ES2708688T3 - Sistema de superposición multicapa para protección térmica y corrosiva de sustratos de superaleaciones - Google Patents

Abstract

Un sistema de superposición multicapa para un sustrato metálico que comprende: una capa base formada por aplicación de una suspensión que comprende partículas de partículas de pigmentos de metal o de óxidos de metal dispersas en un aglutinante a base de fosfato, donde la capa base tiene un espesor de entre 12,7 y 76,2 μm (0,5 a 3,0 mils); y una segunda capa formada por aplicación de una suspensión que comprende partículas de pigmentos de óxidos de metal dispersas en un aglutinante a base de fosfato, donde la segunda capa tiene un espesor de entre 2,54 y 25,4 μm (0,1 a 1,0 mils); en donde las partículas de pigmentos de óxidos de metal dispersas en el aglutinante a base de fosfato también comprende partículas de pigmento de óxido de cromo dispersas en el aglutinante a base de fosfato; y en donde las partículas de pigmento de óxido de cromo tienen un tamaño de partícula medio de entre 0,8 y 2,2 μm, en donde la estrecha distribución del tamaño de partícula se caracteriza porque el percentil 50 de la distribución de tamaño de partícula tiene un diámetro de entre 1,0 y 2,0 μm y el percentil 90 de la distribución de tamaño de partícula tiene un diámetro menor o igual a 3,0 μm; y en donde el área superficial optimizada de las partículas de pigmento de óxido de cromo es mayor o igual a 4 m2/g.

Description

DESCRIPCION

Sistema de superposicion multicapa para proteccion termica y corrosiva de sustratos de superaleaciones

Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un sistema de superposicion multicapa termicamente estable y anticorrosivo apropiado para usar en componentes del motor de turbina y, mas en particular, a un sistema de superposicion multicapa termicamente estable y anticorrosivo llano y a un metodo para producir dicho sistema de superposicion que incluye una capa base formada por aplicacion de una suspension que comprende partfculas de oxido de metal dispersas en un aglutinante a base de fosfato, una segunda capa formada por aplicacion de una suspension que comprende partfculas de pigmentos de oxidos de metal dispersas en un aglutinante a base de fosfato y una capa de sellado opcional formada por aplicacion de una suspension que comprende un aglutinante a base de fosfato que esta sustancialmente libre de pigmentos.

Antecedentes

Las superficies de las piezas del motor de la turbina estan expuestas a los gases calientes del proceso de combustion de la turbina. Los materiales de superaleacion de motores de turbina se seleccionan en funcion de la estabilidad a altas temperaturas y la resistencia a la corrosion. Las superaleaciones conocidas, por ejemplo las superaleaciones a base de mquel como Inconel™ 718, Inconel™ 722 y Udimet™ 720 demuestran una buena resistencia a la oxidacion y al dano por corrosion. Sin embargo, incluso estos materiales experimentan degradacion en condiciones severas a altas temperaturas. Las reacciones de oxidacion y corrosion en la superficie de las partes componentes pueden causar desperdicio de metal y perdida de la tension de la pared. La perdida de metal aumenta rapidamente las tensiones en la parte respectiva del componente y, en ultima instancia, puede resultar en un fallo parcial. Las capas protectoras se aplican a estas partes componentes para proteger el tiempo de la degradacion por oxidacion y corrosion.

Se han sugerido y usado varias capas resistentes a la corrosion y los sistemas de superposicion multicapa para proteger los componentes de los motores de turbina, especialmente las palas del rotor del compresor. La evaluacion de los sistemas de superposicion de la tecnica anterior ha revelado deficiencias generales en cuanto a sus propiedades funcionales y apariencia, asf como varios modos de fallo posibles.

Por ejemplo, un sistema de superposicion multicapa disponible en comercios de la tecnica anterior esta disenado para temperaturas de servicio mas bajas y proporciona una proteccion efectiva de hasta 649 °C (1200 °F). Sin embargo, este sistema de superposicion de la tecnica anterior sena propenso a agrietarse y deslaminarse a temperaturas de operacion elevadas (> ~ 704 °C (1300 °F)) de motores mas nuevos si se utilizara en tales motores avanzados. La Fig. 1 muestra el sistema de recubrimiento de deslaminacion de la tecnica anterior del sustrato Inconel™ 718 expuesto a 760 °C (1400 °F) durante 145 h, que se encuentra a una temperatura significativamente superior a las temperaturas operativas disenadas.

Estos sistemas de superposicion multicapa se describen, por ejemplo, en los documentos US 2011/0008614 A1 y EP 0739953 A2.

La Fig. 2 ilustra otros problemas o problemas asociados con los sistemas de superposicion multicapa de la tecnica anterior. Los sustratos revestidos de la tecnica anterior en la Fig. 2 muestran un aspecto de revestimiento "arenoso" (es decir, inclusiones de partfculas visibles). Estas inclusiones de partfculas se observaron despues de la aplicacion de capas intermedias y tienden a ser mas pronunciadas despues de la aplicacion de la capa de sellado de la capa. Estos defectos se atribuyeron a la contaminacion externa durante la aplicacion de la capa, como contaminantes en el aire, irregularidades de la superficie, etc.

