ES2251058T3

ES2251058T3 - Revestimientos ceramicos que contienen una porosidad estratificada.

Info

Publication number: ES2251058T3
Application number: ES98309435T
Authority: ES
Inventors: Michael J. Maloney
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1998-11-18
Publication date: 2006-04-16
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: EP0916635A3; KR100631447B1; JPH11264059A; DE69831779T2; EP0916635A2; DE69831779D1; KR19990045333A; EP0916635B1; US6299971B1; US6057047A

Abstract

SE DESCRIBEN REVESTIMIENTOS DE CERAMICA EN CAPAS, EN LOS QUE ALGUNAS CAPAS TIENEN POROSIDAD, ASI COMO LOS PROCEDIMIENTOS PARA SU FABRICACION. LAS DIFERENTES CAPAS TIENEN DISTINTAS COMPOSICIONES Y/O SE APLICAN EN DIVERSAS CONDICIONES. TAL COMO SE APLICAN, ALGUNAS DE LAS CAPAS TIENEN UNA ESTRUCTURA EN LA ZONA I, Y OTRAS UNA ESTRUCTURA DEL TIPO DE LA ZONA II/III (SEGUN DEFINE MOVCHAN). PARA AUMENTAR LA POROSIDAD DE LAS CAPAS DE LA ESTRUCTURA DE LA ZONA I SE PUEDE UTILIZAR TRATAMIENTO TERMICO.

Description

Revestimientos cerámicos que contienen una porosidad estratificada.

Esta invención se refiere al campo de los revestimientos cerámicos de barrera térmica y a cerámicas abrasibles para su uso en aplicaciones de cierre de turbina de gas. Más específicamente esta invención se refiere a revestimientos cerámicos de barrera térmica y cierres abrasibles que comprenden múltiples capas en los que por lo menos una de las capas es porosa.

Los motores de turbina de gas se usan ampliamente como fuentes de fuerza motriz, y para otros propósitos tales como generación de electricidad y bombeo de fluidos. Los fabricantes de turbinas de gas se enfrentan a una constante demanda del cliente de mejor rendimiento, eficiencia mejorada y duración mejorada. Un modo de mejorar la eficiencia del rendimiento y el rendimiento es incrementar la temperatura de funcionamiento. El incremento de las temperaturas de funcionamiento usualmente reduce la duración del motor y es efectivo solo dentro de los límites de los materiales usados en el motor.

Los actuales motores de turbina de gas se construyen predominantemente de materiales metálicos, siendo ampliamente usadas las superaleaciones a base de níquel en las porciones de alta temperatura del motor. Tales superaleaciones se usan actualmente en motores en los que las temperaturas del gas están muy cerca del punto de fusión de las superaleaciones. Los incrementos de la temperatura de funcionamiento del motor no son posibles sin las etapas concurrentes para proteger la superaleación de la exposición directa a las temperaturas del gas a las que ocurre la fusión. Tales etapas incluyen la provisión de aire de refrigeración (que reduce la eficiencia del motor) y el uso de revestimientos aislantes.

Los materiales cerámicos aislantes, particularmente en forma de revestimientos o revestimientos de barrera térmica, son el objetivo principal de esta invención. Tales revestimientos son, lo más comúnmente, cerámicos y se aplican comúnmente por proyección de plasma o por deposición de vapor generado por haz de electrones. Esta invención se centra en los revestimientos aplicados por deposición de vapor generado por haz de electrones. La deposición de vapor generado por haz de electrones se describe en las patentes de EE.UU. 4.405.659; 4.676.994 y 5.087.477. Las patentes típicas que discuten los revestimientos de barrera térmica del estado actual de la técnica son las siguientes: 4.405.660, 5.262.245 y 5.514.482.

El revestimiento de barrera térmica más ampliamente usado para la aplicación a componentes giratorios en motores de turbina comprende un material de revestimiento de unión cuya composición se describe en la patente de EE.UU. 4.419.416, una capa delgada de óxido de aluminio sobre dicho revestimiento de unión, y un revestimiento cerámico de grano columnar adherido a la capa de óxido de aluminio como se describe en la patente de EE.UU. 4.405.659. Este revestimiento fue desarrollado por el solicitante y se aplica actualmente a más de 100.000 componentes de turbina de gas por año. A pesar del éxito de este revestimiento y su extendida aceptación hay un deseo de revestimientos de barrera térmica avanzados, siendo la principal mejora deseada las propiedades de aislamiento térmico específico mejoradas (aislamiento térmico corregido por la densidad).

