BR112018000215B1 - Sistema de revestimento, método para a produção de um sistema de revestimento, sistema de revestimento para um substrato solicitado corrosivamente de um material de base e componente do compressor de uma turbina a gás - Google Patents

Sistema de revestimento, método para a produção de um sistema de revestimento, sistema de revestimento para um substrato solicitado corrosivamente de um material de base e componente do compressor de uma turbina a gás Download PDF

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Jochen Barnikel
Arturo Flores Renteria
Andrei Ghicov
Sascha Hessel
Torsten Neddemeyer
Jürgen Ramm
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Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfãffikon
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Abstract

SISTEMA DE REVESTIMENTO PARA UM SUBSTRATO SOLICITADO CORROSIVAMENTE, COMPONENTE DO COMPRESSOR DE UMA TURBINA A GÁS, E MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DE UM SISTEMA DE REVESTIMENTO PARA UM SUBSTRATO SOLICITADO CORROSIVAMENTE. A presente invenção se refere a um sistema de revestimento para um substrato que compreende uma primeira, uma segunda e uma terceira camada, no qual a primeira camada é executada como uma camada agente de adesão, a segunda camada é uma camada de metal dúctil com uma estrutura de coluna, e a terceira camada mais alta é uma camada de óxido de cerâmica com uma grande dureza. De forma ideal o substrato é componente de um componente do compressor de uma turbina a gás estacionária. Além disso, é preparado um método para a fabricação do sistema de revestimento.