Otro tipo de problemas posibles o problemas que pueden asociarse con los sistemas de revestimiento basados en la tecnica anterior son los puntos redondos de 1 mm a 3 mm de diametro (es decir, "puntos blancos") en algunas partes revestidas con el sistema de superposicion de la tecnica anterior. Como se ve en la Fig. 2, las "manchas blancas" aparecen mucho mas claras en color que el resto de la cuchilla recubierta y contienen un exceso de material "burbujeado" dentro de la mancha redonda. Estas "manchas blancas" parecen formarse al aplicarse la capa de sellado. Las cuchillas recubiertas que utilizan el sistema de superposicion multicapa de la tecnica anterior tambien pueden exhibir un efecto de "marco de imagen" con las capas que se encuentran cerca de los bordes de las cuchillas, lo que conduce a una adhesion de la capa mas debil y es probable que se pele el borde. Todos estos defectos son irregularidades en la superficie de recubrimiento sellada, no solo reducen la eficiencia aerodinamica de la cuchilla, sino que tambien pueden servir como sitios activos para el ataque termico y corrosivo.

En vista de las preocupaciones y desventajas identificadas anteriormente, existe la necesidad de mejoras continuas en las caractensticas de acabado de la superficie, as ^ como el rendimiento termico y corrosivo de los sistemas de superposicion multicapa a base de suspensiones de la tecnica anterior. Si bien los sistemas de superposicion multicapa a base de suspensiones de la tecnica anterior cumplen con los requisitos y especificaciones de los fabricantes de motores actuales, se necesitan mejoras para su uso con motores mas nuevos y mas avanzados. Por lo tanto, sena deseable proporcionar un sistema de superposicion multicapa que mejore las caractensticas de acabado de la superficie de los sistemas de revestimiento de la tecnica anterior y posea una estabilidad termica mejorada en ambientes normales y corrosivos.

Sumario de la invencion

En un aspecto, la invencion se puede caracterizar como un sistema de superposicion que comprende: (i) una capa base formada por aplicacion de una suspension que comprende partfculas de pigmentos de metal o de oxidos de metal dispersas en un aglutinante a base de fosfato, donde la capa base tiene un espesor de entre aproximadamente 12,7 a 76,2 pm (0,5 a 3,0 mils); y (ii) una segunda capa formada por aplicacion de una suspension que comprende partfculas de pigmentos de oxidos de metal, preferentemente partfculas de pigmento de oxido de cromo, dispersas en un aglutinante a base de fosfato, en donde las partfculas de pigmentos de oxidos de metal tienen una dispersabilidad mejorada debido a una estrecha distribucion del tamano de partfcula y una optimizada area superficial, donde la segunda capa tiene un espesor de entre aproximadamente 2,54 y 25,4 (0,1 a 1,0 mils); el sistema de superposicion multicapa de la presente invencion demuestra mejores caractensticas de estabilidad termica y corrosiva y de acabado de superficie en comparacion con los sistemas de superposicion multicapa a base de suspensiones de la tecnica anterior.

En otro aspecto mas, la invencion se puede caracterizar como un sistema de superposicion que comprende: (i) una capa base formada por aplicacion de una suspension que comprende partfculas de pigmento de oxido de aluminio dispersas en un aglutinante a base de fosfato, donde la capa base tiene un espesor de entre aproximadamente 12,7 y 76,2 pm (0,5 a 3,0 mils); (ii) una segunda capa formada por aplicacion de una suspension que comprende partfculas de pigmento de oxido de cromo dispersas en un aglutinante a base de fosfato, en donde las partfculas de pigmento de oxido de cromo tienen una estrecha distribucion del tamano de partfcula con tamano de partfcula medio (caracterizado como el percentil 50 de la distribucion del tamano de partfcula) de entre aproximadamente 0,8 y 2,2 pm y area superficial de las partfculas es mayor o igual a aproximadamente 4 m2/g, donde la segunda capa tiene un espesor de entre aproximadamente 2,54 y 25,4 pm (0,1 a 1,0 mils); y en donde la rugosidad de la superficie de la capa base y la segunda capa en el sistema de superposicion es menor o igual a aproximadamente 0,76 pm (30 pm). El sistema de superposicion multicapa de la presente invencion demuestra mejores caractensticas de estabilidad termica en ambientes corrosivos y no corrosivos y de acabado de superficies en comparacion con los sistemas de superposicion multicapa a base de suspensiones de la tecnica anterior.

