Revestimiento de barrera térmica mejorado y de polvo de circonia estabilizado pre-aleado.

Un método para producir un polvo de circonia estabilizado y pre-aleado para su uso en aplicaciones depulverización térmica de revestimientos de barrera térmica (TBC's) y materiales abrasibles a alta temperatura,

quese caracteriza por que comprende las etapas secuenciales de: alear circonia con un primer estabilizador en formade itria y un estabilizador complementario adicional que se escoge entre el grupo de ceria, magnesia, iterbia,escandia, disprosia, neodimia y calcia, estando presente el estabilizador en una cantidad de 5 % a 25 % conrespecto a circonia en peso, someter circonia estabilizada a formación de polvo, secar por pulverización el polvo decirconia estabilizado y aleado para producir un polvo de circonia estabilizado, pre-aleado y aglomerado.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2001/047129.

Solicitante: SULZER METCO INC..

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 1101 PROSPECT AVENUE WESTBURY, NY 11590 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: Schmid Richard K.,Dr, DORFAM,Mitchell R, CORREA,Luis F, DAMBRA,Christopher G, LAUL,Komal.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B01D1/18 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B01 PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL.B01D SEPARACION (separación de sólidos por vía húmeda B03B, B03D, mesas o cribas neumáticas B03B, por vía seca B07; separación magnética o electrostática de materiales sólidos a partir de materiales sólidos o de fluidos, separación mediante campos eléctricos de alta tensión B03C; aparatos centrifugadores B04B;   aparato de vórtice   B04C; prensas en sí para exprimir los líquidos de las sustancias que los contienen B30B 9/02). › B01D 1/00 Evaporación (secado de materiales sólidos y objetos por evaporación de líquidos retenidos F26B). › para obtener sólidos secos (B01D 1/24 tiene prioridad).
  • B05D1/02 B […] › B05 PULVERIZACION O ATOMIZACION EN GENERAL; APLICACION DE LIQUIDOS U OTRAS MATERIAS FLUIDAS A SUPERFICIES, EN GENERAL.B05D PROCEDIMIENTOS PARA APLICAR LIQUIDOS U OTRAS MATERIAS FLUIDAS A SUPERFICIES, EN GENERAL (transporte de objetos en los baños de líquidos B65G, p. ej.. B65G 49/02). › B05D 1/00 Procedimientos para aplicar líquidos u otras materias fluidas a las superficies (B05D 5/00, B05D 7/00 tienen prioridad). › realizados por pulverización.
  • B29B9/00 B […] › B29 TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS EN ESTADO PLASTICO EN GENERAL.B29B PREPARACION O PRETRATAMIENTO DE MATERIAS A CONFORMAR; FABRICACION DE GRANULOS O DE PREFORMAS; RECUPERACION DE LAS MATERIAS PLASTICAS O DE OTROS CONSTITUYENTES DE MATERIALES DE DESECHO QUE CONTIENEN MATERIAS PLASTICAS.Fabricación de gránulos (en general B01J; aspectos químicos C08J 3/12).
  • B32B15/04 B […] › B32 PRODUCTOS ESTRATIFICADOS.B32B PRODUCTOS ESTRATIFICADOS, es decir, HECHOS DE VARIAS CAPAS DE FORMA PLANA O NO PLANA, p. ej. CELULAR O EN NIDO DE ABEJA. › B32B 15/00 Productos estratificados compuestos esencialmente de metal. › que tienen un metal como único componente o como componente principal de una capa adyacente a otra capa de una sustancia específica.
  • C04B35/486 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C04 CEMENTOS; HORMIGON; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS; REFRACTARIOS.C04B LIMA; MAGNESIA; ESCORIAS; CEMENTOS; SUS COMPOSICIONES, p. ej. MORTEROS, HORMIGON O MATERIALES DE CONSTRUCCION SIMILARES; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS (vitrocerámicas desvitrificadas C03C 10/00 ); REFRACTARIOS (aleaciones basadas en metales refractarios C22C ); TRATAMIENTO DE LA PIEDRA NATURAL. › C04B 35/00 Productos cerámicos modelados, caracterizados por su composición; Composiciones cerámicas (que contienen un metal libre, de forma distinta que como agente de refuerzo macroscópico, unido a los carburos, diamante, óxidos, boruros, nitruros, siliciuros, p. ej. cermets, u otros compuestos de metal, p. ej. oxinitruros o sulfuros, distintos de agentes macroscópicos reforzantes C22C ); Tratamiento de polvos de compuestos inorgánicos previamente a la fabricación de productos cerámicos. › Cerámicas finas.
  • C08K3/10 C […] › C08 COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION O PRODUCCION QUIMICA; COMPOSICIONES BASADAS EN COMPUESTOS MACROMOLECULARES.C08K UTILIZACION DE SUSTANCIAS INORGANICAS U ORGANICAS NO MACROMOLECULARES COMO INGREDIENTES DE LA COMPOSICION (colorantes, pinturas, pulimentos, resinas naturales, adhesivos C09). › C08K 3/00 Utilización de ingredientes inorgánicos. › Compuestos metálicos.
  • C08L1/00 C08 […] › C08L COMPOSICIONES DE COMPUESTOS MACROMOLECULARES (composiciones basadas en monómeros polimerizables C08F, C08G; pinturas, tintas, barnices, colorantes, pulimentos, adhesivos C09; filamentos o fibras artificiales D01F; composiciones para el tratamiento de textiles D06). › Composiciones de celulosa, celulosa modificada o derivados de celulosa.

