ES2201573T3

ES2201573T3 - Estructura de ceramica para capa de aislamiento termico.

Info

Publication number: ES2201573T3
Application number: ES98967035T
Authority: ES
Inventors: Gillion Herman Marijnissen; Astrid Helennia Francoise Van Lieshout; Gerardus Johannes Ticheler; Hendrikus Jacobus Maria Bons; Michiel Leendert Ridder
Original assignee: Sulzer Metco Coatings BV
Current assignee: Sulzer Metco Coatings BV
Priority date: 1997-12-09
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2004-03-16
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: ATE243782T1; US6455173B1; WO1999035306A2; WO1999035306A3; DE69815885T2; US5876860A; EP1038051B1; EP1038051A2; PT1038051E; DE69815885D1; DK1038051T3

Abstract

Un recubrimiento cerámico que forma parte del sistema del recubrimiento con la barrera térmica y se compone de: una primera capa cerámica que tiene una microestructura del grano por lo general columnar con la primera dirección de la orientación del grano; y una segunda capa dispuesta sobre la primera y que tiene una microestructura del grano por lo general columnar con una diferente dirección de la orientación del grano.

Description

Estructura cerámica de recubrimiento con barrera térmica.

La presente invención está relacionada con los recubrimientos de protección de artículos metálicos y más en particular con un acabado final cerámico perfeccionado de un sistema de recubrimiento con barrera térmica para los substratos de superaleación.

Durante el funcionamiento de un motor con turbina de gas, los componentes de la sección caliente, tales como la cámara de combustión a presión, pala de la turbina y superficies de sustentación del aspa, marcos de turbina y toberas de salida están sujetos a la acción del gas efluente de combustión en temperatura alta, oxidante y corrosiva. Como estos componentes están a menudo sujetos al mismo tiempo a la tensión de gran magnitud producida, térmica o mecánicamente, por inducción, se ha desarrollado una variedad de técnicas en el diseño y fabricación de estos componentes para asegurar el mantenimiento de la integridad estructural y metalúrgica a lo largo del funcionamiento del motor. Por ejemplo, los componentes normalmente se fabrican de composiciones de materiales como superaleaciones de níquel y cobalto que tienen propiedades necesarias en las elevadas temperaturas durante el funcionamiento del motor. En el caso de las palas de turbinas, la aleación seleccionada por lo general está formada mediante colada. Para la fuerza de la alta temperatura realzada, la estructura de grano puede ser controlada eficazmente durante la solidificación de la colada para producir una estructura solidificada de manera direccional o de cristal sencillo, proporcionando por tanto mayor fuerza a la determinada composición de la aleación.

En adición al realce de la fuerza de los componentes mediante la selección de la composición de la aleación y el control del proceso de colada, se emplean de manera extensiva los esquemas de enfriamiento, tanto internos como externos, para mantener las temperaturas de los componentes por debajo de los niveles críticos. La refrigeración por película líquida, hecha a la medida, de las superficies externas y la sofisticada refrigeración por flujo turbulento de las cavidades internas en forma de serpentina en las palas moldeadas por colada se utilizan normalmente en los diseños avanzados de los motores con turbina de gas respectivamente para disminuir la entrada de la energía térmica al componente determinado y reducir la subida de su temperatura. A pesar de los esfuerzos encaminados para optimizar estos diversos métodos, tanto por separado como combinados, la eficacia del motor avanzado con turbina de gas está limitada por la incapacidad de los componentes de la sección caliente de conseguir períodos aceptables de vida útil operativa bajo la aumentada carga mecánica y térmica.

Un método adicional empleado por los expertos en la técnica del diseño de los motores con turbinas de gas consiste en el uso de una capa cerámica aislante exterior, relativamente fina, sobre las superficies expuestas al flujo del gas efluente. El recubrimiento cerámico facilita el funcionamiento de los componentes en temperaturas operativas más altas. Este recubrimiento, conocido por lo general en la industria como el recubrimiento con la barrera térmica ("TBC"-thermal barrier coating, en inglés), protege eficazmente el substrato del componente de las temperaturas extremas. Mediante la reducción de la aportación de la energía térmica al componente, las temperaturas más altas de la combustión del gas efluente y/o el uso más eficaz de los flujos de refrigeración se consiguen con el resultante aumento de la eficacia operativa del motor.

Los recubrimientos cerámicos convencionales tienen tendencia a la delaminación en la interfase entre la cerámica y el substrato, o cerca de la misma, debido a las diferencias en coeficientes de la expansión térmica entre la cerámica relativamente frágil y el substrato de superaleación más dúctil. La cerámica puede astillarse o desprenderse de la superficie del componente. Este mecanismo fallido se agrava y su función se acelera en las condiciones de ciclos térmicos inherentes al funcionamiento del motor con turbina de gas. Con el fin de prevenir el fallo prematuro de la cerámica, se han desarrollado métodos que proporcionan los recubrimientos cerámicos con tolerancia a la deformación. Ciertas aplicaciones de servicios moderados emplean capas de cerámica porosa o con principio de grietas. En circunstancias de funcionamiento más duras, tales como las que se encuentran en los motores avanzados con turbinas de gas, la técnica utiliza cristal cerámico columnar abierto con tolerancia a la deformación o microestructuras de grano, tales como las que están descritas en la Patente U.S. Nº 4.321.311 de Strangman, cuya presentación está incorporada en el presente documento por referencia. Estas microestructuras de grano columnares tienen por lo general una orientación del grano paralela y están dispuestas en una dirección normal, perpendicular a la superficie del substrato. Se considera que estas estructuras proporcionan la tolerancia a la deformación perfeccionada debido a la naturaleza separada de los granos columnares que forman espacios intercolumnares entre los mismos.

Se ha prestado también una atención especial al uso de una capa de recubrimiento intermedia o adherida dispuesta entre el substrato y la capa de cerámica. Para la capa adherida se utiliza una composición diseñada tanto a incrementar la fuerza de adherencia química entre el acabado final cerámico y el substrato de metal como para que sirva como una capa protectora para el caso de una pérdida prematura del acabado final cerámico.

Actualmente existen dos clases principales de las composiciones del recubrimiento adherente utilizadas convencionalmente en los sistemas multicapa del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de este tipo. Un tipo del recubrimiento adherente metálico típicamente especificado por los diseñadores de los motores con turbina de gas se conoce como la aleación McrAlY, donde la M es hierro, cobalto, níquel o sus mezclas. Los otros constituyentes principales, en concreto cromo, aluminio e Itrio, están representados por sus símbolos elementales. Como se utiliza en este caso, el símbolo químico "Y" significa el uso de Itrio así como de otros elementos reactivos relacionados, tales como circonio, lantano y sus mezclas. Un recubrimiento adherente MCrAlY convencional está descrito en la Patente U.S. Nº 4.585.481 de Gupta et al., cuya presentación está incorporada en el presente documento por referencia. Recubriendo un substrato de superaleación, el recubrimiento adherente MCrAlY se aplica primero al substrato por un método como la deposición física en fase de vapor ("PVD"-physical vapor deposition, en inglés) o mediante la pulverización por plasma.

La clase MCrAlY de aleaciones es característicamente muy resistente a la oxidación en temperaturas elevadas que se producen en la sección de los componentes calientes debido a su capacidad de formar un fino y adherente film protector exterior de óxido de aluminio o alúmina. Como se utiliza aquí, el término "alúmina" significa predominantemente óxido de aluminio que puede ser alterado por la presencia de elementos reactivos que pueden contener, por ejemplo, óxido de Itrio u óxido de circonio. Aparte de proporcionar protección, el film de alúmina también proporciona una superficie compatible químicamente sobre la que se puede colocar el acabado final cerámico aislante. Como saben los expertos en la técnica, el acabado final más frecuentemente utilizado es el óxido de circonio o circona, estabilizado parcial o totalmente mediante la adición de óxidos de Itrio, magnesio o calcio. La circona estabilizada, de estructura columnar, abierta convencionalmente, se sitúa sobre el film de alúmina mediante la deposición física en fase de vapor (PVD) durante la cual el componente que se va a recubrir se hace girar a una velocidad constante en un vapor cerámico en una cámara de vacío. Se considera por lo general que este sistema de recubrimiento presenta una integridad perfeccionada bajo condiciones térmicas cíclicas en comparación con los recubrimientos cerámicos dispuestos directamente sobre el substrato metálico, proporcionando por lo tanto la pretendida protección aislante al artículo subyacente durante un período de tiempo extendido.