En otro aspecto mas, la invencion se puede caracterizar como un metodo o proceso para revestir un sustrato metalico que comprende las etapas de: (i) preparacion de la superficie del sustrato metalico; (ii) aplicacion de aglutinante a base de fosfato llenado con pigmento ceramico a base de una suspension al sustrato metalico para formar una capa base, donde la capa base tiene un espesor de entre aproximadamente 12,7 y 76,2 pm (0,5 a 3,0 mils); (iii) curado del sustrato revestido con la capa base; (iv) preparacion de una suspension que comprende partfculas de pigmento de oxido de cromo dispersas en un aglutinante a base de fosfato, en donde las partfculas de pigmento de oxido de cromo tienen una estrecha distribucion del tamano de partfcula con tamano de partfcula medio (caracterizado como el percentil 50 de distribucion del tamano de partfcula) de entre aproximadamente 0,8 y 2,2 pm y el area superficial de las partfculas es mayor o igual aproximadamente 4 m2/g, (v) aplicacion de dicha suspension a la capa base para formar una segunda capa, donde la segunda capa tiene un espesor de entre aproximadamente 2,54 y 25,4 pm (0,1 a 1,0 mils); y (vi) curado del sustrato revestido con la capa base y la segunda capa. El sistema de superposicion multicapa de la presente invencion demuestra mejores caractensticas de acabado de superficies y rendimiento termico en comparacion con sistemas de superposicion multicapa a base de suspensiones de la tecnica anterior.

En otro aspecto mas, la invencion se puede caracterizar como un producto por el proceso en el que el producto es un revestimiento aplicado por medio del proceso que comprende las etapas de: (i) aplicacion de un aglutinante a base de fosfato llenado con pigmento de alumina a base de una suspension al sustrato metalico para formar una capa base, donde la capa base tiene un espesor de entre aproximadamente 12,7 y 76,2 pm (0,5 y 3,0 mils); (ii) preparacion de un aglutinante a base de fosfato llenado con pigmento de oxido de cromo a base de una suspension, en donde las partfculas de pigmento de oxido de cromo tienen una distribucion del tamano de partfcula caracterizado porque el percentil 50 de la distribucion de tamano de parffcula es un diametro de entre aproximadamente 1,0 y 2,0 y el percentil 90 de la distribucion de tamano de parffcula no excede un diametro de aproximadamente 3,0 pm; y (iii) aplicacion del aglutinante de cromato-fosfato llenado con pigmento de oxido de cromo a base de suspension estable a la capa base para formar una segunda capa que tiene un espesor de entre aproximadamente 2,54 y 25,4 pm (0,1 y 1,0 mils). El sistema de superposicion multicapa de la presente invencion demuestra mejores caractensticas de acabado de superficies y rendimiento termico en comparacion con sistemas de superposicion multicapa a base de suspensiones de la tecnica anterior.

Breve descripcion de los dibujos

Los aspectos anteriores y otros aspectos, las caractensticas y las ventajas de la presente invencion seran mas evidentes a partir de la descripcion siguiente, mas detallada, presentada junto con los siguientes dibujos, en los que: Fig. 1 muestra un disco de Inconel 718 recubierto con el sistema de superposicion multicapa de la tecnica anterior, en el que se observo una espalacion del revestimiento despues de la exposicion a 1400 °F durante 145 horas; Fig. 2 muestra imagenes de microscopio optico con una ampliacion de 20X del sistema de superposicion multicapa de la tecnica anterior aplicado a diversos sustratos y que exhibe varios defectos;

Fig. 3 muestra imagenes de microscopio optico con una ampliacion de 20X de paneles que se revistieron con un sistema de superposicion bicapa; sistema de revestimiento de la presente invencion, en el que se empleo la suspension B para producir la segunda capa, para ser consistentemente mas suave y mas brillantes que los paneles producidos con la suspension A de la tecnica anterior;

Fig. 4 muestra imagenes SEM con una ampliacion de 50X y 1000X y datos de analisis EDS del sistema de superposicion bicapa de la tecnica anterior que tiene parffculas de gran tamano de pigmento de oxido de cromo "que sobresalen" de la matriz a base de fosfato formada por el aglutinante;

Fig. 5 muestra imagenes opticas (20X) y SEM (1000X) y datos de analisis EDS del sistema de superposicion tricapa de la tecnica anterior que tiene inclusiones “arenosas” de parffculas de gran tamano de C2O3;

Fig. 6 muestra imagenes de cuchillas de Udimet 720 revestidas con un sistema de superposicion tricapa de la presente invencion (muestra 21 A) con un mejor acabado de superficie en comparacion con cuchillas de Udimet 720 recubiertas con el sistema de superposicion de la tecnica anterior (muestra 191).

