ES2340037T3

ES2340037T3 - Turbo maquina con capa ceramica de abrasion..

Info

Publication number: ES2340037T3
Application number: ES04405716T
Authority: ES
Inventors: Scott Wilson; Andreas Franz-Josef Kaiser
Original assignee: Sulzer Metco US Inc
Current assignee: Oerlikon Metco US Inc
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2010-05-28
Anticipated expiration: 2024-11-18
Also published as: DE502004010739D1; JP2005179779A; CA2488949A1; ATE457369T1; JP4820088B2; US20050196271A1; CA2488949C; US7223067B2

Abstract

Turbomáquina con una capa de abrasión (10) de un material compuesto con partículas, un denominado material compuesto (1), que contiene partículas de grano básico (2) de un material cerámico, cuyas superficies (20) llevan capas funcionales (22), en la que estas capas forman con una alta temperatura de funcionamiento una fase intermedia estable del material compuesto, la fase intermedia está producida in situ al menos parcialmente por una reacción química a partir de una sustancia precursora (22'') y material (21) de las partículas de grano básico en las superficies de las partículas (20), por la fase intermedia están formadas uniones (23) entre las partículas de grano básico dispuestas en una interconexión porosa y estas uniones presentan la propiedad de quebrantamiento característica para capas de abrasión, caracterizada por que la partícula de grano básico (2) contiene al menos en una capa en su superficie (20) como constituyente principal -más del 50% en volumen- óxido de aluminio Al2O3 y por que la fase intermedia contiene una espinela MeAl2O4, con Me = Ni, Mg, Mn o La, en la que la sustancia precursora (22'') contiene un óxido del metal Me y la espinela se ha producido al menos parcialmente de Al2O3 y el óxido de metal como producto de reacción de la reacción mencionada.

Description

Turbomáquina con una capa cerámica de abrasión.

La invención se refiere a una turbomáquina con una capa cerámica de abrasión, así como a métodos para la producción de materias primas que se pueden usar para la capa de abrasión.

En turbomáquinas, como mecanismos de propulsión para aviones, turbinas de gas estacionarias, turbocompresores y bombas, es necesario para un alto rendimiento que, en la periferia de un rotor que lleva álabes de rodete, sea muy estrecha durante el funcionamiento una hendidura de estanqueidad (inglés "clearance") entre las puntas de álabe y la cubierta. Con el uso de una capa de abrasión (inglés "abradable") sobre la superficie interna de la cubierta, sobre la que se mueven las puntas de los álabes de rodete, se consigue producir una hendidura de estanqueidad mínima, sin que se dañen en este caso las puntas de álabe. Para altas temperaturas de funcionamiento, que se sitúan por encima de 800ºC, se tienen que producir las capas de abrasión a partir de un material cerámico. Éste se puede aplicar mediante métodos térmicos de proyección, proyección a la llama o proyección de plasma a presión atmosférica (APS). Por la mezcla de una fase calcinable (polvo de polímero) a un polvo cerámico de proyección se puede producir una porosidad y, por tanto, una friabilidad (inglés "friabilty") de la capa de abrasión. Gracias a esta friabilidad se liberan por las puntas de álabe del rotor giratorio partículas finas desde la superficie de la capa de abrasión.

A partir del documento EP-A-1 111 195 (= P.7006) y del documento EP-A-0 935 009 (= P.6861) se conocen capas de abrasión que están configuradas como superficies perfiladas. También se usan capas cerámicas de abrasión con una superficie no perfilada. En éstas, habitualmente, las puntas de álabe tienen que estar blindadas para que no se dañen durante la abrasión. (A modo de ejemplo, un blindaje se puede producir mediante refusión por láser con la adición simultánea de partículas duras). Las partículas de abrasión liberadas tienen que poder escapar sin ninguna resistencia considerable de la hendidura de estanqueidad. En el caso de una capa de abrasión con una superficie adecuadamente perfilada se puede prescindir de un blindaje de las puntas de álabe, ya que las partículas de abrasión escapan de la hendidura de estanqueidad sin ningún efecto dañino.

Es objetivo de la invención crear una turbomáquina con una capa cerámica de abrasión para altas temperaturas de funcionamiento de aproximadamente 1200ºC, en la que, por un lado, no tenga que estar presente ningún perfilado de la superficie para la capa de abrasión y, por otro lado, a ser posible, no sea necesario un blindaje. Este objetivo se resuelve por la turbomáquina definida en la reivindicación 1.

