Procedimiento para formar una capa protectora sobre un sustrato de turbina metálico.

Procedimiento para formar una capa protectora sobre un sustrato de turbina metalico,

caracterizado por queeste comprende las etapas de:

- preparar una disolucion acuosa que comprende un primer componente que comprende por lo menos unasal o un alcoxido, por lo menos parcialmente soluble en agua, que tiene por lo menos un cation que puedeactuar como un precursor de un oxido ceramico;

- disolver en dicha disolucion acuosa un segundo componente que comprende por lo menos una sustanciaque esta seleccionada del grupo que consiste en urea, hidrazina y sus derivados, azina y sus derivados,que actua como combustible sacrificatorio;

- poner el sustrato metalico en contacto con la disolucion;

- calentar el sustrato metalico hasta una temperatura en el intervalo de 300 oC a 800 oC hasta que, despuesde que el disolvente se ha volatilizado, una reaccion fuertemente exotermica se inicia termicamente yconduce a la formacion de oxidos que forman una capa protectora sobre la superficie de dicho sustratometalico;

y por el hecho de que la reaccion para formar un oxido es autosostenida.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E05112620.

Solicitante: AVIO S.p.A.

Nacionalidad solicitante: Italia.

Dirección: STRADA DEL DROSSO, 145 10135 TORINO ITALIA.

Inventor/es: BADINI,CLAUDIO, FINO,PAOLO, BIAMINO,SARA, SABBADINI,SILVIA, ZANON,GIOVANNI.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • C23C18/12 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C23 REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO DE MATERIALES CON MATERIALES METALICOS; TRATAMIENTO QUIMICO DE LA SUPERFICIE; TRATAMIENTO DE DIFUSION DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO POR EVAPORACION EN VACIO, POR PULVERIZACION CATODICA, POR IMPLANTACION DE IONES O POR DEPOSICION QUIMICA EN FASE VAPOR, EN GENERAL; MEDIOS PARA IMPEDIR LA CORROSION DE MATERIALES METALICOS, LAS INCRUSTACIONES, EN GENERAL.C23C REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO DE MATERIALES CON MATERIALES METALICOS; TRATAMIENTO DE MATERIALES METALICOS POR DIFUSION EN LA SUPERFICIE, POR CONVERSION QUIMICA O SUSTITUCION; REVESTIMIENTO POR EVAPORACION EN VACIO, POR PULVERIZACION CATODICA, POR IMPLANTACION DE IONES O POR DEPOSICION QUIMICA EN FASE VAPOR, EN GENERAL (aplicación de líquidos o de otros materiales fluidos sobre las superficies, en general B05; fabricación de productos revestidos de metal por extrusión B21C 23/22; revestimiento metálico por unión de objetos con capas preexistentes, ver las clases apropiadas, p. ej. B21D 39/00, B23K; mecanizado del metal por acción de una fuerte concentración de corriente eléctrica sobre un objeto por medio de un electrodo B23H; metalización del vidrio C03C; metalización de piedras artificiales, cerámicas o piedras naturales C04B 41/00; pinturas, barnices, lacas C09D; esmaltado o vidriado de metales C23D; medios para impedir la corrosión de materiales metálicos, las incrustaciones, en general C23F; tratamiento de superficies metálicas o revestimiento de metales mediante electrolisis o electroforesis C25D, C25F; crecimiento de monocristales C30B; mediante metalización de textiles D06M 11/83; decoración de textiles por metalización localizada D06Q 1/04; detalles de aparatos de sonda de barrido, en general G01Q; fabricación de dispositivos semiconductores H01L; fabricación de circuitos impresos H05K). › C23C 18/00 Revestimiento químico por descomposición ya sea de compuestos líquidos, o bien de soluciones de los compuestos que constituyen el revestimiento, no quedando productos de reacción del material de la superficie en el revestimiento (reacción química de la superficie C23C 8/00, C23C 22/00 ); Deposición por contacto. › caracterizada por la deposición sobre materiales inorgánicos, distintos a los materiales metálicos.
  • F01D5/28 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F01 MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN GENERAL; MAQUINAS DE VAPOR.F01D MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO, p. ej., TURBINAS DE VAPOR (motores de combustión F02; máquinas o motores de líquidos F03, F04; bombas de desplazamiento no positivo F04D). › F01D 5/00 Alabes; Organos de soporte de álabes (alojamiento de los inyectores F01D 9/02 ); Calentamiento, aislamiento térmico, refrigeración, o dispositivos antivibración en los álabes o en los órganos soporte. › Empleo de materiales específicos; Medidas contra la erosión o la corrosión.

PDF original: ES-2389771_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Procedimiento para formar una capa protectora sobre un sustrato de turbina metálico

La presente invención se refiere a un procedimiento para formar una capa protectora con las funciones de proteger frente a oxidación y corrosión y de actuar como una barrera térmica sobre un sustrato de turbina metálico, y también se refiere al sustrato de turbina metálico que se produce por medio del procedimiento.

