BR112013032230B1

BR112013032230B1 - sistema de recobrimento multicamadas

Info

Publication number: BR112013032230B1
Application number: BR112013032230-6A
Authority: BR
Inventors: Irina Belov
Original assignee: Praxair S. T. Technology, Inc
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2020-12-29
Also published as: BR112013032230A2; CN103732796B; EP2718480B9; ES2708688T3; CN103732796A; JP2017047418A; US20130004712A1; EP2718480A1; EP2718480B1; JP6337054B2; MX2013014816A; KR20140040804A; PL2718480T3; JP2014518331A; CA2839392C; KR101964481B1; MX352803B; WO2012173950A1; CA2839392A1; JP6002215B2

Abstract

SISTEMAS DE RECOBRIMENTO MULTICAMADAS É descrito um sistema de recobrimento a base de pasta fluida multicamadas termicamente estável de alto acabamento superficial adequado para uso em um ambiente térmico severo. As modalidades descritas incluem uma camada de revestimento de base formada de uma pasta fluida compreendendo ligante a base de fosfato carregado com pigmento cerâmico, uma segunda camada formada de uma pasta fluida compreendendo ligante a base de fosfato carregado com pigmento de óxido de metal ou pigmento de óxido cerâmico, e uma camada de cobertura de vedação opcional formada de um ligante a base substancialmente livre de pigmentos.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção diz respeito a um sistema de recobrimento multicamadas termicamente estável e protetor de corrosão adequado para uso em componentes de motor de turbina e, mais particularmente, a um sistema de recobrimento multicamadas termicamente estável e protetor de corrosão liso e método para produzir o dito sistema de recobrimento que inclui uma camada de revestimento de base formada aplicando uma pasta fluida compreendendo partículas de óxido de metal dispersas em um ligante a base de fosfato, uma segunda camada formada aplicando uma pasta fluida compreendendo partículas de pigmento de óxido de metal dispersas em um ligante a base de fosfato, e uma camada de cobertura de vedação opcional formada aplicando uma pasta fluida compreendendo um ligante a base de fosfato que é substancialmente livre de pigmentos.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] As superfícies de partes de motor de turbina são expostas a gases quentes provenientes do processo de combustão da turbina. Materiais de superliga de motor de turbina são selecionados com base em sua estabilidade e resistência a corrosão a alta temperatura. Superligas bem conhecidas, por exemplo, superligas a base de níquel, tais como Inconel™ 718, Inconel™ 722 e Udimet™ 720, demonstram boa resistência a dano por oxidação e corrosão. Entretanto, mesmo esses materiais apresentam degradação em condições severas a altas temperaturas. Reações de oxidação e corrosão na superfície das partes componentes podem causar perda de metal e redução da espessura de parede. A perda de metal rapidamente aumenta as tensões na respectiva parte componente e pode finalmente resultar em falha da parte. Recobrimentos protetores são assim aplicados nessas partes componentes para protegê-las de degradação pela oxidação e corrosão.

[0003] Várias camadas resistentes a corrosão e sistemas de recobrimento multicamadas têm sido sugeridos e usados para proteger componentes de motor de turbina, particularmente as pás do rotor do compressor. A avaliação de sistemas de recobrimento da tecnologia anterior revelou deficiências gerais em suas propriedades funcionais e aparência, bem como diversos possíveis modos de falha.

[0004] Por exemplo, um sistema de recobrimento multicamadas da tecnologia anterior comercialmente disponível é projetado para menores temperaturas de serviço e fornece proteção efetiva até 1.200 F (649 °C). Entretanto, este sistema de recobrimento da tecnologia anterior seria propenso ao trincamento e delaminação a elevadas temperaturas operacionais (>~1300 F (704 °C)) de motores mais modernos se fosse usado em tais motores avançados. A figura 1 mostra delaminação do sistema de recobrimento da tecnologia anterior de substrato de Inconel™ 718 exposto a 1400 F (760 °C) por 145 horas, que está a uma temperatura significantemente mais alta que suas temperaturas operacionais de projeto.

[0005] A figura 2 ilustra outras questões ou problemas associados com sistemas de recobrimento multicamadas da tecnologia anterior. Os substratos revestidos da tecnologia anterior na figura 2 apresentam uma aparência do revestimento "arenosa" (isto é, inclusões de partículas visíveis). Essas inclusões de partículas foram observadas depois da aplicação de camadas intermediárias e tendem ficar mais pronunciadas depois da aplicação da camada de cobertura de vedação. Esses defeitos foram atribuídos à contaminação externa durante aplicação da camada, tais como contaminantes em suspensão no ar, irregularidades superficiais, etc.

[0006] Outro tipo de possíveis questões ou problemas que podem ser associados com os sistemas de recobrimento baseados na tecnologia anterior são os pontos redondos de 1 mm a 3 mm de diâmetro (isto é, "pontos brancos") em algumas partes revestidas com o sistema de recobrimento da tecnologia anterior. Como visto na figura 2, os "pontos brancos" parecem de cor muito mais clara do que o restante da pá revestida e contêm um material em excesso ou "em forma de bolha" dentro do ponto redondo. Parece que esses "pontos brancos" se formam mediante aplicação do revestimento selador. Pás revestidas usando o sistema de recobrimento multicamadas da tecnologia anterior pode também exibir um efeito "quadro de pintura", com as camadas sendo mais espessas perto das bordas da pá, levando assim a uma adesão do recobrimento mais fraca e provavelmente desprendimento da borda. Todos esses defeitos sendo irregularidades na superfície de recobrimento selada não somente reduz a eficiência aerodinâmica da pá, mas também podem servir como sítios ativos para ataque térmico e corrosivo.