Description

[001] A presente invenção se refere a um sistema de revestimento de várias camadas para um substrato solicitado corrosivamente.
[002] Componentes de turbinas a gás são expostos a um meio de corrosão. Para a proteção desses componentes contra corrosão são aplicados revestimentos. Assim para componentes de compressores de turbinas a gás, em particular, de turbinas a gás estacionárias é empregada uma tinta resistente à alta temperatura contendo partículas de alumínio. Revestimentos desse tipo, contudo, apresentam uma pequena dureza integral (cerca de 50 HV). Deste modo também a resistência à erosão (por exemplo, contra erosão de partículas ou erosão por impacto de gotas) é relativamente baixa. A pequena dureza integral deve ser atribuída, sobretudo às partículas de alumínio macias no revestimento. Por causa da baixa resistência à erosão, depois de determinados intervalos de tempo os componentes precisam ser examinados quanto à erosão e, caso seja necessário, os revestimentos são removidos, examinados e são revestidos novamente com o mesmo revestimento. Esse procedimento é demorado e trabalhoso. Por isso existe a tarefa de aperfeiçoar a resistência à erosão de componentes de turbinas a gás.
[003] Essa tarefa é solucionada por um sistema de revestimento com as características da reivindicação 1. Outras formas de execução vantajosas da invenção resultam das reivindicações adjacentes e subordinadas, das figuras e dos exemplos de execução.
[004] Um primeiro aspecto da invenção refere-se a um sistema de revestimento para um substrato solicitado corrosivamente, com uma superfície que compreende pelo menos uma primeira, uma segunda e uma terceira camada, no qual - a primeira camada disposta entre a superfície do substrato e a segunda camada é executada como camada agente de adesão, - a segunda camada é uma camada de metal dúctil com uma estrutura colunar, e - a terceira camada disposta no lado da segunda camada, afastado do substrato é uma camada de óxido cerâmico com uma grande dureza de pelo menos 20 GPa.
[005] O sistema de revestimento de acordo com a invenção é vantajoso porque, comparado com revestimentos tradicionais ele é menos propenso à manutenção e os intervalos de manutenção e reparo podem ser escolhidos mais espaçosos. Deste modo o sistema é economicamente mais efetivo, uma vez que precisam ser aplicados menos custos e menos tempo para sua manutenção. Ao lado de uma resistência à erosão aumentada o revestimento de acordo com a invenção apresenta propriedades de corrosão por trincas de vibração pelo menos similares como uma tinta resistente à alta temperatura contendo partículas de alumínio.
[006] A indicação de dureza na unidade GPa refere-se à pressão, na qual o revestimento pode se opor á penetração de um objeto.
[007] A formação da primeira camada como camada agente de adesão providencia uma adesão mais alta entre o material de base e a segunda camada do sistema de revestimento. De preferência, a primeira camada do sistema de revestimento apresenta cromo ou nitreto de cromo.
[008] De forma vantajosa, a segunda camada protege o substrato catodicamente através de sua função como anodo de sacrifício. A ductilidade da segunda camada, de forma vantajosa, serve para a absorção de dilatações no caso de carga oscilante, sem que surjam trincas na camada. A estrutura colunar da segunda camada serve, de forma vantajosa, para a compensação de tensões próprias, que são causadas pela terceira camada. De preferência, a estrutura colunar da segunda camada é constituída de uma liga contendo alumínio, por exemplo, de uma liga contendo alumínio e cromo.
[009] A terceira camada do sistema de revestimento de acordo com a invenção apresenta, de preferência, óxido de alumínio e / ou óxido de cromo e / ou um óxido de cromo de alumínio em estrutura de cristal misto. Por meio dos óxidos a terceira camada é resistente contra oxidação, uma vez que ela já é constituída de pelo menos um óxido e com isso pode ser empregada em altas temperaturas. A terceira camada tem uma estrutura muito densa. De forma vantajosa, a terceira camada, entre outras coisas, atua como proteção contra corrosão para a segunda camada. Além disso, em virtude de sua capacidacerâmico a terceira camada atua como isolante, razão pela qual os efeitos galvânicos são eliminados de modo vantajoso. Além disso, a terceira camada é substancialmente mais dura do que o material de base e por isso para as camadas que ficam embaixo e o material de base de modo vantajoso atua como proteção contra erosão, em particular, contra erosão por impacto de gotas e erosão de partículas. De preferência, a dureza da terceira camada tem o valor de aproximadamente 25 GPa.
[0010] De preferência, o substrato, sobre o qual as três camadas são aplicadas, é um componente de um componente do compressor de uma turbina a gás. De modo particularmente preferido, o substrato é um componente de um componente do compressor de uma turbina a gás estacionária. O componente do compressor pode ser, por exemplo, uma pá do compressor.
[0011] Um segundo aspecto da invenção se refere a um componente do compressor de uma turbina a gás com um sistema de revestimento de acordo com a invenção. Em outras palavras, o componente do compressor de acordo com a invenção de uma turbina a gás compreende um sistema de revestimento para um substrato solicitado corrosivamente, com uma superfície que compreende pelo menos uma primeira, uma segunda e uma terceira camada, no qual a primeira camada, disposta entre a superfície do substrato e a segunda camada, é executada como camada agente de adesão, a segunda camada é uma camada de metal dúctil com uma estrutura colunar, e a terceira camada disposta no lado da segunda camada, afastado do substrato é uma camada de óxido cerâmico com uma dureza de pelo menos 20 GPa. De preferência, a turbina a gás neste caso, é uma turbina a gás estacionária.