Las turbinas que se usan en el campo aerospacial están sujetas a unos esfuerzos térmicos considerables debido a las altas temperaturas de 1.400 ºC y superiores que alcanzan los productos de combustión que se forman en los motores de turbina. Si se alcanzan tales temperaturas, los componentes metálicos de la turbina, particularmente los álabes, que en general consisten en superaleaciones a base de níquel, pueden estar sujetos a fenómenos de deformación estructural y de corrosión y oxidación que puedan afectar de forma adversa a su funcionamiento.

Hay una forma conocida de formar una capa protectora sobre las superficies de los componentes metálicos, para actuar como una barrera térmica con el fin de proteger las turbinas frente a las altas temperaturas de funcionamiento.

En la actualidad, los procesos conocidos y ampliamente usados para formar una capa protectora se denominan “pulverización de plasma atmosférico”, que también se conoce por el acrónimo “APS”, y al que se hace referencia de esta forma en el siguiente texto, y “deposición física en fase de vapor asistida por haz de electrones”, que se conoce también por el acrónimo “EB-PVD” y al que se hace referencia de esta forma en el siguiente texto.

En el procedimiento de APS, se hace que un flujo de un primer gas inerte, por ejemplo argón, entre en contacto con

las superficies de unos electrodos que dan lugar a que el gas se ionice. El gas ionizado que se produce de este modo, que también se denomina “plasma”, se pulveriza en una cámara en la que se introduce de forma simultánea, a través de un tubo de entrada, el polvo del material que va a formar la capa protectora, suspendido en un flujo de un segundo gas inerte. Cuando el plasma de alta temperatura entra en contacto con el polvo, el mismo funde este último para formar gotitas. Las gotitas que se producen de esta forma se pulverizan sobre la superficie que va a recubrirse.

Este procedimiento de deposición posibilita que se obtengan unas capas protectoras con una conducción de calor muy baja, si bien, debido a la estructura del material que forma la capa protectora, tiene una resistencia muy baja a la fatiga térmica en comparación con las barreras térmicas que se producen por el procedimiento de EB-PVD; de

hecho, ésta tiende a desmenuzarse si se somete repetidamente a altas temperaturas.

Además, el procedimiento de APS proporciona buenos resultados sólo si la capa protectora se aplica a unas superficies con un alto grado de rugosidad.

Un ejemplo de tal procedimiento de APS se da a conocer por Gadow R. y col. “Lanthanum hexaaluminate -novel thermical barrier coatings for gas turbine applications -Materials and prozendevelopment” en Surface and Coating Technology 151-152 (2002) 392-399.

En el procedimiento de EB-PVD, el material que va a constituir la capa protectora se encuentra en forma de polvo

45 colocado en un crisol, o se encuentra en forma de lingote. Por medio de un cañón que produce unos haces de electrones de alta energía, el material se vaporiza por los haces de electrones y a continuación se condensa sobre la superficie que va a recubrirse.

Este procedimiento proporciona unas capas protectoras que tienen unas características que son las opuestas de las que se obtienen mediante el procedimiento de APS, y de hecho estas capas tienen una alta resistencia a esfuerzos tanto térmicos como mecánicos, pero también tienen una alta conductividad térmica. Una desventaja adicional de este procedimiento de deposición radica en los muy altos costes del equipo usado.

Finalmente, tanto los procedimientos de APS como los de EB-PVD generan unas capas protectoras con una

55 estructura áspera; en otras palabras, bajo examen micrográfico se encuentra que éstos tienen unos grandes tamaños de partícula y, debido al procedimiento mediante el que se lleva a cabo la deposición, éstos no pueden usarse para producir capas protectoras sobre ninguna cavidad microscópica o falta de uniformidad que pueda haberse formado sobre el sustrato metálico.

El documento EP1170251 da a conocer un proceso y una composición para formar una película fina de óxido de metal que contiene una sal de una amina y un complejo de metal formado por un ligando que tiene 5 o menos coordinaciones y un compuesto de metal se proporciona.

El documento US 6001416 da a conocer una película fina de óxido que comprende un óxido representado por AB03,

65 en la que A comprende por lo menos un elemento que está seleccionado del grupo que consiste en los grupos IA, IIA, IIIA, IVB y VB de la tabla periódica, y B comprende por lo menos un elemento que está seleccionado del grupo que consiste en los grupos IVA y VA de la tabla periódica, en la que dicha película fina de óxido tiene una estructura mixta en la que están dispersos granos de cristal en una fase amoría o una fase de grano ultrafino.