Fig. 7 muestra ubicaciones de mediciones del espesor del revestimiento en una parte de superaleacion en forma compleja;

Fig. 8 muestra un ejemplo de micrograffas SEM con las mediciones del espesor del sistema de revestimiento de una parte recubierta usando la suspension B de la presente invencion;

Fig. 9 muestra un grafico de espesor de revestimiento en diferentes ubicaciones de medicion;

Fig. 10 muestra micrograffas SEM de un area de punta de una parte revestida usando la suspension B y otra parte revestida usando la suspension A de la tecnica anterior;

Fig. 11 muestra los discos de Inconel 718 revestidos con el sistema de superposicion multicapa de la presente invencion expuestos a un ambiente termico elevado de aproximadamente 1400 °F durante 145 horas; y

Figs. 12A y B muestran ensayos de corrosion en caliente antes y despues para diversos sistemas de superposicion multicapa.

Descripcion detallada

Es bien sabido que en el arte los numeros absolutos medidos para el tamano de parffcula y la distribucion del tamano de parffcula para sistemas de parffculas, como los polvos de pigmento y las suspensiones que contienen pigmentos, dependen en gran medida de las pruebas y/o de la tecnica de medicion y la instrumentacion. Por lo tanto, es muy importante destacar que los numeros de tamano de parffcula D50 y D90 de la presente invencion se han obtenido a traves de la tecnica de difraccion laser empleando el analizador de parffculas MicroTrac SRA como equipo de medicion de parffculas. Como se usa en este documento, "D50" se refiere a un tamano de parffcula medio en el que el 50 por ciento de las parffculas son mas pequenas y, mientras que el 50 por ciento de las parffculas son mas grandes que el tamano medio y "D90" se refiere a un tamano de parffcula en el cual el noventa por ciento de las parffculas son mas pequenas que el tamano de parffcula.

Tambien se sabe en la tecnica que los numeros absolutos para el area superficial (SA) de pigmentos en polvo tambien dependen de la tecnica de medicion y de la instrumentacion. De esta manera, es muy importante destacar que los numeros de SA de la presente invencion se obtuvieron por tecnica de absorcion de gas nitrogeno con el metodo BET empleando un sistema de medicion Gemini 2360 V4.01.

Las suspensiones tambien se caracterizaron por su pH, viscosidad, gravedad espedfica y contenido de solidos. Estos parametros, junto con D50 y D90, se controlaron para ensayar la estabilidad y el envejecimiento de las suspensiones.

Otros metodos de ensayo y equipos se usaron en la presente invencion. El espesor de las capas de revestimiento se midio con FisherScope m Ms (corriente de Foucault y sondas de induccion magneticas, segun el tipo de sustrato). El acabado de superficies (suavidad Ra) se midio con Mitutoyo Surftest 301 con un corte de 5,1 mm transversal y de

0,030" (0,76 mm). El brillo de los revestimientos se ensayo con un BYK Gardner Microgloss a 60°. La adhesion de los revestimientos a un sustrato y la adhesion intercapa se ensayaron con una cinta cruzada (segun la norma ASTM Standard D3359) y ensayos de dobladura (dobladura de 90° alrededor de un mandril de 6,4 mm de diametro). Se emplearon microscopia optica y analisis de SEM / EDS para una investigacion detallada de la morfologfa de la seccion transversal y la superficie de los revestimientos, la microestructura y la composicion elemental.

Una realizacion de la invencion es un sistema de superposicion multicapa apropiado para usar en ambientes hostiles tales como los ambientes asociados con turbomaquinaria. La primera capa del sistema de superposicion multicapa, que esta en contacto con el sustrato metalico o superficies metalica de la turbomaquina, es un aglutinante inorganico relleno con pigmento de metal y/o pigmento de oxido de metal, con preferencia, un aglutinante inorganico relleno con pigmento ceramico, que tiene un espesor de entre aproximadamente 12,7 y 76,2 pm (0,5 a 3,0 mils). Con mayor preferencia, la primera capa o capa base es aglutinante a base de fosfato relleno con pigmento de oxido de aluminio

(por ejemplo, alumina). Alternativamente, la primera capa puede contener otros pigmentos no metalicos como zirconia, ceria, otros oxidos de metal mixtos y/o sus combinaciones en vez o ademas del oxido de alumina.

La primera capa o capa base tambien puede contener opcionalmente aditivos adicionales tales como tensioactivos, agentes humectantes y otros aditivos convencionales. Ademas del pigmento ceramico, se pueden incluir otros metales particulados, tales como aluminio, cobre, plata o mquel en la primera capa.

La solucion de aglutinante inorganico asociada con la primera capa es preferentemente una solucion de fosfato acido, con mayor preferencia, incluye compuestos de cromato o sus sales metalicas disueltas en un compuesto de fosfato acido. Estas soluciones de aglutinante son particularmente utiles debido a su capacidad a polimerizarse bajo un ciclo de secado y de curado y para formar una matriz vttrea continua con buena resistencia mecanica, flexibilidad, asf como cierta resistencia corrosiva y termica.