La turbomáquina está provista de una capa de abrasión de un material compuesto con partículas. Este denominado material compuesto contiene partículas de grano básico de un material cerámico. Las superficies de las partículas de grano básico llevan capas funcionales, que forman una fase intermedia estable con una alta temperatura de funcionamiento del material compuesto. La fase intermedia en este caso se ha producido in situ al menos parcialmente por una reacción química a partir de una sustancia precursora y material de las partículas de grano básico en las superficies de las partículas. Por la fase intermedia se forman uniones entre las partículas de grano básico dispuestas en una interconexión porosa. Estas uniones presentan la propiedad de quebrantamiento característica para capas de
abrasión.

Las altas temperaturas de funcionamiento pueden tener como consecuencia transformaciones que condensan la estructura, que se pueden observar también en capas cerámicas de aislamiento térmico, los denominados TBC ("Thermal Barrier Coating"). Por la incorporación de sustancias en la estructura que actúan de forma inhibidora sobre una actividad de sinterización, se puede conseguir que se conserve una porosidad. En los TBC la porosidad mejora el aislamiento térmico. En las capas de abrasión se conserva la friabilidad, gracias a la porosidad. Por tanto, se pueden usar tales sustancias adecuadas como TBC, que inhiben una sinterización, a modo de ejemplo, compuestos de pirocloro (véase el documento DE-A-102 00 803).

Las reivindicaciones dependientes 2 a 5 se refieren a realizaciones ventajosas de la turbomáquina de acuerdo con la invención. Las reivindicaciones 6 y 7 se refieren a un método para la producción de una materia prima para una capa cerámica de abrasión, que se proporciona para la turbomáquina de acuerdo con la invención.

A continuación, se explica la invención mediante los dibujos. Se muestra:

En la Figura 1, a modo de recorte, una capa de abrasión de una turbomáquina de acuerdo con la invención, con una punta de álabe que se mueve sobre la capa y

En la Figura 2, una ilustración de la estructura porosa de la capa de abrasión.

La capa de abrasión 10 representada a modo de recorte en las dos figuras consiste en un material compuesto con partículas 1, que se denomina de forma abreviada material compuesto 1. Este material compuesto 1 contiene partículas de grano básico 2 de un material cerámico 21. Como partículas de grano básico 2 se pueden usar granos de pulido, a modo de ejemplo, de un corindón sintético, donde estos granos de pulido son mayores de 50 y menores de 200 \mum y, preferiblemente, tienen diámetros medios con valores en el intervalo de aproximadamente 90 a 130 \mum. Las superficies 20 de las partículas de grano básico 2 llevan capas funcionales 22, que forman con una alta temperatura de funcionamiento una fase intermedia estable del material compuesto 1. La fase intermedia se ha producido in situ al menos parcialmente por una reacción química a partir de una sustancia precursora 22' y material 21 de las partículas de grano básico 2 en las superficies de las partículas 20.

Por la fase intermedia están formadas uniones 23 entre las partículas de grano básico 2 dispuestas en una interconexión porosa (poros 4); estas uniones presentan la propiedad de quebrantamiento característica para capas de abrasión. Si se guía una punta de álabe 5, que se mueve en dirección de la flecha 6, de forma que produzca abrasión sobre la capa de abrasión, se quiebran partículas de grano básico 2' desde la superficie 100, donde tiene lugar un resquebrajamiento de una zona de borde (partículas 2' dibujadas con líneas y puntos), por regla general, a lo largo de varios pasos.

El material cerámico 21 de las partículas de grano básico 2 consiste, en un ejemplo ventajoso, en gran medida en óxido de aluminio Al_{2}O_{3} (corindón) y las capas 22, en una espinela MeAl_{2}O_{4} - con Met = Ni, Mg, Mn o La. Es suficiente que se contenga, al menos en una capa no representada, en la superficie 20 como constituyente principal -más del 50% en volumen- óxido de aluminio Al_{2}O_{3}. La fase intermedia formada por la espinela se ha producido in situ por la sustancia precursora 22', que es un óxido del metal Me, y óxido de aluminio en las superficies de las partículas 20. La espinela es una sustancia que inhibe la sinterización. Por tanto, forma una fase intermedia estable del material compuesto 1 con una alta temperatura de funcionamiento.