[0007] Em vista das preocupações e desvantagens supramencionadas, existe uma necessidade de melhorias contínuas nas características do acabamento superficial, bem como desempenho térmico e corrosivo dos sistemas de recobrimento multicamadas a base de pasta fluida da tecnologia anterior. Embora os sistemas de recobrimento multicamadas a base de pasta fluida da tecnologia anterior atendam as exigências e especificações de fabricantes de motor atuais, são necessárias melhorias para uso com motores mais modernos e mais avançados. Portanto, seria desejável prover um sistema de recobrimento multicamadas que melhore as características de acabamento superficial dos sistemas de recobrimento da tecnologia anterior e que possua melhor estabilidade térmica em ambientes normais e corrosivos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0008] Em um aspecto, a invenção pode ser caracterizada como um sistema de recobrimento compreendendo: (i) uma camada de revestimento de base formada aplicando uma pasta fluida compreendendo partículas de pigmento de metal ou óxido de metal dispersas em um ligante a base de fosfato, a camada de revestimento de base tendo uma espessura entre cerca de 12,7 e 76,2 μm (0,5 e 3,0 mils); e (ii) uma segunda camada formada aplicando uma pasta fluida compreendendo partículas de pigmento de óxido de metal, preferivelmente partículas de pigmento de óxido de cromo, dispersas em um ligante a base de fosfato, em que as partículas de pigmento de óxido de metal têm maior dispersibilidade por causa de uma distribuição de tamanho de partícula estreita e área superficial otimizada, a segunda camada tendo uma espessura entre cerca de 2,54 e 25,4 μm (0,1 e 1,0 mil); o sistema de recobrimento multicamadas da presente invenção demonstra maior estabilidade térmica e corrosiva e características de acabamento superficial comparado com sistemas de recobrimento multicamadas a base de pasta fluida da tecnologia anterior.

[0009] Em ainda um outro aspecto, a invenção pode ser caracterizada como um sistema de recobrimento compreendendo: (i) uma camada de revestimento de base formada aplicando uma pasta fluida compreendendo partículas de pigmento de óxido de alumínio dispersas em um ligante a base de fosfato, a camada de revestimento de base tendo uma espessura entre cerca de 12,7 e 76,2 μm (0,5 e 3,0 mils); (ii) uma segunda camada formada aplicando uma pasta fluida compreendendo partículas de pigmento de óxido de cromo dispersas em um ligante a base de fosfato, em que as partículas de pigmento de óxido de cromo têm uma distribuição de tamanho de partícula estreita com tamanho de partícula mediano (caracterizado como o 5o percentil da distribuição de tamanho de partícula) entre cerca de 0,8 e 2,2 microns e a área superficial das partículas é maior ou igual a cerca de 4 m2/g, a segunda camada tendo uma espessura entre cerca de 2,54 e 25,4 μm (0,1 e 1,0 mil); e em que a rugosidade superficial da camada de revestimento de base e da segunda camada no sistema de recobrimento é menor ou igual a cerca de 0,76 μm (30 μin). O sistema de recobrimento multicamadas da presente invenção demonstra melhor estabilidade térmica em ambiente corrosivo e não corrosivo, e características de acabamento superficial, comparado com sistemas de recobrimento multicamadas a base de pasta fluida da tecnologia anterior.

[00010] Em ainda um outro aspecto, a invenção pode ser caracterizada como um método ou processo para revestir um substrato de metal compreendendo as etapas de: (i) preparar a superfície do substrato de metal; (ii) aplicar um ligante a base de fosfato carregado com pigmento cerâmico a base de pasta fluida no substrato de metal para formar uma camada de revestimento de base, a camada de revestimento de base tendo uma espessura entre cerca de 12,7 e 76,2 μm (0,5 e 3,0 mils); (iii) curar o substrato revestido com a camada de revestimento de base; (iv) preparar uma pasta fluida compreendendo partículas de pigmento de óxido de cromo dispersas em um ligante a base de fosfato, em que as partículas de pigmento de óxido de cromo têm uma distribuição de tamanho de partícula estreita com tamanho de partícula mediano (caracterizada como o 5o percentil da distribuição de tamanho de partícula) entre cerca de 0,8 e 2,2 microns, e a área superficial das partículas é maior ou igual a cerca de 4 m2/g, (v) aplicar a dita pasta fluida na camada de revestimento de base para formar uma segunda camada, a segunda camada tendo uma espessura entre cerca de 2,54 e 25,4 μm (0,1 e 1,0 mil); e (vi) curar o substrato revestido com a camada de revestimento de base e a segunda camada. O sistema de recobrimento multicamadas da presente invenção demonstra melhores características de acabamento superficial e desempenho térmico comparado com sistemas de recobrimento multicamadas a base de pasta fluida da tecnologia anterior.