El documento US 5318800 da a conocer un procedimiento de formación de unos revestimientos de óxido de metal

térmicamente estables de alta temperatura resistentes a aberraciones y sin agujeros de escala micrométrica y submicrométrica uniformes delgados sobre metal, aislamiento y otros sustratos, que implica la aplicación de una disolución de precursor de complejo de metal polímero en el sustrato y la calcinación adecuada para la oxidación del metal y el revestimiento a la vez que se queman todas las trazas del polímero.

En el documento US 5955145 se proporciona un proceso para formar un artículo revestido que tiene un revestimiento resistente a desgaste que minimiza la generación y los efectos del desgaste por residuos.

Ninguna de las patentes anteriores soluciona los problemas que se mencionan anteriormente.

El objeto de la presente invención es, por lo tanto, la provisión de un procedimiento para formar una capa protectora que soluciona los problemas que se describen anteriormente. En particular, sería preferible encontrar un procedimiento para depositar una capa protectora que resista no sólo las altas temperaturas, sino también los esfuerzos mecánicos, a la vez que tiene una baja conductividad térmica y es fiable y económico.

De acuerdo con la presente invención, el presente objeto se consigue por medio de un procedimiento para formar una capa protectora sobre un sustrato de turbina metálico de acuerdo con la reivindicación 1.

El procedimiento de acuerdo con la presente invención puede usarse para obtener una capa protectora que proporciona una protección térmica, que consiste en un material de cerámica poroso a base de óxidos cerámicos

puros o mixtos. Preferiblemente, la capa protectora comprende un óxido que está seleccionado del grupo que consiste en ZrO2, ZrO2+Y2O3, ZrO2+CaO, Al2O3, Al2O3+SiO2, Al2O3+TiO2, CeO2, BaZrO3, Y3Al5O12, LaMgAl11O19, LaMnAl11O19.

Incluso más preferiblemente, la capa protectora comprende LaMnAl11O19.

En el procedimiento para formar una capa protectora sobre un sustrato de turbina metálico de acuerdo con la presente invención, se prepara una disolución acuosa, en esa disolución puede disolverse fácilmente una sal o un alcóxido que tiene un catión que puede actuar como un precursor, en otras palabras, que puede formar el óxido cerámico sobre la superficie de dicho sustrato metálico.

Un segundo componente, que comprende por lo menos una sustancia que está seleccionada del grupo que consiste en urea, hidrazina y sus derivados, azina y sus derivados, se disuelve a continuación en la disolución acuosa.

El sustrato metálico se pone a continuación en contacto con la disolución y se calienta a una temperatura en el intervalo de 300 ºC a 800 ºC, preferiblemente de 500 ºC a 700 ºC, hasta que, después de que el disolvente se ha volatilizado, se inicia una reacción fuertemente exotérmica para formar una capa de... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para formar una capa protectora sobre un sustrato de turbina metálico, caracterizado por que éste comprende las etapas de:

- preparar una disolución acuosa que comprende un primer componente que comprende por lo menos una sal o un alcóxido, por lo menos parcialmente soluble en agua, que tiene por lo menos un catión que puede actuar como un precursor de un óxido cerámico; -disolver en dicha disolución acuosa un segundo componente que comprende por lo menos una sustancia

que está seleccionada del grupo que consiste en urea, hidrazina y sus derivados, azina y sus derivados, que actúa como combustible sacrificatorio; -poner el sustrato metálico en contacto con la disolución; -calentar el sustrato metálico hasta una temperatura en el intervalo de 300 ºC a 800 ºC hasta que, después de que el disolvente se ha volatilizado, una reacción fuertemente exotérmica se inicia térmicamente y

conduce a la formación de óxidos que forman una capa protectora sobre la superficie de dicho sustrato metálico;

y por el hecho de que la reacción para formar un óxido es autosostenida.

20 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho segundo componente es urea.

3. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por que dicha disolución acuosa comprende nitrato de amonio como el tercer componente.

25 4. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho primer componente es una sal que tiene un anión que está seleccionado del grupo que consiste en nitrato, nitrito, sulfato, haluro, acetato, carboxilato y citrato.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que dicho primer componente es una sal 30 que tiene un nitrato como su anión.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que dicha sal de nitrato comprende un elemento que está seleccionado del grupo que consiste en aluminio, manganeso, lantano, circonio, cerio, bario e itrio.

7. Sustrato de turbina metálico, que comprende una capa protectora porosa, caracterizado por que dicha capa protectora es un óxido de naturaleza cerámica que se produce de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

8. Sustrato metálico de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por que dicha capa protectora comprende un óxido que está seleccionado del grupo que consiste en ZrO2, ZrO2+Y2O3, ZrO2+CaO, Al2O3, Al2O3+SiO2, Al2O3+TiO2, CeO2, BaZrO3, Y3Al5O12, LaMgAl11O19, LaMnAl11O19.

9. Sustrato metálico de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que dicha capa protectora se basa en 45 LaMnAl11O19.


 

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