Si se pudiese desarrollar un revestimiento con mejoradas propiedades de aislamiento corregidas por la densidad, tal revestimiento se podría usar con el mismo grosor que el que se usa ahora comercialmente para reducir el flujo de calor (permitiendo una reducción de aire de refrigeración e incrementando por ello la eficiencia del motor) o se podría usar con un grosor reducido para proporcionar el mismo grado de aislamiento y flujo de calor pero con un peso de revestimiento reducido. Tales reducciones de peso son significativas, especialmente en componentes giratorios, dado que el peso del revestimiento de barrera térmica da como resultado fuerzas centrífugas
durante el funcionamiento del motor de tanto como dos mil libras (aproximadamente nueve mil newton) en un único álabe de turbina en un motor de avión grande. La reducción de las fuerzas centrífugas del álabe tiene implicaciones positivas en los requerimientos de diseño de los componentes del motor asociados al álabe, en particular el disco de soporte.

La eficiencia de la turbina de gas se puede mejorar también reduciendo la fuga de gas. En particular se debe minimizar la separación entre las puntas del álabe giratorio y la estructura de la carcasa que las rodea. Esto se consigue comúnmente proporcionando un material de cierre abrasible sobre la carcasa. En funcionamiento, las puntas de los álabes abren un canal en el material abrasible, reduciendo de este modo la fuga de gas.

El documento EP-A-0605196 describe un revestimiento de barrera térmica que tiene una capa cerámica densa y porosa aplicada por un procedimiento de proyección de plasma de aire. El documento US-A-5350599 describe un revestimiento de barrera térmica depositado por deposición física de vapor. La rotación del substrato se detiene durante la deposición para crear capas porosas que tienen una microestructura columnar y capas más densas que preferentemente no tienen porosidad. El documento EP-A-0366924 describe revestimientos de unión para materiales cerámicos estratificados.

Vista desde un primer aspecto, la presente invención proporciona un material cerámico poroso que comprende múltiples capas cerámicas depositadas por deposición física de vapor en la que por lo menos una de dichas capas es una primera capa que contiene más de 20% en volumen de porosidad y por lo menos una de las otras capas es una segunda capa que contiene menos de 5% en volumen de porosidad y en la que dicho material tiene más de tres primeras capas, y en la que dichas primeras capas están separadas unas de otras por lo menos por una segunda capa dispuesta entre ellas.

En una realización preferida, la presente invención proporciona un substrato revestido que comprende a: un substrato; b: un revestimiento de unión; c: un revestimiento cerámico estratificado de dicho material cerámico de la presente invención sobre dicho revestimiento de unión.

Según una realización preferida adicional, la presente invención proporciona un substrato revestido en el que el revestimiento de unión sobre dicho substrato se selecciona del grupo que consiste en revestimientos de MCrAlY y aluminiuro, y sus combinaciones.

La presente invención comprende un material cerámico estratificado, aplicado preferentemente en forma de revestimiento. Capas diferentes en la estructura tienen diferentes microestructuras, siendo por lo menos una de las capas relativamente densa y siendo otra de las capas menos densa y defectuosa. La estructura de la capa defectuosa menos densa se puede modificar por tratamiento térmico para proporcionar porosidad. La porosidad proporciona conductividad térmica reducida y abrasibilidad incrementada.

Las capas se depositan preferentemente por deposición física de vapor generado por haz de electrones. La pulverización catódica "sputtering" es una técnica de aplicación alternativa para el procedimiento de la invención, pero como se practica actualmente es un procedimiento lento y generalmente no económico.

Lo más frecuentemente las capas tendrán diferentes composiciones químicas, aunque en ciertas circunstancias es posible que las capas tengan una composición química común. Las capas se aplican en condiciones que producen las diferencias previamente mencionadas de densidad y porosidad entre las capas alternas.

Las capas relativamente densas se aplican por deposición de vapor generado por haz de electrones en condiciones que dan como resultado la deposición de lo que los expertos de la técnica de deposición física de vapor denominan estructuras de zona II o zona III, de aquí en adelante la denominación zona II/III se usará para referirse a estructuras que tienen una estructura del tipo de Zona II o Zona III o una combinación de estructuras de Zona II y Zona III. Las capas menos densas (es decir, las capas que se convertirán en porosas) se aplican en condiciones que dan como resultado microestructuras que los expertos en la técnica de deposición física de vapores denominan estructuras de Zona I. Tal como se usa aquí, la expresión Zona I quiere decir una capa que tiene una estructura como la Zona I depositada o una estructura como la Zona I depositada que ha sido tratada térmicamente para mejorar la porosidad.

La estructura resultante se tratará térmicamente para mejorar la porosidad por medio de sinterización, que incrementa el tamaño de poro y densifica las porciones cerámicas que rodean los poros.

