Sistema de capas cerámicas porosas.

Sistema de capas que presenta

un sustrato (4),

de modo opcional una capa de adhesión metálica

(7) sobre el sustrato (4),

de modo opcional una capa de óxido sobre la capa de adhesión metálica (7) o sobre el sustrato (4),

una capa de cerámica interna (10) con una porosidad de 11% - 12%,

y una capa de cerámica externa (13) con una porosidad de 16% a 18% sobre la capa de cerámica interna (10).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/061320.

Solicitante: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: WITTELSBACHERPLATZ 2 80333 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: STAMM, WERNER.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO... > REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO... > Revestimiento para obtener al menos dos capas superpuestas,... > C23C28/04 (Revestimientos solamente de materiales inorgánicos no metálicos)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > Alabes; Organos de soporte de álabes (alojamiento... > F01D5/28 (Empleo de materiales específicos; Medidas contra la erosión o la corrosión)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO... > REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO... > C23C28/00 (Revestimiento para obtener al menos dos capas superpuestas, bien por procesos no previstos en uno solo de los grupos principales C23C 2/00 - C23C 26/00, bien por combinaciones de procesos previstos en las subclases C23C y C25D)

PDF original: ES-2496791_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Sistema de capas cerámicas porosas

La presente invención hace referencia a un sistema de capas con dos capas cerámicas porosas diferentes.

Las capas protectoras de cerámica se utilizan con frecuencia en las piezas de construcción que se encuentran dentro de un rango elevado de temperatura para proteger de temperaturas más elevadas el sustrato metálico.

De este modo, las capas cerámicas presentan una cierta porosidad para reducir la conductividad térmica y para alcanzar una cierta ductilidad.

En la solicitud WO 27/112783 A1 se revela un sistema de capas cerámicas para aislar el calor, donde se utilizan una gran diferencia de porosidad en las dos capas cerámicas.

En la solicitud EP 2 128 36 A se describe un sistema de capas cerámicas de dos capas, donde los grosores de las capas se modifican localmente en relación a las capas de aislamiento térmico.

En la publicación de Surface and Coatlngs Technology, Elsevier, tomo 195 N° 2-3 (25), páginas 245-251 de A. Portinha y otros, titulada: "Characterlzatlon of thermal barrier coatings with a gradient in porosity" se describen porosidades de 12% a 17% en un gradiente de porosidad.

Es objeto de la presente invención optimizar las propiedades térmicas y mecánicas.

Este objeto se alcanzará a través de un sistema de capas según la reivindicación 1.

En las reivindicaciones dependientes se Indican medidas ventajosas que pueden ser combinadas unas con otras en el modo deseado.

Las figuras muestran:

Figura 1: un sistema de capas,

Figura 2: una turbina de gas,

Figura 3: un álabe de turbina,

Figura 4: una cámara de combustión,

Figura 5: una lista de superaleaciones.

La descripción y las figuras solamente representan ejemplos de ejecución de la invención.

En la figura 1 se representa de forma esquemática el sistema de capas. De manera preferente el es un álabe de turbina 12, 13 de una turbina, de una turbina de vapor, de una turbina de gas un funcionamiento fijo o para aviones.

Preferentemente, el sustrato 4 presenta una superaleación a base de níquel o de cobalto de figura 5. Se considera preferente una superaleación a base de níquel.

De manera preferente, sobre el sustrato 4 se encuentra presente una capa de adhesión metálica, en particular del tipo MCrAI o MCrAIX (M= Ni, Co, Fe, preferentemente Ni, Co).

Dentro del sustrato 4 pueden encontrarse igualmente capas de difusión, sobre las cuales puede aplicarse una capa de cerámica 16.

Sobre la capa metálica 7 o sobre el sustrato 4 puede aplicarse una capa de cerámica 16, donde en el punto de intersección una capa de óxido (TGO) puede generarse o aplicarse de forma intencional, la cual se conforma con la capa metálica 7 durante el revestimiento cerámico o durante el funcionamiento del sistema de capas.

sistema de capas 1 1 (figura 2), para

una aleación de la

La capa de cerámica 16 presenta al menos dos, en particular sólo dos capas de cerámica diferentes 1, 13. La capa de cerámica inferior 1 presenta una porosidad más reducida que la capa de cerámica externa 13. La porosidad de la capa de cerámica inferior 1 es de 11% a 12% (preferentemente % de volumen).

De manera preferente, el grosor de la capa, de la capa de cerámica interna 1, se encuentra diseñado al menos 1 %, en particular 2%, y de forma completamente especial 5% más delgado que la capa de cerámica externa 13. La capa inferior posee un grosor de 1625|jm, mientras que la capa externa presenta un grosor de >1|jm.

La capa de cerámica exterior 13 presenta una porosidad de 16% a 18% y preferentemente representa la capa más externa, la cual se encuentra expuesta de forma directa al gas caliente.

El material de la capa de cerámica inferior 1, parcialmente, es en particular óxido de circonio estabilizado con itrio. Preferentemente este material se utiliza también para la capa de cerámica externa 13, donde sin embargo puede utilizarse también un material de pirocloro.

La selección de la porosidad de las capas de cerámica, de forma sorprendente, condujo a una vida útil más prolongada, en comparación con una capa de porosidad elevada con el mismo grosor.

