ES2248021T3 - Articulos provistos de revestimientos resistentes a la corrosion. - Google Patents
Articulos provistos de revestimientos resistentes a la corrosion.Info
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Abstract
Una paleta de turbina para una máquina de turbina de gas, que comprende un sustrato de una superaleación que define una lámina de aire (12), una raíz (14), una plataforma (18) situada entre la lámina de aire y la raíz y un cuello (19) situado entre la plataforma y la raíz, plataforma que tiene un lado inferior, y un revestimiento de cobertura (21, 24) resistente a la corrosión o inhibidor de la corrosión aplicado sobre el lado inferior de la plataforma y el cuello.
Description
Artículos provistos de revestimientos resistentes
a la corrosión.
La presente invención se refiere en general a
revestimientos para protección frente a la corrosión y, más en
particular, a métodos para aplicar tales revestimientos a artículos
y a tales artículos.
Las máquinas de turbina de gas son mecanismos
bien desarrollados para convertir la energía química potencial, en
forma de combustible, en energía térmica y luego en energía mecánica
para uso en la propulsión de aviones, la generación de energía
eléctrica, para bombear fluidos, etc. Uno de los enfoques
considerados principalmente para mejorar la eficacia de los máquinas
de turbina de gas es el uso de unas temperaturas de funcionamiento
altas. En la porción más caliente de los turbomáquinas de gas (esto
es, el paso de la corriente primaria de gas dentro de la sección de
la turbina del motor), los componentes de la lámina de aire de la
turbina, hechos de aleaciones moldeadas de base níquel o cobalto,
están expuestos a temperaturas del gas por encima de su punto de
fusión. Estos componentes sobreviven sólo porque se hace pasar aire
frío a través de una cavidad dentro del componente. El aire de
enfriamiento circula a través de esta cavidad rebajando la
temperatura del componente y sale del componente a través de
orificios practicados en él, mezclándose luego con los gases
calientes contenidos en la corriente principal. Sin embargo, el
suministro de gas de enfriamiento reduce la eficiencia de la
máquina.
Consecuentemente, se ha hecho un extenso trabajo
para desarrollar revestimientos para máquinas de turbina de gas.
Históricamente, estos revestimientos se han aplicado para mejorar la
resistencia a la oxidación o corrosión de superficies expuestas al
paso del gas en la turbina. Más recientemente, se han aplicado
revestimientos de barrera térmica a componentes refrigerados
internamente expuestos a las temperaturas más altas de paso de la
corriente del gas de manera que se pueda reducir sustancialmente la
cantidad requerida de aire de enfriamiento. Puesto que los
revestimientos añaden peso a una pieza y afectan negativamente a la
vida a fatiga, la aplicación del revestimiento está intencionalmente
limitada a las partes del componente para las que es necesario el
revestimiento con el fin de alcanzar la durabilidad requerida. En el
caso de partes rotatorias tales como paletas de la turbina, el peso
añadido del revestimiento supone un aumento significativo del tiro
de la paleta, lo que, a su vez, exige unos discos más fuertes y/o
pesados, lo que, a su vez, requiere árboles más fuertes y/o pesados,
etc. Por tanto, hay un motivo adicional para restringir el uso de
revestimientos estrictamente a las partes de la paleta, por ejemplo,
típicamente las superficies de paso principal del gas, en las que
son absolutamente necesarios los revestimientos.
Al aumentar las temperaturas del gas de paso, los
componentes o partes de componentes que no están expuestos
directamente al paso principal del gas de la turbina están expuestos
también a temperaturas relativamente altas durante el servicio y,
por tanto, pueden requerir también revestimientos protectores. Por
ejemplo, partes de la paleta de la turbina que no están expuestas al
paso del gas (tales como la parte inferior de la plataforma, el
cuello de la paleta y la encajadura de unión) pueden estar expuestas
a temperaturas de más de 649ºC durante el servicio. Estos puntos se
designan 18 y 19 en la Figura 1. Es de esperar que las temperaturas
a que se exponen estas partes de la paleta continuarán aumentando a
medida que aumentan las temperaturas operativas de la turbina.
El documento
EP-A-1 076 158, que forma parte del
estado de la técnica a los fines de novedad sólo bajo el artículo
54(3) del EPC, describe un componente de turbina de gas que
incluye una plataforma que tiene un primer revestimiento sobre al
menos una porción de ella, y una lámina de aire que se extiende
desde la plataforma.
El documento
US-A-5 735 671 describe un disco
rotor que tiene una pluralidad de ranuras de cola de milano que
delimitan entre ellas zonas del disco. Cada zona tiene una meseta y
a las mesetas está unido un revestimiento de barrera térmica.
El documento
US-A-5 840 434 describe un elemento
de revestimiento cerámico resistente al calor que comprende una base
de aleación resistente al calor y una capa de revestimiento
resistente al calor sobre la superficie de la base.
La presente invención describe la aplicación de
un revestimiento resistente a la corrosión de partes de paletas de
turbinas no revestidas anteriormente y no expuestas directamente a
la corriente de gas caliente, con el fin de mejorar la durabilidad
del componente.
Es un objetivo de la invención proporcionar un
revestimiento resistente a la corrosión para evitar el agrietamiento
por corrosión bajo tensiones en partes de componentes que no están
expuestas directamente a una corriente de gas caliente.
Es otro objetivo de la invención proporcionar tal
revestimiento para proteger frente al agrietamiento por corrosión
bajo tensiones componentes móviles tales como paletas de turbinas en
regiones por debajo de la plataforma de la paleta.
Vista desde el primer aspecto, la presente
invención proporciona una paleta de turbina para una turbomáquina de
gas que comprende un sustrato de superaleación que define una lámina
de aire, una raíz, una plataforma situada entre la lámina de aire y
la raíz, y un cuello situado entre la plataforma y la raíz,
plataforma que tiene un lado inferior, y una capa de revestimiento
de cobertura resistente a la corrosión o inhibidora de la corrosión
aplicada sobre el lado inferior de la plataforma y un cuello.
