SISTEMA DE RECUBRIMIENTO.
Sistema de recubrimiento compuesto por un sustrato (4) basado en níquel o cobalto,
una capa de conexión (7) metálica, que se compone (en % de peso) del 24% - 26% de cobalto, en especial 25% de cobalto, del 16% - 18% de cromo, en especial 17% de cromo, del 9% al 11% de aluminio, en especial 10% de aluminio, del 0,3% - 0,5% de itrio, en especial 0,4% de itrio, del 1% - 2% de renio, en especial 1,5% de renio, el resto de níquel, una capa de óxido de circonio estabilizada como capa cerámica (10) interior sobre la capa de conexión (7) metálica, sobre la que se dispone de una capa cerámica (13) exterior, que se compone al menos en un 80% de peso del pirocoloro Gd2Zr2O7
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E05007225.
Solicitante: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT.
Nacionalidad solicitante: Alemania.
Dirección: WITTELSBACHERPLATZ 2,80333 MUNCHEN.
Inventor/es: SCHUMANN,ECKART, SUBRAMANIAN,RAMESH, KAISER,AXEL DR.
Fecha de Publicación: .
Fecha Solicitud PCT: 1 de Abril de 2005.
Fecha Concesión Europea: 16 de Junio de 2010.
Clasificación PCT:
- C23C28/00 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 (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; metalización del vidrio C03C; metalización de piedras artificiales, cerámicas o piedras naturales C04B 41/00; esmaltado o vidriado de metales C23D; tratamiento de superficies metálicas o revestimiento de metales mediante electrolisis o electroforesis C25D; crecimiento de monocristales C30B; mediante metalización de textiles D06M 11/83; decoración de textiles por metalización localizada D06Q 1/04). › 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.
Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.
Fragmento de la descripción:
Sistema de recubrimiento.
La invención se refiere a un sistema de recubrimiento conforme a la reivindicación 1.
Un sistema de recubrimiento de este tipo presenta un sustrato con una aleación metálica sobre la base de níquel, cobalto o hierro.
El documento EP 1 514 593 A1 hace patente una pieza constructiva con una capa de protección calorífuga, sobre cuya superficie se encuentra una capa de protección calorífuga sobre una capa de agente adherente (aleación McrAlY), en donde una región superior de la capa de protección calorífuga se compone de Nd2Hf2O7 o La2Zr2O7.
El documento US 2001/007719 A1 hace patente la utilización de pirocloro en la estructura A2B2O7, en donde A puede ser La o Gd y B puede ser Zr o Hf.
El documento US 2004/180233 A1 hace patente una capa de agente adherente de McrAlY con 15% al 35% de cromo, 7% al 18% de aluminio, del 0% al 20% de renio, del 24% al 26% de cobalto, itrio y el resto de níquel.
Estos productos sirven sobre todo como pieza constructiva de una turbina de gas, en especial como álabes de turbina de gas o escudos térmicos. Las piezas constructivas están sometidas a una corriente de gas caliente de gases de combustión agresivas. Por ello deben poder resistir elevadas cargas térmicas. Asimismo es necesario que estas piezas constructivas sean resistentes a la oxidación y corrosión. Sobre todo en piezas constructivas móviles, por ejemplo, álabes de turbina de gas, pero también en piezas constructivas estáticas deben aplicarse además requisitos mecánicos. La potencia y el grado de eficacia de una turbina de gas, en la que se utilizan piezas constructivas sometidas a gas caliente, aumentan conforme aumenta la temperatura de funcionamiento. Para conseguir un elevado grado de eficacia y una elevada potencia se recubren componentes de las turbinas de gas, especialmente sometidos a las elevadas temperaturas, con un material cerámico. Este actúa como capa de protección calorífuga entre la corriente de gas caliente y el sustrato metálico.
Antes de la agresiva corriente de gas caliente se protege el cuerpo base metálico mediante recubrimientos. Con ello las piezas constructivas modernas presentan casi siempre varios recubrimientos, que cumplen en cada caso tareas específicas. De este modo se dispone de un sistema multi-capa.
Debido a que la potencia y el grado de eficacia de turbinas de gas aumentan conforme aumenta la temperatura de funcionamiento, se ha intentado una y otra vez, mediante la mejora del sistema de recubrimiento conseguir una mayor potencia de turbinas de gas.