[00011] Em ainda um aspecto adicional, a invenção pode ser caracterizada como um produto pelo processo em que o produto é um revestimento aplicado pelo processo compreendendo as etapas de: (i) aplicar uma ligante a base de fosfato carregado com fosfato de pigmento de óxido de alumínio a base de pasta fluida no substrato de metal para formar uma camada de revestimento de base, a camada de revestimento de base tendo uma espessura entre cerca de 12,7 e 76,2 μm (0,5 e 3,0 mils); (ii) preparar um ligante a base de fosfato carregado com pigmento de óxido de cromo a base de pasta fluida em que as partículas de pigmento de óxido de cromo têm uma distribuição de tamanho de partícula caracterizado em que o 5o percentil da distribuição de tamanho de partícula é um diâmetro entre cerca de 1,0 e 2,0 microns e o 9o percentil da distribuição de tamanho de partícula não excede um diâmetro de cerca de 3,0 microns; e (iii) aplicar o ligante de cromato- fosfato carregado com pigmento de óxido de cromo a base de pasta fluida estável na camada de revestimento de base para formar uma segunda camada com uma espessura entre cerca de 2,54 e 25,4 μm (0,1 e 1,0 mil). O sistema de recobrimento multicamadas da presente invenção demonstra melhores características de acabamento superficial e desempenho térmico comparado com sistemas de recobrimento multicamadas a base de pasta fluida da tecnologia anterior.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

[00012] Os aspectos, recursos e vantagens apresentados da presente invenção, e outros mais, ficarão mais aparentes a partir da sua descrição mais detalhada, apresentada em conjunto com os desenhos seguintes.

[00013] A figura 1 mostra um disco Inconel 718 revestido com o sistema de recobrimento multicamadas da tecnologia anterior, no qual foi observado esfoliamento do revestimento depois de exposição a 1400 F (760 °C) por 145 horas.

[00014] A figura 2 mostra imagens de microscópio ótico a 20X de aumento do sistema de recobrimento multicamadas da tecnologia anterior aplicado em vários substratos e exibindo vários defeitos.

[00015] A figura 3 mostra imagens de microscópio ótico a 20X de aumento de painéis que foram revestidos com sistema de recobrimento de duas camadas; sistema de revestimento da presente invenção, em que a pasta fluida B foi empregada para produzir a segunda camada, para ser consistentemente mais lisa e mais brilhante do que os painéis produzidos com a pasta fluida A da tecnologia anterior.

[00016] A figura 4 mostra imagens SEM a 50X e 1.000X de aumento e dados de análise EDS do sistema de recobrimento de duas camadas da tecnologia anterior com partículas de pigmento de óxido de cromo grosseiras "salientando-se" na matriz a base de fosfato formada pelo ligante.

[00017] A figura 5 mostra imagens ótica (20X) e SEM (1.000X) e dados de análise EDS do sistema de recobrimento de três camadas da tecnologia anterior com inclusões "arenosas" de partícula grosseira de Cr2O3.

[00018] A figura 6 mostra imagens de pá Udimet 720 revestida com o sistema de recobrimento de três camadas da presente invenção (Amostra 21 A) com um melhor acabamento superficial comparada com a pá Udimet 720 revestida com o sistema de recobrimento da tecnologia anterior (Amostra 191).

[00019] A figura 7 mostra locais de medições da espessura de revestimento em uma parte de superliga de forma complexa.

[00020] A figura 8 mostra um exemplo de micrografias SEM com as medições de espessura do sistema de revestimento de uma parte revestida usando a pasta fluida B da presente invenção.

[00021] A figura 9 mostra um gráfico de espessura de revestimento em diferentes locais de medição.

[00022] A figura 10 mostra micrografias SEM de uma área da ponta de uma parte revestida usando a pasta fluida B e uma outra parte revestida usando a pasta fluida A da tecnologia anterior.

[00023] A figura 11 mostra os discos Inconel 718 revestidos com o sistema de recobrimento multicamadas da presente invenção expostos a um elevado ambiente térmico de cerca de 760 °C por 145 horas.

[00024] As figuras 12A e B mostram pinos antes e depois de testes corrosão a quente para vários sistemas de recobrimento multicamadas.

DESCRÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[00025] É bem conhecido na técnica que números absolutos medidos do tamanho de partícula e distribuição de tamanho de partícula para sistemas de particulado, tais como pós de pigmento e pastas fluidas contendo pigmento, dependem fortemente da técnica e instrumentação de teste e/ou medição. Assim, é muito importante enfatizar que os números de tamanho de partícula D50 e D90 da presente invenção foram obtidos por meio de técnica de difração laser empregando MicroTrac SRA Particle Analyzer como um equipamento de medição de partícula. Na forma aqui usada, "D50" refere-se a um tamanho de partícula mediano no qual 50 porcento das partículas são menores e os outros 50 porcento das partículas são maiores que o tamanho mediano, e "D90" refere-se a um tamanho de partícula no qual noventa porcento de partículas são menores que o tamanho de partícula.

[00026] É também conhecido na técnica que números absolutos para área superficial (SA) de pós de pigmento também depende da técnica e instrumentação de medição. Assim, é muito importante enfatizar que números SA da presente invenção foram obtidos por técnica de absorção de gás nitrogênio pelo método BET empregando o sistema de medição Gemini 2360 V4.01.