La primera capa se aplica con un espesor de entre 12,7 y 76,2 pm (0,5 a 3,0 mils) con un espesor preferible de la primera capa de 20,3 a 33 pm (0,8 a 1,3 mils). El espesor mmimo se determina por una correlacion muy fuerte entre rugosidad de la superficie (Ra) y espesor de la capa base: se observo una fuerte reduccion en Ra de esta capa base, asf como en Ra de todo el sistema de superposicion multicapa al lograr un espesor de 20,3 pm (0,8 mils) de la primera capa. El espesor maximo de la capa base se determina en general por un espesor diana o especificado de todo el sistema de superposicion multicapa. Es habitual y deseable no aplicar una capa en exceso de requerimiento funcional para el sistema de superposicion.

El control de la rugosidad de la superficie de capa base es importante, ya que influye sobre la rugosidad de l superficie tanto de la segunda capa como de la capa de sellado opcional. Con preferencia, la rugosidad de la superficie (Ra) de la capa base debena ser de 0,76 pm (30 pin) o menos y con mayor preferencia, de 0,508 pm (20 pin) o menos. Si la rugosidad de la superficie en la capa base es demasiado elevada (por ejemplo, > 0,76 pm (30 pin)), entonces probablemente ocurriran mayores valores de rugosidad de la superficie en la segunda capa y la capa de sellado opcional. En otras palabras, no son viables o capaces correcciones de la rugosidad de la superficie (es decir, ajustes hacia abajo) durante la aplicacion de la segunda capa y una capa de sellado opcional si la rugosidad de la superficie de la capa base es demasiado elevada.

La segunda capa del sistema de superposicion multicapa comprende pigmentos de oxido de metal finos de tamano de partfcula prescritos, distribucion del tamano de partfcula (PSD) y area superficial (SA). La segunda capa es un aglutinante a base de fosfato relleno con pigmento de oxido de cromo (por ejemplo, C2O3). Se puede usar cualquier aglutinante a base de fosfato como se conoce en la tecnica. Con preferencia, el aglutinante a base de fosfato es cromato-fosfato. El aglutinante de cromato-fosfato de la segunda capa comprende en general compuestos de cromato o sus sales metalicas disueltas en un compuesto de fosfato acido. La segunda capa se aplica a la primera capa hasta un espesor de entre aproximadamente 2,54 y 25,4 pm (0,1 y 1,0 mils).

Las partfculas de pigmento de oxido de cromo tienen un PSD estrecho con un tamano de partfcula medio D50 (caracterizado como el percentil 50 de PSD) de entre aproximadamente 0,8 y 2,2 pm y un tamano de partfcula excesivo D90 (caracterizado como el percentil 90 de PSD) que no excede aproximadamente 3,0 pm. El SA de las partfculas es de al menos 4 m2/g a 5 m2/g y con mayor preferencia, de aproximadamente 6 m2/g. Las propiedades de partfculas de pigmento de oxido de cromo de la realizacion preferida (denotada como polvo II) se muestran en la

Tabla 1. A modo de comparacion, el sistema de superposicion multicapa de la tecnica anterior tiene la segunda capa que comprende partfculas de pigmento de oxido de cromo con un tamano de partfcula medio D50 de 2,5 pm, un tamano de partfcula excesivo D90 de 3,5 a 3,7 pm y SA de 3,0 a 3,5 m2/g (denotado como polvo I en la Tabla 1) Tabla 1. Polvos de i mento de Cr2O3 seleccionados

Las suspensiones correspondientes se prepararon empleando estos polvos (cinco muestras de suspension repetidas para cada polvo); estas suspensiones se mencionan mas abajo como suspension A (suspension de la tecnica anterior) y suspension B (suspension de la presente invencion). Es importante notar que la dispersion del polvo I en la suspension A requena una etapa de molienda de bolas mas larga, mientras que el polvo II produda una muy buena dispersion en la suspension B despues de menos de 30 minutos de mezcla de alto cizallamiento. Ambas suspensiones fueron tamizadas a traves de una malla 500 antes de la aplicacion del revestimiento. Esto simplifica y acorta obviamente el proceso de produccion de la suspension y, de esta manera, es una ventaja practica importante para una produccion en gran escala.

Los resultados del tamano de las partfculas de las suspensiones A y B preparadas, despues del tamizado, se presentan en la Tabla 2; se observo una muy buena repetibilidad de muestra a muestra para D50 (± 0,3 pm) y D90 ((± 0,5 pm). Como se ve a partir de los datos, el empleo de partfculas de polvo de C2O3 con menor tamano de partfcula medio D50 y tamano de partfcula excesivo D90 daba como resultado la suspension de la segunda capa que tambien tema un menor tamano de partfcula medio y menor tamano D90 de partfculas de gran tamano.