Vista desde el segundo aspecto, la invención
proporciona un método para mejorar la durabilidad de una paleta de
turbina compuesta por un material de superaleación y que define una
lámina de aire, una raíz, una plataforma situada entre la lámina de
aire y la raíz, plataforma que tiene un lado inferior, y un cuello
situado entre la plataforma y la raíz, que comprende las etapas
de:
proporcionar un sustrato de una superaleación,
y
aplicar un revestimiento resistente a la
corrosión o inhibidor de la corrosión sobre el lado inferior de la
plataforma y el cuello.
El revestimiento puede ser, por ejemplo, de una
aleación MCrAlY (siendo M, típicamente, níquel y/o cobalto). Para
hacer que la protección frente a la corrosión sea máxima,
preferiblemente, este revestimiento debe comprender aproximadamente
20-40% de Cr y 5-20% de Al. La
presencia de este revestimiento mejora la vida del componente por
prevenir la corrosión de la paleta producida por la acumulación de
sales en regiones de la paleta protegidas de la exposición directa
al paso de gas. Un beneficio adicional del revestimiento aplicado es
la prevención del agrietamiento por corrosión bajo tensiones de la
paleta. El revestimiento de cobertura resistente a la corrosión
evita la corrosión y/o el agrietamiento por corrosión bajo tensiones
por actuar como barrera entre la sal y el componente de aleación de
base níquel. El sistema de revestimiento puede incluir también una
capa de revestimiento de aluminuro o aluminuro de platino entre el
sustrato y la capa de MCrAlY o sobre la capa de MCrAlY. La capa de
aluminuro o aluminuro de platino puede estar presente para
proporcionar ciertas características al componente revestido. Estas
características pueden incluir una reparación/manufactura más
eficiente de la paleta o una durabilidad mejorada.
De acuerdo con una realización preferente de la
invención, al lado inferior de la plataforma y, preferiblemente,
también al cuello de la aleta, se aplica un revestimiento resistente
a la corrosión de un aluminuro tal como un revestimiento de
aluminuro que contiene un metal noble, preferiblemente aluminuro de
platino. Para que la protección frente a la corrosión sea máxima, el
revestimiento debe contener, preferiblemente, entre aproximadamente
30 y 45% en peso de platino, el resto aluminio. Sobre el aluminio se
pueden aplicar revestimientos adicionales, por ejemplo, una capa
metálica de cobertura o una capa cerámica aislante. También en este
caso, la presencia de este revestimiento mejora la vida del
componente por protegerlo frente a la corrosión por las sales que se
acumulan en regiones del componente que están protegidas de la
exposición directa al paso del gas. Un beneficio adicional de este
revestimiento aplicado es la prevención del agrietamiento por
corrosión bajo tensiones. El revestimiento protector frente a la
corrosión evita la corrosión y/o el agrietamiento por corrosión bajo
tensiones por actuar como una barrera entre una sal y el componente
subyacente de aleación de base níquel.
De acuerdo con otro aspecto amplio de esta
invención, la capa de cobertura puede comprender un material
cerámico, tal como zirconia estabilizada, que se aplica al lado
inferior de la plataforma y preferiblemente a partes del cuello de
la paleta, preferiblemente por proyección con plasma. También aquí,
la presencia de este revestimiento mejora la vida del componente por
evitar la corrosión de la paleta por la sal acumulada en regiones de
la paleta protegidas de la exposición directa al paso del gas, por
ejemplo, las superficies inferiores de la plataforma. Un beneficio
adicional del revestimiento aplicado es la prevención del
agrietamiento de la paleta por corrosión bajo tensiones. El
revestimiento protector frente a la corrosión evita la corrosión y/o
el agrietamiento por corrosión bajo tensiones por actuar como una
barrera entre una sal y el componente subyacente de aleación de base
níquel.
Los revestimientos tales como los revestimientos
metálicos se pueden aplicar entre el sustrato y el material
cerámico. En particular, el sistema de revestimiento de cobertura
resistente a la corrosión puede incluir un revestimiento de unión de
aluminuro o aluminuro de platino entre el sustrato de aleación de
níquel y la capa cerámica o sobre la capa cerámica. El revestimiento
de unión puede estar presente para proporcionar ciertas
características al componente revestido. Estas características
pueden incluir una reparación/manufactura más eficiente de la paleta
o una durabilidad mejorada.
Se describirán ahora, sólo a modo de ejemplo,
algunas realizaciones preferentes de la invención haciendo
referencia a los dibujos que se acompañan, de los que:
la Fig. 1 es una ilustración de un artículo de
superaleación de acuerdo con la presente invención;
la Fig. 1a es una ilustración esquemática de un
revestimiento aplicado al artículo de la Fig. 1;
la Fig. 2 es representativa de la mejora de la
vida frente a la corrosión conseguida con un revestimiento de
cobertura;
la Fig. 3 es una ilustración esquemática de otra
realización de la presente invención;
la Fig. 4 es una una ilustración esquemática de
otra realización de la presente invención;
la Fig. 5 es una ilustración esquemática de otro
revestimiento aplicado a un artículo similar al de la Fig. 1;
la Fig. 6 es representativa de la mejora de la
vida frente a la corrosión conseguida con una capa de revestimiento
de aluminuro de la Fig. 5;
la Fig. 7 es una ilustración esquemática de otro
revestimiento aplicado a un artículo similar al de la Fig. 1;
la Fig.8 es una ilustración esquemática de otra
realización de la presente invención.
Como se ilustra en la Fig. 1, con el número de
referencia 10 se ilustra en general una paleta de turbina compuesta
por un material de una superaleación y que incorpora la presente
invención. La paleta de turbina incluye una lámina de aire 12, una
raíz dentada para encajar 14 (usada para unir la paleta al disco de
turbina girable) y una plataforma 16 situada entre la lámina de aire
y la raíz dentada. La región entre la parte inferior (18) de la
plataforma de la paleta y la raíz se denomina cuello, 19.
Típicamente, las paletas de turbinas (y otros componentes de
turbomáquinas de gas) están compuestas por una aleación de base
níquel solidificada direccionalmente, por ejemplo, constituida por
un monocristal o múltiples granos columnares orientados
paralelamente a la dirección de crecimiento. En la Tabla 1 se dan
composiciones típicas de tales aleaciones. Entre los ejemplos de
patentes U.S. que describen aleaciones columnares, monocristalinas y
solidificadas direccionalmente figuran las patentes n^{os}.