Otro tipo del recubrimiento adherente metálico rutinariamente especificado por los entendidos en la técnica incluye un tipo de materiales conocidos como aluminiuros. Estas son composiciones populares para los componentes de los motores con turbina de gas e incluyen los aluminiuros modificados de níquel, cobalto y hierro así como los aluminiuros modificados de platino. Por lo general, los aluminiuros son fases intermedias o compuestos intermetálicos con las propiedades físicas, químicas y mecánicas sustancialmente diferentes de los recubrimientos adherentes MCrAlY, más convencionales. Algunas composiciones de aluminiuros se conocen como recubrimientos útiles en sí mismos para la protección de las aleaciones hechas en base a hierro, cobalto y níquel de la oxidación y corrosión, sin embargo, algunos aluminiuros pueden ser utilizados como recubrimiento adherente para el acabado final cerámico en los sistemas del recubrimiento con la barrera térmica (TBC),

El sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) es similar al sistema TBC basado en MCrAlY a tal grado hasta cuando se forme primero el recubrimiento adherente de aluminiuro en la superficie del substrato mediante los procesos de difusión convencional tales como cementación en paquete según está descrito por Duderstadt et al. en la Patente U.S. Nº 5.238.752 y por Strangman en la publicada Solicitud de la Patente del Reino Unido GB 2.285.632A, cuyas revelaciones están incorporadas en el presente documento por referencia. De acuerdo con este método, el aluminio del gas halogenuro de aluminio en la mezcla compacta reacciona y se interdifunde con la superficie del substrato durante un período de tiempo en temperatura elevada. Strangman comenta la producción de los recubrimientos adherentes de aluminiuro, por ejemplo, haciendo reaccionar el substrato del artículo de superaleación de níquel, hierro o cobalto con un vapor rico en aluminio en temperatura elevada. Strangman se refiere exclusivamente al término "aluminiuro de difusión" como característico del recubrimiento adherente resultante. Esta caracterización corresponde exactamente al método de producción del recubrimiento adherente de aluminiuro, concretamente por difusión. Como resultado del método de difusión, el recubrimiento adherente de aluminiuro contiene níquel, hierro o cobalto del substrato del componente que se va a recubrir, dependiendo del constituyente principal del substrato de superaleación. Más aún, muchos de los elementos base de aleación del substrato también están incluidos en el producto de la reacción, aluminiuro, formado en la superficie del artículo. El artículo recubierto con aluminiuro tiene una composición de superficie que forma con facilidad un film protector de alúmina cuando se oxida. El acabado final cerámico columnar de composición y estructura convencional, como el descrito anteriormente, completa el sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC).

Recientemente se ha desarrollado un nuevo recubrimiento adherente metálico del que se piensa que supera las limitaciones inherentes de los recubrimientos adherentes convencionales como MCrAlY y de aluminiuro. El recubrimiento adherente MAlY, donde la M representa níquel, cobalto, hierro o sus mezclas y la Y es Itrio u otro elemento reactivo, está presentado en la Solicitud de la Patente U.S. Nº 08/597.841, cuyo contenido está incorporado en el presente documento por referencia. Entre los elementos reactivos se encuentran circonio, hafnio, escandio o cualquiera de los lantánidos (es decir, número atómico 57-71, inclusive) o bien sólo o en forma de sus mezclas. El sistema de recubrimiento con la barrera térmica (TBC) que incorpora el recubrimiento adherente MAlY, la capa de alúmina y el acabado final cerámico columnar dispuesto sobre el artículo de superaleación basada en níquel o cobalto, está considerado como menos propenso a la degradación y fallos que los sistemas del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) que utilizan los recubrimientos adherentes arriba comentados. La resistencia de la conexión o adherencia entre el recubrimiento adherente MAlY y el film de alúmina está mejorada en comparación con los revestimientos adherentes convencionales de aluminiuro y MCrAlY mediante el control del porcentaje del peso de los constituyentes. Además, excluyendo específicamente el cromo del revestimiento adherente, la estabilidad difusional del revestimiento adherente MAlY libre de cromo resulta esencialmente mejorado en comparación con el revestimiento adherente convencional, MCrAlY. Como resultado, el revestimiento adherente MAlY proporciona una reducción sustancial de la difusión de los constituyentes aleados del substrato a través del recubrimiento adherente MAlY, y el mantenimiento de una fuerte unión entre MAlY y alúmina resistente a la degradación como función del tiempo en temperatura elevada, con una mejora concomitante en la integridad del acabado final cerámico. Más aún, la unión entre MAlY y alúmina es más fuerte que la de la unión convencional modificada entre aluminiuro y alúmina. Adicionalmente, el índice de crecimiento del film de alúmina está reducido por la presencia de Itrio u otro elemento reactivo y el efecto combinado presenta una mejora en comparación con los sistemas convencionales del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de aluminiuro.

Un recubrimiento adherente alternativo libre de cromo que incluye un constituyente de metal noble está presentado en la Solicitud de la Patente U.S. Serie Nº 09/174.864, cuyo contenido está incluido en el presente documento por referencia. El revestimiento adherente de metal noble incluye aluminio, metal noble, Itrio u otro elemento reactivo como circonio, hafnio, escandio o cualquiera de los lantánidos (es decir número atómico 57-71, inclusive) o bien sólo o en sus mezclas y el resto que es seleccionado de níquel, cobalto y hierro, o bien solo o en forma de sus mezclas. Tal como se utiliza aquí, el término "metal noble" se refiere a elementos resistentes a la corrosión, inactivos o inertes, en concreto: rutenio, rodio, paladio, plata, osmio, iridio, platino, oro y sus mezclas.

Mientras que los acabados finales cerámicos columnares han demostrado ser provechosos en el uso, muestran, sin embargo, ciertas características que de forma inherente limitan su rendimiento operativo y vida útil independientemente de la composición del recubrimiento adherente. Por ejemplo, como los acabados finales convencionales, cerámicos y columnares, tienen la dirección de orientación del grano que se extiende por lo general de forma perpendicular al substrato subyacente, los granos son relativamente inelásticos en la dirección normal y demuestran una resistencia limitada al impacto que resulta en rotura de la cerámica cuando estos granos entran en contacto con los de arena que se mueven a alta velocidad u otras materias extrañas adquiridas y liberadas durante el funcionamiento del motor. La erosión del acabado final cerámico puede asimismo resultar problemático debido a la orientación envoladiza de los granos columnares que están unidos a la capa de alúmina en un área de superficie pequeña en relación con su volumen. Por consiguiente, los granos normales, cerámicos y columnares, son débiles en la dirección tangencial o paralela al substrato, lo que trae como resultado el fallo en forma del astillado del frágil acabado final cerámico. La capa de alúmina subyacente, el recubrimiento adherente y el substrato metálico están sujetos a la agresión ambiental ya que los espacios intercolumnares o intersticios entre los granos columnares adyacentes admiten numerosos caminos abiertos para la entrada de las sales corrosivas y otros constituyentes perjudiciales del efluente de la combustión. Los acabados finales cerámicos columnares también añaden peso a los componentes lo que puede ser problemático especialmente para los componentes que giran a gran velocidad tales como palas de turbina donde el peso total y el equilibrio son parámetros críticos.

La vida útil de los artículos recubiertos está limitada por la integridad del recubrimiento con la barrera térmica (TBC). Cualquier sustancial agrietado, astillado, erosión o delaminación del acabado final cerámico es causa de preocupación. Los motivos de los fallos del sistema TBC son tangibles y costosos en el arreglo. Primero, el margen de la operación térmica debe de ser tomado en consideración en el diseño del motor con turbina de gas para excluir la posibilidad de las temperaturas excesivamente altas y fallos de los componentes de la sección caliente con el recubrimiento degradado con la barrera térmica. Mediante la limitación de los parámetros de combustión a menos de los que son estequiométricos, la posible eficacia del motor queda reducida con el aumento del consumo del combustible así como los niveles de los hidrocarburos no quemados y otros contaminantes. Además, los parámetros básicos del funcionamiento del motor están asumidos sobre la base de la existencia de los acabados finales cerámicos uniformes, y la vida útil del acabado final cerámico es a menudo significativamente más corta que la vida del componente subyacente. Esto significa que se debe retirar los motores del servicio para su mantenimiento en intervalos predeterminados, basados, por ejemplo sobre las horas del funcionamiento y los ciclos térmicos. La cámara de combustión a presión, la turbina y los módulos de escape se desmontan y los artículos recubiertos se retiran, se les deja al descubierto, se inspeccionan y se vuelven a recubrir. Se atribuyen costes significantes al hecho de no poder disponer de un avión o un motor. Además, costes directos sustanciales están asociados con la mano de obra, manejo de herramientas y los materiales que deben ser retirados y repuestos y con la reinstalación de los artículos afectados. Más aún, se imponen las retiradas imprevistas de los motores en cualquier momento cuando la inspección con introscopio de la configuración interior del motor descubre una degradación del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) fuera de los límites del campo de servicio predeterminado, interrumpiendo asimismo el funcionamiento y elevando los costes de mantenimiento.

El recubrimiento con la barrera térmica de los artículos superaleados incluye un acabado final cerámico que tiene por lo menos la primera capa cerámica que presenta una microestructura por lo general columnar de grano con la primera orientación de grano dispuesta sobre la misma y que tiene por lo general una microestructura columnar de grano con una dirección de la orientación de grano diferente. Se puede proporcionar capas cerámicas adicionales con las direcciones respectivas de orientación de grano según se desee. Las capas alternas pueden tener las direcciones de orientación de grano que son sustancialmente similares, creando una microestructura transversal de grano reproduciendo visualmente la forma espigada o en zigzag. Esta forma consiste en capas de granos columnares que son por lo general paralelas a los granos adyacentes dentro de una capa sencilla y que forma un ángulo con los granos columnares en la capa proximal. El ángulo de cada capa relativo a la superficie del substrato subyacente puede variar desde los valores cercanos a cero grados hasta los que se acercan hasta a 180 grados. El recubrimiento cerámico multicapa puede estar dispuesto directamente sobre el substrato de superaleación, o alternativamente, puede formar un acabado final según el sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) incorporando una capa de alúmina y un recubrimiento adherente de MAlY, MCrAlY, aluminiuro u otra composición.