Tabla 2. T m n ri l n i n rr n i n r i rill l r v timientos

La Tabla 2 tambien presente rugosidad y brillo de las partes revestidas con un sistema de superposicion bicapa de la siguiente manera. Se revistieron paneles de acero de 2 pulgadas x 4 pulgadas (acero al carbon 1010, tres paneles replicados para cada muestra de suspension preparada) se recubrieron con la capa base (~ 25 - 30 pm de espesor), se secaron y se curaron a 350 °C durante 0,5 hr y luego se pulverizo con las suspensiones A (en los paneles del grupo A) o B (en los paneles del grupo B). Los paneles revestidos luego se secaron y se curaron a 350 °C durante 0,5 hr para formar la segunda capa de un sistema de superposicion bicapa. El espesor de la segunda capa se dirigio a 5-7 pm.

Como se ve de estos datos, los paneles que se recubrieron con la suspension B eran consistentemente mas suaves y mas brillantes que los paneles revestidos con la suspension A. Los datos de microscopia opticos (Fig. 3) tambien confirmaron estos resultados. La superficie de los paneles del grupo A pareda mas rugosa y tambien tema un aspecto "arenoso" (es decir, mostraba algunas inclusiones de partfculas aisladas). Los datos de analisis SEM / EDS (Fig. 4) demostraban que estas inclusiones eran partfculas de pigmento de oxido de cromo de gran tamano "que sobresalfan" de esta matriz de fosfato formada por el aglutinante. Tambien se hallo que estas inclusiones de partfculas en el revestimiento resultaban de la presencia de partfculas de pigmento de Cr2O3 de gran tamano en la suspension, mientras que la reduccion del tamano de partfcula excesivo D90 de la suspension resultada en una reduccion significativa en la cantidad de inclusiones de partfculas en el revestimiento.

Estas partfculas de oxido de cromo de gran tamano causaban un aspecto "arenoso" incluso mas fuerte en el sistema de superposicion tricapa que emplea, sobre la parte superior de una segunda capa, una capa adicional y opcional de una capa de sellado; la capa de sellado que comprende un aglutinante de cromato-fosfato sustancialmente libre de pigmentos. El sellador se puede aplicar sobre el revestimiento de la segunda capa hasta un espesor mmimo de aproximadamente 0,05 a 0,1 mils (aproximadamente 1 - 2,5 pm).

En la Fig. 5, se muestran imagenes opticas (20X) y SEM (1000X) de un panel de ensayo de acero con el sistema de superposicion tricapa de la tecnica anterior aplicado. En base a los resultados de analisis EDS de las partfculas destacadas, parece tener un contenido de Cr significativamente mayor y un contenido Mg y P muy reducido en comparacion con la matriz circundante en general. Espedficamente, la partfcula destacada muestran en porcentaje en peso, un contenido de Cr del 54,8%; un contenido de Mg del 2,7%; un contenido de O del 35,8%; y un contenido de P del 5,4%, mientras que la matriz circundante mostraba un contenido de Cr medido del 6,7%; un contenido de Mg del 10,9%; un contenido de O del 53,2%; y un contenido de P del 28,0%.

En base a las imagenes de la Fig. 5 junto con el analisis de EDS asociado, parece que cualquier partfcula de mayor tamano de Cr2O3 presente en el revestimiento aplicado no se puede recubrir por completo con la capa de sellado de aproximadamente 5 pm de espesor. La comparacion del contenido de Cr en las partfculas de gran tamano con la matriz circundante indica que estas partfculas de gran tamano sobresalen de la superficie y tienen una cobertura significativamente reducida por la capa de sellado en comparacion con otras partes del recubrimiento en las diversas regiones de matriz. Por otra parte, la diferente reflectancia de la matriz vftrea de capa de sellado y las partfculas de Cr2O3 sobresalientes hacen visualmente distintas a estas partfculas de gran tamano y crea, asf, un aspecto mas "arenoso" del revestimiento despues de la aplicacion de la capa de sellado.

Segun el tamano de las partfculas de C2O3 de gran tamano, su cobertura por la capa de sellado vana (por ejemplo, mayor grado de cobertura para partfculas de Cr2O3 mas pequenas y menor grado de cobertura para partfculas de Cr2O3 mas grandes). Sin embargo, debido a la protrusion de las partfculas de la superficie, la capa de sellado sobre la parte superior de las partfculas siempre sera mas delgada que el resto de la matriz. Asf, al reducir la cantidad y el tamano de las partfculas de Cr2O3 de gran tamano en la suspension tiene un efecto general sobre la calidad de todo el sistema de superposicion.

Se hallo que, al emplear oxido de cromo con un tamano de partfcula y PSD de la presente invencion, permite defectos significativamente reducidos y mejor acabado de la superficie del sistema de superposicion multicapa, es decir, reducida rugosidad y mayor brillo. La Fig. 6 muestra la cuchilla de Udimet 720 revestida con un sistema de superposicion tricapa de la presente invencion (muestra 21A: Ra tfpica = 0,254-0,381 pm (10 - 15 pin), % de brillo normal = 75 - 80%)) con un mejor acabado de superficie en comparacion con la cuchilla de Udimet 720 revestida con el sistema de superposicion de la tecnica anterior (muestra 191: Ra normal = (0,483-0,559 pm (19 -22 pin), % de brillo normal = 40 - 50%).