4.209.348, 4.643,782, 4.719.080 y 5.068.084, a las que se puede
hacer referencia para detalles relevantes. Se pueden disponer
orificios de enfriamiento en una o más partes de una paleta de
turbina con el fin de hacer circular aire de enfriamiento sobre
porciones específicas de la lámina de aire durante la operación,
como generalmente se conoce en la técnica.
\vskip1.000000\baselineskip
| Aleación | Tipo | Ni | Co | Cr | Al | Mo | Ta | W | Re | Hf | Ti | Nb |
| PWA 1422 | DS* | A 100% | 10 | 9 | 5 | - | - | 12 | - | 1,6 | 2 | 1 |
| DS R80H | DS | A 100% | 9,5 | 14 | 3 | 4 | - | 4 | - | 0,75 | 4,8 | - |
| CM247LC | DS | A 100% | 9,2 | 8,1 | 5,6 | 0,5 | 3,2 | 9,5 | - | 1,4 | 0,7 | - |
| PWA 1480 | SC** | A 100% | 5 | 10 | 5 | - | 12 | 4 | - | - | 1,5 | - |
| PWA 1484 | SC | A 100% | 10 | 5 | 5,65 | 1,9 | 8,7 | 5,9 | 3 | 0,1 | - | - |
| René N5 | SC | A 100% | 7,5 | 7 | 6,2 | 1,5 | 6,5 | 5 | 3 | 0,15 | - | - |
| CMSX-4 | SC | A 100% | 9 | 6,5 | 5,6 | 0,6 | 6,5 | 6 | 3 | 0,1 | 1 | - |
| * Solidificada direccionalmente. \hskip2cm ** Monocristalina |
\vskip1.000000\baselineskip
Se descubrió que las sales sulfato de metal
alcalino o alcalinotérreo responsables de la corrosión a elevada
temperatura de componentes de turbinas (con mezclas variables de
sulfatos de sodio, potasio, calcio y magnesio) se pueden acumular en
regiones de la paleta fuera del paso del gas de la turbina. Estas
sales se pueden incorporar con el aire de entrada en medios marinos
y/o formar como resultado de los procesos de combustión. El ataque
por corrosión de la paleta producido por estas sales típicamente
está muy limitado a temperaturas por debajo de la temperatura de
fusión de la sal (aproximadamente 593ºC). Sin embargo, con una
temperatura operativa de la turbina aumentada, incluso regiones
protegidas del paso de gas pueden tener una temperatura más alta que
la de fusión de la sal sulfato, con lo que se produce una corrosión
acelerada del cuello de la paleta y la cara inferior de la
plataforma. Se descubrió también que, a niveles de tensión
suficientemente altos, la presencia de estas sales puede dar por
resultado el agrietamiento por corrosión bajo tensiones de
aleaciones de turbinas de base níquel solidificadas direccionalmente
que tienen una estructura monocristalina o de granos columnares. El
agrietamiento por corrosión bajo tensiones de estos materiales es un
nuevo fenómeno descubierto.
En una realización de la presente invención, se
aplica un revestimiento de cobertura resistente a la corrosión (21
en la Fig. 1a) a porciones del sustrato 20 susceptibles de corrosión
bajo tensiones, de manera que se previene la corrosión y/o el
agrietamiento por corrosión bajo tensiones de la parte inferior de
la plataforma 18 y el cuello 19 de la paleta. Si bien en la Fig. 1
se ilustra la presente invención como una paleta de turbina, la
presente invención no se limita a un componente particular, sino que
se extiende a cualquier componente que pueda ser objeto de
agrietamiento por corrosión bajo tensiones. Es de esperar que
también otros componentes expuestos a condiciones de tensión
relativamente altas y corrosivas se beneficien de esta
invención.
El revestimiento de cobertura aplicado a las
superficies 18 bajo la plataforma y 19 en esta invención es,
preferiblemente un revestimiento de MCrAlY, siendo M cobalto,
níquel, hierro o una combinación de estos materiales, aunque también
pueden emplearse otros revestimientos de cobertura tales como MCr y
MCrAl. Entre los ejemplos de revestimientos útiles en esta invención
están incluidos al menos NiCrAlY, CoCrAlY, NiCoCrAlY y CoNiCrAlY. El
revestimiento puede incluir también otros elementos tales como Hf y
Si para impartir más mejoras de resistencia a la oxidación o la
corrosión. Los revestimientos de cobertura de MCrAlY para aplicarlos
a regiones bajo la plataforma de la paleta deben tener,
preferiblemente, una composición (en % en peso) de aproximadamente
10-40% de Cr, 5-35% de Al,
0-2% de Y, 0-7% de Si,
0-2% de Hf, siendo el resto hasta 100% una
combinación de Ni y/o Co. Las composiciones preferidas de MCrAlY
contienen 20-40% de Cr, 5-20% de Al,
0-1% de Y, 0-2% de Si y
0-1% de Hf (resto Ni y/o Co). Los revestimientos
ejemplares para una óptima resistencia a la corrosión tienen
25-40% de Cr, 5-15% de Al,
0-0,8% de Y, 0-0,5% de Si y
0-4% de Hf, siendo el resto hasta 100% Ni y/o Co. En
la Tabla 2 se representa un resumen de ejemplos de composiciones
típicas de revestimiento de cobertura.
| Composición del revestimiento, % en peso | |||||||
| Intervalo especificado | Ni | Co | Cr | Al | Y | Si | Hf |
| Típico | Resto hasta 100% | 10-40 | 5-35 | 0-2 | 0-7 | 0-2 | |
| Preferido | Resto hasta 100% | 20-40 | 5-20 | 0-1 | 0-2 | 0-1 | |
| Ejemplar | Resto hasta 100% | 25-40 | 5-15 | 0-0,8 | 0-05 | 0-0,4 |
El revestimiento se aplica a la paleta por debajo
de la plataforma y el cuello a un espesor máximo de aprox. 125
\mum. El espesor final conseguido estará determinado por el
espesor de la capa inicial plaqueada de metal noble y las
temperaturas y tiempos usados para el proceso de aluminización y
cualesquier otros tratamientos térmicos de difusión del
revestimiento. Para aplicaciones giratorias tales como paletas de
turbina, el espesor del revestimiento debe ser adecuado para
asegurar una cobertura completa de la zona a revestir y proporcionar
la vida frente a la corrosión necesaria para una protección durante
un intervalo de servicio típico de la paleta. El espesor máximo del
revestimiento está limitado debido a la influencia negativa a la
fatiga asociada con la presencia de un revestimiento. El
revestimiento debe tener un espesor suficiente para equilibrar
cualquier variación del espesor que se puede presentar en el
procedimiento de revestimiento. Consecuentemente, preferiblemente,
el espesor para componentes que giran debe ser inferior a 125
\mum, preferiblemente inferior a aprox. 75 \mum y mayor que 12,5
\mum y, más preferiblemente, de aprox. 50 \mum.