El revestimiento de la invención encuentra aplicación particular en el campo de los componentes de turbina de gas. Tales componentes incluyen las secciones aerodinámicas de turbina (álabes y hélices) y cierres abrasibles que se pretende que interaccionen con las puntas de los álabes o cierres de borde cortante para reducir el flujo de gas no deseado.

Según un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para aplicar un revestimiento cerámico estratificado, en el que por lo menos algunas de las capas son porosas, a un substrato que incluye las etapas de:

depositar por deposición física de vapor una pluralidad de capas cerámicas sobre dicho substrato en condiciones que dan como resultado por lo menos que una de dichas capas tenga una microestructura de Zona I y por lo menos una de dichas capas que tenga una microestructura seleccionada del grupo que consiste en microestructuras de Zona II y Zona III y sus mezclas, en la que dicho material tiene más de tres de dichas capas que tienen una microestructura de Zona I; y

tratar térmicamente dicho substrato revestido de una pluralidad de capas para producir porosidad en dichas tres o más capas de microestructura de Zona I de tal modo que tengan más de 20% en volumen de porosidad, teniendo por lo menos las capas de microestructura de Zona II y/o III menos de 5% en volumen de porosidad, en el que dichas primeras capas están separadas unas de otras por lo menos por una segunda capa dispuesta entre ellas.

Ciertas realizaciones preferidas de la presente invención se describirán ahora a modo de ejemplo, solas y con referencia a los dibujos que se adjuntan, en los que:

La Fig. 1 muestra la estructura de revestimientos depositados por EBPVD como función de la temperatura de la superficie del substrato;

La Fig. 2 muestra la microestructura de un revestimiento del ejemplo tal como se deposita;

La Fig. 3 muestra la microestructura del revestimiento después del tratamiento térmico; y

La Fig. 4 muestra la conductividad térmica de un revestimiento preferido y de circonia estabilizada con 7% de itria.

La deposición física de vapor de cerámicas, incluyendo las técnicas de haz de electrones y pulverización catódica, ha sido ampliamente estudiada. Un trabajo publicado por B.A. Movchan and A.B. Demchishin titulado "Study of the Structure and Properties of Thick Vacuum Condensates of Nickel, Titanium, Tungsten, Aluminum oxide, and Zirconium oxide" en 1969, the Journal Physics of Metallurgy and Metallography (USSR), volumen 28, página 83, analiza la deposición de vapor de materiales en diferentes condiciones. Estos autores fueron los primeros en caracterizar la estructura de revestimientos depositados físicamente con vapor generado por haz de electrones como función de la temperatura de la superficie del substrato. La Figura 1 de su trabajo se reproduce como Figura 1 aquí. En 1974 Thornton publicó un trabajo similar relacionado con la deposición por pulverización catódica, J. Vac. Sci. Technol.
11:666-70, (1974) con similares conclusiones.

La Figura 1 muestra las tres zonas que aparecen en los revestimientos de deposición física de vapor como función de la temperatura de la superficie del substrato durante la deposición. La Zona I es un revestimiento de baja densidad con un contenido de defectos extremadamente grande (microporos, microvacíos, dislocaciones, vacantes y similares). La Zona II es una estructura más densa de grano columnar en la que cada columna es un único grano y la Zona III es un revestimiento aún más denso (esencial y completamente denso) que comprende granos recristalizados equiaxiales. Se cree que el cambio del carácter del depósito (incrementando efectivamente en densidad al incrementar la temperatura del substrato) es el resultado de la movilidad mejorada de los átomos del vapor depositado después de que chocan con la superficie del substrato.

Para las cerámicas, Movchan et al. determinaron que la frontera entre la Zona I y la Zona II típicamente aparecía a una temperatura homóloga (la temperatura homóloga se refiere a la fracción de la temperatura absoluta de fusión del material) de entre 0,22 y 0,26 y la frontera entre las Zonas II y III típicamente aparecía a una temperatura homóloga de entre alrededor de 0,45 y 0,5.

Se puede ver que se puede depositar una sola composición cerámica de modo que se tengan tres estructuras diferentes controlando la temperatura de la superficie del substrato sobre la que se está depositando el revestimiento. Dado que la microestructura del revestimiento depositado es una función de la temperatura del substrato se puede ver también que diferentes materiales cerámicos con diferentes puntos de fusión y por tanto diferentes temperaturas homólogas se pueden depositar sobre un substrato a temperatura de la superficie constante y exhibir diferentes estructuras de zona.

La temperatura de la superficie del substrato se refiere a la temperatura en la superficie sobre la que se deposita el revestimiento, esta temperatura a menudo difiere de la temperatura de la masa del substrato y está afectada por el flujo de energía radiante y por la aportación de energía a la superficie por el material de revestimiento que choca con la superficie. Más altas temperaturas de la superficie del substrato permiten la difusión lateral de los átomos depositados lo que da como resultado depósitos de más alta densidad.