El recubrimiento cerámico multicapa está formado con éxito mediante la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones ("EB-PVD"-electron beam physical vapor deposition, en inglés) en la que el artículo que vaya a ser recubierto está dispuesto en la cámara de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) en la primera orientación relativa al objetivo cerámico de la composición deseada. Las composiciones cerámicas ejemplares incluyen circonio y circonio estabilizado con Itrios, cerios, calcios, óxido de escandio, óxido de lantano o sus mezclas. Cuando el rayo de electrones vaporiza el objetivo, la primera capa cerámica está depositada en la superficie del artículo expuesto a la fuente del vapor. La microestructura resultante del grano columnar de la primera capa presenta una dirección de la orientación del grano relacionada con la orientación del artículo inicial. En lo sucesivo, el artículo se mueve a la segunda orientación relativa a la fuente del vapor cerámico y la segunda capa cerámica está depositada sobre la primera capa. Como la orientación del artículo relativa a la fuente ha cambiado, la microestructura del grano columnar resultante de la segunda capa cerámica presenta una dirección de la orientación del grano relacionada a la misma que es diferente que la dirección de la orientación del grano de la primera capa. Las capas adicionales pueden ser añadidas utilizando la misma metodología.

Los cambios en la orientación de los artículos puede obtenerse por rotación, traslación o sus combinaciones a lo largo de uno o más ejes ortogonales u oblicuos. Adicionalmente, el artículo no tiene porque permanecer necesariamente inmóvil durante de deposición de la capa cerámica sino que puede estar en movimiento. Por ejemplo, para recubrir una superficie compleja con la línea de contorno trazada como la superficie sustentadora de una pala de turbina, la pala puede girar en la nube de vapor.

Cambiando la orientación del artículo relativa a la fuente, el ángulo de la dirección de la orientación del grano respecto a la capa de cerámica producida puede variar. Adicionalmente, variando el tiempo durante el cual el artículo está mantenido en una orientación determinada durante la deposición del recubrimiento, el espesor de la capa cerámica y los largos de los granos allí contenidos pueden variar. Por consiguiente, el método de la invención puede utilizarse para depositar una altamente regular forma sustancialmente uniforme, espigada y transversal mediante intercambio de las orientaciones entre el primero y segundo artículo y permanencia o rotación durante períodos de tiempo equivalentes en cada orientación. Alternativamente, las formas no uniformes pueden ser producidas para conseguir propiedades hechas a medida que varían en función del espesor del recubrimiento cerámico y la profundidad. En las realizaciones alternativas, una o más capas cerámicas que tienen direcciones de orientación del grano situadas en un ángulo determinado pueden ser utilizadas en combinación con una o más capas cerámicas que tienen una dirección de orientación de grano normal.

Además, cambiando continuamente la velocidad de la reorientación del artículo de acuerdo con el ciclo de velocidad predeterminado, se puede formar granos columnares más arqueados o redondeados, por ejemplo reproduciendo una sustancialmente sinusoidal forma de onda. Además, añadiendo el segundo eje de reorientación, por ejemplo, en un plano perpendicular al del primer eje de reorientación, se pueden producir granos columnares más complejos, como granos helicoidales o granos que tienen ciertas tres características dimensionales como una torsión.

Una aplicación ejemplar de las capas de cerámica del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) incluye el uso de los artículos de superaleación de níquel y cobalto como los componentes de la sección caliente de los motores con turbina de gas. El substrato de superaleación puede ser recubierto con el recubrimiento adherente que tiene una afinidad con el substrato utilizando cualquiera de la variedad de los procesos tales como la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD), la fase de gas o cementación aluminizada de paquete, una simple deposición del vapor, física o química, de elementos reactivos sobre la superficie del recubrimiento convencional de aluminiuro, deposición física en fase de vapor (PVD) de iones o proyección catódica utilizando un cátodo prealeado de la composición deseada, y el vacío o pulverización por plasma de baja presión del polvo prealeado. Dependiendo del proceso, el artículo recubierto puede estar posteriormente sujeto al ciclo del procesamiento térmico del recubrimiento de adherir metalúrgicamente el recubrimiento adherente al substrato del artículo. Una capa intermedia de alúmina está formada en el recubrimiento adherente mediante un proceso convencional y el acabado final cerámico multicapa se aplica por completo. Alternativamente, el acabado final cerámico multicapa puede ser formado directamente sobre la superaleación u otro substrato.

La invención, de acuerdo con las realizaciones preferentes y ejemplares, junto con las demás ventajas de las mismas, está descrita más en particular en la siguiente descripción detallada tomada conjuntamente con los dibujos que la acompañan en los que:

La Figura 1 es una vista esquemática, transversal, de un motor típico con turbina de gas presentando los componentes de la sección caliente apropiados para la aplicación del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de acuerdo con la realización de la presente invención;

La Figura 2 es una vista aumentada esquemática y transversal de una parte del artículo superaleado con el sistema del recubrimiento con la barrera térmica de acuerdo con la realización de la presente invención;

La Figura 3A es una vista aumentada esquemática y transversal de una parte del acabado final cerámico del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención;

La Figura 3B es una vista aumentada esquemática y transversal de una parte del acabado final cerámico del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de acuerdo con otra realización de la presente invención;

La Figura 3C es una vista aumentada esquemática y transversal de una parte del acabado final cerámico del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de acuerdo con otra realización de la presente invención;

La Figura 3D es una vista aumentada esquemática y transversal de una parte del acabado final cerámico del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de acuerdo con una realización más de la presente invención;

La Figura 4A es una vista esquemática transversal de la parte del aparato de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) para la producción del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de acuerdo con la realización de la presente invención;

La Figura 4B es una vista esquemática transversal de la parte del aparato de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) para la producción del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención;

La Figura 5A es una presentación gráfica de la dirección de la orientación del grano cerámico como función de la orientación del artículo presentando, por lo general, que el ángulo \alpha medido de la dirección de la orientación del grano tiende a ser menos agudo que el ángulo de la orientación del artículo, \theta;

La Figura 5B es una presentación gráfica del espesor de la capa cerámica, t, bajo condiciones constantes, como función el ángulo \theta de la orientación del artículo, demostrando, por lo general, que el espesor medido de la capa cerámica, T, para los ángulos de orientación más grandes que alrededor de treinta grados es consistente con las expectaciones del modelo, sugiriendo la correlación de las propiedades no mecánicas entre los recubrimientos cerámicos multicapa y los recubrimientos cerámicos convencionales columnares, dispuestos normalmente;

La Figura 6 es una representación gráfica de la conductividad térmica, \lambda, como función de la temperatura, T, presentando la conductividad ejemplar térmica reducida de un recubrimiento cerámico columnar multicapa y espigado comparado con el recubrimiento convencional, cerámico y columnar, dispuesto normalmente.

La Figura 7 es una representación gráfica de un ángulo de la reorientación del artículo como función del tiempo necesario para producir una estructura cerámica columnar regular de tipo espigado y para producir una estructura cerámica columnar arqueada de tipo sinusoidal.

La Figura 8 es una vista aumentada esquemática transversal de una porción del acabado final del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de acuerdo con otra realización alternativa de la presente invención; y

La Figura 9 es una vista aumentada esquemática y transversal de una porción del acabado final cerámico del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de acuerdo con otra realización alternativa de la presente invención.

En la Figura 1 está presentada una vista esquemática y transversal de un motor 10 típico turboventilador con turbina de gas mostrando los componentes de la sección caliente, agrupados por lo general en la parte 12, apropiados para la aplicación del acabado final cerámico multicapa del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de acuerdo con la realización ejemplar de la presente invención. Como mostrado, el motor 10 incluye, en una relación fluida serial desde la entrada hasta el escape, un marco de la entrada 14, un compresor de baja presión ("LPC"-low pressure compressor, en inglés) de dos fases o un ventilador 16, un compresor de alta presión ("HPC"-high pressure compressor, en inglés) de tres fases, 18, una turbina de alta presión de una sola fase ("HPT"-high pressure turbine, en inglés) 22, una turbina de baja presión ("LPT"-low pressure turbine, en inglés) 24, de dos fases, un marco de turbina 26 y una tobera de salida 28.

El aire comprimido saliente de un compresor de alta presión (HPC) 18 se mezcla con el combustible en la cámara de combustión a presión 20 y se enciende. La temperatura alta, el efluente de combustión de alta energía pasa a través de ambas, la turbina de alta presión (HPT) 22 y la turbina de baja presión (LPT) 24 donde la energía está extraída para conducir el compresor de alta presión (HPC) 18 y el ventilador 16. Cada fase de la turbina, por ejemplo la de la turbina de alta presión (HPT) 22, incluye un juego de aspas estacionarias de la turbina 30 y palas giratorias de la turbina 32 que giran dispuestas en una corriente efluente para optimizar el flujo de la orientación y la extracción de la energía. Después de pasar por el marco de la turbina 24 que soporta los componentes giratorios del motor 10, el efluente se mezcla con el flujo del ventilador y pasa a través de la tobera de salida 28 produciendo una fuerza neta o la propulsión que hace accionar el motor 10 hacia adelante.

Los componentes de la sección caliente 12 expuestos a altas temperaturas, efluente de combustión corrosiva, pueden ser recubiertos con el acabado final cerámico multicapa del sistema del recubrimiento de la barrera térmica (TBC) de acuerdo con las recomendaciones de esta invención, para proteger el substrato de superaleación de la temperatura excesiva así como de la oxidación durante el funcionamiento del motor.

En relación ahora con la Figura 2, se puede contemplar una vista esquemática transversal de una porción del artículo de superaleación 34, como la pared del ala de la pala de la turbina 32, recubierta con el acabado final cerámico multicapa del sistema del recubrimiento de la barrera térmica (TBC) de acuerdo con una realización ejemplar de la presente invención. La representación esquemática y el espesor relativo de cada capa del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) presentado en la Figura 2 están propuestos para fines ilustrativos solamente y de ninguna manera pretenden restringir el ámbito de la invención.