El revestimiento de cobertura se puede aplicar
por varios procedimientos conocidos por los expertos en la técnica,
tales como el depósito en fase vapor (incluido el depósito físico en
fase vapor con haz de electrones, depósito de evaporado catódico,
etc.) o proyección térmica (proyección con plasma de aire,
proyección con plasma en vacío o a baja presión,
oxi-combustible a alta velocidad, etc.). Para
demostrar esta invención se usó la aplicación del revestimiento por
depósito con arco catódico. Se prefiere este método en tanto que
proporciona un control grande del espesor de los revestimientos
depositados. SE describe un ejemplo de aparato de depósito catódico
para aplicar el revestimiento en el documento
EP-A-899.357, cedido según normas,
al que se hará referencia si es necesario.
La Fig. 2 ilustra la mejora de la vida frente a
corrosión conseguida mediante la aplicación de revestimientos
descritos en esta invención. La superficie bajo la plataforma de una
turbina de monocristalina se revistió con un revestimiento ejemplar
de MCrAlY que consta de aproximadamente 35% en peso de Cr, 8% en
peso de Al, 0,6% en peso de Y, 0,4% en peso de Si y 0,25% en peso de
Hf, siendo el resto hasta 100% níquel. El ensayo de corrosión de la
paleta revestida a 732ºC en presencia de sales sulfato reveló una
mejora de 5 a 20 veces de la vida frente a corrosión en comparación
con una paleta no revestida, medida por las profundidades relativas
del ataque por corrosión. También se ensayó la aplicación del mismo
revestimiento de cobertura resistente a la corrosión a probetas de
ensayo, para prevenir el agrietamiento por corrosión bajo tensiones
de la aleación monocristalina.
La Fig. 3 representa otra realización de la
presente invención. El componente incluye un sustrato metálico 20,
por ejemplo, una superaleación, una capa (22) de aluminuro (o
aluminuro que contiene platino) y un revestimiento de cobertura 24
sobre la capa aluminuro. Las capas de aluminuro que contiene platino
son generalmente conocidas y no se describen aquí detalladamente la
composición particular ni el método de aplicación. Véase, por
ejemplo, patente U.S. nº. 5.514.482. La capa aluminizada o
aluminizada que contiene platino puede estar presente para impartir
al revestimiento alguna propiedad deseada, por ejemplo, una
durabilidad mejorada, o puede estar presente previamente, por
ejemplo, para permitir una reparación/manufactura de la paleta más
eficiente cuando el revestimiento de cobertura se aplica durante la
reparación o renovación del componente y la capa aluminizada
previamente aplicada no se quita o se quita sólo parcialmente como
parte de la reparación o renovación.
La Fig. 4 presenta otra realización de la
presente invención. El componente (no representado en su totalidad)
incluye un sustrato metálico 26, por ejemplo, de una superaleación,
un revestimento de cobertura 24 sobre el sustrato y una capa de
aluminuro 30 sobre el revestimiento de cobertura. La capa de
aluminuro puede estar presente, por ejemplo, para impartir al
revestimiento alguna propiedad deseada.
En muchos casos también se reviste una parte del
artículo sometida a altas temperaturas. En el caso de paletas de
turbina, la parte de la lámina de aire puede revestirse con un
revestimiento de cobertura metálico tal como los del tipo descrito
antes, o con un revestimiento de aluminuro tal como los descritos en
la patente U.S. nº. 5.514.482 citada antes, o con una capa cerámica
térmicamente aislante, o alguna combinación de estos revestimientos.
En muchos casos, la parte de la lámina de aire estará revestida con
un revestimiento que tiene una composición diferente a la aplicada
en las porciones por debajo de la plataforma y en el cuello y, en
otros casos, será la misma o similar. Por ejemplo, la superficie de
la lámina de aire puede revestirse con una capa de aluminuro, en
tanto que la superficie inferior de la plataforma y el cuello pueden
revestirse con un revestimiento del tipo de cobertura de MCrAlY.
Obviamente, son también posibles otras combinaciones de
revestimiento y la presente invención no está limitada a cualquier
combinación particular de revestimientos sobre la(s)
parte(s) expuesta(s) y la(s)
protegida(s) de un componente.
De acuerdo con otra realización de la presente
invención, se aplica un revestimiento (21 en la Fig. 5) resistente a
la corrosión de base aluminio que contiene un metal noble a partes
del sustrato 20 susceptibles a corrosión bajo tensiones, tales como
la parte inferior de la plataforma 18 y el cuello 19 de una paleta
de turbina (por ejemplo, similar a la paleta descrita en la Fig. 1)
para evitar la corrosión y/o el agrietamiento por corrosión bajo
tensiones de la paleta en estas zonas. Preferiblemente, el
revestimiento se caracteriza por una estructura monofásica, por
ejemplo, una monofase de Pt, Al y Ni, por ejemplo, una monofase de
\beta-(Ni, Pt)Al. Si bien en la Fig. 5 se ilustra la
invención aplicada a una paleta de turbina, la presente invención no
está limitada a cualquier componente particular y es de esperar que
otros componentes expuestos a condiciones de corrosión y tensión
relativamente altas se beneficien de la invención, en particular los
protegidos frente a la corrosión por el paso principal de la
corriente de gas.