La esencia de la presente invención es la deposición por lo menos de una primera capa que tiene una estructura de Zona I y por lo menos una segunda capa que tiene una estructura de Zona II o Zona III, siendo repetido el procedimiento para proporcionar por lo menos tres primeras capas (seguido de tratamiento térmico apropiado; una pauta para la temperatura apropiada de tratamiento térmico sería una temperatura por encima de alrededor de 0,5-0,8 de la temperatura homóloga de la composición de la capa en la que se va a formar la porosidad. Preferentemente, la capa de Zona I está situada entre estructuras adyacentes de Zona II/III. La estructura de Zona I, siendo menos densa, inhibirá el flujo de calor y por ello proporcionará aislamiento térmico, la estructura menos densa también será más abrasible para aplicaciones de cierre. La capa de estructura de Zona II/III relativamente más densa proporcionará resistencia mecánica. El grosor de la capa variará entre 0,05 y 5000 micrómetros y preferentemente entre 0,1 y 1000 micrómetros. El grosor total del revestimiento puede variar de alrededor de 10 micrómetros a alrededor de 1 mm para los revestimientos de barrera térmica, y hasta alrededor de 5 mm para revestimientos abrasibles. Las aplicaciones más prácticas de la invención contendrán muchas capas alternas de materiales, más de 10 capas y lo más preferentemente más de 100 capas.

Las aplicaciones prácticas de la invención preferentemente emplearán también tratamientos térmicos después de la deposición del revestimiento de la capa para provocar la sinterización de la estructura de Zona I y la formación de poros grandes aglomerados o porosidad. Tal aglomeración de poros mejora las propiedades mecánicas del revestimiento densificando la cerámica en las regiones entre los poros. El tamaño medio de poro excede de 0,01 y preferentemente 0,1 micrómetros. Los poros resultantes tienen una forma redondeada caracterizada porque para un poro de diámetro medio "D" (medido en múltiples diámetros), el menor radio de la pared del poro será mayor de 0,1D y preferentemente mayor de 0,3D.

Esta geometría relativamente suave redondeada distingue los poros encontrados en el revestimiento de la invención de los vacíos encontrados en los revestimientos de plasma proyectado. Los revestimientos de plasma proyectado se forman por el impacto o salpicadura de partículas de polvo fundidas o ablandadas. El revestimiento resultante tiene poros con esquinas agudas irregulares entre las salpicaduras solidificadas. También, la porosidad de la proyección de plasma no se encuentra en las capas separadas por capas que están esencialmente libres de porosidad.

Después del tratamiento térmico la capa porosa de Zona I contendrá más sustancialmente de alrededor de 20% de porosidad en volumen y lo más preferentemente más de alrededor de 35% de porosidad en volumen. Las capas de la Zona II/Zona III contendrán menos de alrededor de 5% en volumen y preferentemente menos de 2% de porosidad en volumen. Sustancialmente libre de porosidad quiere decir menos de alrededor de 5% en volumen, y preferentemente menos de alrededor de 2% en volumen.

En su definición más amplia, la invención comprende por lo menos tres o más capas de Zona I (tratadas térmicamente para mejorar la porosidad) y por lo menos una capa de Zona II/Zona III. Preferentemente hay por lo menos 10 capas, siendo por lo menos 3 de la Zona I y siendo por lo menos 3 del tipo de la Zona II y/o Zona III. Preferentemente hay más de 100 capas en el revestimiento, siendo por lo menos 10 capas del tipo de la Zona I y siendo por lo menos 10 de estructura de Zona II o Zona III.

Un revestimiento de unión se colocará usualmente entre el substrato y el revestimiento poroso estratificado de la invención. Los revestimientos de unión preferidos incluyen aquellos revestimientos conocidos como revestimientos de MCrAlY y revestimientos de aluminiuro. Ambos tipos de revestimiento forman capas densas de alúmina adherente de razonable pureza y es a esta capa de alúmina a la que se adhiere el revestimiento de la invención.

El concepto de esta invención se puede entender mejor por la consideración del siguiente ejemplo que se desea que sea ilustrativo en lugar de limitante.