El artículo 34 de la Figura 2 incluye el substrato 36, cuya porción está presentada en el dibujo. El substrato 36 está preferentemente compuesto de una superaleación de níquel y cobalto, sin embargo, se considera que el acabado final cerámico multicapa de la presente invención puede ser apropiado para el uso con cualquier superaleación, substrato metálico, capa de alúmina o recubrimiento adherente con el que puede formar una unión adecuada. Para los fines de esta invención, la unión adecuada puede caracterizarse como una adherencia igual o superior a la que existe entre cualquier otra capa en el sistema del recubrimiento con la barrera térmica o entre cualquier capa en el recubrimiento cerámico multicapa.

Un recubrimiento adherente 38 de aluminiuro, MAlY o MCrAlY que tiene una composición deseada, se puede producir sobre el substrato 36. En una realización ejemplar, el recubrimiento adherente MAlY 38 tiene la composición de alrededor del 13 hasta el 30 por ciento del peso de aluminio, entre la traza y alrededor del 3 por ciento de peso del elemento reactivo como Itrio, circonio, lantano o escandio, o sus mezclas, constituyendo el resto el níquel, cobalto, hierro o sus mezclas. En una composición preferente, el recubrimiento adherente 38 incluye alrededor del 20 hasta el 22 por ciento del peso del aluminio, alrededor del 0,25 hasta el 0,4 por ciento del peso de Itrio, y el resto lo constituye el níquel. En ambos casos, el cromo se elimina a propósito del recubrimiento adherente 38 a pesar de que una cantidad insignificante, accidental, pueda quizás encontrarse en el mismo. El recubrimiento adherente 38 está preferentemente producido por medio de baja presión o pulverización por plasma en el vacío utilizando un polvo prealeado antes que los métodos de difusión convencional tales como la cementación en paquete. Un método ejemplar de pulverización por plasma está presentado, por ejemplo, en la Patente U.S. Nº de Referencia 33.876 de Goward et al., cuya divulgación está incorporada en este documento por referencia. Utilizando el método de pulverización por plasma, la composición del recubrimiento adherente 38 puede ser controlada mejor y la migración de los elementos básicos de la aleación desde el substrato 36 que, de otra manera, puede suponer un perjuicio para el recubrimiento adherente/adherencia de la alúmina, puede ser reducida de manera significante. Una zona de difusión 40, relativamente fina, se forma de manera inherente entre el recubrimiento adherente 38 y el substrato 36 sirviendo como soporte entre los mismos.

Debido a la naturaleza altamente reactiva del recubrimiento adherente MAlY 38 durante el funcionamiento del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC), el aluminio próximo a la expuesta superficie exterior del recubrimiento adherente 38 se oxida sustancialmente y de manera instantánea en cuanto esté expuesto a cualquier ambiente que contenga oxígeno o humedad en temperatura elevada, produciendo como resultado una fina capa del óxido de aluminio o alúmina 42. Esta capa oxidada también puede ser llamada película de alúmina o escama. Finalmente, el acabado final cerámico multicapa 44 está dispuesto sobre la película de alúmina 42 para conseguir las necesarias propiedades aislantes del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC). El acabado final cerámico columnar 44 está producido preferentemente mediante la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD), a pesar de que otras técnicas consistentes con la producción de la microestructura columnar pueden ser utilizadas si así se desea. Un método ejemplar de la deposición física en fase de vapor (PVD) y el aparato para la producción de los granos convencionales, normalmente dispuestos, está presentado en la Patente U.S. Nº 4.880.614 de Strangman et al., cuya divulgación está incorporada en el presente documento por referencia. Como se comentará con más detalle a continuación, en relación con las Figuras 4A y 4B, se emplea una manipulación cuidadosa del artículo de una manera predeterminada durante el recubrimiento para conseguir las deseadas direcciones de orientación en ángulo de los granos cerámicos.

El acabado final cerámico 44 incluye la primera capa 46A que presenta por lo general una microestructura de grano columnar que tiene los granos 48 ordenados regularmente en la primera dirección de orientación del grano. Cada grano 48 forma un ángulo incluido, \alpha, agudo, con una línea por lo general paralela a la superficie del substrato 36, o tangencial a la misma. Los granos 48 abiertos y columnares forman intersticios o huecos 50 entre los mismos lo que les da una deseada tolerancia a la deformación cuando el acabado final 44 se expande y adopta un tamaño diferente que el recubrimiento adherente subyacente 38 y el substrato 36 en un determinado cambio de temperatura. Los huecos 50 pueden extenderse hacia abajo, hasta la capa de alúmina 42 o pueden terminar a una pequeña distancia desde este lugar. Alternativamente, los huecos 50 pueden estar sustancialmente cerrados, señalando meramente los contornos de los granos.

El acabado final cerámico 44 incluye una segunda capa 46B en un contacto estrecho con la primera capa 46A. La segunda capa 46B incluye una pluralidad de granos columnares abiertos que pueden ser extensiones de los granos 48 de la primera capa 44A para que los huecos intercolumnares 50 de la primera capa 46A se extienda a través de la segunda capa 46B también. Como se puede ver fácilmente en la descripción, la segunda capa 46B presenta una microestructura del grano por lo general columnar que tiene los granos ordenados regularmente en la segunda dirección de orientación del grano diferente de la primera dirección de la orientación del grano. Cada grano forma un ángulo incluido, \beta, romo, con una línea por lo general paralela a la superficie del substrato 36, o tangencial a la misma, siendo el ángulo \beta medido en la misma dirección como el ángulo \alpha.

El acabado final cerámico 44 incluye la tercera capa 46C, exterior, que está en estrecho contacto con la segunda capa 46B. La tercera capa 46C incluye una pluralidad de granos abiertos columnares que pueden ser extensiones de los granos de la segunda capa 44B para que los huecos intercolumnares de la segunda capa 46B se extiendan a través de la tercera capa 46C también. Como se puede comprender con facilidad de la descripción, la tercera capa 46C presenta una microestructura del grano por lo general columnar teniendo los granos ordenados regularmente en la tercera dirección de la orientación de los granos, diferente de la segunda dirección de la orientación de los granos. Cada grano forma un ángulo incluido \delta, agudo, con una línea por lo general paralela a la superficie del substrato 36, o tangencial a la misma, siendo el ángulo \delta medido en la misma dirección que los ángulos \alpha y \beta.

Para el acabado final cerámico 44 presentado en la Figura 2, el espesor de cada capa o, alternativamente, el largo de cada grano en las capas es sustancialmente similar. Además, la dirección de la orientación del grano es sustancialmente similar. El acabado final resultante 44 presentado en la Figura 2 muestra una microestructura del grano columnar, muy regular, parecida a una espiga o a la forma de zigzag. Los granos 48 están presentados con los respectivos ángulos \alpha, \beta y \delta incluidos dentro de cada una de las capas 46A, 46B y 46C iguales a alrededor de 45 grados, 135 grados y 45 grados, respectivamente. Como se presentará con más detalle a continuación, la dirección de la orientación del grano y por consiguiente el ángulo incluido de los granos dentro de una capa determinada resulta de la orientación del substrato 36 relativo a la fuente del vapor cerámico durante el proceso de la deposición física en fase de vapor (PVD). El ángulo puede variar desde cerca de cero grados hasta cerca de 180 grados, según se desea. Se puede proporcionar un número menor o mayor de capas, cada una con el mismo o diferente espesor y con la misma o diferente dirección de la orientación del grano.

Mientras un modelo del acabado final cerámico altamente regular o simétrico como el que está presentado en la Figura 2 puede ser conveniente para algunas aplicaciones, se toman en cuenta realizaciones alternativas que pueden aportar propiedades perfeccionadas para aplicaciones específicas que conllevan una carga mecánica direccional del artículo recubierto. Ahora, las referidas Figuras 3A-3D, presentan en los respectivos dibujos vistas aumentadas, esquemáticas y transversales de una porción de cuatro acabados finales cerámicos del sistema del recubrimiento con la barrera térmica (TBC) de acuerdo con las realizaciones alternativas de la presente invención. Estos acabados finales pueden ser utilizados solos, en combinación con cualquier otra microestructura del acabado final presentada aquí mismo, incluidas algunas porciones de las mismas así como con las soluciones equivalentes y las variantes.

Mirando primero la Figura 3A, el acabado final cerámico 144 incluye por lo menos la primera capa 146A que presenta una microestructura del grano por lo general columnar que tiene los granos 148 ordenados regularmente en la primera dirección de orientación del grano. Cada grano 148 forma un ángulo incluido, \alpha, agudo, con una línea por lo general paralela o tangencial a la superficie del substrato subyacente. El acabado final 144 incluye una segunda capa 146B que está en un contacto estrecho con la primera capa 146A. La segunda capa 146B presenta una microestructura del grano por lo general columnar que tiene los granos ordenados de manera regular en la segunda dirección de orientación del grano diferente de la primera dirección de la orientación del grano. Cada grano forma un ángulo incluido, \beta, agudo, con una línea por lo general paralela o tangencial a la superficie del substrato subyacente. El ángulo agudo \beta está medido en la misma dirección que el ángulo \alpha y tiene el valor menor que el del ángulo \alpha. Como está presentado, el ángulo \alpha tiene el valor de alrededor de 60 grados y el ángulo \beta tiene el ángulo de alrededor de 30 grados. Una o más capas adicionales pueden estar dispuestas en la proximidad de la primera capa 146A y/o la segunda capa 146B con las direcciones de orientación del grano y espesores similares o diferentes. Por ejemplo, la tercera capa podría estar dispuesta en la proximidad de la segunda capa 146 y tener la dirección de la orientación del grano que forma un ángulo agudo o un ángulo romo en relación con la superficie del substrato subyacente.