En la realización ilustrada de la Fig. 5, el
revestimiento aplicado a las superficies 18 y 19 de la parte
inferior de la plataforma es, preferiblemente, un revestimiento de
aluminuro con aproximadamente 25-55% en peso de
platino y, muy preferiblemente, con 30-45% en peso
de platino, siendo el resto, principalmente, aluminio y níquel. Esta
composición se mide cerca de la superficie del revestimiento, por
ejemplo, a una profundidad de no más del 20% del espesor total del
revestimiento. Los revestimientos de aluminuro que contienen platino
al nivel más preferido proporcionan el nivel óptimo de protección
frente a la corrosión. También pueden emplearse otros metales nobles
en un revestimiento de aluminio, en particular paladio y rodio, pero
actualmente se prefiere el platino y se considera incluir también
estos otros materiales. El revestimiento puede incluir también otros
elementos tales como itrio, hafnio y/o silicio para proporcionar más
mejoras en la resistencia a la oxidación o la corrosión. Si bien el
revestimiento se puede aplicar por varios procedimientos, en la
presente ilustración los autores de la invención han aplicado la
capa de platino por plaqueado, a lo que sigue un procedimiento de
aluminización no en paquete para que cubra y se difunda con la capa
de platino. El platino se puede aplicar también por depósito de
evaporado catódico u otro procedimiento adecuado, y el aluminio se
puede depositar por procedimientos en paquete o por depósito de fase
vapor con otros procedimientos adecuados. El procedimiento de
aluminización no en paquete típicamente se usa también para revestir
pasos internos de componentes tales como paletas de turbinas y
también se ha usado para revestir las superficies expuestas al paso
de la corriente principal de gas, por ejemplo, superficies de la
lámina de aire.
A modo de ejemplo, se revistieron paletas de
turbina de acuerdo con esta realización de la invención. Las paletas
eran de una superaleación de base níquel con una composición
nominal, en porcentaje en peso, de: 10 Co, 5 Cr, 5,65 Al, 1,9 Mo,
8,7 Ta, 5,9 W, 3 Re, 0,1 Hf, resto Ni. Las superficies inferiores de
la plataforma, incluido el cuello de la paleta, se revistieron con
platino por inmersión en un baño de depósito de ácido
hexacloroplatínico mantenido a una temperatura de aproximadamente
74-82ºC. Por lo general, las partes de la raíz de la
paleta no se revisten y se pueden enmascarar otras partes en las que
no se desea el depósito. El tiempo de depósito dependerá de la
concentración de la solución empleada y del espesor de la capa que
se desea. A los fines de la presente invención, se han usado con
buenos resultados capas que tienen un espesor de aproximadamente 380
a 760 \mum y los autores creen que también pueden usarse capas
sustancialmente más gruesas o más delgadas.
Después del depósito, se aplica una capa de base
aluminio a las porciones deseadas del artículo, incluida la parte
revestida con el platino. El aluminio se ha aplicado en estos
artículos como se describe en las patentes asignadas a Benden y
otros, U.S. n^{os}. 4.132.816 y 4.148.275. Tal procedimiento de
aluminización se ha usado para revestir las superficies exterior e
interior de láminas de aire. También pueden usarse con igual efecto
otros procedimientos y equipos. Como resultado de ello, el
revestimiento de las zonas previamente enmascaradas de las
superficies de la lámina de aire es simplemente aluminio, en tanto
que el revestimiento de las superficies sometidas a agrietamiento
por corrosión bajo tensiones tiene una composición diferente, es
aluminio que contiene platino.
El revestimiento se aplica a las superficies por
debajo de la plataforma a un espesor de aproximadamente 125 \mum
para impartir resistencia a la corrosión y al agrietamiento por
corrosión bajo tensiones. El espesor final del revestimiento estará
determinado por el espesor de la capa inicial de metal noble
depositada y las temperaturas y tiempos usados en el proceso de
aluminización y cualesquier otros tratamientos térmicos de difusión
del revestimiento. Para aplicaciones de piezas giratorias, tales
como paletas de turbina, el espesor del revestimiento debe ser
adecuado para asegurar que se cubra completamente la zona a revestir
y permita una vida en servicio necesaria para la protección de un
intervalo típico de servicio de la paleta. Si bien se pueden usar
revestimientos más gruesos, ello está asociado a un efecto indeseado
sobre la fatiga, en particular para componentes rotativos. El
espesor máximo del revestimiento está limitado por el efecto
negativo sobre la fatiga asociado con la presencia de un
revestimiento. Consecuentemente, preferiblemente, el espesor en
componentes rotativos es inferior a aproximadamente 125 \mum y
mayor que 25 \mum, y más preferiblemente, menor que
aproximadamente 75 \mum.
La Fig. 6 ilustra la mejora de la vida frente a
la corrosión lograda mediante aplicación de los revestimientos
considerados antes. El ensayo de corrosión de la paleta revestida
con el intervalo preferido de composiciones a una temperatura
constante, en general de 732ºC, en presencia de sal de mar sintética
y SiO_{2}, reveló una mejora de 2 a 4 veces de la vida frente a la
corrosión de una paleta de turbina no revestida. La aplicación del
mismo revestimiento a probetas de ensayo reveló que también evita el
agrietamiento por corrosión bajo tensiones.
La presente invención se puede aplicar también en
la reparación o renovación de piezas sometidas a agrietamiento por
corrosión bajo tensiones, tales como paletas de turbina. En algunos
casos, la paleta puede haber sido suministrada con un revestimiento
aluminizado sobre la superficie exterior de la paleta. El
revestimiento de aluminuro sobre la superficie de la plataforma, o
cualquier parte sometida a agrietamiento por corrosión bajo
tensiones, se elimina mediante, por ejemplo, decapado ácido o
cualquier otro procedimiento adecuado, y se deposita una capa de un
metal noble tal como se ha descrito antes. Luego se realiza la etapa
de aluminización como se ha descrito antes. Alternativamente, se
puede depositar directamente el metal noble sobre la capa de
aluminio existente sobre la superficie a revestir, después de, si es
necesario, haber limpiado la capa existente.
En otra realización más de la presente invención,
se aplica un revestimiento de cobertura (21 en la Fig. 7) resistente
a la corrosión a porciones del sustrato 20 susceptibles de corrosión
bajo tensiones, tales como la cara inferior de la plataforma 18 y el
cuello 19 de una paleta de turbina con el fin de evitar la corrosión
y/o el agrietamiento por corrosión bajo tensiones en estas zonas de
la paleta. Si bien la presente invención se ilustra en la Fig. 7
aplicada a una paleta de turbina, la presente invención no está
limitada a cualquier componente particular. Es de esperar que otros
componentes expuestos a condiciones de corrosión y tensiones
relativamente altas se beneficien de esta invención.