PDF original: ES-2384236_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Revestimiento de barrera térmica mejorado y de polvo de circonia estabilizado pre-aleado La presente invención se refiere a un método para la producción de un polvo de circonia estabilizado y pre-aleado para su uso en aplicaciones de pulverización térmica de revestimientos de barrera térmicos (TBC´s) y a materiales abrasibles a temperatura elevada de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Los revestimientos de barrera térmicos de circonia estabilizada con itria aleada se usan para muchas aplicaciones en los motores de las turbinas modernas. Un método preferido para la producción de TBC es por medio de pulverización térmica de un polvo de itria + circonia de composición apropiada con el fin de producir un revestimiento de la composición necesaria, microestructura y estructura de fase. De manera general, dichos polvos son denominados polvos YSZ. Los tipos de polvo preferidos convencionalmente son polvos secos por pulverización aglomerados a partir de partículas separadas de itria y circonia que posteriormente se densifican por medio de procesado a temperatura elevada o polvos formados por medio de fusión de itria y circonia y posteriormente machacando el material aleado.

El secado por pulverización constituye un método bien conocido de aglomeración de polvos usados para generar productos alimentarios y farmacéuticos además de los polvos de pulverización térmica (TS) . Los atributos clave de los productos secos por pulverización para la industria de TS son que presentan forma esférica, tiene un área superficial más elevada en comparación con los polvos machacados y fusionados y presentan densidad baja. Esto da lugar a polvos que ofrecen beneficios de poder fluir libremente y que se funden bien por medio del equipamiento convencional de pulverización térmica.

Típicamente, como en el caso de las cerámicas estabilizadas para aplicaciones de TBC, se mezclan las partículas finas (tales como las que presentan un tamaño medio de partícula de menos que aproximadamente 10 !m) de itria y circonia en agua con aglutinantes orgánicos y agentes de suspensión para formar una suspensión. Posteriormente, se seca esta suspensión por pulverización para crear partículas aglomeradas que se pueden aplicar usando varias técnicas de pulverización térmica para revestir un objeto. Un inconveniente del uso de materias primas de itria y circonia por separado es que puede dar lugar a in-homogeneidad química de las partículas de polvo. Incluso cuando la concentración bruta de la suspensión de partida resulta correcta, determinados factores tales como las distribuciones de tamaño de partícula relativo, métodos de mezcla, disposición y métodos de secado por pulverización, entre otros, pueden conducir a una distribución no uniforme de los constituyentes en las partículas secadas por pulverización. Con el fin de conseguir estabilidad de fase, el revestimiento final debe contener una aleación de itria y circonia. En el caso de los polvos secos por pulverización, la aleación tiene lugar durante el proceso de pulverización térmica o mediante procesado adicional del polvo después del secado por pulverización pero antes de la pulverización térmica.

Cao et al (Journal of the European Ceramic Society, 20 (2000) 2433-2439) describe el secado por pulverización de circonia estabilizada y pre-aleada (3YSZ) para revestimiento por pulverización por plasma.

El documento US-A-3617358 describe un proceso para formar un revestimiento que comprende secar por pulverización un forro que contiene partículas finas de un material de pulverización por llama y un aglutinante para formar partículas de agregado secadas por pulverización que presentan resistencia al machacado específica, hacer pasar estas partículas secadas por pulverización al interior de una zona de calentamiento, calentar las partículas hasta al menos la condición de reblandecimiento por calor en la zona y propeler las partículas calentadas sobre una superficie.

El documento US-A-6 071 554 se refiere a un proceso para formar un electrodo para un elemento de sensor cerámico por medio de metalizado sin electrodo y describe la preparación de un elemento de sensor de oxígeno mezclando 100 moles de ZrO2 y 5 moles de Y2O3 en un proceso en húmedo, calcinar esta suspensión a 1300 ºC, añadir agua y posteriormente moler la suspensión en un molino de bolas. Tras la adición del aglutinante, posteriormente se seca la suspensión para experimentar granulado. Se comprime el material granulado por medio de un proceso en prensa de caucho para forma una cubeta. A continuación, se sinteriza este cuerpo con forma de cubeta a 1500 ºC durante 3 horas.