En lugar de la espinela también se pueden usar otras sustancias inhibidoras de una sinterización, como se conocen a partir de los TBC. Anteriormente ya se han mencionado los compuestos de pirocloro (DE-A-102 00 803). Un compuesto de pirocloro, a modo de ejemplo, es zirconato de lantano La_{2}Zr_{2}O_{7}, un material cerámico con una estructura de pirocloro (véase también el documento US-A-6 117 560). La estructura de pirocloro se da en particular por la fórmula A_{2}B_{2}O_{7}, donde A y B son elementos que están presentes en una forma catiónica A^{n+} o B^{m+} y para cuyas cargas n+ y m+ valen los pares de valor (n, m) = (3, 4) o (2, 5). De forma más general, la fórmula para la estructura de pirocloro es A_{2-x}B_{2+x}O_{7-y}, donde x e y son números positivos que, en comparación con 1, son pequeños. Para A y B se pueden seleccionar los siguientes elementos químicos:

A = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb o una mezcla de estos elementos químicos y

B = Zr, Hf, Ti.

Las partículas de grano básico 2 se recubren con ventaja mediante un denominado "método de revestimiento aéreo" con la sustancia precursora 22'. En este método se fluidifican las partículas 2 y se succionan por una hendidura anular en la base de un tubo de mezcla con una corriente de aire, donde se transportan por el tubo en contra de la gravedad en una cámara grande, desde la que vuelven a caer de nuevo en una zona de fluidificación. Desde esta zona, las partículas 2 llegan de nuevo al tubo de mezcla, en el que se inyecta adicionalmente mediante una boquilla de nebulización una suspensión del material de recubrimiento 22' como gotitas finísimas. Las gotitas se depositan durante una mezcla en el tubo de mezcla sobre las partículas 2. Durante el vuelo a través de la cámara grande se secan las partículas 2 recubiertas. El aire, que provoca un transporte y secado de las partículas 2, se deja escapar en el cabezal de la cámara de forma separada de las partículas 2 tratadas. Éstas pueden pasar repetidas veces por el procedimiento de recubrimiento descrito. Por regla general, no se puede evitar que durante el recubrimiento se conglomere una parte de las partículas en aglomerados. Ventajosamente, se retiran tales aglomerados, a modo de ejemplo, por cribado. La empresa de Estados Unidos
Aeromatic-Fielder Division Niro Inc. ofrece equipos con los que se puede realizar el "método de revestimiento aéreo".

Con el "método de revestimiento aéreo" se pueden aplicar también recubrimientos de varios estratos, con capas individuales, que consisten en diferentes sustancias. De esta manera, a modo de ejemplo, se puede aplicar sobre una partícula de grano básico 2, que no consiste en óxido de aluminio o no contiene el mismo, una primera capa de esta sustancia. Está partícula de grano básico 2 recubierto de este modo tiene después una propiedad de sustancia necesaria para el método de acuerdo con la invención. Por supuesto, el material de núcleo de una partícula heterogénea de grano básico 2 de este tipo tiene que presentar una estabilidad térmica necesaria con referencia a la temperatura de funcionamiento.

La fase intermedia también se puede producir a partir de una mezcla de la sustancia precursora 22' y un material cerámico 21, donde la sustancia precursora 22' y el material cerámico 21, particularmente, óxido de aluminio, consisten en partículas de grano fino, cuyo diámetro es menor de 1 \mum. Este material de recubrimiento se prepara junto con agua y sustancias auxiliares hasta la suspensión necesaria para el "método de revestimiento aéreo". El óxido de aluminio adicional es adecuado para una configuración acelerada de la espinela. Simultáneamente, se mejoran también las uniones entre las partículas de grano básico 2 por el óxido de aluminio adicional.

Como se representa en la Figura 2, se pueden incorporar también partículas 3 no recubiertas en el material compuesto 1. Si se selecciona en el caso del emparejamiento de óxido de aluminio con espinela para el material de las partículas 3 asimismo óxido de aluminio, estas partículas 3 contribuyen a uniones mejoradas 23 entre las partículas de grano básico 2.