Según la Fig. 7, se aplica un revestimiento
cerámico inhibidor de la corrosión a una parte o partes del artículo
que son susceptibles de corrosión y/o agrietamiento por corrosión
bajo tensiones. Usando el ejemplo de la paleta de turbina, el
revestimiento se aplica a la cara inferior de la plataforma 18 y el
cuello 19 para prevenir la corrosión y/o el agrietamiento por
corrosión bajo tensiones en estas zonas. Es de esperar que otros
componentes expuestos a condiciones de corrosión y tensiones
relativamente altas se beneficien de esta invención. El
revestimiento de cobertura aplicado a las zonas seleccionadas, por
ejemplo, la superficie inferior 18 de la plataforma y el cuello 19,
puede ser de un material convencional de revestimiento de barrera
térmica, tal como zirconia estabilizada, por ejemplo, 7YSZ, aunque
el revestimiento también puede incluir otros elementos. Se cree que
se pueden emplear otros revestimientos cerámicos con el mismo
efecto. En los documentos
EP-A-992.603 y
EP-A-848.077 y la patente U.S. nº.
6.117.560 se dan ejemplos de tales revestimientos.
El revestimiento se aplica a la(s)
superficie(s) a un espesor de como mínimo aproximadamente 6
\mum y hasta como máximo aproximadamente 125 \mum. Para
aplicaciones en piezas rotatorias, tales como paletas de turbinas,
el espesor del revestimiento debe ser adecuado para asegurar una
cobertura completa de la superficie a revestir, por ejemplo, que no
queden puntos desnudos, y proporcionar una vida frente a la
corrosión necesaria para proteger el intervalo típico de servicio de
una paleta. El espesor máximo del revestimiento debe ser limitado
debido a la influencia negativa sobre la fatiga asociada con el peso
adicional de los revestimientos que, típicamente, no añaden una
resistencia estructural al artículo. Consecuentemente, el espesor
para componentes rotatorios preferiblemente es no mayor que
aproximadamente 75 \mum y, más preferiblemente, de aproximadamente
50 \mum.
El revestimiento de cobertura se puede aplicar
por varios procedimientos tales como depósito en fase vapor o
proyección térmica. Los autores de la invención prefieren la
proyección con plasma, que se ha aplicado previamente a materiales
cerámicos a otras partes de componentes de turbomáquinas de gas,
tales como partes de la lámina
de aire.
de aire.
La Fig. 8 es una realización alternativa de la
invención ilustrada en la Fig. 7. El componente incluye un
revestimiento que forma alúmina entre la capa cerámica y el
sustrato. Por ejemplo, el componente puede incluir un sustrato 20
como antes, una capa 22 que forma alúmina, como puede ser un
revestimiento de cobertura del tipo MCrAl o una capa de base
aluminio. Ambos revestimientos de MCrAl, que pueden incluir otros
elementos tales como Y, Hf, Si, Re y otros, y los revestimientos de
base aluminio son conocidos en general, y no es necesario describir
aquí detalladamente las composiciones particulares de MCrAl y de
aluminización ni los métodos de aplicación. Véase, por ejemplo, la
patente asignada según normas U.S. Re 32.121 para una discusión de
los revestimientos de MCrAlY y nº. 5.514.482 para una discusión de
los revestimientos de aluminuro. Como en el caso del revestimiento
cerámico, la capa que forma alúmina añade peso pero no resistencia
estructural al artículo que se reviste y no debe tener un espesor
mayor que el necesario. El material cerámico, tal como 7YSZ, debe
aplicarse luego por cualquier procedimiento adecuado, tal como
proyección física o depósito en fase vapor.
La presente invención proporciona, en sus varios
aspectos, mejoras significativas en la durabilidad sobre la técnica
anterior. La experiencia de campo ha demostrado que las paletas sin
revestimiento en estas zonas pueden experimentar un deterioro severo
por corrosión durante el servicio.
La aplicación de un revestimiento metálico de
cobertura de composiciones preferidas sobre porciones seleccionadas
de un artículo sometido a altas temperaturas, tales como la
superficie bajo la plataforma y el cuello de una paleta de turbina,
proporciona una protección superior frente a la corrosión o el
agrietamiento por corrosión bajo tensiones durante el
funcionamiento. Además, hay ya una experiencia significativa de la
aplicación de materiales cerámicos a otras porciones de estos
componentes, así como de otros componentes.
Asímismo, el uso de un revestimiento de aluminuro
que contiene un metal noble, de una composición preferida, en
porciones seleccionadas de un artículo sometido a altas
temperaturas, tales como la superficie bajo la plataforma de una
paleta de turbina, proporciona una protección superior frente a la
corrosión y la corrosión bajo
tensiones.
tensiones.
Si bien la presente invención se ha descrito
detalladamente en lo que antecede, se pueden hacer numerosas
variaciones y sustituciones sin desviarse del ámbito de la
invención. Consecuentemente, se ha de entender que la invención se
ha descrito a modo de ilustración y no limitativo. Por ejemplo,
aunque ha sido descrita en particular haciendo referencia a paletas
de turbinas, la invención puede aplicarse también a otros
componentes de turbinas de gas sometidos a altas temperaturas y que
tienen regiones no expuestas directamente al paso de la corriente de
gas caliente.
Claims (65)
1. Una paleta de turbina para una máquina de
turbina de gas, que comprende un sustrato de una superaleación que
define una lámina de aire (12), una raíz (14), una plataforma (18)
situada entre la lámina de aire y la raíz y un cuello (19) situado
entre la plataforma y la raíz, plataforma que tiene un lado
inferior, y un revestimiento de cobertura (21, 24) resistente a la
corrosión o inhibidor de la corrosión aplicado sobre el lado
inferior de la plataforma y el cuello.
2. La paleta de turbina de la reivindicación 1,
que además comprende otro revestimiento sobre la superficie de la
lámina de aire, siendo la composición del otro revestimiento
diferente a del revestimiento de cobertura resistente a la
corrosión.
3. Una paleta de turbina según la reivindicación
1 o 2, que funciona en un medio con temperaturas del paso de la
corriente principal de gas de más de 1000ºC, en la que la lámina de
aire (12) está expuesta directamente al paso de la corriente de gas
caliente y la raíz (14) está protegida frente a la exposición
directa del paso de la corriente de gas caliente.
