MXPA06005857A

MXPA06005857A - Recubrimiento de barrera termica.

Info

Publication number: MXPA06005857A
Application number: MXPA06005857A
Authority: MX
Inventors: Luah K Hai; Garimella B Rao
Original assignee: Turbine Overhaul Services Priv
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-01-26
Also published as: JP2006328541A; EP1726685B1; US20080171221A1; CN1903562A; SG127768A1; US20060269775A1; EP1726685A1

Abstract

Se proporciona un articulo recubierto que incluye un sustrato y una capa de barrera termica. Una capa de aluminuro esta entre el sustrato y la capa de barrera termica. Una capa de PtAl2 esta entre la capa de aluminuro y la capa de barrera termica.

Description

RECUBRIMIENTO DE BARRERA TÉRMICA ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona con recubrimientos de barrera térmica, y más particularmente con recubrimientos unidos para recubrimientos de barrera térmica en componentes de turbina. Los componentes de motor de turbina de gas (por ejemplo álabes, aspas, sellos,' paneles combustores y similares) se forman comúnmente de superaleaciones basadas en níquel o cobalto. Las temperaturas de operación deseadas con frecuencia exceden las posibles para las aleaciones solas. Los recubrimientos de barrera térmica (TBC) son de uso común en tales componentes para permitir el uso a temperaturas elevadas. Se conocen diversas composiciones de recubrimiento (por ejemplo materiales cerámicos) y diversos métodos de recubrimiento (por ejemplo deposición física por vapor de haz de electrones (EB-PVD) y deposición por aspersión de plasma) . Un sistema de recubrimiento moderno ejemplar se aplica al sustrato de superaleación por una técnica de EB-PVD. Un sistema de recubrimiento ejemplar incluye una capa de recubrimiento de unión metálica (por ejemplo, una capa superior de aleación NiCoCrAlY o aluminuro de difusión) encima del sustrato. Una capa de recubrimiento superior cerámico aislante térmicamente (por ejemplo zirconia estabilizada con ítrea (YSZ) ) se deposita encima del recubrimiento de unión. Durante esta deposición se puede formar una capa de óxido de crecimiento térmicamente (TGO) (por ejemplo alúmina) en el recubrimiento de unión e interviene entre la porción subyacente remanente sobre el recubrimiento de unión y el recubrimiento superior. En un sistema de recubrimiento ejemplar y los procedimientos relacionados, inicialmente se aplica como revestimiento un sustrato de superaleación basado en níquel, con platino. Una etapa de calentamiento produce la difusión entre el sustrato y el revestimiento. Después de esta difusión de platino, se aplica un recubrimiento de aluminio. Durante la aplicación de aluminio la difusión puede formar un aluminuro que contiene platino. Después de este recubrimiento, una etapa de calentamiento ' adicional provoca difusión adicional .que resulta en una mayor uniformidad al difundir el exceso de aluminio en la superficie y eliminar por difusión el níquel del sustrato. Posteriormente, el recubrimiento YSZ se deposita por EB-PVD.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN Un aspecto de la invención involucra un artículo recubrimiento que incluye un sustrato y una capa de barrera térmica. Una capa de aluminuro está entre el sustrato y la capa de barrera térmica. Una capa de PtAl2 está entre la capa de aluminuro y la capa de barrera térmica. Un método comprende aplicar una primera capa que contiene aluminio a un sustrato, aplicar una segunda capa que contiene platino encima de la primera capa, provocar la difusión del aluminio desde la primera capa dentro de la segunda capa de manera que se produzca una aleación de PtAl2 y aplicar una capa de barrera térmica encima de la aleación .de PtAl2. Los detalles de una o más de las modalidades de la invención se establecen en los dibujos anexos y la descripción siguiente. Otras características, objetivos y ventajas de la invención se volverán evidentes a partir de la descripción y dibujos, y a partir de las reivindicaciones .

DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS La figura 1 es un diagrama de flujo básico de un procedimiento para formar un artículo recubierto. La figura 2 es una fotomicrografía en sección del artículo recubierto. La figura 3 es un diagrama de flujo de un procedimiento alternativo para formar el artículo recubierto.

Números de referencia similares y designaciones en los diversos dibujos indican elementos similares.