[0012] Um terceiro aspecto da invenção se refere a um método para a fabricação de um sistema de revestimento para um substrato solicitado corrosivamente, compreendendo três camadas correspondentes ao sistema de revestimento de acordo com a invenção, sendo que, o material de todas as camadas é aplicado por meio de deposição física de vapor (physical vapour deposition, PVD). O método é vantajoso porque não é necessário um tratamento térmico, que precisa ser realizado com aplicação de camadas tradicionais. Além disso, as camadas aplicadas por meio de PVD apresentam uma vantajosa rugosidade de superfície, que causa boas propriedades aerodinâmicas. Além disso, o método de PVD para o revestimento é vantajoso porque a espessura da camada pode ter até 10 μm e, por conseguinte, componentes revestidos podem ser reproduzidos fieis ao contorno, isto é, não são necessárias quaisquer mascaragens adicionais.
[0013] De preferência, as camadas do sistema de revestimento são aplicadas por meio de deposição por arco catódico, e / ou por meio de pulverização catódica. Em outras palavras, as camadas podem ser aplicadas por meio de um dos métodos mencionados ou por meio de uma combinação dos dois métodos.
[0014] A invenção será esclarecida em mais detalhes com auxílio das figuras. São mostradas:
[0015] Na figura 1, uma forma de execução de um sistema de revestimento.
[0016] Na figura 2, uma imagem microscópica eletrônica da forma de execução de acordo com a figura 1.
[0017] Na figura 3, um diagrama de fluxo de uma forma de execução do método de acordo com a invenção.
[0018] Na forma de execução representada na figura 1, o sistema de revestimento 1 apresenta um substrato 2 com uma superfície 2a, com uma primeira camada 3, uma segunda camada 4 e uma terceira camada 5. O substrato 2 apresenta pelo menos um metal e pode ser uma liga de metal. Sob condições corrosivas, o substrato 2 pode ser propenso à corrosão.
[0019] A primeira camada 3 está disposta sobre a superfície 2a e apresenta uma espessura de aproximadamente 100 nm. Ela é constituída, de preferência, de cromo ou de nitreto de cromo, em sua propriedade como camada agente de adesão, porém ela também pode apresentar outros metais ou uma outra composição, por exemplo, do tipo MCrAlY.
[0020] A segunda camada 4 está disposta sobre a primeira camada 3, e apresenta uma espessura na faixa de 0,5 - 5,0 μm, de preferência, de 1,0 - 3,0 μm. A segunda camada 4 é uma camada de metal dúctil com uma estrutura colunar feita de uma liga de alumínio. Por exemplo, a segunda camada 4 é constituída de uma liga que apresenta alumínio e cromo; de modo alternativo, porém, a liga também pode conter mais ou outros metais como cromo.
[0021] A terceira camada 5 está disposta sobre a segunda camada 4, e apresenta uma espessura na faixa de 0,5 - 10,0 μm, de preferência, de 1,0 - 5,0 μm. A terceira camada 5 é uma camada de óxido cerâmico dura com uma estrutura muito densa. O material da terceira camada 5 é uma mistura de óxido de cromo e de óxido de alumínio, de preferência, de uma liga de cristal misto feita de óxido de cromo e de alumínio e ligas adicionais intermetálicas de Al-Cr. Mas também podem estar presentes outros óxidos e outras ligas ou elementos na terceira camada 5. A terceira camada 5 é resistente contra corrosão, uma vez que ela já é constituída de óxidos. Deste modo a terceira camada 5 protege o substrato 2 e as outras camadas contra corrosão. Os componentes cerâmicos conferem à terceira camada 5 uma grande dureza, que tipicamente se situa em até 25 GPa. Com isso, a terceira camada 5 é substancialmente mais dura do que o substrato 2 e as outras camadas. A grande dureza é efetiva contra erosão, em particular, contra erosão por impacto de gotas e erosão de partículas.
[0022] A espessura do sistema de revestimento pode ter no total até 20 μm. Neste caso, as camadas individuais, em particular a segunda 4 e a terceira camada 6, também podem apresentar uma espessura maior do que a indicada acima. Para exames metalográficos a composto de inclusão 6 mostrada na figura 2 é aplicada na terceira camada 5. A camada de inclusão apresenta óxidos inorgânicos. A figura 2 é uma ilustração de um registro microscópico eletrônico de um sistema de revestimento 1, na qual, devido a sua espessura pequena, a primeira camada 3 mal pode ser percebida.
[0023] De preferência, o substrato 2 pertence a um componente do compressor, de preferência, a uma pá do compressor de uma turbina a gás estacionária. Contudo, ela também pode pertencer a um outro componente de uma turbina a gás estacionária ou a uma outra turbina a gás.
[0024] Para a fabricação do sistema de revestimento 1 descrito, em uma forma de execução do método de acordo com a representação da fig. 3, em uma primeira etapa S1 é preparado um substrato 2 com uma superfície 2a. Em uma segunda etapa S2 o material da primeira camada 3 é aplicado através de deposição física de vapor (physical vapour deposition, PVD). Em uma terceira etapa S3 o material da segunda camada 4 também é aplicado através de PVD. Em uma quarta etapa S4, o material da terceira camada 5 é aplicado, do mesmo modo, através de PVD.
[0025] Neste caso, como método preferido de PVD é realizada uma deposição por arco catódico. Do mesmo modo, um método preferido é pulverização catódica. Do mesmo modo é preferido se os dois métodos forem combinados entre si. Outros possíveis métodos aplicáveis, os quais podem ser empregados em alternativa e / ou em combinação com os métodos mencionados acima, são a evaporação térmica, a evaporação por feixe de elétrons, evaporação a laser ou evaporação por arco voltaico.
[0026] Para um especialista as derivações e alterações óbvias da invenção se enquadram no âmbito da proteção das reivindicações da patente.