La segunda capa tambien puede contener aditivos adicionales tales como tensioactivos, inhibidores de la corrosion, modificadores de la viscosidad, agentes humectantes y otros aditivos convencionales para aumentar la oxidacion y la proteccion de la corrosion del sistema de superposicion, asf como para proporcionar mejores propiedades de aplicacion y esteticas. Ademas del pigmento de oxido de cromo, se pueden incluir otros pigmentos de oxidos de metal particulados en la segunda capa.

Tambien se observo que la suspension de la presente invencion (suspension B en la Tabla 2) proporciona consistentemente una mayor capacidad de pulverizacion y una cobertura mas uniforme de la segunda capa sobre la capa base del sistema de revestimiento en comparacion con la suspension de la tecnica anterior (suspension A en la Tabla 2). Esto es obviamente una ventaja practica importante en un proceso de produccion en gran escala, en especial cuando se deben revestir partes en forma compleja y cuando cualquier falta de uniformidad de los bordes y el "encuadre de la imagen" del recubrimiento crean el potencial de una falla de servicio a traves del agrietamiento y desprendimiento del recubrimiento en los bordes durante el curado y la vida util de una pieza recubierta. Estas observaciones visuales se confirmaron por un estudio comparativo SEM de la unidad de espesor del revestimiento en dos partes rectangulares en forma compleja de superaleacion denominadas como Parte 4-196 y Parte 21-197, donde la segunda capa se aplico usando las suspensiones A (tecnica anterior) y B (presente invencion), de modo correspondiente.

De acuerdo con las especificaciones de estos componentes, se ensaya el espesor total del sistema de revestimiento aplicado en una ubicacion sobre un lado de la parte rectangular. Asf, para investigar la uniformidad del espesor del revestimiento respecto del largo de la parte desde un extremo hasta el otro, se ha realizado una seccion transversal vertical a traves de la ubicacion de prueba; las muestras se montaron en epoxi, se pulieron y se examinaron por SEM. Las mediciones del espesor del revestimiento se realizaron en ampliaciones de 1000X y 2000X en las ubicaciones mostradas en la Fig. 7. La Fig. 8 muestra un ejemplo de micrograffas de SEM con las mediciones del espesor del sistema de revestimiento. Los resultados para todas las areas medidas por SEM se resumen con un grafico mostrado en la Fig. 9. Como se ve de estos datos, en las ubicaciones alejadas de la punta de una pieza, ambas partes tienen similares espesores de revestimiento en el intervalo de 18-30 pm siendo el revestimiento mas grueso en el area de un pedestal. Sin embargo, hay una gran diferencia en la uniformidad de cobertura del revestimiento en el area de la punta de las partes: Parte 21-197 que emplea la suspension B (de la presente invencion) tiene una capa de revestimiento mas bien uniforme sobre su punta, mientras que la punta de la parte 4196 derivada de la suspension A (de la tecnica anterior) tiene un area desnuda practicamente sin revestimiento sobre ella, cerca de un area con un revestimiento relativamente grueso (Figs. 9, 10).

El sistema de superposicion multicapa descrito con anterioridad se uso exitosamente para proporcionar una superposicion de alta calidad que proteja las superficies de metal y de aleacion de metales de la oxidacion y la corrosion, en particular temperaturas altas o moderadamente altas. De modo mas importante, se hallo inesperadamente que el presente sistema de superposicion multicapa exhibe una dramatica mejora de la estabilidad termica en comparacion con la superposicion de la tecnica anterior. Este rendimiento termico mejorado de todo el sistema de superposicion multicapa se produce en general cuando la segunda capa del sistema de superposicion multicapa se aplica con una suspension que emplea partfculas de pigmento de oxido de cromo con un tamano de partfcula medio D50 de entre aproximadamente 0,8 y 2,2 pm, con preferencia, de entre 1,2 y 1,8 pm, tamano de partfculas excesivo D90 que no excede aproximadamente 3,0 pm, con preferencia, que no excede aproximadamente 2,0 a 2,8 micrones, mientras que SA de las partfculas es de al menos 4 m2/g y con mayor preferencia, de al menos 6 m2/g.

Como se muestra en la Fig. 11, los discos de Inconel 718 recubiertos con el presente sistema de superposicion multicapa con un espesor de sistema de superposicion total en el intervalo de aproximadamente 30,5 a 35,6 pm (1,2 a 1,4 mils) y expuestos a un ambiente termico elevado de aproximadamente 760 °C (1400 °F) durante 145 horas preservaron al sistema de superposicion sin ningun signo visible de espalacion. Los discos de Inconel 718 mostrados estan en contraste con el disco de Inconel 718 con el sistema de superposicion multicapa de la tecnica anterior aplicado y mostrado en la Fig. 1 que exhibe una significativa espalacion, destacando de esta manera el mayor rendimiento termico del sistema de superposicion multicapa de la presente invencion.