La materia prima para la capa de abrasión utilizada en una turbomáquina de acuerdo con la invención se produce a modo de etapas. Las etapas del método son, a modo de ejemplo:

a): producción de una mezcla que se puede pulverizar o nebulizar en forma de un barro fino o una suspensión, en la que están dispersas partículas de grano fino de la sustancia precursora 22';

\global\parskip0.920000\baselineskip

b): recubrimiento de las partículas de grano básico 2 por la aplicación de la mezcla mencionada y el secado posterior de las partículas 2;

c): calcinado de las partículas de grano básico recubiertas 2 con una temperatura en la que se configura in situ en las superficies de la sustancia precursora 22' y el material de la partícula de grano básico 21 la fase intermedia (y, además, se eliminan térmicamente sustancias auxiliares de la suspensión); y

d): sinterización de las partículas de grano básico calcinadas 2, particularmente con una temperatura entre 1200 y 1500ºC, cuando se usa NiO para la producción de espinela, donde la sinterización puede tener lugar durante y/o después de una proyección térmica de la capa de abrasión.

Durante la etapa a) se pueden producir las partículas de grano fino de forma mezclada con un disolvente, preferiblemente agua, con el uso de un molino de rozamiento, particularmente un molino agitador de bolas. En este caso, se mantienen de forma dispersa las partículas finísimas en el disolvente - sin ninguna configuración de aglomerados. Estas partículas finísimas tienen que ser suficientemente pequeñas, de manera que las partículas de grano básico 2 (tamaño 40-120 \mum) todavía se pueden recubrir de forma eficaz. Además, las partículas finísimas deben tener actividad de sinterización en la etapa de calcinación posterior, es decir, con temperaturas lo más bajas posibles, posibilitar un enlace del recubrimiento hacia el material 21 de la partícula de grano básico 2.

Posteriormente a la etapa c) y en lugar de la etapa d) se pueden ejecutar también las siguientes tres etapas:

d'): Mezcla de las partículas calcinadas con un polvo fino de Al_{2}O_{3} y, por presión, la solidificación a modo de porciones de la mezcla hasta comprimidos no sinterizados;

e): sinterización de los comprimidos no sinterizados, particularmente con una temperatura entre 1200 y 1500ºC, cuando se usa NiO para la producción de las espinela; y

f): transformación del producto sinterizado hasta un producto terminal, produciéndose mediante fraccionamiento un polvo de proyección en forma de granulado, que se puede usar para un método térmico de proyección.

También es posible la siguiente alternativa del método:

a): recubrimiento de las partículas de grano básico 2 por la aplicación de envolturas metálicas por un método electroquímico, químico o físico (CVD o PVD), donde el metal de la envoltura en forma oxidada forma la sustancia precursora 22' de la fase intermedia;

b): oxidación del metal de las envolturas para la configuración de la sustancia precursora 22', donde posteriormente se puede producir, al menos parcialmente mediante un tratamiento con una temperatura elevada, la fase intermedia;

c): sinterización de las partículas de grano básico recubiertas 2, particularmente con una temperatura entre 1200 y 1500ºC, cuando se usa NiO para la producción de la espinela, donde la sinterización puede tener lugar durante y/o después de una proyección térmica de la capa de abrasión.

Para la producción de la capa de abrasión sobre un sustrato -por ejemplo, sobre una superficie interna de la cubierta de la turbomáquina de acuerdo con la invención- se pueden aplicar las partículas de grano básico recubiertas 2 mediante un método térmico de proyección, a modo de ejemplo, mediante proyección a la llama APS ("Atmospheric Plasma Spraying"). Para obtener una alta porosidad de la capa de abrasión, se recubre ventajosamente mediante proyección a la llama, ya que en este método las partículas 2 impactan sobre el sustrato con una energía cinética esencialmente menor (factor 0,1 a 0,01) que en el método de APS. La configuración de la fase intermedia se puede producir por la actuación térmica durante la proyección a la llama. En lugar de un polvo de proyección, que se constituye por partículas 2 sueltas, se puede usar también un granulado en el método térmico de proyección, donde las partículas individuales de granulado están unidas por sinterización, respectivamente a partir de una pluralidad de partículas de grano básico 2, que forman en este caso la estructura del material compuesto 1.

En la turbomáquina de acuerdo con la invención, las puntas de álabe de un rotor pueden ser no blindadas. También pueden llevar un recubrimiento cuyo punto de fusión se sitúa al menos 100 K por encima del de la fase intermedia. Con un punto de fusión suficientemente alto, no se retira prácticamente ningún material de la punta de álabe durante un contacto de rozamiento con la capa de abrasión, sino, solamente de la capa de abrasión.