DESCRIPCIÓN DETALLADA La figura 1 muestra un procedimiento ejemplar para formar un artículo recubierto. El procedimiento ejemplar incluye formar un sustrato que se va a recubrir. Los sustratos ejemplares son componentes de motor de turbina de gas formados en superaleaciones basadas en níquel o cobalto. Un componente de interés particular es un álabe de sección de turbina. El sustrato se puede formar por una o más etapas (por ejemplo fundición y maquinado) . Alternativamente, en una sección de recubrimiento el sustrato puede haber sido formado previamente y se puede someter a remoción de un recubrimiento existente y parches opcionales, rellenado por fracturas y similares. La superficie del sustrato que se va a recubrir se puede preparar por medios químicos o mecánicos (por ejemplo tratado con chorro cosmético como se conoce en la técnica) . Posteriormente se aplica directamente a la superficie de sustrato un material que contiene aluminio. La aplicación del material que contiene aluminio servirá para formar por lo menos inicialmente un aluminuro . Son posibles y se utilizan en el arte muchas técnicas de aplicación. Una técnica ejemplar involucra un recubrimiento - - en fase gaseosa convencional . Tal procedimiento involucra la colocación del sustrato en proximidad a una fuente de medio de recubrimiento que genera vapores de recubrimiento. Esto puede ser distinguido de las técnicas de deposición química por vapor (CVD) en donde la fuente es más remota. En el recubrimiento CVD, el sustrato se mantiene en un recipiente el cual está separado de uno o varios recipientes de medio de recubrimiento. Los vapores de material de recubrimiento de CVD se suministran vía un gas portador separado. En un recubrimiento en fase gaseosa, el sustrato y el medio de recubrimiento están en el mismo recipiente y el sustrato no toca el medio de recubrimiento (desde el cual se generan los vapores de recubrimiento) . Un material de fuente ejemplar comprende aluminio cromo con fluoruro de amonio, cloruro de amonio o fluoruro de aluminio como un activador. El aluminio cromo ejemplar es una aleación granular de aluminio y cromo y la proporción en por ciento en peso eutéctico 55:45. Por calentamiento del aluminio cromo y el activador (por ejemplo en una bandeja bajo condiciones de atmósfera controlada tal como un gas inerte (por ejemplo argón)), el activador provoca la liberación de un vapor de aluminio el cual se condensa sobre el sustrato . La duración de deposición ejemplar es menor de 8 horas (por ejemplo de 5 a 7 horas) . Durante esta deposición, la difusión desde el sustrato (por ejemplo especialmente de níquel) convierte el material que contiene aluminio aplicado en aluminuro de níquel. Este aluminuro tiende a presentar una composición de NiAl/NiAl2 adicional que incluye elementos adicionales a los de la aleación de sustrato, como elementos de aleación en el aluminuro o como precipitados en el aluminuro. Después de la aplicación del material que contiene aluminio y la formación inicial de aluminuro, se aplica un material que contiene platino. La aplicación ejemplar involucra electrodeposicion de platino puro. Esta aplicación deja una capa de material que contiene platino encima del aluminuro. Una etapa de difusión después produce la difusión del aluminio en una capa de platino y de platino en el aluminuro. Una difusión ejemplar es causada por calentamiento. El calentamiento ejemplar es a una temperatura de por lo menos 1009°C (1850°F) (de manera más preferible por lo menos 1064°C (1950°F)) por un tiempo de por lo menos cinco minutos (por ejemplo a aproximadamente 1051°C) (1925°F) durante aproximadamente diez minutos al vacío (por ejemplo 0.1 militorr o menos) después 1078°C (1975 °F) durante aproximadamente cuatro horas en argón) . Después de cualquier preparación de superficie adicional (por ejemplo pulido) , se puede aplicar el recubrimiento YSZ. Una aplicación YSZ ejemplar es por EB-PVD. La figura 2 muestra los detalles del artículo recubierto. El sustrato tiene una porción 20 de base principalmente no alterada en la parte inferior de la figura. La capa 22 YSZ está en la parte superior. La capa 22 YSZ está inmediatamente encima de la capa 24 de platino-aluminio producida por la difusión de aluminio en el revestimiento de platino. En una implementación ejemplar, la capa 24 es una fase continua de PtAl2. La capa 26 de aluminuro que contiene platino está por debajo de la capa 24 de PtAl2. Una región 30 de transición entre las capas 24 y 26 no es extremadamente abrupta y se caracteriza por inclusiones moderadamente grandes de un material de la capa dentro del otro. La región 30 de transición se localiza hacia fuera del límite original entre el revestimiento de aluminuro y de platino. Este límite se vuelve evidente por los puntos negros los cuales pueden coincidir con la superficie original del sustrato. De manera similar, una región 28 de difusión puede estar entre la porción 20 de base de sustrato no alterada y el aluminuro 26. Un espesor ejemplar de la capa 22 YSZ es de por lo menos 40 µ?t? (por ejemplo, 50-100 µp?) . Un espesor ejemplar de la capa de PtAl2 24 es de 5-20 µ???. Un espesor ejemplar de la capa 26 de aluminuro es de 25-100 µp?. El revestimiento después de la deposición de aluminio puede tener una o más de diversas ventajas. El revestimiento puede tender a proporcionar una superficie uniforme por rellenado de las imperfecciones rugosas en el aluminuro. La rugosidad ejemplar es de 20-40 RA después de la difusión. La condición lisa promueve la adhesión del recubrimiento superior y la resistencia asociada a descostrarse . La figura 3 muestra un procedimiento alternativo donde se invierte el orden de aplicación del platino y el aluminio. Como se diferencia del sistema de la técnica anterior, en donde el platino se aplica directamente a un sustrato, la capa de platino depositada en la figura 3 es relativamente gruesa (por ejemplo 5-8 µp?) . Además, sustancialmente no existe una etapa de difusión separada entre la aplicación de platino y la aplicación de aluminio. El calentamiento de difusión subsecuente (por ejemplo a por lo menos 1009°C (1850°F) (de manera más preferible 1064°C (1950°F) durante por lo menos cinco minutos) sirve para interdifundir el platino en el aluminio (formando la capa 24 de superficie así como el suministro de platino para la capa de aluminuro. Un calentamiento ejemplar es a 1078 °C (1975 °F) durante aproximadamente cuatro horas en argón. La difusión también hace pasar los componentes del sustrato (por ejemplo el níquel) al aluminio para formar la capa de aluminuro .