Ejemplo

Se proporcionó un único cristal de substrato de superaleación que tiene una composición nominal de 5% de Cr, 10% de Co, 1,9% de Mo, 5,9% de W, 3% de R, 8,7% de Ta, 5,65% de Al, 0,1% de Hf, Bal Ni. La superficie del substrato se limpió por decapado con abrasivo y a continuación se aplicó una capa delgada (grosor nominal de 0,127 mm) de revestimiento de unión del tipo de MCrAlY que tiene una composición nominal de (22% de C, 17% de Cr, 12,5% de Al, 0,25% de Hf, 0,45 de Si, 0,6% de Y, Bal Ni). El revestimiento de unión se depositó por técnicas de proyección de plasma convencionales. La superficie de revestimiento de unión se martilló con bolas de vidrio a continuación para mejorar su densidad. A continuación se realizó una etapa de tratamiento térmico para desarrollar una capa de óxido hecha crecer térmicamente (predominantemente alúmina). El tratamiento se realizó a 816ºC durante 15 minutos con un flujo de oxígeno de 70 cm^{3} estándar/min a una presión de alrededor de 10^{-4} torr (13,3 mPa). Se requerirá experimentación mínima para desarrollar el deseado grosor de óxido de 0,01-2,0 micrómetros y preferentemente
0,1-0,7 micrómetros.

Un revestimiento estratificado que consiste en capas alternas de ceria que contiene 12 por ciento en peso de itria, y circonia estabilizada con 7 por ciento de itria se aplicó a continuación sobre la superficie del revestimiento de unión. Los grosores del revestimiento eran de alrededor de 0,5 micrómetros para la circonia estabilizada y de alrededor de 0,5 micrómetros para la itria-ceria. Se aplicaron alrededor de 300 pares de capas de revestimiento par un grosor total de revestimiento de alrededor de 300 micrómetros.

Estas capas de revestimiento se aplicaron usando un haz de electrones para evaporar los materiales cerámicos de partida en partículas. El haz de electrones se deflectó para evaporar alternativamente las diferentes cerámicas constituyentes. Las fuentes en partículas se evaporaron por medio de un haz de electrones que funciona a alrededor de
10 kilovoltios y a una corriente de alrededor de 0,4 amperios para una potencia de evaporación de alrededor de
4 kW. El tiempo de permanencia del haz de electrones sobre la itria-ceria fue alrededor de 4 segundos y sobre la itria-circonia de alrededor de 6 segundos. La distancia de separación del substrato para la fuente de vapor de cerámica era alrededor de 76 mm. El substrato se hizo girar a alrededor de 28 revoluciones por minuto y la temperatura del substrato en masa era alrededor de 760ºC. Los revestimientos se aplicaron a una presión reducida de alrededor de 4 x 10^{-6} torr
(523 x 10^{-6} Pa) y se hizo fluir oxígeno dentro de la cámara a una velocidad de alrededor de 70 centímetros cúbicos estándar por minuto para asegurar la estequiometría del revestimiento. El tiempo total para aplicar este revestimiento fue alrededor de 60 minutos.

Durante la deposición del revestimiento la fuente de revestimiento calentó la superficie del substrato en un mayor grado durante la deposición de itria-circonia que durante la deposición de itria-ceria. Este procedimiento dio como resultado que las capas de itria-circonia tuvieran una estructura de Zona II densa mientras que la itria-ceria formó una estructura de Zona I altamente defectuosa que contenía microvacíos y microporosidad. La porosidad estimada de la itria-circonia era menor de alrededor de 5%. La radiación térmica del material objetivo que se evapora fue la fuente principal de calentamiento de la superficie del substrato (por encima de la temperatura del substrato en masa) durante el procedimiento de revestimiento por vaporización física generada por haz de elec-
trones.

El calentamiento mejorado de la superficie del substrato durante la deposición de las capas de itria-circonia era el resultado de la alta temperatura del material objetivo de itria-circonia durante la evaporación. Durante el procedimiento de revestimiento se generó significativamente más calor de la itria-circonia durante la evaporación, porque este material tiene una presión de vapor relativamente baja, de modo que el material de itria-circonia se debe calentar hasta una alta temperatura, y fundir, para vaporizar el material a una velocidad razonable. La composición de itria-ceria tiene una presión de vapor mucho más alta y se vaporiza fácilmente a mucho más baja temperatura, aparentemente por sublimación, y de este modo no se forma una masa fundida caliente tal como la formada durante la verdadera evaporación. El material objetivo de itria-ceria, estando a más baja temperatura que la itria-circonia, y no formando una masa fundida durante la evaporación, calienta el substrato menos efectivamente.

En resumen, la superficie del substrato que se está revistiendo está a una temperatura relativamente alta durante la deposición de itria-circonia debido al calentamiento efectivo por la fuente objetivo de itria-circonia, y la nube de vapor resultante, y el vapor de itria-circonia se condensó en forma de estructura de tipo de Zona II. Sin embargo, la superficie del substrato estaba a una relativamente baja temperatura durante la deposición de itria-ceria debido al calentamiento limitado por la fuente objetivo de itria-ceria, y la nube de vapor de ceria, produciendo una estructura del tipo de
Zona I.

