , y una densidad de 65% de densidad teórica. La microestructura del revestimiento se muestra en la figura 1 . La tolerancia de frote del revestimiento de este ejemplo se muestra que es mejor que aquella de los revestimientos de zirconia de baja densidad del actual estado de la materia . Además, el revestimiento total y el segundo espesor de segunda capa de zirconia que podría desarrollarse con buena resistencia al choque térmico retenida, fue mucho mayor que con una capa única de zirconia de baja densidad del estado de la técnica. El revestimiento de múltiples capas de este ejemplo se evalúa en la prueba de choque térmico descrita arriba . En esta prueba el lado frontal de la cerámica alcanzó una temperatura de 2530°F ( 1 388°C), mientras que el lado sin revestir opuesto de la muestra alcanzó una temperatura de aproximadamente 1 500°F (816°C) al final del periodo de prueba. El revestimiento de múltiples capas de este ejemplo no experimentó fragmentación y solamente el agrietamiento del borde de aproximadamente 30% de la periferia del revestimiento (promedio de tres especímenes) en esta prueba de choque térmico muy severo. Las macrogrietas verticales de la capa cerámica interior no se propagan a través de la capa cerámica interior. Las pruebas comparables de los revestimientos de baja densidad del estado de la técnica similares a los revestimientos de la segunda capa de este ejemplo, pero sin capa interior, y de casi el mismo espesor total no experimentó fragmentación, pero agrietamiento del borde promedio de 67%, arriba de dos veces aquel de los revestimientos de esta invención. Ejemplo 2 Un ejemplo de otra modalidad de la presente invención comprende un revestimiento de sello con un revestimiento de unión CoNiCrAIY, una primer capa de zirconia que tiene microgrietas verticales (una estructura segmentada), y una segunda capa de zirconia teniendo una baja densidad sin microgrietas. El revestimiento de unión CoNiCrAIY de 5 mil de espesor (0.13 mm) tuvo la misma composición y se deposita utilizando el mismo soplete y parámetros de deposición como el revestimiento de unión en el ejemplo 1 . La primer capa de zirconia se deposita utilizando ZrO-1 37 , un polvo nominal -63/+1 1 micrones con una composición de Zr02-7Y203, por ciento en peso, y un soplete Praxair Modelo 1 108 operado a 170 amps con una mezcla de 90 cfh (2.5 sm3/h) de argón más 40 cfh de hidrógeno (1 .1 sm3/h) de gas del soplete y 90 cfh (2.5 sm3/h) de vehículo de gas de polvo de argón con una velocidad de superficie de 3750 pulgadas por minuto (9.5 m/min) y avance de 0.25 pulgadas por revolución (6.4 mm/revolución). La segunda capa de zirconia se deposita utilizando el mismo polvo y parámetros de deposición como la segunda capa de zirconia en el ejemplo 1 . La microestructura de este revestimiento se muestra en la figura 2. Consiste de un revestimiento de unión de 5 mil de espesor (0.1 3 mm), una primer capa de revestimiento se zirconia de 1 1 5 mil (2.9 mm) de espesor que tiene grietas verticales y horizontales, y una segunda capa contigua de 40 mil (1 mm) de espesor de zirconia de baja densidad sin un patrón de microgrieta y una densidad de 65% de densidad teórica. La tolerancia de frote del revestimiento fue la misma que aquella de los revestimientos de zirconia de baja densidad del Ejemplo 1 ya que la segunda capa de zirconia fue la misma. Sin embargo, el espesor de revestimiento cerámico total que podría desarrollarse con buena resistencia térmica retenida fue mucho mayor que con la capa única de la zirconia de baja densidad del estado de la técnica. La resistencia al choque térmico del revestimiento de este ejemplo se caracteriza en la prueba de choque térmico descrita arriba . En esta prueba la temperatura del lado de la cerámica alcanzó una temperatura de 2600 °F (1427°C), mientras que el lado sin revestir, opuesto alcanzó una temperatura de aproximadamente 1200°F (649°C), al final del periodo de calentamiento. El revestimiento de múltiples capas de este ejemplo no mostró fragmentación, ni propagación de grietas verticales ni separación en esta prueba de choque térmico severo. Ejemplo 3 Un ejemplo de otra modalidad de los revestimientos de esta invención son los revestimientos con un revestimiento de unión metálico, una primer capa de revestimiento de zirconia con un patrón de macrogrieta que tiene una estructura de segmentación verticalmente agrietada a la cual se agrega un patrón de grieta horizontal controlado (una microestructura tapada), y una segunda capa de zirconia con una baja densidad sin un patrón de grieta. Los parámetros de depositar la primer capa de zirconia se determina utilizando un diseño del planteamiento de los experimentos (DOE). A partir de los experimentos previos las variables básicas que afectan el agrietamiento horizontal y vertical se muestran . Las diversas variables se mantienen constantes incluyendo el polvo y la tasa de alimentación de polvo, alejamiento (distancia del soplete al substrato), y el los parámetros de operación