El documento EP 0 944 746 B1 hace patente la utilización de pirocloros como capa de protección calorífuga.
Sin embargo, para el uso de un material como capa de protección calorífuga no sólo se necesitan buenas características de protección calorífuga, sino también una buena conexión al sustrato.
El documento EP 0 992 603 A1 hace patente una capa de protección calorífuga de óxido de gadolinio y óxido de circonio, que no debe presentar ninguna estructura de pirocloro.
Por ello la misión de la invención consiste en indicar un sistema de recubrimiento, que presente buenas características de protección calorífuga así como una buena conexión al sustrato y con ello una larga vida útil de todo el sistema de recubrimiento.
La invención se basa en el reconocimiento de que todo el sistema debe contemplarse como unidad y no deben contemplarse y optimizarse capas aisladas o capas aisladas entre sí de forma aislada entre ellas, para conseguir una larga vida útil.
La misión es resuelta mediante un sistema de recubrimiento conforme a la reivindicación 1.
En las reivindicaciones subordinadas se mencionan otras medidas ventajosas, que pueden combinarse a voluntad de forma y modo ventajosos.
Aquí muestran
la figura 1 un sistema de recubrimiento conforme a la invención,
la figura 2 un álabe de turbina,
la figura 3 una turbina de gas.
La figura 1 muestra un sistema de recubrimiento 1 conforme a la invención.
El sistema de recubrimiento 1 se compone de un sustrato metálico 4, que en especial para piezas constructivas a temperaturas elevadas se compone de una super-aleación basada en níquel o cobalto.
Directamente sobre el sustrato 4 se dispone de una capa de conexión 7 metálica, que se compone del 11% - 13% en peso de cobalto, del 20% - 22% en peso de cromo, del 10,5% - 11,5% en peso de aluminio, del 0,3% - 0,5% en peso de itrio, del 1,5% - 2,5% en peso de renio y el resto de níquel o bien del 24% - 26% en peso de cobalto, del 16% - 18% en peso de cromo, del 9,5% - 11% en peso de aluminio, del 0,3% - 0,5% en peso de itrio, del 0,5% - 2% en peso de renio y el resto de níquel.
Sobre esta capa de conexión 7 metálica se ha creado, antes de la aplicación de capas cerámicas adicionales, una capa de óxido de aluminio o durante el funcionamiento se produce una capa de óxido de aluminio de este tipo.
Sobre la capa de conexión 7 metálica o sobre la capa de óxido de aluminio (no representada) se dispone de una capa de óxido de circonio, estabilizada por completo o parcialmente, como capa cerámica 10 interior. De forma preferida se utiliza óxido de circonio estabilizado con itrio. También puede utilizarse óxido de calcio, óxido de cerio u óxido de hafnio para estabilizar el óxido de circonio.
El óxido de circonio se aplica de forma preferida como capa inyectada con plasma, pero también puede aplicarse como estructura columnar mediante vaporización por haz de electrones.
Sobre la capa de óxido de circonio 10 estabilizada se ha aplicado una capa 13 cerámica exterior, que en su mayor parte se compone de una fase de pirocloro, es decir presenta al menos un 80% en peso de fase de pirocloro y se compone de Gd2Hf2O7 o Gd2Zr2O7. De forma preferida la capa exterior 13 se compone al 100% en peso de una de las dos fases de pirocloro.
A este respecto no se han contemplado fases amorfas o GdO2 puro o ZrO2 puro o HfO2 puro. Las fases mixtas de GdO2 y ZrO2 o HfO2, que no presentan fase de pirocloro, son indeseables y deben minimizarse.
Lo fundamental de la invención es el reconocimiento de que no sólo se optimiza la interacción mutua entre la capa cerámica 13 exterior y una capa cerámica 10 interior, sino que también la capa de conexión 7 metálica tiene una influencia fundamental en la vida útil y el funcionamiento de la capa cerámica 13 exterior de esta estructura cerámica de dos capas.
La figura 2 muestra en una vista en perspectiva un álabe de paleta 120 o un álabe guía 130 de una turbina, que se extiende a lo largo de un eje longitudinal 121.