La microestructura del revestimiento tal como se deposita se muestra en la Figura 2. Las bandas oscuras en el revestimiento son las capas defectuosas de itria-circonia y las bandas claras son las capas de circonia estabilizada. Después de la deposición, el revestimiento se trató térmicamente a 1204ºC durante un periodo de 48 horas y la microestructura del revestimiento tratado térmicamente se muestra en la Figura 3. Se puede ver que está presente un alto grado de porosidad. La porosidad está presente en las capas que eran originalmente itria-ceria (estructura del tipo de Zona I). No hay porosidad visible en las capas de circonia estabilizada con itria.

La Figura 4 es un gráfico de la conductividad térmica de una realización preferida como se describe en este ejemplo y el revestimiento de circonia estabilizada con itria de la técnica anterior descrito en la patente de EE.UU. 4.405.659. Se puede ver que en un amplio intervalo de temperaturas la conductividad térmica del revestimiento preferido es sustancialmente menor que la del revestimiento de la técnica anterior. En la mayor parte del intervalo de temperatura, el revestimiento de la realización preferida muestra una conductividad térmica que es alrededor del 80% menos que la del revestimiento de la técnica anterior. Esta es una mejora significativa en la capacidad de aislamiento.

El ejemplo previo ha ilustrado la invención usando una combinación de material cerámico. Hay, por supuesto, muchas combinaciones de materiales cerámicos que se pueden depositar.

Algunas variaciones y detalles alternativos se describen a continuación.

I. Substrato

Lo más ampliamente, el substrato puede comprender cualquier material de alta temperatura tal como, por ejemplo, cerámicas, carbono, composites de carbono y similares así como superaleaciones. Para álabes de turbinas las superaleaciones son las más útiles. Las superaleaciones son materiales metálicos, basados en hierro, níquel o cobalto que tienen resistencias a la tracción por encima de 345 MPa y más típicamente por encima de 690 MPa a 538ºC.

Como se discute anteriormente, a menudo se desean revestimientos de unión para asegurar la adhesión del revestimiento al substrato, sin embargo, en algunas condiciones, para algunas superaleaciones puede no haber necesidad de un revestimiento de unión. Las superaleaciones que se pueden revestir sin necesidad de un revestimiento de unión son las que desarrollan inherentemente una capa de aluminio de alta pureza sobre sus superficies exteriores al exponerlas a condiciones oxidantes a elevadas temperaturas. Las superaleaciones típicas que no requieren un revestimiento de unión se describen en la Patente de EE.UU. 5.262.245.

II. Revestimiento de unión

Lo más comúnmente, un revestimiento de unión será una parte del sistema de revestimiento de la invención. El requerimiento de un revestimiento de unión dependerá del substrato y de los requerimientos de rendimiento del revestimiento de barrera térmica, temperatura de funcionamiento, duración deseada y otros factores ambientales que incluyen el ciclo térmico y la composición del gas ambiental. Hay una variedad de revestimientos de unión que se pueden usar con la presente invención. Estos incluyen un revestimiento superponible y revestimientos de aluminiuro. Se describen revestimientos superponibles típicos en las patentes de EE.UU. 3.928.026 y 4.419.416 y son variaciones sobre superaleaciones de base de níquel y cobalto que se han optimizado para desarrollar capas adherentes duraderas de alúmina de alta pureza al exponerlas a condiciones oxidantes a elevadas temperaturas.

Los revestimientos superponibles se aplican a la superficie del substrato y están tipificados por los revestimientos del tipo de MCrAlY que tienen la siguiente composición general.

M	=	Fe, Ni, Co y (Ni+Co)	=	Bal
Cr	=		=	10-30%
Al	=		=	5-15%
Y	=	(Y+Hf+La+Ce+Sc)	=	0,01-1%
(Si+Ta+Pt+Pd+Re+Rh+Os)	=	0-5%.

Los revestimientos superponibles se pueden aplicar por proyección de plasma, por EBPVD y por electrodepo-
sición.

Los revestimientos de aluminiuro se producen por difusión de aluminio dentro del substrato y se describen en el documento US 5.514.482. Tal como se usa aquí la expresión revestimiento de aluminiuro incluye revestimientos de aluminiuro modificados por adiciones de Pt, Rh, Os, Pd, Ta, Re, Hf, Si, Cr y sus mezclas.

También se conoce la aplicación de combinaciones de revestimientos superponibles y de aluminiuro, por ejemplo un revestimiento de aluminiuro puede tener aplicado sobre él un revestimiento superponible, y viceversa.

Las características importantes comunes requeridas por un revestimiento de unión útil son que sea inherente al substrato, que sea térmica y difusionalmente estable, que forme una capa estable de alúmina que sea adherente a la capa cerámica que se va a depositar en el medio de funcionamiento.