[00027] Pastas fluidas foram também caracterizadas pelo seu pH, viscosidade, gravidade específica e teor de sólidos. Esses parâmetros, junto com D50 e D90, foram monitorados para testar a estabilidade e envelhecimento das pastas fluidas.

[00028] Outros métodos e equipamento de teste foram usados na presente invenção. A espessura das camadas de revestimento foi medida por FisherEscopo MMS (sondas de corrente Eddy e de indução magnética, dependendo do tipo do substrato). O acabamento superficial (suavidade Ra) foi medido por Mitutoyo Surftest 301 a um corte de 5,1 mm transversal e 0,76 mm. O brilho dos revestimentos foi testado por BYK Gardner Micro-gloss 60°. A adesão dos revestimentos em um substrato e adesão intercamadas foram testadas por teste de fita de teste de adesão (pela norma ASTM D3359) e dobramento (dobramento 90° em torno de um mandril de 6,4 mm de diâmetro). Análise de microscopia ótica e SEM / EDS foram empregadas para investigação detalhada da morfologia, microestrutura e composição elementar da superfície e seção transversal dos revestimentos.

[00029] Uma modalidade da invenção é um sistema de recobrimento multicamadas adequado para uso em ambientes agressivos tais como ambientes associados com turbomaquinário. A primeira camada do sistema de recobrimento multicamadas, que fica em contato com o substrato de metal ou superfície de metal do turbomaquinário, é um ligante inorgânico carregado com pigmento de metal ou/e óxido de metal, preferivelmente um ligante inorgânico carregado com pigmento cerâmico, com uma espessura entre cerca de 12,7 e 76,2 μm (0,5 e 3,0 mils). Mais preferivelmente, a primeira camada ou revestimento de base é ligante a base de fosfato carregado com pigmento de óxido de alumínio (por exemplo, alumina). Alternativamente, a primeira camada pode conter outros pigmentos não metálicos como zircônia, céria, outros óxidos de metal mistos e/ou combinações destes em substituição ou em adição a óxido de alumínio.

[00030] A primeira camada ou revestimento de base pode também opcionalmente conter aditivos adicionais tais como agentes tensoativos, agentes umectantes e outros aditivos convencionais. Além do pigmento cerâmico, outros metais particulados, tais como alumínio, cobre, prata ou níquel, podem ser incluídos na primeira camada.

[00031] A solução de ligante inorgânico associada com a primeira camada é preferivelmente uma solução de fosfato acídico, mais preferivelmente inclui compostos de cromato, ou os seus sais metálicos dissolvidos em um composto de fosfato acídico. Essas soluções de ligante são particularmente adequadas em virtude de sua capacidade de polimerizar sob ciclo de secagem e cura e formar uma matriz vítrea contínua com boa resistência mecânica, flexibilidade, bem como uma certa resistência a corrosão e térmica.

[00032] A primeira camada é aplicada em uma espessura entre 12,7 e 76,2 μm (0,5 e 3,0 mils) com espessura preferível desta primeira camada sendo 20,32 e 33,02 μm (0,8 a 1,3 mil). A espessura mínima é determinada por uma correlação muito forte entre rugosidade superficial (Ra) e espessura da camada de revestimento de base: uma diminuição abrupta em Ra desta camada de revestimento de base, bem como em Ra de todo o sistema de recobrimento multicamadas foi observada quando a espessura de 20,32 μm (0,8 mil) da primeira camada foi alcançada. A espessura máxima da camada de revestimento de base é geralmente determinada por uma espessura visada ou especificada de todo o sistema de recobrimento multicamadas. É de costume e desejável não aplicar uma camada em excesso de exigência funcional para o sistema de recobrimento.

[00033] O controle da rugosidade superficial da camada de revestimento de base é importante, já que influencia a rugosidade superficial tanto da segunda camada quando da camada de cobertura de vedação opcional. Preferivelmente, a rugosidade superficial (Ra) da camada de revestimento de base deve ser 30 μin ou menos, e mais preferivelmente 0,51 μm (20 μin) ou menos. Se a rugosidade superficial na camada de revestimento de base for muito alta (por exemplo, > 0,76 μm (30 μin)), então maiores valores de rugosidade superficial provavelmente ocorrerão na segunda camada e camada de cobertura de vedação opcional. Em outras palavras, correções de rugosidade superficial (isto é, ajustes para baixo) durante aplicação da segunda camada e de uma camada de cobertura de vedação opcional são não viáveis ou exequíveis se a rugosidade superficial da camada de revestimento de base for muito alta.

[00034] A segunda camada do sistema de recobrimento multicamadas compreende pigmentos de óxido de metal finos de tamanho de partícula, distribuição de tamanho de partícula (PSD) e área superficial (SA) prescritos. Preferivelmente, a segunda camada é um ligante a base de fosfato carregado com pigmento de óxido de cromo (por exemplo, Cr2O3). Qualquer ligante a base de fosfato conhecido na técnica pode ser usado. Preferivelmente, o ligante a base de fosfato é cromato-fosfato. O ligante de cromato-fosfato da segunda camada em geral compreende compostos de cromato, ou seus sais metálicos dissolvidos em um composto de fosfato acídico. A segunda camada é aplicada na primeira camada até uma espessura entre cerca de 2,54 e 25,4 μm (0,1 e 1,0 mil).