La Figura 3B presenta un acabado final cerámico 244 que incluye por lo menos la primera capa 246A que demuestra una microestructura de grano por lo general columnar que tiene los granos 248 ordenados regularmente en la primera dirección de la orientación del grano. Cada grano 248 forma un ángulo incluido, \alpha, romo, con una línea por lo general paralela o tangencial en relación con la superficie del substrato subyacente. El acabado final cerámico 244 incluye la segunda capa 246B que está en un contacto estrecho con la primera capa 246A. La segunda capa 246B demuestra una microestructura del grano por lo general columnar que tiene los granos ordenador regularmente en la segunda dirección de orientación del grano diferente que la primera dirección de la orientación del grano. Cada grano forma un ángulo incluido, \beta, agudo, con una línea por lo general paralela o tangencial en relación a la superficie del substrato subyacente. El ángulo agudo \beta está medido en la misma dirección que el ángulo \alpha. Como se ha presentado, el ángulo \alpha tiene el valor de alrededor de 120 grados y el ángulo \beta tiene un ángulo de alrededor de 300 grados. Una o más capas adicionales pueden estar dispuestas en la proximidad de la primera capa 246A y/o la segunda capa 246B con las direcciones de orientación del grano y espesores similares o diferentes.

El acabado final cerámico 344 presentado en la Figura 3C incluye la primera capa 346A que demuestra una microestructura de grano por lo general columnar que tiene granos 348 ordenados regularmente en la primera dirección de orientación de grano. Cada grano 348 forma un sustancialmente normal ángulo incluido, \alpha, con una línea por lo general paralela o tangencial en relación con la superficie del substrato subyacente. El acabado final cerámico 344 incluye la segunda capa 346B en estrecho contacto con la primera capa 346A. La segunda capa 346B demuestra una microestructura del grano por lo general columnar que tiene los granos ordenados de manera regular en la segunda dirección de orientación del grano diferente de la primera dirección de la orientación del grano. Cada grano forma un ángulo incluido, \beta, con una línea por lo general paralela o tangencial en relación a la superficie del substrato subyacente. El ángulo romo \beta está medido en la misma dirección que el ángulo \alpha. Como se ha presentado, el ángulo \alpha tiene el valor de alrededor de 90 grados y el ángulo \beta tiene un ángulo de alrededor de 135 grados. Una o más capas adicionales pueden estar dispuestas en la proximidad de la primera capa 346A y/o la segunda capa 346B con las direcciones de orientación del grano y espesores similares o diferentes. Alternativamente, la primera capa 346A que presenta la dirección de orientación del grano normal puede ser la capa interior entre las varias capas del acabado final cerámico, estando dispuesta directamente sobre el substrato o sobre una capa adherente interpuesta y la capa de alúmina.

Finalmente, la Figura 3D presenta un acabado final cerámico 444 que incluye la primera capa 446A que demuestra una microestructura del grano por lo general columnar que tiene los granos 448 ordenados regularmente en la primera dirección de orientación del grano. Cada grano 448 forma un ángulo incluido, \alpha, romo, con una línea por lo general paralela o tangencial en relación con la superficie del substrato subyacente. El acabado final cerámico 444 incluye la segunda capa 446B en estrecho contacto con la primera capa 446A. La segunda capa 446B demuestra una microestructura del grano por lo general columnar que tiene los granos ordenados regularmente en la segunda dirección de la orientación del grano diferente que la primera dirección de la orientación del grano. Cada grano forma un ángulo incluido sustancialmente normal, \beta, con una línea por lo general paralela o tangencial en relación con la superficie del substrato subyacente. El ángulo normal \beta está medido en la misma dirección que el ángulo \alpha. Como se ha presentado, el ángulo \alpha tiene el valor de alrededor de 135 grados y el ángulo \beta tiene un ángulo de alrededor de 90 grados. Una o más capas adicionales pueden estar dispuestas en la proximidad de la primera capa 446A y/o la segunda capa 446B con las direcciones de la orientación del grano y espesores similares o diferentes. Alternativamente, la segunda capa 446B que presenta la dirección de la orientación del grano normal puede ser la capa exterior de entre todas las capas del acabado final cerámico, estando situada lejos del substrato y expuesta directamente al efluente de la combustión y otros gases ambientales y materias asociadas.

Un aparato ejemplar 52 de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) para la producción de los acabados finales cerámicos comentados anteriormente está presentado en la Figura 4A. Se puede hacer referencia a la Patente U.S. Nº 4.880.614 de Strangman et al. y la Patente U.S. Nº 5.238.752 de Duderstadt et al. en cuanto a las descripciones de la configuraciones generales del aparato convencional de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) cuyas divulgaciones están incorporadas en este documento por referencia. De acuerdo con la Figura 4A, el aparato 52 de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) incluye una cámara de vacío en la que está dispuesto un cañón de haz electrónico 54 para generar un haz de electrones de alta energía 56. El haz 56 está dirigido por los campos magnéticos u otro aparato de desviación (no está mostrado) para impactar la superficie de arriba del objetivo 58 que consiste en un lingote cerámico de la composición del acabado final deseado, por ejemplo circona. El material del objetivo está vaporizado, produciendo una nube de vapor que tiene una dirección, presentada por lo general en el punto 64, que impacta la superficie 62 que está situada enfrente de manera proximal perteneciente al artículo que va a ser recubierto. El artículo 34 está montado sobre un soporte móvil (no demostrado aquí) y puede incluir un recubrimiento adherente 38 y una capa de alúmina 42 dispuestos en el substrato 36 como se puede ver en la Figura 2. Cuando se impacta la superficie 62, el vapor cerámico se condensa formando una microestructura del grano columnar.

Orientando el artículo 34 en un ángulo, \theta, relativo a la dirección general de la nube del vapor 64, los resultantes granos columnares exhiben una dirección de orientación del grano correspondiente al ángulo \alpha, mostrado en la Figura 2. Por consiguiente, situando el artículo 34 en una posición cercana a la orientación de 45 grados relativos a la dirección de la nube del vapor 64 mostrada en la Figura 4A, se produce la primera capa de cerámica 46A mostrada en la Figura 2 que tiene la dirección de la orientación del grano de alrededor de 45 grados. El artículo 34 puede ser mantenido en esta orientación por un tiempo suficiente para crear la primera capa de cerámica 46A con el espesor deseado. El artículo 34 se mueve entonces a la segunda, diferente orientación relativa a la dirección de la nube del vapor 64, por ejemplo, girando el artículo 34 en la dirección de las agujas del reloj según se ha presentado con la línea interrumpida en la Figura 4A. El artículo 34 está mantenido en esta orientación durante el tiempo suficiente para que se forme la segunda capa de cerámica 46B con el espesor deseado. Para esta orientación del artículo, donde \theta se acerca a 135 grados, se produce la dirección resultante de la orientación del grano de alrededor de 135 grados, correlativa con la de la segunda capa de cerámica 46B de la Figura 2. Para depositar la tercera capa 46C y completar el regular acabado final cerámico 44 mostrado en la Figura 2, el artículo 34 está devuelto a la primera orientación donde \theta se acerca a 45 grados, o bien mediante la terminación del giro del artículo 34 en la dirección de las agujas del reloj o bien cambiando la dirección del giro, según se desee. Al artículo 34 permanece en esta orientación durante el tiempo necesario para que se forme la tercera capa de cerámica 46C con el espesor deseado. Para esta orientación del artículo, se produce la resultante dirección de la orientación del grano de alrededor de 45 grados, correlacionada con la dirección de la orientación de la tercera capa de cerámica 46C de la Figura 2. Un comentario más detallado de la correlación determinada empíricamente entre el ángulo de orientación del artículo, \theta, y el ángulo de la dirección de la orientación del grano, \alpha, está presentado a continuación en relación con la Figura 5A.

Cualquiera de las variedades de los sistemas de las posiciones del artículo (no mostrado) puede ser utilizada para situar el artículo 34 para que sea recubierto en la orientación deseada, relativa a la dirección de la nube de vapor cerámico 64. Un sistema ejemplar puede incluir un astil, en el que se monte el artículo 34, estando este astil conectado a un motor de velocidad gradual eléctrico, un servomecanismo hidráulico o una máquina motriz básica equivalente. Se puede proporcionar un bucle de realimentación posicional para asegurar la situación exacta del artículo 34. Adicionalmente, un controlador (no demostrado en los dibujos) programable puede ser utilizado de manera ventajosa para automatizar el control del tiempo del movimiento y los pasos de permanencia del método del recubrimiento para facilitar los resultados consistentes y reproducibles. Alternativamente, se puede proporcionar una manivela manual con límites angulares como una solución alternativa de bajo coste. Para el aparato 52 de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) presentado en la Figura 4A, el sistema de la colocación del artículo podría ser un astil giratorio que tiene un eje de rotación que pasa normalmente a través del plano de la figura. El artículo 34 permanece inmóvil en la primera orientación para formar la primera capa cerámica, se mueve a la segunda orientación y permanece inmóvil para formar la secunda capa cerámica, etc. Alternativamente, dependiendo de la velocidad de la deposición cerámica y el espesor de la capa deseado, el artículo no necesita permanecer totalmente inmóvil durante la deposición del recubrimiento, más bien puede continuar en movimiento, pero a una velocidad sustancialmente reducida en relación con la velocidad del movimiento durante la reorientación. En todavía otra realización, se puede mover el artículo repetidas veces hacia adelante y hacia atrás entre la primera y la segunda posición sin que permanezca en un solo sitio para formar cada vez más finas capas cerámicas de la orientación alterna del grano.

