ES2244914T3 - Capa protectora para las altas temperaturas. - Google Patents

Abstract

Capa protectora de altas temperaturas para un componente, caracterizada porque la misma contiene (en % en peso) de un 23 hasta un 27% de Cr, de un 4 hasta un 7% de Al, de un 0, 1 hasta un 3% de Si, de un 0.1 hasta un 3% de Ta, de un 0.2 hasta un 2% de Y, de un 0, 001 hasta un 0.01% de B, de un 0, 001 hasta un 0, 01% de Mg, y de un 0.001 hasta un 0.01% de Ca, el resto de Ni e impurezas inevitables.

Description

Capa protectora para altas temperaturas.

La invención se refiere a una capa protectora para altas temperaturas según la reivindicación independiente.

Las capas protectoras para altas temperaturas se emplean sobre todo en aquellos sitios donde tiene que protegerse el material básico de componentes hechos de aceros resistentes en caliente y/o aleaciones, que se emplean a temperaturas por encima de 600ºC.

Sobre estas capas protectoras para altas temperaturas tiene que frenarse o bien completamente evitarse el efecto de corrosión de alta temperatura particularmente de azufre, cenizas aceitosas, oxígeno, tierras alcalinas y vanadio. Las capas protectoras para altas temperaturas de este tipo están configuradas de tal manera, que pueden aplicarse directamente sobre el material básico del componente a proteger. En el caso de componentes para turbinas de gas son las capas protectoras para altas temperaturas de particular importancia. Se aplican particularmente sobre paletas del rodete y o de directriz así como sobre segmentos intercambiadores de calor de turbinas de gas.

Para la fabricación de estos componentes se emplea preferentemente un material austenítico a base de níquel, cobalto o hierro. En la fabricación de turbinas de gas se emplean particularmente aleaciones especiales de níquel como material básico.

Actualmente es habitual dotar componentes destinados a turbinas de gas de capas protectoras, que se forman por componentes esenciales de níquel, cromo, aluminio e itrio. Las capas protectoras para altas temperaturas muestran una matriz que está alojada en una fase que contiene aluminio.

La mayoría de los recubrimientos para aplicaciones para altas temperaturas proceden de las familias de las NiCrAlY, CoCrAlY o NiCoCrAlY. Las capas se diferencian por la concentración de los "elementos familiares" de níquel, cobalto, cromo, aluminio e itrio y por la adición de otros elementos. La composición de la capa determina en gran medida el comportamiento a alta temperatura en una atmósfera oxidante o bien corrosiva, en un cambio de temperatura y en caso de exigencia mecánica. Además determina la composición de la capa los costes de material y de fabricación. Muchas capas conocidas muestran tan sólo en el caso de aspectos parciales excelentes propiedades. Aunque se utiliza muchas veces en todo el mundo, se influye por la adición de cobalto según investigaciones propias negativamente sobre la resistencia a la corrosión como también sobre los costes.

Por los documentes JP-A-53-085736, US-A-3,622,693, UA-A-4,477,538, US-A-4,537,744, US-A-3,754,903, US-A.013,424, US-A-4,022,587 y US-A-4,743,514 se han conocidas numerosas aleaciones de la familia de "NiCrAlY exento de cobalto". La modelación termodinámica para el intervalo de temperatura de 800ºC hasta 1050ºC de la existencia de fases de esta aleación ha mostrado que las composiciones especificadas conducen a microestructuras con fases indeseadas o bien a transiciones de fases térmicamente activadas, es decir \sigma- y/o \beta en porcentajes de volumen inconvenientemente grandes.

El objeto de la invención consiste, partiendo del citado estado de la técnica, de crear una capa protectora para altas temperaturas, que es favorable en costes, resistente a la oxidación y corrosión y al cambio de temperatura.

Esta tarea se resuelve según la invención por las características de la reivindicación 1.

La composición según la invención de está aleación muestra (en % en peso) de un 23 a un 27% de cromo, de un 4 a un 7% de aluminio, de un 0,1 a un 3% de silicio, de un 0,1 a un 3% de tantalio, de un 0,2 a un 2% de itrio, de un 0,001 hasta un 0,01% de boro, de un 0,001 a un 0,01% de magnesio y de un 0,001 a un 0,01% de calcio. Todas las indicaciones de peso se refieren a la totalidad del peso de la respectiva aleación. El restante porcentaje de la aleación consiste en níquel e impurezas inevitables. Preferentemente se sitúa el contenido de aluminio en un intervalo de más de un 5 hasta un 6% en peso.

En la capa protectora según la invención se trata de una aleación de NiCrAlY. Muestra una resistencia contra la oxidación y corrosión claramente mejorada frente a las capas protectoras para altas temperaturas ya conocidas. En la capa protectora para las altas temperaturas según la invención tiene que decirse, que muestra en altas temperaturas (según ejecución por encima de 800ºC) fases de \gamma y de \gamma', que contienen aluminio con un porcentaje de volumen de al menos un 50%, que posibilita la formación de una capa protectora, que contiene óxido de aluminio y en temperaturas bajas y medianas (según la ejecución por debajo de 900ºC) fases de \alpha-Cr, que contienen cromo (denominado en la figura 1 como BCC) de más de un 5%, que posibilita la formación de una capa protectora, que contiene óxido de cromo.