del soplete y soplete específico. Un soplete de rocío de plasma PST modelo 1 108 se utiliza con una corriente de 1 70 amps y una mezcla de gas de hidrógeno-argón. La velocidad de superficie y tasa de avance del soplete variaron de acuerdo a DOE. La capa de zirconia para todos los revestimientos en DOE fue 34-36 mils (0.86-0.91 mm) de espesor. Los substratos fueron todos substratos de aleación Mar M-509 de 0.1 25 pulgadas (3.2 mm) de espesor una pulgada (2.5 cm) en diámetro con un revestimiento de unión de 5 mil (0.1 3 mm) de Ni-5 por ciento en peso Al, depositado utilizando un soplete PST 1 108. DOE contó las variables y las variables dependientes observadas se muestran abajo . Las variables dependientes de interés particular fueron las grietas horizontales y verticales. DOE de 8 líneas total se repite tres veces con nuevos substratos y cambios en los parámetros de deposición controlada. Todas las muestras se montan y pulen por separado . Solamente un "observador" se utiliza para contar todas las grietas, y tres planos de pulido por espécimen se evalúan. La matriz DOE y CPI observado y por ciento de tapado son como sigue. Matriz DOE para Desarrollo de Zirconia Segmentada 3-D Velocidad de superficie Avance pulgada/min. m/mir. pulgada/rev. cm/rev. CPI* Grietas/cm % Tapad
950 2.4 0.0625 0.16 61 ,58,65 24,23,26 45,53,30
3750 9.5 0.0625 0.16 44,49,52 17, 19,20 5,8,9
950 2.4 0.25 0.64 66,64,69 26,25,27 32,21 , 17
3750 9.5 0.25 0.64 50,48,56 20, 19,22 9,8,6
2350 6.0 0.0625 0.16 64,67,58 25,26,23 22, 17, 17
2350 6.0 0.25 0.64 69,72,68 27,28,27 15, 14, 16
950 2.4 0.125 0.32 63,69,68 25,27,27 32,20,22
3750 9.5 0.125 0.32 50,59,55 20,23,22 9, 10.8
* valores promedio de tres planos pulidos por muestra, que muestra I;
tres corridas de revestimiento separadas para cada una de las 8 líneas DOE . Los valores se redondean a números enteros para esta tabulación . Los resultados para CPI o grietas por centímetro y por ciento de tapado es muy comparable entre las tres corridas para cualquier línea dada del experimento. Los datos se analizan utilizando múltiples métodos de correlación como sigue. Primero los dos factores controlados y los tres valores de medición para CPI o grietas por centímetro se evalúan para los factores significativos, permitiendo ambos factores principales, factores cuadrados y el factor de interacción entre la velocidad de superficie y avance. En este análisis, las variables independientes se estandarizan primero (ver Basic Statistics, Fourth Edition, autores Kiemele, Schmidt y Berdine, Air Academic Press, 1 999), permitiendo que las variables más significativas se identifiquen . Para CPI, cuatro términos emergieron como significativos, las variables principales y sus cuadrados, sin término de interacción. Los datos de por ciento de tapado se tratan en la misma manera , y tres términos emergieron como significativos, las variables principales de velocidad de superficie y avance más su interacción . Conociendo las variables significativas, los datos se ajustan a ellos sin codificación utilizando el múltiple método de correlación . Para DOE de arriba y el rango de variables independientes seleccionadas, las ecuaciones de correlación son como sigue. CPI=38.15+0.0174*SS+21 1 .2*Adv-4.724* (SS/ 000)2-592.2 (Adv)2 Grietas/cm=CPI/2.54 %Bk=53.16-0.01238*SS-109.79*Ad+0.309*SS*Adv donde SS es la velocidad de superficie (pulgadas/min) y Adv es el avance (pulgadas/revolución). Si existe una necesidad de diseñar un revestimiento con alto tapado, por ejemplo, se favorecería la lenta velocidad de superficie y avance lento. Estos resultados solamente se aplican de manera estricta a la densidad de revestimiento obtenida utilizando el soplete PST modelo 1 1 08 y el polvo y parámetros de deposición utilizados en la presente. Sin embargo el método descrito aquí puede aplicarse a otros sistemas de polvo y soplete. Una matriz DOE similar se utiliza para desarrollar patrones de grieta utilizando polvo ZrO-182 y el soplete 3MB Metco. La resistencia al choque térmico de los revestimientos en DOE de arriba se caracteriza utilizando la prueba de choque térmico descrita arriba . Solamente el revestimiento en la primer línea de DOE mostró fragmentación del revestimiento. Este revestimiento tuvo la combinación más alta de CPI (grietas por centímetro) y por ciento de tapado . Ninguno de los revestimientos de las otras líneas mostró fragmentación y no tuvo agrietamiento del borde o solamente tuvo agrietamiento del borde menor cuando se examina a 30X de magnificación . Un sistema de múltiples capas podría construirse fácilmente teniendo un revestimiento de unión metálico, uno de los revestimientos anteriores con capas interiores de microestructura tapadas y una segunda capa de zirconia teniendo la misma zirconia de baja densidad descrita en los Ejemplo 1 y 2. Tal que un revestimiento de múltiples capas tendría la misma tolerancia a frote como se describe en el ejemplo 1 . Sin embargo, debido a la microestructura tapada única , estos revestimientos