4. La paleta de turbina de cualquier
reivindicación precedente, en la que el revestimiento (21, 24) es un
revestimiento de cobertura de MCrAlY (representando M combinaciones
de Ni, Co y/o Fe).
5. La paleta de turbina de cualquier
reivindicación precedente, en la que el revestimiento (21, 24)
contiene de 10 a 40% de Cr, de 5 a 35% de Al, de 0 a 2% de Y, de 0 a
7% de Si, de 0 a 2% de Hf, siendo el resto hasta el total
principalmente Ni y/o Co y constituyendo todas las otras adiciones
de elementos menos del 20% del total.
6. La paleta de turbina de cualquier
reivindicación precedente, en la que el revestimiento (21, 24)
contiene de 20 a 40% de Cr, de 5 a 20% de Al, de 0 a 1% de Y, de 0 a
2% de Si, de 0 a 1% de Hf, siendo el resto hasta el total
principalmente Ni y/o Co y constituyendo todas las otras adiciones
de elementos menos del 20% del total.
7. La paleta de turbina de cualquier
reivindicación precedente, en la que el revestimiento (21, 24)
contiene de 25 a 40% de Cr, de 5 a 15% de Al, de 0 a 0,8% de Y, de 0
a 0,5% de Si, de 0 a 0,4% de Hf, siendo el resto hasta el total
principalmente Ni y/o Co y constituyendo todas las otras adiciones
de elementos menos del 20% del total.
8. La paleta de turbina de cualquier
reivindicación precedente, en la que el revestimiento (21, 24) tiene
un espesor de menos de aproximadamente 125 \mum.
9. La paleta de turbina de cualquier
reivindicación precedente, en la que el revestimiento (21, 24) tiene
un espesor entre aproximadamente 12,5 y 75 \mum.
10. La paleta de turbina de cualquier
reivindicación precedente, que además comprende una capa de
aluminuro (22) sobre la superficie del sustrato, estando el
revestimiento de cobertura (24) sobre la capa de aluminuro.
11. La paleta de turbina de las reivindicaciones
1 a 9, que además comprende una capa de aluminuro (30) situada sobre
el revestimiento de cobertura (24).
12. La paleta de turbina de la reivindicación 10
u 11, en la que el material de aluminuro es aluminuro de
platino.
13. La paleta de turbina de la reivindicación 1,
2 o 3, en la que el revestimiento de cobertura (21, 24) es un
revestimiento de cobertura cerámico.
14. La paleta de turbina de la reivindicación 13,
en la que el revestimiento de cobertura (21, 24) cerámico está
constituido por zirconia estabilizada.
15. La paleta o componente de turbina de la
reivindicación 13 o 14, en la que el revestimiento cerámico (21, 24)
tiene un espesor nominal de menos de aproximadamente 125 \mum.
16. La paleta o componente de turbina de la
reivindicación 15, en la que el revestimiento tiene un espesor entre
aproximadamente 6 y 75 \mum.
17. La paleta o componente de turbina de
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, que además comprende una
capa de alúmina (22) sobre la superficie del sustrato, estando el
revestimiento cerámico sobre la capa de alúmina.
18. La paleta o componente de turbina de la
reivindicación 17, en la que la capa de alúmina (22) está
constituida por un aluminuro o un revestimiento de unión de
cobertura.
19. La paleta o componente de turbina de
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 18, en la que al menos una
parte de la lámina de aire está revestida con un revestimiento
metálico y la superficie inferior de la plataforma está revestida
con un revestimiento cerámico.
20. Una paleta de turbina según la reivindicación
1, 2 o 3, en la que el revestimiento es un revestimiento resistente
a la corrosión de aluminuro que contiene un metal noble (21,
22).
21. La paleta de turbina de la reivindicación 20,
en la que el revestimiento de aluminuro (21, 22) es un revestimiento
de aluminuro de platino.
22. La paleta de turbina de la reivindicación 20
o 21, en la que el revestimiento (21, 22) contiene aproximadamente
de 11 a 65% en peso de platino, siendo el resto hasta el total
principalmente aluminio y níquel.
23. La paleta de turbina de la reivindicación 22,
en la que el revestimiento (21, 22) contiene aproximadamente de 25 a
55% en peso de platino, siendo el resto hasta el total
principalmente aluminio y níquel.
24. La paleta de turbina de la reivindicación 23,
en la que el revestimiento (21, 22) contiene aproximadamente de 30 a
45% en peso de platino, siendo el resto hasta el total
principalmente aluminio y níquel.
25. La paleta de turbina de cualquiera de las
reivindicaciones 19 a 24, en la que el revestimiento (21, 22) tiene
un espesor nominal de menos de aproximadamente 125 \mum.
26. La paleta de turbina de cualquiera de las
reivindicaciones 20 a 24, en la que al menos una porción del
componente o paleta tiene aplicado un revestimiento que tiene una
composición diferente a la del revestimiento aplicado a la
superficie de la lámina de aire.
27. La paleta de turbina de la reivindicación 26,
en la que al menos una porción de la lámina de aire está revestida
con un aluminuro de difusión y la superficie inferior de la
plataforma está revestida con un aluminuro que contiene un metal
noble.
28. La paleta de turbina de cualquiera de las
reivindicaciones 20 a 27, en la que el revestimiento (21, 22)
comprende además itrio, hafnio y/o silicio.
29. La paleta de turbina de las reivindicaciones
20 a 28, que además comprende una capa de aluminuro de platino
aplicada sobre un revestimiento de aluminuro existente.
30. La paleta de turbina de cualquier
reivindicación precedente, cuyo sustrato está constituido por una
aleación de base níquel equiaxial.
31. La paleta de turbina de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 29, cuyo sustrato está constituido por una
aleación de base níquel solidificada direccionalmente.
32. La paleta de turbina de cualquier
reivindicación precedente, cuyo sustrato está constituido por una
aleación de base níquel monocristalina.
33. La paleta de turbina de cualquier
reivindicación precedente, cuyo sustrato está constituido por una
aleación de base níquel de granos columnares.