IV. Composiciones cerámicas

Se puede usar en la presente invención virtualmente cualquier composición cerámica que se pueda aplicar por deposición física de vapores. Obviamente la cerámica será escogida juiciosamente por el profesional experto para que sea compatible con el revestimiento de unión y/o el substrato, las otras composiciones cerámicas presentes en el revestimiento, y el medio de funcionamiento. El revestimiento de cerámica puede comprender una única composición cerámica o diferentes composiciones cerámicas aplicadas como capas alternas. La característica crítica es que el revestimiento se procese para producir estructuras alternas de capas de Zona I/Zona II o Zona III. Según el trabajo de Movchan et al. y Thornton, cualquier cerámica se puede aplicar aparentemente con estructuras de Zona I, Zona II o Zona III si se mantienen las apropiadas temperaturas de la superficie del substrato. Preferentemente, las cerámicas utilizadas son las que exhiben intrínsecamente baja conductividad térmica en masa. Estas incluyen ceria estabilizada con circonia con adiciones de tierras raras, y compuestos de óxido pirocloro.

Preferimos usar una cerámica sublimante para formar las capas de Zona I y una cerámica de tipo evaporante para forma las capas de Zona II/III. Esto se ilustró en el Ejemplo.

La disposición del revestimiento cerámico puede ser bastante variada. La más amplia descripción es que el revestimiento consiste en múltiples capas, en el que se depositan más de tres capas para que tengan una estructura de tipo de Zona I. La estructura de Zona I subsecuentemente se trata térmicamente para formar porosidad. Las capas de estructura del tipo de Zona I están separadas unas de otras por lo menos por una capa de estructura de Zona II y/o Zona III dispuesta entre ellas para proporcionar soporte y restricción mecánica.

Creemos que la fina porosidad será lo más efectivo para reducir el flujo de calor. Esta se debe equilibrar con la idea de que los poros pequeños son menos estables dado que tienden a encogerse y a cerrarse a altas temperaturas. El cierre de poros no será un problema significativo si la temperatura de uso es menor que la temperatura de encogimiento de los poros.

Preferentemente, la capa adyacente al revestimiento de unión o al substrato tiene una estructura de tipo de Zona II/Zona III. Preferentemente la capa más externa también tiene una estructura de tipo de Zona II/Zona III.

En algunas circunstancias se pueden incorporar otras capas sin restar valor a los beneficios de aislamiento térmico de la invención. Por ejemplo se puede seleccionar una capa externa para proporcionar las propiedades particulares deseadas para aplicaciones particulares, tales como emisividad térmica, dureza, resistencia a la abrasión, resistencia al ataque del medio (oxidación, sulfuración, nitruración, etc.) y/o resistencia a la difusión de especies adversas del medio tales como oxígeno que afectarían adversamente a la capa de revestimiento subyacente y/o al revestimiento de unión y/o al substrato. Por ejemplo, la alúmina se puede desear como capa externa porque es relativamente dura y es resistente a la difusión de oxígeno.

Para aplicaciones de cierre valen muchas de las mismas consideraciones. El grosor total de revestimiento será generalmente mayor, hasta alrededor de 100 mils (2,54 mm), preferentemente 50 mils (1,27 mm). El grosor de la capa individual y el volumen de poro y el tamaño de poro serán optimizados para proporcionar las propiedades mecánicas requeridas para la abrasibilidad.

V. Capa de alúmina

Una capa de alúmina, formada directamente sobre el substrato o sobre un revestimiento de unión es una característica importante de la invención. Lo más comúnmente, la capa de alúmina se hará crecer térmicamente, pero es conocido el uso de la pulverización catódica para desarrollar esta capa. El grosor de la capa de alúmina es 0,01-2 micrómetros, preferentemente 0,1-0,7 micrómetros.

Claims

1. Un material cerámico poroso que comprende múltiples capas cerámicas depositadas por deposición física de vapor, en el que por lo menos una de dichas capas es una primera capa que contiene más de 20% en volumen de porosidad y por lo menos otra capa es una segunda capa que contiene menos de 5% en volumen de porosidad y en el que dicho material tiene más de tres primeras capas, y en el que dichas primeras capas están separadas unas de otras por lo menos por una segunda capa dispuesta entre ellas.

2. Un material cerámico poroso según la reivindicación 1, en el que dicha primera capa tiene una microestructura de Zona I.

3. Un material cerámico poroso según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicha segunda capa tiene una microestructura seleccionada del grupo que consiste en microestructuras de Zona II y Zona III y sus mezclas.

4. Un material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que dicha primera capa tiene una composición química diferente de dicha segunda capa.

5. Un material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que por lo menos dicha primera capa comprende predominantemente ceria.