pueden utilizarse para tolerancia de frote sin la adición de la segunda capa de baja densidad de zirconia en algunas aplicaciones. Ejemplo 4 Un ejemplo de otra modalidad de esta invención comprende designar un revestimiento de múltiples capas para tener una conductividad térmica específica como se muestra en la Tabla de abajo, utilizando solo dos de los revestimientos de múltiples capas descritos arriba. La primer capa es un revestimiento de zirconia estabilizado por itrio verticalmente segmento, denso. El revestimiento es aproximadamente 92 por ciento denso y tendría aproximadamente 50 grietas de segmentación vertical por pulgada (20 grietas por centímetro). Las grietas de ramificación horizontal que se extienden desde algunas de las grietas verticales pueden caracterizarse en parte por el por ciento de tapado definido anteriormente. En este caso el por ciento de tapado se asume que es aproximadamente 10 por ciento. La segunda capa en el ejemplo es una capa de abrasión de baja densidad que se utilizaría como la capa superior en el revestimiento de múltiples capas. Este revestimiento tuvo una densidad de aproximadamente 65 por ciento en teoría, sin grietas de segmentación vertical, ni agrietamiento horizontal reconocible en la vista normal de 1 00X de magnificación de la sección transversal pulida. A partir de los valores de conductividad térmicos de capa individual , la tabla de abajo demuestra la conductividad térmica y la pérdida de temperatura calculada a través de un espesor de múltiples capas total de 80 mils (2 mm)para diferentes combinaciones de espesor de capa de las capas, interior y exterior.
Espesor de capa 1 Espesor de capa 2 Caída de temp.. total Conductividad
(zirconia segmentada) (65% de densidad) térmica aparente mils mm mils mm °F "C W/cm/° K
60 1.5 20 0.5 381 212 0.00583
40 1.0 40 1.0 499 277 0.0051 1
0.5 60 1 .5 605 336 0.00460
Las suposiciones utilizada en este cálculo de demostración simplificado son un flujo de calor dimensional sin radiación o convección , y sin resistencia a interfase entre las capas, un flujo de calor de 60 watts, y una temperatura de 2550°F (1 399°C) en la superficie exterior de la capa 2. En la práctica , las múltiples capas compuestas se harían y el sistema total se mediría utilizando un método tal como el método instantáneo láser para determinar la conductividad térmica actual del compuesto. La caída de temperatura actual a través de una multicapa compuesta dependería de la temperatura actual del lado frontal y el flujo de calor efectivo suministrado al lado frontal por el ambiente actual así como también la temperatura del substrato y su flujo de calor. El cálculo ilustra las posibilidades de diseño de conductividad térmica adicionales ofrecidas por los sistemas de revestimiento de múltiples capas. Generalmente, los revestimientos de múltiples capas proporcionan excelentes barreras térmicas y excelentes abrasiones. Facilitan el proporcionar revestimientos que son mucho más gruesos que lo previamente posible para revestimientos con excelente resistencia a la fatiga térmica y choque térmico. Por ejemplo, las capas, interior y exterior, pueden tener un espesor total de aproximadamente 0.2 mm a aproximadamente 1 0 mm, ventajosamente en exceso de aproximadamente 2 mm, y más ventajosamente, un espesor total de aproximadamente 2 a 5 mm. Más ventajosamente, la capa cerámica exterior tiene suficiente integridad o fuerza para prevenir que las macrogrietas verticales de la capa cerámica interior se propaguen a través de la capa cerámica exterior durante el ciclado térmico inicial del revestimiento. La capa cerámica exterior, sin embargo, puede experimentar agrietamiento limitado sobre la operación extendida de los dispositivos de turbina de gas, pero la única estructura de múltiples capas del revestimiento parece limitar la fragmentación con frecuencia asociada con agrietamiento. Además, puede proporcionar revestimientos de barrera térmica con una conductividad térmica predeterminada, estos revestimientos usualmente comprenden múltiples capas de materiales cerámicos con diferentes microestructuras que también proporcionan el sistema de revestimiento con mucho mayor resistencia al choque térmico. Los sistemas de revestimiento pueden encontrar utilidad en tanto las secciones de cámara de combustión y turbina de los motores de turbina de gas y en otras aplicaciones. Por ejemplo, el substrato revestido 1 es ventajosamente un componente de un motor de turbina de gas, tal como un sello de aire para un motor de turbina de gas. Más ventajosamente, el revestimiento de múltiples capas es un revestimiento de abrasión; y estos revestimientos de abrasión son particularmente útiles como sellos de aire que están opuestos a la punta de la álabe o borde del cuchillo. Muchas modalidades posibles pueden hacerse de esta invención, sin apartarse del alcance de la misma, por lo tanto se entiende que toda la materia establecida en la presente está por interpretarse como ilustrativa y no en un sentido limitante.