La turbina puede ser una turbina de gas de un avión o de una central para generar electricidad, una turbina de vapor o un compresor.
El álabe 120, 130 presenta a lo largo del eje longitudinal 121, consecutivamente, una región de fijación 400, una plataforma de álabe 403 adyacente así como una hoja de álabe 406.
Como álabe guía 130 el álabe 130 puede presentar en su punta de álabe 415 otra plataforma (no representada).
En la región de fijación 400 está formado un pie de álabe 183, que sirve para fijar los álabes guía 120, 130 a un árbol o un disco (no representado).
El pie de álabe 183 está configurado por ejemplo como cabeza de martillo. Son posibles otras configuraciones como soporte cónico estriado o pie de cola de milano.
Los álabes 120, 130 presentan para un medio, que circula a lo largo de la hoja de álabe 406, una arista de corriente de ataque 409 y una arista de corriente de arrastre 412.
En el caso de álabes usuales 120, 130 se utilizan en todas las regiones 400, 403, 406 de los álabes 120, 130 por ejemplo materiales metálicos macizos, en especial superaleaciones.
Estas superaleaciones se conocen por ejemplo del documento EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 o WO 00/44949; estos documentos forman parte del manifiesto con relación a la composición química de la aleación.
Los álabes 120, 130 pueden estar aquí fabricadas mediante un procedimiento de fundición, también mediante solidificación dirigida,...
Reivindicaciones:
1. Sistema de recubrimiento compuesto por un sustrato (4) basado en níquel o cobalto, una capa de conexión (7) metálica, que se compone (en % de peso) del 24% - 26% de cobalto, en especial 25% de cobalto, del 16% - 18% de cromo, en especial 17% de cromo, del 9% al 11% de aluminio, en especial 10% de aluminio, del 0,3% - 0,5% de itrio, en especial 0,4% de itrio, del 1% - 2% de renio, en especial 1,5% de renio, el resto de níquel, una capa de óxido de circonio estabilizada como capa cerámica (10) interior sobre la capa de conexión (7) metálica, sobre la que se dispone de una capa cerámica (13) exterior, que se compone al menos en un 80% de peso del pirocoloro Gd2Zr2O7.
2. Sistema de recubrimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el Gd2Zr2O7 se sustituye por Gd2Hf2O7.
3. Sistema de recubrimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa de conexión metálica se sustituye por una capa de conexión (7) metálica con la composición (en % de peso) del 11% - 13% de cobalto, en especial 12% de cobalto, del 20% - 22% de cromo, en especial 21% de cromo, del 10,5% al 11,5% de aluminio, en especial 11% de aluminio, del 0,3% - 0,5% de itrio, en especial 0,4% de itrio, del 1,5% - 2,5% de renio, en especial 2,0% de renio y el resto de níquel.
4. Sistema de recubrimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa de conexión metálica se sustituye por una capa de conexión (7) metálica con la composición (en % de peso) del 29% - 31% de níquel, en especial 30% de níquel, del 27% - 29% de cromo, en especial 28% de cromo, del 7% al 9% de aluminio, en especial 8% de aluminio, del 0,5% - 0,7% de itrio, en especial 0,6% de itrio, del 0,6% - 0,8% de silicio, en especial 0,7% de silicio y el resto de cobalto.
5. Sistema de recubrimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa de conexión metálica se sustituye por una capa de conexión (7) metálica con la composición (en % de peso) del 27% - 29% de níquel, en especial 28% de níquel, del 23% - 25% de cromo, en especial 24% de cromo, del 9% al 11% de aluminio, en especial 10% de aluminio, del 0,5% - 0,7% de itrio, en especial 0,6% de itrio, el resto de cobalto.
6. Sistema de recubrimiento según la reivindicación 1, que presenta una capa de óxido de aluminio (10) sobre la capa de conexión (7) metálica.
7. Capa según la reivindicación 1 ó 6, en la que la capa de óxido de circonio estabilizada está inyectada con plasma.
8. Capa según la reivindicación 1 ó 6, en la que la capa de óxido de circonio es una capa de óxido de circonio estabilizada parcialmente.
9. Capa según la reivindicación 1 ó 6, en la que óxido de circonio parcialmente estabilizado está inyectado con plasma.
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