6. Un material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que dicha segunda capa está basada en circonia.

7. Un material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que dicha primera capa tiene sustancialmente la misma composición química que dicha segunda capa.

8. Un material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha primera capa contiene más de alrededor de 35% en volumen de porosidad.

9. Un material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha primera capa contiene menos de alrededor de 2% en volumen de porosidad.

10. Un material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha primera capa tiene poros de un tamaño medio de poro que excede de alrededor de 0,01 \mum de diámetro.

11. Un material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dichas primera y segunda capa son de alrededor de 0,05 a alrededor de 5000 \mum de grosor.

12. Un material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichas primera y segunda capa son de alrededor de 0,1 a alrededor de 1000 \mum de grosor.

13. Un material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha primera capa es adyacente a dicha segunda capa.

14. Un material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material contiene más de diez capas.

15. Un material cerámico poroso según la reivindicación 14, en el que el material tiene más de diez primeras capas.

16. Un material cerámico poroso según la reivindicación 14 o 15, en el que el material contiene más de 100 capas.

17. Un substrato revestido que comprende:

un substrato; y

un revestimiento cerámico estratificado que comprende dicho material cerámico poroso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

18. Un substrato revestido según la reivindicación 17, en el que se proporciona un revestimiento de unión entre dicho substrato y dicho revestimiento cerámico estratificado.

19. Un substrato revestido según la reivindicación 18, en el que dicho revestimiento de unión se selecciona del grupo que consiste en revestimientos de aluminiuro y de MCrAlY, en la que M es igual a Fe, Ni, Co o (Ni+Co), y sus combinaciones.

20. Un substrato revestido según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en el que se proporciona una capa de alúmina entre dicho substrato y dicho revestimiento cerámico estratificado.

21. Un substrato revestido según la reivindicación 20, en el que dicha capa de alúmina es de 0,01-2 \mum de grosor.

22. Un substrato revestido según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 21, en el que el revestimiento cerámico estratificado tiene un grosor total de 10 \mum a 5 mm.

23. Un substrato revestido según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, en el que dicho substrato es un material de superaleación.

24. Un substrato revestido según la reivindicación 23, en el que dicho substrato es un componente de motor de turbina de gas.

25. Un substrato revestido según la reivindicación 24, en el que dicho componente de motor de turbina de gas comprende un álabe de turbina, una hélice de turbina o un cierre abrasible.

26. Un método para aplicar un revestimiento cerámico estratificado, en el que por lo menos alguna de las capas son porosas, a un substrato que incluye las etapas de:

depositar por deposición física de vapor una pluralidad de capas cerámicas sobre dicho substrato en condiciones que dan como resultado por lo menos una primera capa que tiene una microestructura de Zona I y por lo menos una segunda capa que tiene una microestructura seleccionada del grupo que consiste en microestructuras de Zona II y Zona III y sus mezclas, en el que dicho material tiene más de tres de dichas primeras capas que tienen una microestructura de Zona I; y

tratar térmicamente dicho substrato revestido de pluralidad de capas para producir porosidad en dichas tres o más capas de microestructura de Zona I de modo que tengan más de 20% en volumen de porosidad, tendiendo por lo menos las capas de una microestructura de Zona II y/o Zona III menos de 5% en volumen de porosidad, en el que dichas primeras capas están separadas unas de otras por lo menos por una segunda capa dispuesta entre ellas.

27. Un método según la reivindicación 26, en el que se desarrolla sobre dicho substrato una capa que comprende principalmente alúmina antes de que se deposite dicho revestimiento cerámico estratificado.

28. Un método según la reivindicación 27, en el que dicha capa de alúmina se desarrolla hasta un grosor de
0,1-2,0 \mum.

29. Un método según la reivindicación 27, en el que se deposita sobre dicho substrato un revestimiento de unión seleccionado del grupo que consiste en capas de aluminiuro y de McrAlY, en la que M es igual a Fe, Ni, Co o (Ni+Co) y sus combinaciones y dicha capa de alúmina se desarrolla sobre la superficie del revestimiento de unión.

30. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 26 a 29, en el que las capas de Zona I y Zona II/III se depositan hasta un grosor de alrededor de 0,05 a 5000 \mum.

31. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 26 a 30, en el que dicha cerámica que forma una estructura de Zona I se vaporiza en condiciones de sublimación.

32. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 26 a 31, en el que dicho material de estructura de Zona II/III se aplica por evaporación.

33. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 26 a 32, en el que se depositan por lo menos 10 capas que tienen una estructura de Zona I.

34. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 26 a 33, en el que el grosor total de las capas de Zona I y Zona II/III depositadas es de alrededor de 0,05 a alrededor de 5000 \mum.