Mientras que un sistema simple de posición giratoria puede ser suficiente para reorientar artículos con formas geométricas y planas similares para someterlas al recubrimiento con el acabado final cerámico de múltiples capas como está demostrado en la Figura 4A, las formas geométricas con los contornos más complejos pueden requerir sistemas de colocación con grados de libertad adicionales, por ejemplo, los ejes múltiples ortogonales o asimétricos a lo largo de los cuales se puede realizar la rotación o traslación. Tales sistemas son disponibles comercialmente y pueden integrarse con facilidad en los aparatos de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD). Por ejemplo, en la Figura 4B, se presenta otro aparato ejemplar 152 de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) para la producción de los acabados finales cerámicos multicapa comentados anteriormente. El aparato ejemplar 152 de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) incluye una cámara de vacío 160, un cañón de haz electrónico 154 para generar un haz de electrones de alta energía 156 y un objetivo 158 que consiste de un lingote cerámico con la composición del acabado final deseado. El material que constituye el objetivo del proceso está vaporizado, produciendo una nube de vapor que tiene una dirección, indicada por lo general con el número 164, que impacta la superficie de enfrente situada de manera proximal 162 del artículo que va a ser recubierto. En consecuencia de impactar la superficie 162, el vapor cerámico se condensa formando una microestructura del grano columnar.

Para prevenir la acumulación de la condensación cerámica solamente en la superficie 162, el artículo 134 con el contorno determinado, como la superficie de las palas de turbina 32, puede girar alrededor de un eje de rotación, X, del mismo que está orientado en un ángulo, \theta, relativo a la dirección general de la nube del vapor 164. Los granos columnares resultantes exhiben una dirección de orientación del grano correspondiente por lo general al ángulo \theta relativo al substrato del artículo localmente. El artículo 134 gira con el eje X en la primera orientación durante el tiempo suficiente para formar la primera capa cerámica del espesor deseado. Entonces se mueve el artículo 134 a la segunda, diferente orientación relativa a la dirección de la nube del vapor 164, por ejemplo, reorientando el eje X en la dirección contraria a la de las agujas del reloj como se demuestra con la línea interrumpida en la Figura 4B. El artículo 134 gira alrededor del eje X con este eje X situado en esta orientación durante el tiempo suficiente para formar la segunda capa cerámica del espesor deseado. Los granos columnares resultantes de la segunda capa exhiben la dirección de la orientación del grano correlativa por lo general al ángulo reorientado del artículo. Se puede formar las capas subsiguientes con las direcciones de la orientación del grano diferentes o alternas reorientando el eje X según se desea. Manteniendo la rotación del artículo 143 alrededor del eje X, se puede conseguir el recubrimiento multicapa del espesor sustancialmente uniforme. Para prevenir la condensación del recubrimiento en las superficies de precisión de ajuste tales como bordes de plataformas o colas de milano, estas superficies se pueden ocultar antes de montar el artículo 134 en el aparato 152 de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD).

Se han realizado ensayos para evaluar la dirección de la orientación del ángulo \alpha del grano cerámico y el espesor de la capa cerámica, t, como función del ángulo \theta de la orientación del artículo, sobre un octante de 90 grados. Las condiciones ejemplares del ensayo y los parámetros relevantes son como sigue. Las muestras del ensayo fabricadas por Hastelloy X fueron recubiertas con el recubrimiento adherente MCrAlY mediante el método de la pulverización por plasma en el vacío (VPS-vacuum plasma spraying, en inglés), martilleadas con granalla, pulidas para conseguir la rugosidad de la superficie de alrededor de 1 hasta 2 \mum R, y limpias. Cada muestra fue colocada en el aparato modificado de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) y precalentada hasta alrededor de 900ºC por un haz de electrones. El primer acabado final cerámico columnar fue aplicado mediante la orientación de la muestra en el primer ángulo predeterminado, \theta, en un lingote que tenía la composición de ZrO_{2}-8%Y_{2}O_{3}. El lingote fue vaporizado por un haz de electrones con una fuerza de alrededor de 40 kW. La resultante nube del vapor cerámico se condensó sobre la muestra precalentada mientras la temperatura de la muestra fue mantenida en el rango de alrededor de 800ºC hasta alrededor de 900º C. Durante el proceso del recubrimiento cerámico, la muestra permaneció durante alrededor de un minuto en el primer ángulo predeterminado, luego fue reorientada aproximadamente noventa grados y mantenida durante alrededor de un minuto en esta orientación. Este procedimiento se repitió cerca de veinte veces para conseguir una forma espigada o en zigzag. Cada muestra fue seccionada para que el ángulo \alpha de la dirección de la orientación del grano, y el espesor de la capa cerámica, t, pudieran ser medidos con la ayuda de un microscopio.

Los resultados empíricos están representados, respectivamente, en las Figuras 5A y 5B. Comentando primero la Figura 5A, los puntos de los datos de medición están marcados como puntos con una línea estadística de ajuste óptimo trazada por encima como una línea contínua. Una línea de correlación perfecta está representada por la línea interrumpida dispuesta de forma diagonal en el cuadro. Nótese que el ángulo \alpha de la dirección de la orientación del grano, traza el ángulo \theta de la orientación del artículo, por lo general de manera lineal; sin embargo el ángulo \alpha de la dirección de la orientación del grano, tiene la tendencia de ser ligeramente menos agudo que el ángulo \theta de la orientación del artículo. Por ejemplo, para el ángulo \theta de la orientación del artículo, que tiene el valor de alrededor de 30 grados, el resultante ángulo \alpha de la dirección de la orientación del grano tiene el valor medido de alrededor de 45 grados. Para el ángulo \theta de la orientación del artículo, de alrededor de 45 grados, el ángulo resultante \alpha de la dirección de la orientación del grano, tiene el valor medido de alrededor de 60 grados. Para los valores de \theta que se aproximan a 90 grados, los valores de \alpha convergen sustancialmente con los mismos.

La Figura 5B representa el espesor de la capa cerámica, t, en micras como función del ángulo \theta de la orientación del artículo. El espesor de la capa cerámica, t, puede ser medido para la primera capa cerámica como una distancia normal media entre la capa subyacente próxima de alúmina, recubrimiento adherente o substrato y el cambio en la dirección de la orientación del grano. Para la capa cerámica interior, el espesor t puede ser medido como una distancia normal media entre los cambios subyacentes o colocados encima en la dirección de la orientación del grano. Para la capa cerámica exterior, el espesor t puede ser medido como una distancia media normal entre el cambio subyacente en la dirección de la orientación del grano y la superficie expuesta de la capa de cerámica. Estos respectivos espesores son correlativos por lo general con las designaciones entre paréntesis de la primera capa 46A, la segunda capa 46B y la tercera capa 46C presentadas esquemáticamente en la Figura 2.

En la Figura 5B, los puntos de los datos de medición, están marcados como puntos con una línea estadística de ajuste óptimo trazada por encima como una línea contínua. Un modelo matemático del proceso que asume que el espesor de la capa cerámica es producto de la velocidad media de la deposición, el seno aritmético del ángulo \theta de orientación del artículo y el tiempo de la deposición que ha transcurrido, está representado por la línea interrumpida y curvada en el cuadro. De acuerdo con el modelo, para el ángulo \theta de orientación de 90 grados, donde la dirección de la nube del vapor es sustancialmente normal respecto a la superficie del substrato, el espesor de la capa cerámica será como máximo, sustancialmente equivalente al producto de la velocidad de la deposición y el tiempo transcurrido. Para el ángulo \theta de la orientación del artículo, de cero grados, donde la dirección de la nube del vapor es sustancialmente paralela a la superficie del substrato, el espesor de la capa cerámica será esencialmente igual a cero de acuerdo con el modelo. Los resultados empíricos presentan una correlación sustancial con el modelo hacia debajo de los valores de la orientación del ángulo de alrededor de 30 grados. Para los ángulos más agudos, el espesor de la capa cerámica depositada, T, es mayor que la esperada. Una posible explicación puede ser que la cerámica depositada en los ángulos de orientación del artículo menores de 30 grados es menos densa o, alternativamente, más porosa que la cerámica depositada en ángulos mayores que alrededor de 30 grados. Esta porosidad podría afectar las propiedades del recubrimiento tales como la conductividad térmica. Por lo menos para los ángulos de orientación de los artículos mayores de alrededor de 30 grados, sin embargo, este dato indica que la densidad, porosidad y más probablemente todas las propiedades del revestimiento no mecánicas de una capa determinada son por lo menos tan buenas como las de los recubrimientos cerámicos y columnares, convencionales y normalmente dispuestos.