La figura 2, a modo de ejemplo, muestra una turbina de gas 1 en una sección parcial longitudinal.

La turbina de gas 1, en el interior, presenta un rotor 13 montado de forma giratoria alrededor de un eje de rotación 13 con un árbol, el cual también puede denominarse como rotor de turbina.

A lo largo del rotor 13 se suceden una carcasa de succión 14, un compresor 15, una cámara de combustión 11 por ejemplo en forma de un torus, en particular una cámara de combustión anular con una pluralidad de quemadores 17 dispuestos de forma coaxial, una turbina 18 y la carcasa de gas de escape 19.

La cámara de combustión anular 11 se encuentra comunicada con un canal de gas caliente 111, por ejemplo en forma anular. Allí, a modo de ejemplo, cuatro etapas de la turbina 112 conectadas secuencialmente conforman la turbina 18.

Cada etapa de la turbina 112 se encuentra formada, por ejemplo, por dos anillos del álabe. Observado en la dirección de flujo de un medio de trabajo 113, en el canal de gas caliente 111 una serie 125 formada por álabes de rodete 12 se encuentra situada después de una serie de álabes guía 115.

Los álabes guía 13 se encuentran fijados a una carcasa interna 138 de un estator 143, mientras que los álabes de rodete 12 de una serie 125 se encuentran colocados en el rotor 13 por ejemplo a través de un disco de la turbina

133.

Una máquina herramienta o un generador se encuentra acoplado al rotor 13 (lo cual no se encuentra representado).

Durante el funcionamiento de la turbina de gas 1, el aire 135 es aspirado por el compresor 15 a través de la carcasa de aspiración 14 y es comprimido. El aire comprimido proporcionado en el extremo del compresor 15, del lado de la turbina, es conducido hacia los quemadores 17 y allí es mezclado con un combustible. La mezcla es entonces quemada formando el medio de trabajo 113 en la cámara de combustión 11. El medio de trabajo 113 fluye desde allí a lo largo del canal de gas caliente 111, por delante de los álabes guía 13 y de los álabes de rodete 12. El medio de trabajo 113 se distiende en los álabes de rodete 12 transmitiendo impulso, de manera que los álabes de rodete 12 impulsan el rotor 13 y la máquina herramienta que se encuentra acoplada al mismo.

Los componentes que se encuentran expuestos al medio de trabajo 113 caliente, durante el funcionamiento de la turbina de gas 1 se encuentran sujetos a cargas térmicas. Los álabes guía 13 y los álabes de rodete 12 de la primera etapa de la turbina 112, observado en la dirección de flujo del medio de trabajo 113, junto con los elementos de blindaje térmico que revisten la cámara de combustión anular 11, son los más expuestos a la carga térmica.

Éstos pueden ser enfriados con un medio refrigerante para resistir las temperaturas allí presentes.

Del mismo modo, los sustratos de los componentes pueden presentar una estructura dirigida, es decir que son monocristalinos (estructura SX) o presentan sólo gránulos dirigidos longitudinalmente (estructura DS).

Como material para los componentes, en particular para los álabes de turbina 12, 13 y los componentes de la cámara de combustión 113, se emplean superaleaciones a base de hierro, de níquel o de cobalto.

Superaleaciones de esa clase se conocen por ejemplo a través de las solicitudes EP 1 24 776 B1, EP 1 36 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 o WO /44949.

El álabe guía 13 presenta un pie del álabe guía que se encuentra orientado hacia la carcasa interna 138 de la turbina 18 (el cual no... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Sistema de capas que presenta un sustrato (4),

de modo opcional una capa de adhesión metálica (7) sobre el sustrato (4),

de modo opcional una capa de óxido sobre la capa de adhesión metálica (7) o sobre el sustrato (4), una capa de cerámica interna (1) con una porosidad de 11% -12%,

y una capa de cerámica externa (13) con una porosidad de 16% a 18% sobre la capa de cerámica interna (1).

2. Sistema de capas según la reivindicación 1, donde la capa de adhesión metálica (7) presenta una aleación de

MCrAI o de MCrAIX.

3. Sistema de capas según la reivindicación 1 ó 2, donde el material de la capa de cerámica inferior (1) presenta óxido de circonio.

4. Sistema de capas según la reivindicación 1, 2 ó 3, donde la capa externa (13) presenta óxido de circonio.

5. Sistema de capas según la reivindicación 1, 2, 3 ó 4, donde el sustrato (4) presenta una superaleación a base de níquel o de cobalto.

6. Sistema de capas según la reivindicación 1, 2, 3, 4 ó 5, donde el material de las capas de cerámica (1, 13) es diferente.

7. Sistema de capas según la reivindicación 1, 2, 3, 4, 5 ó 6, donde la capa de cerámica interna (1) se encuentra diseñada al menos un 1% más delgada que la capa de cerámica externa (13).

8. Sistema de capas según la reivindicación 1, 2, 3, 4, 5, 6 ó 7, donde el sistema de capas se compone de: un sustrato (4),

de modo opcional una capa de adhesión metálica (7),

de modo opcional una capa de óxido sobre la capa de adhesión metálica (7),

una capa de cerámica interna (1),

una capa de cerámica externa (13).