Claims (12)

1. SISTEMA DE REVESTIMENTO (1), caracterizado por compreender: - um substrato (2) solicitado corrosivamente de um material de base de um componente do compressor de uma turbina a gás, o substrato (2) solicitado corrosivamente incluindo: - pelo menos uma primeira camada (3), uma segunda camada (4) e uma terceira camada (5), em que - a primeira camada (3), que está disposta entre a superfície e a segunda camada (4) tal que a primeira camada está em contato direto com a superfície, está projetada como um único promotor de adesão de camada entre o substrato (2) solicitado corrosivamente e a segunda camada (4), a primeira camada (3) compreendendo cromo ou nitreto de cromo, - a segunda camada (4), em contato direto com a primeira camada (3), é uma camada de metal dúctil de liga de alumínio com uma estrutura colunar, e - a terceira camada (5) que está disposta no lado da segunda camada que está afastada do substrato (2) solicitado corrosivamente é uma camada de óxido cerâmico com uma dureza de pelo menos 20 GPa.
2. SISTEMA DE REVESTIMENTO (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela terceira camada (5) compreender óxido de alumínio e/ou óxido de cromo e/ou um óxido de cromo/alumínio em uma estrutura de solução sólida.
3. SISTEMA DE REVESTIMENTO (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dureza da terceira camada (5) ser de 25 GPa.
4. SISTEMA DE REVESTIMENTO (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela turbina a gás ser uma turbina a gás estacionária.
5. MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DE UM SISTEMA DE REVESTIMENTO (1), conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelos materiais da primeira camada (3), segunda camada (4) e terceira camada (5) serem aplicados por meio de deposição em vapor física.
6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelos materiais da primeira camada (3), segunda camada (4) e terceira camada (5) serem aplicados por meio de deposição por arco catódico e/ou por meio de pulverização catódica.
7. SISTEMA DE REVESTIMENTO (1) PARA UM SUBSTRATO (2) SOLICITADO CORROSIVAMENTE DE UM MATERIAL DE BASE, sendo o dito sistema de revestimento (1) caracterizado por compreender pelo menos uma primeira camada (3), uma segunda camada (4) e uma terceira camada (5) em que: - a primeira camada (3), que está disposta diretamente entre a superfície do substrato e a segunda camada (4) está projetada como uma única camada de promotor de adesão de camada compreendendo cromo ou nitreto de cromo, - a segunda camada (4) ser uma camada de metal dúctil de liga de alumínio com uma estrutura colunar em que a segunda camada (4) está configurada para proteger o substrato (2) solicitado corrosivamente agindo como um anodo de sacrifício para o substrato (2) solicitado corrosivamente e - a terceira camada (5) que está disposta no lado da segunda camada que está afastada do substrato (2) é uma camada de óxido cerâmico com uma dureza de pelo menos 20 GPa.
8. SISTEMA DE REVESTIMENTO (1), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela terceira camada (5) estar configurada para proteger a segunda camada (4) da corrosão.
9. SISTEMA DE REVESTIMENTO (1), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela terceira camada (5) ser feita de um composto em solução sólida de óxido de alumínio e óxido de cromo e compostos intermetálicos de alumínio de cromo adicionais.
10. SISTEMA DE REVESTIMENTO (1), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela primeira camada (3) ter uma espessura de 100 nm, a segunda camada (4) ter uma segunda espessura de entre 0,5 μm e 5,0 μm e a terceira camada (5) ter uma terceira espessura de entre 0,5 μm e 10,0 μm.
11. SISTEMA DE REVESTIMENTO (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela segunda camada (4) estar configurada para proteger o substrato (2) solicitado corrosivamente agindo como um anodo de sacrifício.
12. COMPONENTE DO COMPRESSOR DE UMA TURBINA A GÁS, caracterizado pelo componente do compressor ter um material de base, um substrato (2) solicitado corrosivamente do material de base incluindo uma superfície e um sistema de revestimento (1) incluindo uma primeira camada (3), uma segunda camada (4) e uma terceira camada (5) em que - a primeira camada (3), que está disposta entre a superfície e a segunda camada (4) tal que a primeira camada (3) está em contato direto com a superfície, está projetada como um único promotor de adesão de camada entre o substrato (2) solicitado corrosivamente e a segunda camada (4), a primeira camada (3) compreendendo cromo ou nitreto de cromo, - a segunda camada (4), em contato direto com a primeira camada (3), é uma camada de metal dúctil de alumínio com uma estrutura colunar, e - a terceira camada (5) que está disposta no lado da segunda camada que está afastada do substrato (2) solicitado corrosivamente é uma camada de óxido cerâmico com uma dureza de pelo menos 20 GPa.
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