Sin embargo, las propiedades mecánicas de los recubrimientos cerámicos de múltiples capas, se consideran como significativamente perfeccionadas en relación con los revestimientos convencionales, cerámicos y columnares, dispuestos normalmente. Ya que los acabados finales cerámicos de múltiples capas incluyen las direcciones de las orientaciones del grano que forman ángulos agudos incluidos con el substrato subyacente, los granos son relativamente elásticos en la relación normal y deben exhibir la resistencia al impacto perfeccionada, resultante de una resistencia aumentada a la rotura en el momento de cualquier impacto causado por los granos de la arena a gran velocidad u otras materias extrañas adquiridas y liberadas durante el funcionamiento del motor. También debería ser reducida la erosión del acabado final cerámico de múltiples capas ya que los granos angulosos están adheridos a la capa de la alúmina en una superficie grande en relación con su volumen. Por consiguiente, los granos cerámicos columnares son más robustos en la dirección tangencial o paralela al substrato, minimizando los fallos del astillado frágil del acabado final cerámico. La capa de alúmina subyacente, la capa adherente y el substrato metálico están también protegidos de la agresión ambiental porque los huecos intercolumnares o intersticios entre los granos columnares adyacentes presentan un trayecto tortuoso, previniendo sustancialmente la penetración de las sales corrosivas y otros constituyentes perjudiciales del efluente de la combustión. El peso de los acabados finales cerámicos de múltiples capas también puede ser significativamente menor que él de los recubrimientos cerámicos convencionales y columnares para la misma protección térmica ya que el acabado final de múltiple capa ha demostrado poder disminuir la conductividad térmica en más del 30 por ciento. Por consiguiente, por lo menos una reducción del 30 por ciento del espesor del revestimiento puede realizarse con los ahorros concomitantes en el peso y el coste. Alternativamente, un espesor del revestimiento similar podría resultar en un aislamiento térmico sustancialmente perfeccionado.

Los siguientes ejemplos pretenden transmitir los aspectos ilustrativos de la presente invención y no deben ser considerados como limitantes de la invención de ninguna manera.

Ejemplo 1

Las muestras del ensayo del material moldeado de cristal sencillo por colada CMSX2 fueron recubiertas con un recubrimiento adherente de aluminiuro de platino de alrededor de 50 \mum de espesor y tratadas térmicamente en un vacío para ajustar la concentración de superficie de aluminio hasta entre alrededor del 20 por ciento del peso y alrededor del 24 por ciento del peso. Cada muestra fue colocada en un aparato modificado de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) de revestimiento y precalentada hasta alrededor de 850ºC por un haz de electrones. La primera capa del acabado final cerámico columnar fue aplicada orientando la muestra en el primer ángulo predeterminado sustancialmente perpendicular a un lingote con la composición de ZrP_{2}-8%Y_{2}O_{3}. La muestra fue mantenida en esta orientación y girada a la velocidad de alrededor de 25 giros por minuto ("rpm") durante un período total de alrededor de un minuto mientras el lingote fue vaporizado por un haz de electrones con la fuerza de alrededor de 38 kW. La resultante nube de vapor cerámico se condensó sobre la muestra precalentada produciendo la primera capa columnar sustancialmente perpendicular al revestimiento adherente del aluminiuro de platino y el material del substrato subyacente. La muestra fue entonces alternativamente reorientada hacia los ángulos de alrededor de 45 grados negativos y 45 grados positivos relativos a la orientación normal y girada a la velocidad de alrededor de 25 rpm durante un minuto en cada posición de reorientación. El proceso fue continuado hasta se hayan formado en total de quince capas, teniendo cada capa un espesor, t, de alrededor de 10 \mum produciendo un espesor total del acabado total cerámico de alrededor de 150 \mum. La capa interior próxima al revestimiento adherente expuso un ángulo de dirección de la orientación del grano de alrededor de 90 grados con las capas subsiguientes alternas entre los ángulos cercanos a alrededor de 135 grados y 45 grados, produciendo por lo tanto una forma regular espigada. La Figura 3C reproduce visualmente una vista seccional de las capas interior y de la segunda y la Figura 3B reproduce visualmente la vista de la segunda y de la tercera capa.

Ejemplo 2

Las muestras de Hastelloy X con el recubrimiento adherente de la pulverización por plasma a baja presión (LPPS-low pressure plasma spraying, en inglés) fueron pretratadas mediante el martilleo cerámico, pulido por vibración y limpieza. Cada muestra fue colocada en el aparato modificado de la deposición física en fase de vapor con el haz de electrones (EB-PVD) de recubrimiento y precalentada hasta alrededor de 850ºC por un haz de electrones. La primera capa del acabado final cerámico columnar fue aplicada orientando la muestra en el primer ángulo predeterminado de alrededor de 45 grados negativos relativo a una orientación normal a un lingote. Se mantuvo la muestra en esta orientación durante un período total de alrededor de un minuto mientras el lingote que tiene una composición de ZrO_{2}-8%Y_{2}O_{3} fue vaporizado por un haz de electrones con una fuerza de alrededor de 38 kW. La resultante nube de vapor cerámico se condensó en la muestra precalentada produciendo la primera capa columnar que tiene el ángulo de la dirección de orientación del grano cercana a alrededor de 135 grados relativo al revestimiento adherente y al substrato subyacente. La muestra fue entonces alternativamente reorientada hacia los ángulos de alrededor de 45 grados positivos y de vuelta a los 45 grados negativos relativos a la orientación normal y permaneció durante un minuto en cada posición de reorientación. De esta manera, se formó una estructura espigada comparable a las capas desde la dos hasta la quince del Ejemplo 1. Con la medición por destellos de láser, la conductividad térmica, \lambda, de este acabado final cerámico en unidades de W/mK fue medida en el rango de temperatura de cerca de 0ºC hasta alrededor de 1.100ºC. Los datos están presentados en el gráfico de la Figura 6 como la curva 66. La curva 68 representa los datos de la medición de una muestra comparable producida con una rotación contínua en una orientación normal para generar un acabado final cerámico columnar y convencional dispuesto normalmente con el equivalente espesor total del acabado final. Como resultará fácilmente aparente, la conductividad térmica del acabado final cerámico con forma espigada de la curva 66 es sustancialmente menor que la del acabado final cerámico convencional de la curva 68. El valor medio de los datos de la conductividad térmica del acabado final de la forma espigada en la sección plana de la curva 66 entre alrededor de 200ºC y alrededor de 1.100ºC es de alrededor de 1,13 W/mK; mientras que la cifra media de la curva 68 del acabado final convencional dentro de este rango es de alrededor de 1,66 W/mK. Estos datos demuestran que el acabado final cerámico con forma espigada proporciona un perfeccionamiento mayor del 30 por ciento del aislamiento térmico para el mismo espesor que el acabado final cerámico columnar y convencional.

El espesor medio de las capas individuales de los acabados finales cerámicos multicapa y otras capas hechas según el sistema del recubrimiento con la barrera térmica presentado en las Figuras 2 y 3A-3D puede ser seleccionado por los entendidos en la técnica para conseguir el deseado resultado aislante y mecánico. En una aplicación típica en un motor con turbina de gas 10 u otro ambiente difícil, el espesor del recubrimiento adherente 38 puede encontrarse entre alrededor de 40 y alrededor de 120 micras; el espesor de la película de alúmina 42 está entre alrededor de 0,1 y alrededor de 3 micras; y el espesor total del acabado final cerámico de múltiples capas 44 entre alrededor de 40 y alrededor de 350 micras. El acabado final cerámico 44 multicapa puede incluir de dos hasta diez capas o más, cada una en el rango de espesor desde alrededor de 10 micras hasta alrededor de 100 micras y teniendo los ángulos incluidos con la dirección de la orientación del grano en el rango desde mayor de cero grados hasta menor de 180 grados. Se citan estos rangos como ejemplos. Se considera que los valores fuera de estos rangos, solos o en combinación con otros, se encuentran dentro del alcance de esta invención.

En una realización preferente para la superficie de sustentación de una pala del motor con turbina de gas 32 o aspa 30, el espesor del recubrimiento de adherencia 38 puede estar entre alrededor de 50 y alrededor de 80 micras; él de la película de alúmina 42 puede estar entre alrededor de 0,5 y alrededor de 1,5 micras; y el espesor total del acabado final cerámico multicapa 44 puede estar entre alrededor de 60 y alrededor de 150 micras. El acabado final cerámico multicapa 44 puede estar entre alrededor de 60 y alrededor de 150 micras. El acabado final cerámico multicapa 44 puede incluir de dos a cinco capas cada una en el rango de espesor desde alrededor de 10 micras hasta alrededor de 100 micras y tener los respectivos ángulos incluidos con la dirección de la orientación del grano desde mayor de alrededor de 30 grados hasta menor de alrededor de 150 grados.

Como se ha comentado en este documento anteriormente respecto a las Figuras 4A y 4B, dependiendo de la velocidad de la deposición cerámica y los espesores deseados de las capas, el artículo no debe permanecer totalmente inmóvil durante la deposición del recubrimiento, más bien puede continuar en movimiento. Por consiguiente, esta técnica puede emplearse para producir una microestructura del grano columnar y arqueada. En todavía otra realización, el artículo puede ser movido hacia adelante y hacia atrás repetidas veces entre la primera y la segunda posición sin permanecer en el mismo sitio para formar una microestructura del grano columnar y sinusoidal.

La Figura 7 es un gráfico esquematizado del ángulo \theta de la reorientación del artículo en forma de onda cuadrada 70 en función del tiempo necesario para formar una estructura regular cerámica y columnar del tipo espigado y un gráfico de una forma de onda sinusoidal 72 que produce una estructura 544 cerámica y columnar del tipo sinusoidal arqueado, como se puede ver en la Figura 8. Las capas de la estructura cerámica 544 exhiben orientaciones alternas del grano arqueado, convexo y cóncavo, con una apropiada y suave transición entre los mismos. La forma de onda cuadrada y esquemática 70 que tiene una frecuencia constante y la magnitud alterna, produce una forma espigada regular sustancialmente uniforme tal como se puede ver en la Figura 2. Cambiando la frecuencia, magnitud y/o forma angular de la desviación angular de la forma de onda 70 en relación con el nominal, la configuración de la forma espigada de la microestructura del grano puede ser cambiada.