Si se agregan silicio y boro a la aleación que forma la capa protectora de alta temperatura, entonces mejora la adherencia de la capa de recubrimiento, que contiene óxido de aluminio, a temperatura alta, que aumenta esencialmente la protección de la capa protectora para altas temperaturas y del componente que se encuentra por debajo. Con una adición de magnesio y calcio se aglutinan particularmente las impurezas naturalmente existentes en la obtención y se aumenta por ello para temperaturas inferiores a 850 a 950ºC la resistencia a la corrosión. La proporción cuantitativa de cromo a aluminio está limitada a 3.6 hasta 6.5, para evitar la formación de fases de \beta frágiles. La proporción cuantitativa de níquel a cromo está limitada a 2.3 hasta 3.0, para evitar fases de \sigma frágiles, lo que mejora la resistencia contra el cambio de la temperatura. La adherencia fija y continuada de la capa protectora y su capa de recubrimiento en el caso de un frecuente cambio de temperatura se consigue particularmente por el porcentaje de itrio fijado para aleaciones.

La composición aquí seleccionada no muestra o bien muestra tan sólo pequeños porcentajes de volumen de la fase de \sigma o bien de \beta-NiAl (figura 1), de modo que bajo exigencias de cambio de temperatura tienen que esperarse calaras ventajas. La aleación comparativa de la figura 2 muestra una composición similar en algunos elementos, pero por las diferencias de otros elementos se demuestra, sin embargo una microestructura muy diferente, que basándose en nuestras experiencias no tienen una resistencia al cambio de la temperatura suficiente para turbinas y además no pueden emplearse por el inicio de la fusión por encima de 900ºC.

La impurificación por azufre inherente y condicionada por el producto, que puede alcanzar de forma típica concentraciones menores de 10 ppm, en algunos casos, sin embargo, también hasta un 50 ppm, conduce a una reducida resistencia a la oxidación y a la corrosión. Según la invención se agregan en la obtención del recubrimiento los oligoelementos de Mg y Ca, que absorben azufre.

La aleación se aplica directamente sobre el material básico del componente o sobre una capa intermedia, que consiste en una tercera composición. Los espesores de capa varían en función del procedimiento de recubrimiento entre 0.03 mm hasta 1.5 mm.

La invención se explica mediante los dibujos adjuntos, en los cuales representan la

figura 1 muestra el equilibrio de fases (porcentaje en mol \Phi [%] vs. temperatura [ºC]) según la composición aquí indicada, y

figura 2 muestra el equilibrio de fases (porcentaje en mol \Phi [%] vs. temperatura [ºC] según la composición indicada en la patente US-A-4,973,445.

Se representan tan sólo los elementos esenciales para la invención.

Mediante un ejemplo de ejecución, que describe la obtención de un componente recubierto de una turbina de gas o de un otro componente de una máquina turbo térmica, se explica la invención con más detalle. El componente de turbina de gas a recubrir está fabricado por un material austenítico, particularmente por una aleación especial de níquel. Antes del recubrimiento se limpia el componente primeramente de forma química y se hace rugosa entonces con un proceso de chorro. El recubrimiento del componente se lleva a cabo bajo vacío, bajo gas protector o en el aire mediante procedimientos térmicos de proyección (LPPS, VPS, APS), proyección de alta velocidad (HVOF), procedimientos electroquímicos, evaporación química (PVD, CVD) o un otro procedimiento de recubrimiento conocido por el estado de la técnica.

Para el recubrimiento se emplea una aleación de NiCrAlY, que nuestra según la invención (en porcentaje en peso) de un 23 hasta un 27% en peso de cromo, de un 4 hasta un 7% en peso de aluminio, de un 0.1 hasta un 3% en peso de silicio, de un 0.1 hasta un 3% en peso de tantalio, de un 0.2 hasta un 2% en peso de itrio, de un 0.001 hasta un 0.01% en peso de boro, de un 0.001 hasta un 0,01% en peso de magnesio y de un 0.001 hasta un 0.01% en peso de calcio. El porcentaje restante de la aleación consiste en níquel e impurezas inevitables. Preferentemente se sitúa el contenido de aluminio en el intervalo de más de un 5 hasta un 6% en peso. Todas las indicaciones en peso se refieren a la totalidad en peso de la aleación empleada.

La aleación según la invención muestra una clara mejora de la resistencia contra la oxidación y la corrosión frente a las capas protectoras contra altas temperaturas ya conocidas. En la capa protectora de altas temperaturas según la invención tiene que decirse que muestra a altas temperaturas (según la ejecución por encima de 800ºC) fases de \gamma y de \gamma', que contienen aluminio con un porcentaje de volumen de al menos un 50%, que posibilita la formación de una capa protectora, que contiene óxido de aluminio, a temperaturas bajas y medianas (según la ejecución por debajo de 900ºC) fases de \alpha-Cr que contienen cromo de más de un 5%, que posibilita la formación de una capa protectora , que contiene óxido de cromo.