Se han descrito una o más modalidades de la presente invención. No obstante, se entenderá que se pueden realizar diversas modificaciones sin apartarse del espíritu y alcance de la invención. Por ejemplo, los principios se pueden aplicar como modificaciones de diversos sistemas de recubrimiento existentes o aún por desarrollarse así como técnicas y equipo. Los detalles de cualquiera de dicho recubrimiento de línea de base o técnica o equipo pueden alterar los detalles de cualquier implementación particular. En consecuencia, otras modalidades están dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Artículo, que comprende: un sustrato; una primera capa de barrera térmica; una segunda capa que comprende, en una parte mayor, aluminuro entre el sustrato y la capa de barrera térmica; y una tercera capa que comprende, en una parte mayor, PtAl2 entre la capa de aluminuro y la capa de barrera térmica.

2. Artículo como se describe en la reivindicación 1, en donde: el sustrato consiste esencialmente de una superaleación basada en níquel .

3. Artículo como se describe en la reivindicación 1, en donde la primera capa consiste esencialmente de zirconia estabilizada con ítrea.

4. Artículo como se describe en la reivindicación 1, en donde: la segunda capa consiste esencialmente de un aluminuro de platino.

5. Artículo como se describe en la reivindicación. 1, en donde: la tercera capa tiene un espesor de 5-20 pm.

6. Artículo como se describe en la reivindicación 1, en donde: la segunda capa tiene un espesor de 25-100 \im.

7. Artículo como se describe en la reivindicación 1, que consiste esencialmente del sustrato, primera capa, segunda capa y una tercera capa, opcionalmente que incluye regiones de transición.

8. Método, que comprende: aplicar una primera capa que contiene aluminio a un sustrato; aplicar una segunda capa que contiene platino encima de la primera capa; provocar la difusión del aluminio desde la primera capa en la segunda capa de manera que se produce una aleación de PtAl2; y aplicar una capa de barrera térmica encima de la aleación de PtAl2.

9. Método como se describe en la reivindicación 8, en donde la aplicación de la capa de barrera térmica comprende deposición física por vapor de haz de electrones de zirconia estabilizada con ítrea.

10. Método como se describe en la reivindicación 8, en donde: la aplicación de la primera capa consiste esencialmente de un recubrimiento en fase gaseosa de aluminio y cromo con un activador.

11. Método como se describe en la reivindicación 8, en donde: la generación de difusión comprende calentar a una temperatura de por lo menos 1009°C (1850°F) .¦

12. Método ' como se describe en la reivindicación 8, en donde: la generación de difusión comprende calentar a una temperatura de por lo menos 1037°C (1900°F) .

13. Método como se describe en la reivindicación 8, en donde: la difusión es por lo menos tan grande como la difusión causada por calentamiento a temperaturas de 1009°C (1850°F) por un tiempo de por lo menos cinco minutos .

14. Método como se describe en la reivindicación 8, en donde: la difusión es por lo menos tan grande como la difusión causada por calentamiento a una temperatura de 1051°C. (1925°F) por un tiempo de por lo menos cinco minutos.

15. Método como se describe en la reivindicación 8, en donde: la difusión es por lo menos tan grande como la difusión causada por calentamiento a una temperatura de 1064 °C (1950 °F) por un tiempo de por lo menos cinco minutos .

16. Método como se describe ¦ en la reivindicación 8, que comprende además: formar el sustrato de una superaleación basada en níquel .

17. Método como se describe en la reivindicación 8, que comprende además: preparar el sustrato por tratamiento con chorro de la superficie.

18. Método para recubrir un sustrato, que comprende: una etapa para aplicar un primer material que comprende aluminio; una etapa para aplicar un segundo material que contiene platino diferente del primer material ; una etapa para formar una capa de PtAl2 a partir de platino del segundo material y aluminio del primer material; y una etapa para aplicar una capa de barrera térmica .

19. Método como se describe en la reivindicación 18, en donde: la etapa para formar una capa de barrera térmica se realiza después de la etapa de formación de la capa de PtAl2.