34. Un método para mejorar la durabilidad de una
paleta de turbina compuesta por una superaleación y que define una
lámina de aire (12), una raíz (24), una plataforma (16) situada
entre la lámina de aire y la raíz, plataforma que tiene un lado
inferior, y un cuello (19) situado entre la plataforma y la raíz,
que comprende las etapas de:
proporcionar un sustrato de una superaleación,
y
aplicar un revestimiento resistente a la
corrosión o inhibidor de la corrosión (21, 22, 24) al lado inferior
de la plataforma y la raíz.
35. Un método según la reivindicación 34, en el
que la paleta de turbina funciona en un medio con temperaturas de
paso de la corriente principal de gas de más de 1000ºC, estando la
lámina de aire (12) directamente expuesta al paso del gas caliente y
estando la raíz (14) protegida de la exposición directa al paso del
gas caliente.
36. El método de la reivindicación 34 o 35, en el
que el revestimiento (21, 24) aplicado es un revestimiento de
cobertura de MCrAlY (representando M combinaciones de Ni, Co y/o
Fe).
37. El método de la reivindicación 34, 35 o 36,
en el que el revestimiento (21, 24) contiene de 10 a 40% de Cr, de 5
a 35% de Al, de 0 a 2% de Y, de 0 a 7% de Si, de 0 a 2% de Hf,
siendo el resto hasta el total principalmente Ni y/o Co y
constituyendo todas las otras adiciones de elementos menos del 20%
del total.
38. El método de la reivindicación 37, en el que
el revestimiento (21, 24) contiene de 20 a 40% de Cr, de 5 a 20% de
Al, de 0 a 1% de Y, de 0 a 2% de Si, de 0 a 1% de Hf, siendo el
resto hasta el total principalmente Ni y/o Co y constituyendo todas
las otras adiciones de elementos menos del 20% del total.
39. El método de la reivindicación 38, en el que
el revestimiento (21, 24) contiene de 25 a 40% de Cr, de 5 a 15% de
Al, de 0 a 0,8% de Y, de 0 a 0,5% de Si, de 0 a 0,4% de Hf, siendo
el resto hasta el total principalmente Ni y/o Co y constituyendo
todas las otras adiciones de elementos menos del 20% del total.
40. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 34 a 39, en el que el revestimiento (21, 24) se
aplica a un espesor nominal de menos de aproximadamente 125
\mum.
41. El método de la reivindicación 40, en el que
el revestimiento (21, 24) se aplica a un espesor entre
aproximadamente 12,5 y 75 \mum.
42. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 34 a 40, que además comprende la etapa de aplicar
otro revestimiento sobre la superficie de la lámina de aire.
43. El método de la reivindicación 42, en el que
la composición del otro revestimiento es diferente a la del
revestimiento resistente a la corrosión o inhibidor de la
corrosión.
44. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 34 a 43, que además comprende aplicar una capa de
aluminuro (22) sobre la superficie del sustrato, y el revestimiento
de cobertura está sobre la capa de aluminuro.
45. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 34 a 43, que además comprende aplicar una capa de
aluminuro (30) sobre el revestimiento.
46. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 34 a 45, en el que la etapa de aplicar el
revestimiento se realiza por arco catódico, proyección térmica,
depósito de vapor o depósito de vaporizado catódico.
47. El método de la reivindicación 34 o 35, en el
que el material de revestimiento es un revestimiento de aluminuro
(21) resistente a la corrosión que contiene un metal noble.
48. El método de la reivindicación 47, en el que
el revestimiento de aluminuro es un revestimiento de aluminuro de
platino.
49. El método de la reivindicación 48, en el que
el revestimiento (21) contiene aproximadamente de 11 a 60% en peso
de platino, siendo el resto aluminio.
50. El método de la reivindicación 49, en el que
el revestimiento (21) contiene aproximadamente de 25 a 55% en peso
de platino, siendo el resto aluminio.
51. El método de la reivindicación 50, en el que
el revestimiento (21) contiene aproximadamente de 30 a 45% en peso
de platino, siendo el resto aluminio.
52. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 47 a 51, en el que el revestimiento de aluminuro
(21) tiene un espesor nominal de menos de aproximadamente 125
\mum.
53. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 47 a 52, que además comprende la etapa de aplicar
otro revestimiento sobre la superficie de la lámina de aire.
54. El método de la reivindicación 53, en el que
la composición del otro revestimiento es diferente a la del
revestimiento resistente a la corrosión de aluminuro que contiene un
metal noble.
55. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 47 a 54, en el que la etapa de aplicar el
revestimiento se realiza por electrodepósito del metal noble sobre
el sustrato y aluminizar el sustrato.
56. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 47 a 55, en el que el revestimiento (21) comprende,
además, itrio, hafnio y/o silicio.
57. El método de la reivindicación 34 o 35, en el
que el revestimiento es un revestimiento cerámico de cobertura (21,
24) inhibidor de la corrosión.
58. El método de la reivindicación 57, en el que
el revestimiento cerámico (21, 24) está compuesto por zirconia
estabilizada.
59. El método de la reivindicación 57 0 58, en el
que el material cerámico se aplica por depósito en fase vapor,
proyección térmica o depósito de vaporizado catódico.
60. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 57 a 59, en el que el revestimiento cerámico (21,
24) se aplica a un espesor nominal de menos de aproximadamente 125
\mu.
\newpage
61. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 58 a 60, que además incluye la etapa de formar una
capa de alúmina (22) sobre la superficie del sustrato y aplicar el
revestimiento cerámico sobre la capa de alúmina.
62. El método de la reivindicación 61, en el que
la capa de alúmina (22) está formada por un revestimiento de
aluminuro o de unión de cobertura aplicado sobre el sustrato.
63. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 57 a 60, que además comprende la etapa de aplicar
otro revestimiento sobre la superficie de la lámina de aire.
64. El método de la reivindicación 63, en el que
el otro revestimiento mencionado tiene una composición diferente a
la del revestimiento cerámico.
65. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 34 a 64, en el que el sustrato está constituido por
una aleación equiaxial de base níquel, una aleación de base níquel
solidificada direccionalmente, una aleación monocristalina de base
níquel o una aleación de granos columnares de base níquel.
Applications Claiming Priority (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US467517 | 1990-01-18 | ||
| US46720299A | 1999-12-20 | 1999-12-20 | |
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| US467516 | 1999-12-20 | ||
| US468389 | 1999-12-20 | ||
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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