Como se ve de la figura 1, muestra la composición aquí seleccionada ninguno o tan sólo pequeños porcentajes de volumen de fase de \sigma o bien de fase de \beta-NiAl o fases de boruro (en la figura 1 denominado como M2M_ORTH), de modo que tienen que esperarse bajo exigencia de cambios de temperatura claras ventajas. La aleación comparativa (figura 2) muestra una composición similar en algunos elementos, pero por las diferencias en otros elementos se demuestra, sin embargo, una microestructura muy diferente, que, basándose en nuestra experiencia, no tienen una resistencia contra cambios de temperaturas suficiente para turbinas y no puede emplearse por la fusión iniciante por encima de 900ºC.

Para mejorar la adherencia de la capa de recubrimiento, que contiene óxido de aluminio, a elevada temperatura, se agrega al producto básico, que forma la capa protectora de alta temperatura, silicio y boro por aleación. Por ello se aumenta la protección de la capa protectora de alta temperatura y del componente, que se encuentra por debajo esencialmente.

La impurificación inherente condicionada por el producto de azufre, que está presente de forma típica en una concentración menor de un 10 ppm, pero puede alcanzar en casos aislador también un 50 ppm, conduce a una reducida resistencia contra la oxidación y corrosión. Según la invención se agregan en la obtención del recubrimiento los oligoelementos de Mg y de Ca, que absorben azufre y que aumentan por ello para temperaturas por debajo de los 850 hasta 950ºC la resistencia contra la corrosión.

La proporción cuantitativa de cromo a aluminio está limitada a 3.6 hasta 6.5, para evitar la formación de fases de \beta frágiles. la proporción cuantitativa de níquel a cromo está limitada a 2.3 hasta 3.0, para evitar fases de \sigma frágiles, lo que mejora la resistencia al cambio de la temperatura.

La adherencia fija y constante de la capa protectora y de su capa de recubrimiento en el caso de mucho cambio de temperatura se consigue por el porcentaje de itrio fijado especialmente para la aleaciones.

El material, que forma la aleación, está presente para los procesos de proyección térmicos en forma pulverulenta y muestra preferentemente un tamaño de grano de 5 hasta 90 \mum. En otros procedimientos anteriormente mencionados se obtiene la aleación como "target" o bien como suspensión. La aleación se aplica directamente sobre el material básico del componente o sobre una capa intermedia, que consiste en una tercera composición. Los espesores de capa varían según el procedimiento de recubrimiento entre 0.03 mm hasta 1.5 mm. Después de la aplicación de la aleación se somete el componente a un tratamiento térmico. Este se lleva a cabo a una temperatura de 100º hasta 1200ºC durante aproximadamente 10 minutos hasta 24 horas.

Claims (10)

1. Capa protectora de altas temperaturas para un componente, caracterizada porque la misma contiene (en % en peso) de un 23 hasta un 27% de Cr, de un 4 hasta un 7% de Al, de un 0,1 hasta un 3% de Si, de un 0.1 hasta un 3% de Ta, de un 0.2 hasta un 2% de Y, de un 0,001 hasta un 0.01% de B, de un 0,001 hasta un 0,01% de Mg, y de un 0.001 hasta un 0.01% de Ca, el resto de Ni e impurezas inevitables.

2. Capa protectora de altas temperaturas según la reivindicación 1, caracterizada porque la capa protectora (en % en peso) contiene más de un 5% hasta un 6% de Al.

3. Capa protectora de altas temperaturas según la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque la proporción cuantitativa de Cr a Al se encuentra en un intervalo de 3.6 hasta 6.5.

4. Capa protectora de altas temperaturas según la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque la proporción cuantitativa de Ni a Cr de encuentra en un intervalo de 2.3 hasta 3.0.

5. Capa protectora de altas temperaturas según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la suma de los porcentajes de volúmenes de ambas fases de \gamma (gama) y \gamma' (gama prime) en el intervalo de temperatura de 800ºC hasta 1050ºC asciende a más de un 50%.

6. Capa protectora de altas temperaturas según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el porcentaje de volúmenes de las fases de \alpha-C asciende en el intervalo de temperatura de 800ºC hasta 900ºC a más de un 5%.

7. Capa protectora de altas temperaturas según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque se obtiene el recubrimiento bajo vacío, bajo gas protector o en el aire mediante procedimientos de proyección térmicos (LPPS, VPS, APS), proyección de alta velocidad (HVOF), precipitación electroquímica, evaporación física/química (PVD, CVD) o un otro procedimiento de recubrimiento conocido por el estado de la técnica.

8. Capa protectora de altas temperaturas según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque este es un recubrimiento de componentes de máquinas turbo térmicas.

9. Capa protectora de altas temperaturas según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque el espesor de capa está aplicado entre 0.03 mm y 1.5 mm directamente sobre el material básico del componente o sobre una capa intermedia.

10. Capa protectora de altas temperaturas según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque el recubrimiento está empleado por debajo de una capa amortiguadora térmica como capa compatibilizante.