[00035] Na modalidade preferida, as partículas de pigmento de óxido de cromo têm uma PSD estreita com tamanho de partícula mediano D50 (caracterizado como o 5o percentil da PSD) entre cerca de 0,8 e 2,2 microns e tamanho de partícula grosseira D90 (caracterizado como o 90o percentil da PSD) não excedendo cerca de 3,0 microns. A SA preferida das partículas é pelo menos 4 m2/g a 5 m2/g e mais preferivelmente cerca de 6 m2/g. Propriedades de partículas de pigmento de óxido de cromo da modalidade preferida (denotadas como pó II) são mostradas na tabela 1. A título de comparação, o sistema de recobrimento multicamadas da tecnologia anterior tem a segunda camada compreendendo partículas de pigmento de óxido de cromo com tamanho de partícula mediano D50 de 2,5 microns, tamanho de partícula grosseira D90 de 3,5 a 3,7 microns e SA de 3,0 a 3,5 m2/g (denotadas como pó I na tabela 1). Tabela 1 - Pós de pigmento de Cr2O3 selecionados

[00036] As pastas fluidas correspondentes foram preparadas empregando esses pós (cinco amostras de pasta fluida em replicata para cada pó); essas pastas fluidas são referidas a seguir como pasta fluida A (pasta fluida da tecnologia anterior) e pasta fluida B (pasta fluida da presente invenção). É importante notar que a dispersão do pó I na pasta fluida A exigiu um estágio de trituração com bolas extensivo, enquanto o pó II produzido uma dispersão muito boa na pasta fluida B depois de menos de 30 minutos de mistura de alto cisalhamento. Ambas as pastas fluidas foram classificadas em uma peneira de malha 500 antes da aplicação do revestimento. Isto obviamente simplifica e encurta o processo de produção de pasta fluida e assim é uma vantagem prática importante para uma fabricação em grande escala.

[00037] Resultados do dimensionamento de partícula das pastas fluidas A e B preparadas, depois da classificação, são apresentados na tabela 2; reprodutibilidade amostra para amostra muito boa para D50 (±0,3 μm) e D90 ((±0,5 μm) foi observada. Como visto pelos dados, o emprego de partículas de pó de Cr2O3 com menor tamanho de partícula mediano D50 e tamanho de partícula grosseira D90 resultou na pasta fluida da segunda camada também com um menor tamanho de partícula mediano e menor tamanho de partícula grosseira D90. Tabela 2. Dimensionamento de partículas das pastas fluidas e rugosidade e brilho dos revestimentos correspondents

[00038] A tabela 2 também apresenta rugosidade e brilho das partes revestidas com sistema de recobrimento de duas camadas da seguinte maneira: painéis de aço de 0,05 m x 0,1 m (2 polegadas x 4 polegadas) (aço carbono 1010, três painéis em replicada para cada amostra de pasta fluida preparada) foram revestidos com a camada de base (~ 25 - 30 μm de espessura), secas e curadas a 350 °C por 0,5 hora e então aspergidas com ar com as pastas fluidas A (nos painéis do grupo A) ou B (nos painéis do grupo B). Os painéis revestidos foram então secos e curados a 350 °C por 0,5 hora para formar a segunda camada de um sistema de recobrimento de duas camadas. A espessura visada da segunda camada foi 5 - 7 μm.

[00039] Como visto por esses dados, painéis que foram revestidos com a pasta fluida B foram consistentemente mais lisos e mais brilhantes do que os painéis revestidos com a pasta fluida A. Dados de microscopia ótica (figura 3) também confirmaram esses resultados. A superfície dos painéis do grupo A pareceu mais grosseira e também teve uma aparência "arenosa" (isto é, apresentando algumas inclusões de partículas isoladas). Dados de análise SEM / EDS (figura 4) demonstraram que essas inclusões são partículas grosseiras de pigmento de óxido de cromo "salientando" na matriz de fosfato formada pelo ligante. Observou-se também que essas inclusões de partículas no revestimento resultaram da presença de partículas de pigmento de Cr2O3 grosseiras na pasta fluida, ao passo que diminuição no tamanho de partícula grosseira D90 da pasta fluida resultou em significante redução na quantidade de inclusões de partículas no revestimento.

[00040] Essas partículas de óxido de cromo grosseiras causaram uma aparência de "granulosidade" ainda mais acentuada no sistema de recobrimento de três camadas que emprega, por cima de uma segunda camada, uma camada adicional e opcional de um revestimento selador; a camada de cobertura de vedação compreendendo um ligante de cromato- fosfato substancialmente livre de pigmentos. O selador pode ser aplicado sobre o revestimento da segunda camada até uma espessura mínima de cerca de 0,05 a 0,1 mil (cerca de 1 - 2,5 μm).

[00041] Na figura 5, são mostradas imagens óticas (20X) e SEM (1.000X) de um painel de teste de aço com o sistema de recobrimento de três camadas da tecnologia anterior aplicado. Com base em resultados de análise EDS das partículas realçadas, parece ter um teor de Cr significativamente mais alto e acentuada diminuição no teor de Mg e P, comparados com a matriz envolvente geral. Especificamente, a partícula salientada mostra, em porcentagem em peso, um teor de Cr de 54,8%; um teor de Mg de 2,7%; um teor de O de 35,8%; e um teor de P de 5,4% enquanto a matriz envolvente apresentou um teor de Cr medido de 6,7%; um teor de Mg de 10,9%; um teor de O de 53,2%; e um teor de P de 28,0%.