Como material cerámico 21 para las partículas de grano básico se puede usar también óxido de zirconio (YSZ) parcialmente o totalmente estabilizado. Los ejemplos adicionales para el material de recubrimiento son: La_{2}O_{3}, MgO, mulita (3Al_{2}O_{3}\cdot2SiO_{2}) y perovsquita.

Las materias primas producidas con los métodos de acuerdo con la invención se pueden usar también como material para capas de aislamiento térmico TBC. Ya que un TBC tiene otra función que una capa de abrasión y se expone a gradientes de temperaturas mayores, sin embargo, la materia prima prevista para capas de abrasión, por regla general, no está configurada de forma óptima con respecto a un uso para TBC.

Claims

1. Turbomáquina con una capa de abrasión (10) de un material compuesto con partículas, un denominado material compuesto (1), que contiene partículas de grano básico (2) de un material cerámico, cuyas superficies (20) llevan capas funcionales (22), en la que estas capas forman con una alta temperatura de funcionamiento una fase intermedia estable del material compuesto, la fase intermedia está producida in situ al menos parcialmente por una reacción química a partir de una sustancia precursora (22') y material (21) de las partículas de grano básico en las superficies de las partículas (20), por la fase intermedia están formadas uniones (23) entre las partículas de grano básico dispuestas en una interconexión porosa y estas uniones presentan la propiedad de quebrantamiento característica para capas de abrasión,

caracterizada por que la partícula de grano básico (2) contiene al menos en una capa en su superficie (20) como constituyente principal -más del 50% en volumen- óxido de aluminio Al_{2}O_{3} y por que la fase intermedia contiene una espinela MeAl_{2}O_{4}, con Me = Ni, Mg, Mn o La, en la que la sustancia precursora (22') contiene un óxido del metal Me y la espinela se ha producido al menos parcialmente de Al_{2}O_{3} y el óxido de metal como producto de reacción de la reacción mencionada.

2. Turbomáquina de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que como partículas de grano básico (2) se usan granos de pulido, a modo de ejemplo, producidos a partir de un corindón sintético, y los granos de pulido son mayores de 50 y menores 200 \mum, en la que, preferiblemente, los diámetros de las partículas de grano básico tienen valores en el intervalo de aproximadamente 90 a 130 \mum.

3. Turbomáquina de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada por que las partículas de grano básico (2) están recubiertas antes de una configuración del material compuesto (1) con una mezcla de la sustancia precursora (22') y un material cerámico (21), en la que la sustancia precursora y el material cerámico consisten en partículas de grano fino, cuyos diámetros son menores de 1 \mum.

4. Turbomáquina de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que las partículas de grano básico recubiertas (2) o un granulado que consiste en el material compuesto (1) está aplicado mediante un método térmico de proyección, mediante APS o, preferiblemente, mediante proyección a la llama.

5. Turbomáquina de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que las puntas de álabe (5) de un rotor no están blindadas o llevan un recubrimiento cuyo punto de fusión se sitúa al menos 100 K por encima del de la fase intermedia.

6. Método para la producción de una materia prima para una capa cerámica de abrasión en una turbomáquina de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende las siguientes etapas:

a): producción de una mezcla que se puede pulverizar o nebulizar en forma de un barro fino o una suspensión, en la que están dispersas partículas de grano fino de la sustancia precursora, produciéndose las partículas de grano fino con el uso de un molino de rozamiento o un molino agitador de bolas en agua u otro disolvente y manteniéndose dispersas las partículas finísimas en este disolvente,

b): recubrimiento de las partículas de grano básico por la aplicación de la mezcla mencionada y el secado posterior de las partículas;

c): calcinado de las partículas de grano básico recubiertas con una temperatura en la que se configura in situ en las superficies de la sustancia precursora y el material de la partícula de grano básico la fase intermedia; y

d): sinterización de las partículas de grano básico calcinadas, particularmente con una temperatura entre 1200 y 1500ºC, cuando se usa NiO para la producción de espinela, donde la sinterización puede tener lugar durante y/o después de una proyección térmica de la capa de abrasión.

7. Método de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que durante la etapa b) se someten a una nebulización las partículas de grano básico en un estado fluidificado, es decir, se recubren en un denominado método de revestimiento aéreo.