Se puede conseguir la aleación durante el proceso de pulverización mediante la aplicación del polvo usando una pistola de pulverización térmica de temperatura elevada, tal como una pistola de plasma, con el fin de garantizar que el polvo se funda y, escogiendo el entorno de pulverización apropiado para garantizar que el polvo dispone del tiempo para experimentar aleación antes de que tenga lugar el enfriamiento cuando el polvo impacta con la superficie objeto de revestimiento. Un problema con la aleación durante la pulverización térmica es que puede ocurrir que la aleación no sea consistente debido a la in-homogeneidad del polvo, calor o tiempo de residencia insuficientes durante el proceso de pulverización, o variaciones en el proceso de pulverización. Además, la distribución no uniforme de los constituyentes en las partículas secadas por pulverización puede dar lugar a variaciones en cuanto a la composición del revestimiento aplicado. Además, los polvos secos por pulverización con las partículas de itria y circonia individuales de 10 !m de tamaño también resultan difíciles de alear. Esta distribución no uniforme y el tratamiento del polvo puede dar lugar a microestructuras no homogéneas en el revestimiento aplicado que presentan un rendimiento de ciclado mecánico y térmico pobre o al menos inconsistente.

Como resultado de ello, incluso aunque los polvos secados por pulverización anteriormente descritos ofrecen determinadas ventajas de pulverización térmica, estas ventajas pueden ser compensadas, en algunas circunstancias, por la composición inconsistente y el tratamiento de aleación de las partículas durante la pulverización.

Se puede eliminar la necesidad de alear el polvo durante la pulverización térmica llevando a cabo la etapa de aleación antes de la pulverización térmica. Las técnicas convencionales para lograrlo están basadas en la densificación por plasma o sinterización del polvo seco por pulverización. Una polvo densificado por plasma se encuentra actualmente disponible en Sulzer Metco 204CNS. De manera general, este polvo es también conocido en la industria como polvo HOSP. El citado pre-procesado elimina las variaciones de la aleación provocadas por el tratamiento inconsistente de las partículas durante el proceso de pulverización térmica. El pre-procesado también da lugar a un polvo estructuralmente más estable que reduce la ruptura de polvo antes de la pulverización térmica que podría evitar la aleación apropiada del polvo durante la pulverización.

No obstante, el método no evita inconsistencias procedentes de la in-homogeneidad estructural de cada partícula de polvo. El uso de la densificación por plasma o la sinterización añade un coste importante a la producción de polvo y esta etapa de procesado está todavía sometida a inconsistencias en la distribución de partículas individuales a partir del secado por pulverización. Como resultado de ello, dichos polvos todavía pueden producir revestimientos con propiedades inconsistentes.

Como alternativa a los polvos secados por pulverización y pre-procesados, se han usado polvos fusionados y machacados en el área de la pulverización térmica para aplicaciones de TBC. Se mezclan polvos individuales de itria y circonia y se fusionan usando una arco de inducción u otros procesos para producir briquetas de material fundido. A continuación se machaca la briqueta para producir polvo de tamaño deseada apropiado para pulverización térmica, generalmente entre 11 y 50 !m.

Los polvos machados y fusionados exhiben morfologías angulares e irregulares. Como resultado de ello, el uso de estos polvos puede provocar la alimentación de polvo inconsistente. Además, de manera general, las partículas son más densas y resultan más difíciles de fundir. Esto da lugar a una eficacia de deposición menor debido al calentamiento insuficiente de las partículas en el chorro de pulverización térmica.

Sumario de la invención... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un método para producir un polvo de circonia estabilizado y pre-aleado para su uso en aplicaciones de pulverización térmica de revestimientos de barrera térmica (TBC´s) y materiales abrasibles a alta temperatura, que se caracteriza por que comprende las etapas secuenciales de: alear circonia con un primer estabilizador en forma de itria y un estabilizador complementario adicional que se escoge entre el grupo de ceria, magnesia, iterbia, escandia, disprosia, neodimia y calcia, estando presente el estabilizador en una cantidad de 5 % a 25 % con respecto a circonia en peso, someter circonia estabilizada a formación de polvo, secar por pulverización el polvo de circonia estabilizado y aleado para producir un polvo de circonia estabilizado, pre-aleado y aglomerado.

2. El método de la reivindicación 1, en el que el tamaño medio de partícula del polvo de circonia estabilizado, prealeado y aglomerado se encuentra entre 11 y 150 !m.

3. El método de una de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el polvo de circonia estabilizado, pre-aleado y aglomerado comprende partículas esféricas, comprendiendo cada partícula esférica una pluralidad de sub-partículas que se mantienen juntas por medio de un aglutinante, en el que al menos una parte de las sub-partículas es sometida a aleación con uno de los estabilizadores.

4. El método de la reivindicación 3, en el que al menos una parte considerable de las sub-partículas presenta un tamaño de no más que aproximadamente un orden de magnitud menor que el tamaño medio de partícula del polvo de circonia estabilizado, pre-aleado y aglomerado y siendo el tamaño medio de partícula de las sub-partículas de circonia estabilizadas y aleadas de no más que 10 !m.

5. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el estabilizador se encuentra presente en una cantidad de 6 % a 10 % en peso, en particular de aproximadamente 8 % en peso, con respecto a circonia.


 

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