[00042] Com base nas imagens da figura 5 junto com a análise EDS associada, parece que qualquer partícula grosseira de Cr2O3 presente no revestimento aplicado não pode ser coberta completamente com a camada de cobertura de vedação de cerca de 5 microns de espessura. A comparação do teor de Cr nas partículas grosseiras com a matriz envolvente indica que essas partículas grosseiras estão salientando na superfície e têm cobertura significativamente reduzida pela camada de cobertura de vedação comparada com outras partes do revestimento nas várias regiões da matriz. Além disso, a diferente reflectância da matriz vítrea da camada de cobertura de vedação e partículas de Cr2O3 salientes tornam essas partículas grosseiras visualmente distintas, e assim cria uma aparência mais "arenosa" do revestimento depois da aplicação da camada de cobertura de vedação.

[00043] Dependendo do tamanho das partículas grosseiras de Cr2O3, sua cobertura pela camada de cobertura de vedação varia (por exemplo, maior grau de cobertura para menores partículas de Cr2O3 e menor grau de cobertura para maiores partículas de Cr2O3). Entretanto, em virtude da protuberância das partículas na superfície, a camada de cobertura de vedação por cima da partícula sempre será mais fina do que o resto da matriz. Assim, redução do número e tamanho de partículas de Cr2O3 grosseiras na pasta fluida tem um efeito de cobrir com um arco as qualidades de todo o sistema de recobrimento.

[00044] Observou-se que empregar óxido de cromo com tamanho de partícula e PSD da presente invenção permite defeitos significativamente reduzidos e melhor acabamento superficial do sistema de recobrimento multicamadas, isto é, baixa rugosidade e maior brilho. A figura 6 mostra pá Udimet 720 revestida com o sistema de recobrimento de três camadas da presente invenção (Amostra 21 A: Ra típica = 0,25 - 0,38 μm (10 - 15 μin), brilho % típico = 75 - 80 %)) com um melhor acabamento superficial comparado com pá Udimet 720 revestida com o sistema de recobrimento da tecnologia anterior (Amostra 191: Ra típica = 0,48 - 0,56 μm (19 - 22 μin), brilho % típico = 40 - 50%).

[00045] A segunda camada pode também conter aditivos adicionais tais como agentes tensoativos, inibidores de corrosão, modificadores de viscosidade, agentes umectantes e outros aditivos convencionais para aumentar a proteção contra oxidação e corrosão do sistema de recobrimento, bem como proporcionar melhores propriedades de aplicação e estética. Além do pigmento de óxido de cromo, outros pigmentos de óxido de metal particulados podem ser incluídos na segunda camada.

[00046] Foi também observado que a pasta fluida da presente invenção (Pasta fluida B na tabela 2) fornece consistentemente melhor dispersibilidade e cobertura mais uniforme da segunda camada sobre a camada de base do sistema de revestimento, comparada com a pasta fluida da tecnologia anterior (Pasta fluida A na tabela 2). Isto é obviamente uma importante vantagem prática em um processo de produção em grande escala, especialmente quando partes modeladas complexas devem ser revestidas e quando qualquer não uniformidade de borda e "formação de quadro de imagem" do revestimento criam potencial de uma falha em serviço pelo trincamento e escamação do revestimento nas bordas durante a cura e vida em serviço de uma parte revestida. Essas observações visuais foram confirmadas por estudo comparativo SEM da uniformidade da espessura de revestimento em duas partes retangulares de forma complexa de superliga denotadas como parte 4- 196 e parte 21-197, onde a segunda camada foi aplicada usando pastas fluidas A (tecnologia anterior) e B (presente invenção), correspondentemente.

[00047] De acordo com as especificações desses componentes, a espessura total do sistema de revestimento aplicado é testada em um local em um lado da parte retangular. Assim, para investigar a uniformidade da espessura de revestimento sobre o comprimento da parte de uma extremidade à outra, uma seção transversal vertical foi feita certa neste local de teste; as amostras foram montadas em epóxi, polidas e examinadas por SEM. Medições de espessura de revestimento foram feitas a 1.000X e 2.000X de aumento nos locais mostrados na figura 7. A figura 8 mostra um exemplo de micrografias SEM com as medições de espessura do sistema de revestimento. Os resultados para todas áreas medidas por SEM são sumarizados por um gráfico mostrado na figura 9. Como visto por esses dados, nos locais que estão afastados de uma ponta da parte, ambas as partes têm espessuras de revestimento similares na faixa de 18 - 30 μm, com o revestimento sendo mais espesso na área de um pedestal. Entretanto, existe uma grande diferença na uniformidade da cobertura do revestimento na área da ponta das partes: Parte 21-197 que emprega a pasta fluida B (da presente invenção) tem uma camada de revestimento bem uniforme na sua ponta, ao passo que a ponta da parte 4-196 derivada da pasta fluida A (da tecnologia anterior) tem área exposta praticamente sem revestimento nela, próxima de uma área com um revestimento relativamente espesso (figuras 9, 10).