De manera similar, la forma de onda sinusoidal esquemática 72 que tiene la frecuencia constante y la magnitud alterna, produce una forma 544 sinusoidal, regular, sustancialmente uniforme. Cambiando la frecuencia, magnitud y/o forma angular de la desviación angular de la forma de onda 70 en relación con el nominal, la configuración de la microestructura sinusoidal del grano puede ser cambiada.

La Figura 9 es una representación de la microestructura del grano columnar tridimensional helicoidal o del tipo de tornillo en la que los granos columnares se forman con un torcimiento. Se considera que estas microestructuras del grano entran en el alcance de las microestructuras arqueadas comentadas anteriormente en este documento. La rotación y la reorientación del artículo pueden ser vectorizadas de manera que la orientación del artículo relativa a la dirección de la nube del vapor puede ser controlada simultáneamente. De acuerdo con una realización, el artículo puede girar conforme la forma de onda sinusoidal mientras el artículo está siendo reorientado de acuerdo con la segunda forma de onda sinusoidal sujeta a la fase de cambio de 90 grados. Alternativa o adicionalmente, el segundo eje de reorientación se puede utilizar en el aparato de posicionamiento en coordinación con el eje primario de reorientación para conseguir el resultado deseado. El segundo eje de reorientación puede estar dispuesto en un plano perpendicular al del primer eje de reorientación.

Mientras se haya presentado las formas de onda cuadradas y sinusoidales, otras formas de onda pueden ser utilizadas, solas o en combinación con otras, para producir una variedad de microestructuras del grano columnares, dos y tridimensionales, bien con o sin la rotación del artículo. Los ejemplos incluyen las estructuras que cambian la frecuencia, magnitud y/o forma angular relativas a las nominales, en función del tiempo.

Mientras es posible que la conductividad térmica de las microestructuras columnares arqueadas y de las relacionadas microestructuras hemisféricas sinusoidales pueda ser ligeramente más alta que la conductividad térmica de las microestructuras espigadas, estas microestructuras pueden ser mecánicamente más duras, encontrando aplicación en artículos con cargas termomecánicas de magnitud alta. Como la conductividad térmica perpendicular a los granos columnares tiende a ser relativamente baja, la conductividad térmica del acabado final cerámico puede ser proporcionalmente inversa al largo del grano.

En este documento se han descrito las que se consideran realizaciones ejemplares y preferentes de la presente invención, sin embargo otras modificaciones de la invención resultarán aparentes a los entendidos en esta técnica sobre la base de las instrucciones aquí incluidas. Por lo tanto es importante estar seguro que en las adjuntas reivindicaciones todas estas modificaciones están comprendidas dentro del espíritu y ámbito de la invención. Por consiguiente, lo que se pretende asegurar mediante la Carta Patente es que la invención sea como está definida y diferenciada en las siguientes reivindicaciones.

Claims

1. Un recubrimiento cerámico que forma parte del sistema del recubrimiento con la barrera térmica y se compone de:

una primera capa cerámica que tiene una microestructura del grano por lo general columnar con la primera dirección de la orientación del grano; y

una segunda capa dispuesta sobre la primera y que tiene una microestructura del grano por lo general columnar con una diferente dirección de la orientación del grano.

2. El recubrimiento de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende también:

una tercera capa cerámica sobre la segunda capa cerámica, teniendo esta tercera capa cerámica una microestructura del grano por lo general columnar con la dirección de orientación del grano diferente de la dirección de la orientación de la segunda capa cerámica,

3. El recubrimiento de acuerdo con la reivindicación 2, donde la primera dirección de la orientación del grano y la tercera dirección de la orientación del grano son sustancialmente similares.

4. El sistema del revestimiento con la barrera térmica compuesto de:

un recubrimiento adherente;

una capa de alúmina sobre el recubrimiento adherente; y

un acabado final de cerámica sobre la capa de alúmina, el acabado final cerámico comprende:

: la primera capa cerámica que tiene una microestructura del grano por lo general columnar con la primera dirección de orientación del grano; y

: la segunda capa cerámica dispuesta sobre la primera y que tiene una microestructura del grano por lo general columnar con una dirección de la orientación del grano diferente.

5. Un artículo recubierto compuesto de:

un substrato; y

un sistema del recubrimiento con la barrera térmica del substrato,

el sistema del recubrimiento con la barrera térmica comprende:

: un recubrimiento adherente sobre el substrato;

: una capa de alúmina sobre el recubrimiento adherente; y

: un acabado final sobre la capa de alúmina, el acabado final cerámico comprende:

: la primera capa cerámica que tiene una microestructura del grano por lo general columnar con la primera dirección de la orientación del grano; y

: la segunda capa cerámica dispuesta sobre la primera que tiene una microestructura del grano por lo general columnar con la dirección de la orientación del grano diferente.

6. El artículo de acuerdo con la reivindicación 5, donde cada una de las primeras direcciones de la orientación del grano y la segunda dirección de la orientación del grano forman un ángulo incluido mayor de cero grados y menor de 180 grados con relación al substrato.

7. El artículo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, donde el substrato comprende una superaleación seleccionada del grupo que consiste en la superaleación de níquel y la superaleación de cobalto.

8. El artículo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de 5 a 7, donde el artículo recubierto comprende una parte del motor, por lo menos una porción de la cual está expuesta al efluente de la combustión durante el funcionamiento del mismo.

9. El artículo de acuerdo con la reivindicación 8, donde la parte del motor está seleccionada del grupo que consiste en cámaras de combustión a presión, palas de turbina, aspas de turbina, marcos de turbina y las toberas de salida.

10. Un método de producción del acabado final cerámico del sistema del recubrimiento con la barrera térmica sobre el substrato, el método se compone de los siguientes pasos:

a) proporcionar un substrato en la primera orientación relativa a la fuente del vapor cerámico;

b) depositar la primera capa cerámica sobre el substrato en la primera orientación para producir una microestructura del grano por lo general columnar con la primera dirección de la orientación del grano;

c) mover el substrato a la segunda orientación relativa a la fuente del vapor cerámico; y

d) depositar la segunda capa cerámica sobre el substrato en la segunda orientación para producir una microestructura del grano por lo general columnar con la dirección de la orientación del grano diferente.

11. El método de acuerdo con la reivindicación 10, donde por lo menos una de las primeras capas cerámicas y la segunda capa cerámica están depositadas mediante la deposición física del vapor.

12. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 u 11, donde el recubrimiento adherente está depositado entre el substrato y la primera capa cerámica.

13. El método de acuerdo con la reivindicación 12, donde la capa de alúmina está dispuesta entre el recubrimiento adherente y la primera capa cerámica.

14. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de 10 a 13, donde el substrato permanece en cada orientación respectiva durante cada respectivo paso de la deposición de la capa cerámica.

15. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de 10 a 14, donde el substrato se mueve durante cada respectivo paso de la deposición de la capa cerámica mientras mantiene cada orientación respectiva.

16. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de 10 hasta 15 que también comprende los siguientes pasos:

e) mover el substrato a la tercera orientación relativa a la fuente del vapor cerámico; y

f) depositar la tercera capa cerámica sobre el substrato en la tercera orientación para producir una microestructura del grano por lo general columnar con la tercera dirección de la orientación del grano.

17. El método de acuerdo con la reivindicación 16, donde:

la tercera orientación es sustancialmente similar a la primera orientación; y

la tercera dirección de la orientación del grano es sustancialmente similar a la primera dirección de la orientación del grano.

18. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 16 y 17, donde el substrato es movido en la misma dirección para producir la segunda capa cerámica y la tercera capa cerámica.

19. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones desde 16 hasta 18, donde el substrato es movido en direcciones alternas para producir la segunda capa cerámica y la tercera capa cerámica.

20. Un recubrimiento cerámico que forma parte del sistema del recubrimiento con la barrera térmica que comprende:

la primera capa cerámica que tiene una microestructura del grano columnar por lo general arqueada con la dirección de la orientación del grano arqueada.

21. El recubrimiento de acuerdo con la reivindicación 20 que también comprende:

la segunda capa cerámica dispuesta sobre la misma y que tiene una microestructura del grano por lo general arqueada con la dirección de la orientación del grano diferente.

22. El recubrimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 20 y 21, donde el recubrimiento cerámico comprende una microestructura del grano columnar sustancialmente sinusoidal.

23. El recubrimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones desde 20 hasta 22, donde el recubrimiento cerámico comprende una microestructura del grano columnar sustancialmente helicoidal.

24. Un método de fabricación del acabado final cerámico del sistema de recubrimiento con la barrera térmica sobre el substrato, el método compuesto de los siguientes pasos:

b) depositar la primera capa cerámica sobre el substrato mientras se mueve el substrato desde la primera orientación hasta la segunda orientación para producir una microestructura del grano columnar por lo general arqueada con la primera dirección de la orientación del grano arqueada; y

c) depositar la segunda capa cerámica sobre el substrato mientras se mueve el substrato desde la segunda orientación a la primera segunda orientación para producir una microestructura del grano columnar por lo general arqueada con la dirección de la orientación del grano arqueada diferente.

25. El método de acuerdo con la reivindicación 24, donde el acabado final cerámico producido comprende una microestructura del grano columnar sustancialmente sinusoidal.

26. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 ó 25, donde el acabado final cerámico producido comprende una microestructura del grano columnar sustancialmente helicoidal.

27. Un substrato recubierto producido de acuerdo con el método de la reivindicación 24.