[00048] O sistema de recobrimento multicamadas supradescrito foi usado com sucesso para prover recobrimentos de alta qualidade que protegem superfícies de metal e liga metálica de oxidação e corrosão, particularmente a temperaturas altas e moderadamente altas. Mais importante, observou-se surpreendentemente que o presente sistema de recobrimento multicamadas apresenta uma acentuada melhoria na estabilidade térmica, comparado com o recobrimento da tecnologia anterior. Este melhor desempenho térmico de todo o sistema de recobrimento multicamadas em geral ocorre onde a segunda camada do sistema de recobrimento multicamadas é aplicada com uma pasta fluida empregando partículas de pigmento de óxido de cromo com tamanho de partícula mediano D50 entre cerca de 0,8 e 2,2 microns, preferivelmente entre 1,2 e 1,8 microns, tamanho de partícula grosseira D90 não excedendo cerca de 3,0 microns, preferivelmente não excedendo cerca de 2,0 a 2,8 microns, ao passo que SA das partículas é pelo menos 4 m2/g e mais preferivelmente pelo menos 6 m2/g.

[00049] Como mostrado na figura 11, discos de Inconel 718 revestidos com o presente sistema de recobrimento multicamadas com uma espessura do sistema de recobrimento total na faixa de cerca de 30,48 a 35,56 μm (1,2 a 1,4 mil) e expostos a um alto ambiente térmico de cerca de 1400 F (760 °C) por 145 horas preservou o sistema de recobrimento sem nenhum sinal visível de esfoliação. Os discos de Inconel 718 mostrados contrastam com o disco de Inconel 718 com o sistema de recobrimento multicamadas da tecnologia anterior aplicado e mostrado na figura 1, que apresenta significante esfoliamento, salientando assim o melhor desempenho térmico do sistema de recobrimento multicamadas da presente invenção.

[00050] Observou-se também surpreendentemente que o presente sistema de recobrimento multicamadas apresenta uma drástica melhoria da estabilidade de corrosão a quente, evidenciada em um teste conduzido a cerca de 1400 F (760 °C) por 600 horas enquanto exposto a ambiente corrosivo de uma mistura de CaSO4 + negro de fumo. Como visto nas figuras 12A e 12B, são mostradas nove (9) amostras de pinos Udimet 720, com as amostras L representando um pino nu não revestido; amostras J, P, I e M representando pinos revestidos com o presente sistema de recobrimento multicamadas que emprega a pasta fluida B da presente invenção para produzir a segunda camada no sistema de três camadas; e os pinos da amostra G, H, K e O revestidos com sistemas de recobrimento multicamadas da tecnologia anterior (Pasta fluida A empregada para produzir a segunda camada). A figura 12A mostra os pinos antes do teste de corrosão, ao passo que a figura 12B mostra imagens dos pinos depois da exposição a um ambiente corrosivo quente contendo uma mistura de CaSO4 + negro de fumo a uma temperatura de cerca de 1400 F (760 °C) por 600 horas. A comparação do pino não revestido com pinos revestidos com o sistema de recobrimento multicamadas a base de pasta fluida da tecnologia anterior e pinos revestidos com o presente sistema de recobrimento multicamadas a base de pasta fluida salienta o melhor desempenho térmico e desempenho corrosivo do presente sistema de recobrimento multicamadas.

[00051] A composição de pasta fluida para a camada de revestimento de base pode ser aplicada de uma maneira convencional na superfície do metal ou liga metálica a ser revestida. No geral, é desejável desengraxar a parte a ser revestida, jatear com abrasivo e aplicar a camada por qualquer dispositivo adequado, tal como por aspersão, escovamento, imersão, centrifugação com imersão, etc., O substrato revestido é então seco e subsequentemente curado a uma temperatura de cerca de 340 °C a 350 °C por 15 a 30 minutos ou mais. A cura pode ser feita a temperaturas maiores ou menores, se desejado. A pasta fluida é preferivelmente aplicada em pelo menos duas coberturas ou passes, cada passe depositando uma camada de cerca de 2,54 a 6,35 μm (0,1 mil a 0,25 mil) de espessura, e mais preferivelmente um total de quatro coberturas ou mais para atingir uma espessura total do revestimento de base entre cerca de 12,7 μm (0,5 mil) e cerca de 76,2 μm (3,0 mils). A secagem do revestimento de base é preferivelmente realizada a cerca de 80 °C por 15 a 30 minutos. A cura do revestimento de base preferivelmente ocorre a 345 °C (650 F) por cerca de 30 minutos. Condições de umidade mais alta de 50 % de umidade ou mais para aplicação da camada de revestimento de base são também preferidas.

[00052] A composição da pasta fluida para a segunda camada pode ser aplicada na camada de revestimento de base por qualquer dispositivo adequado, tais como aspersão, escovamento, imersão, centrifugação com imersão, etc. A camada intermediária é então seca e subsequentemente curada a uma temperatura de cerca de 340 °C a 350 °C por 15 a 30 minutos ou mais. A pasta fluida é preferivelmente aplicada em uma a quatro coberturas ou passes, cada passe ou cobertura depositando uma camada entre cerca de 2,54 e 6,35 μm (0,1 e 0,25 mil) de espessura para atingir uma espessura total da segunda camada entre cerca de 2,54 μm (0,1 mil) e cerca de 25,4 μm (1,0 mil). A secagem da segunda camada é geralmente realizada a cerca de 80 °C (175 F) por 15 a 30 minutos seguida pela cura da segunda camada a 345 °C (650 F) por cerca de 30 minutos.

[00053] Opcionalmente, a composição da pasta fluida do revestimento selador é então aplicada sobre a segunda camada até uma espessura mínima de cerca de 1,27 a 2,54 μm (0,05 a 0,1 mil). A pasta fluida do revestimento selador é preferivelmente aplicada em duas ou mais coberturas ou camadas, cada cobertura entre cerca de 0,51 e 6,35 μm (0,02 e 0,25 mil) de espessura para atingir uma espessura mínima do revestimento selador de cerca de 1,27 e 2,54 μm (0,05 a 0,1 mil). A secagem da camada de cobertura de vedação é geralmente realizada a cerca de 80 °C por 15 a 30 minutos seguida por sua cura a 345 °C (650 F) por cerca de 30 minutos.

[00054] Pelo exposto, deve-se perceber que a presente invenção assim fornece um sistema de recobrimento multicamadas a base de pasta fluida compreendendo uma camada de revestimento de base formada de um ligante de cromato-fosfato carregado com pigmento cerâmico a base de pasta fluida, uma segunda camada formada de um ligante de cromato-fosfato carregado com pigmento de óxido de metal ou pigmento de óxido cerâmico a base de pasta fluida e, opcionalmente, uma camada de revestimento selador formada de um ligante de cromato-fosfato substancialmente livre de pigmentos. Várias modificações, alterações e variações dos presentes métodos ficarão aparentes aos versados na técnica e deve-se entender que tais modificações, alterações e variações devem ser incluídas na abrangência deste pedido e no espírito e escopo das reivindicações.

Claims

1. Sistema de recobrimento multicamadas para um substrato de metal, caracterizadopelo fato de que compreende: uma camada de revestimento de base formada aplicando uma pasta fluida compreendendo partículas de pigmento de óxido de cromo (Cr2O3) dispersas em um ligante a base de fosfato, a camada de revestimento de base tendo uma espessura entre 12,7 e 76,2 μm (0,5 e 3,0 mils); e uma segunda camada formada aplicando uma pasta fluida compreendendo partículas de pigmento de óxido de metal dispersas em um ligante a base de fosfato, em que as partículas de pigmento de óxido de metal compreendem partículas de pigmento de óxido de cromo e têm maior dispersibilidade por causa de uma distribuição de tamanho de partícula estreita e área superficial otimizada, a segunda camada tendo uma espessura entre 2,54 e 25,4 μm (0,1 e 1,0 mil), em que a distribuição de tamanho de partícula estreita é diferenciada em que o 50o percentil da distribuição de tamanho de partícula tem um diâmetro entre 1,0 e 2,0 microns; em que o 90o percentil da distribuição de tamanho de partícula tem um diâmetro menor ou igual a 3,0 microns; em que a área superficial otimizada das partículas de pigmento de óxido de cromo está na faixa de 4 m2/g a 6 m2/g.

2. Sistema de recobrimento multicamadas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de a camada de cobertura de vedação tem uma espessura de 2,54 μm (0,1 mil) ou mais.

3. Sistema de recobrimento multicamadas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a rugosidade superficial de cada camada no sistema de recobrimento multicamadas é menor ou igual a 0,76 μm (30 μin).

4. Sistema de recobrimento multicamadas para ambiente severo para um substrato de metal, caracterizadopelo fato de que compreende: uma camada de revestimento de base formada aplicando uma pasta fluida compreendendo partículas de pigmento de metal ou óxido de metal dispersas em um ligante a base de fosfato, a camada de revestimento de base tendo uma espessura entre 12,7 e 76,2 μm (0,5 e 3,0 mils); e uma segunda camada formada aplicando uma pasta fluida compreendendo partículas de pigmento de óxido de cromo dispersas em um ligante a base de fosfato, em que as partículas de pigmento de óxido de cromo têm uma distribuição de tamanho de partícula estreita com um tamanho de partícula mediano entre 0,8 e 2,2 microns, e o 90o percentil da distribuição de tamanho de partícula tem um diâmetro menor ou igual a 3,0 microns, e a área superficial das partículas é maior ou igual a 4 m2/g, a segunda camada tendo uma espessura entre 2,54 e 25,4 μm (0,1 e 1,0 mil); em que a rugosidade superficial da camada de revestimento de base e da segunda camada no sistema de recobrimento é menor ou igual a 0,76 μm (30 μin).

5. Sistema de recobrimento multicamadas, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a distribuição de tamanho de partícula estreita é diferenciada em que o 50o percentil da distribuição de tamanho de partícula tem um diâmetro entre 1,0 e 2,0 microns.

6. Sistema de recobrimento multicamadas, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a camada de cobertura de vedação tem uma espessura maior ou igual a 2,54 μm (0,1 mil).

7. Sistema de recobrimento multicamadas, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o ligante a base de fosfato do revestimento de base é cromato-fosfato.

8. Sistema de recobrimento multicamadas, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o ligante a base de fosfato da segunda camada é cromato-fosfato.