Tambien se hallo inesperadamente que el presente sistema de superposicion multicapa exhibe una mejora dramatica de estabilidad corrosiva en caliente, como se evidencia en una prueba realizada a aproximadamente 760 °C (1400 °F) durante 600 horas mientras se expoma a un ambiente corrosivo de mezcla de CaSO4 negro de carbono. Como se ve en las Figs. 12A y 12B, se muestran nueve (9) pasadores de muestra de Udimet 720, donde las muestras L representan un pasador desnudo no recubierto; las muestras J, P, I y M que representan pasadores recubiertos con el presente sistema de superposicion multicapa que emplea la suspension B de la presente invencion para producir la segunda capa en el sistema tricapa; y pasadores de muestra G, H, K y O recubiertos con los sistemas de superposicion multicapa de la tecnica anterior (suspension A empleada para producir la segunda capa). La Fig. 12A muestra los pasadores antes del ensayo de corrosion, mientras que la Fig. 12B muestra imagenes de los pasadores despues de la exposicion a un ambiente corrosivo caliente con contenido de mezcla de CaSO4 negro de carbono a una temperatura de aproximadamente 760 °C (1400 °F) durante 600 horas. Al comparar el pasador no recubierto con los pasadores con el sistema de superposicion multicapa a base de la suspension de la tecnica anterior y pasadores recubiertos con el sistema de superposicion multicapa a base de la presente suspension destaca el mejor rendimiento termico y el rendimiento corrosivo del presente sistema de superposicion multicapa.

La composicion de suspension para la capa base se puede aplicar de un modo convencional a la superficie de metal o de aleacion de metales por revestir. En general, es deseable desengrasar la parte por revestir, limpiarla a fondo con abrasivo y aplicar la capa por cualquier medio apropiado, como pulverizacion, cepillado, inmersion, hilado por inmersion, etc., El sustrato revestido luego se seca y posteriormente se cura a una temperatura de aproximadamente 340 °C a 350 °C durante 15 a 30 minutes o mas tiempo. El curado se puede llevar a cabo a mayores o menores temperaturas, si se desea. La suspension se aplica preferentemente en al menos dos capas o pasadas, donde cada pasada deposita una capa de aproximadamente 2,54 a 6,35 pm (0,1 mils a 0,25 mils) de espesor y con mayor preferencia, un total de cuatro capas o mas para lograr un espesor total de la capa base de entre aproximadamente 12,7 y aproximadamente 76,2 micrones (0,5 mils a aproximadamente 3,0 mils). El secado de la capa base se lleva a cabo con preferencia a aproximadamente 80 °C durante 15 a 30 minutes. El curado de la capa base se produce preferentemente a 345 °C (650 °F) durante aproximadamente 30 minutos. Tambien se prefieren condiciones de mayor humedad del 50% de humedad o mas para aplicar la capa base.

La composicion de suspension para la segunda capa se puede aplicar a la capa base por cualquier medio apropiado, como por pulverizacion, cepillado, inmersion, hilado por inmersion, etc. La capa intermedia luego se seca y posteriormente se cura a una temperatura de aproximadamente 340 °C y 350 °C durante 15 a 30 minutos o mas. La suspension se aplica preferentemente en una a cuatro capas o pasadas, donde capa pasada o capa deposita una capa de entre aproximadamente 2,54 pm y 6,35 pm (0,1 mils a 0,25 mils) de espesor para lograr un espesor total de la segunda capa de entre aproximadamente 2,54 pm y 25,4 pm (0,1 mils a aproximadamente 1,0 mils). El secado de la segunda capa se lleva a cabo en general a aproximadamente 80 °C (175 °F) durante 15 a 30 minutes, seguido por el curado de la segunda capa a 345 °C (650 °F) durante aproximadamente 30 minutos.

Opcionalmente, la composicion de suspension de capa de sellado se aplica luego sobre la segunda capa en un espesor mmimo de aproximadamente 1,27 a 2,54 pm (0,05 a 0,1 mils). La suspension de capa de sellado se aplica preferentemente en dos o mas revestimientos o capas, donde cada capa tiene un espesor de entre 0,508 y 6,35 pm (0,02 mils a 0,25 mils) para lograr un espesor mmimo de la capa de sellado de aproximadamente 1,27 a 2,54 pm (0,05 a 0,1 mils). El secado de la capa de sellado se lleva a cabo en general a aproximadamente 80 °C durante 15 a 30 minutos, seguido por su curado a 345 °C (650 °F) durante aproximadamente 30 minutos.

A partir de lo anterior, se ha de apreciar que la presente invencion proporcione asf un sistema de superposicion multicapa a base de una suspension que comprende una capa base formada a partir de un aglutinante de cromatofosfato relleno con pigmento ceramico a base de una suspension, una segunda capa formada a partir de un aglutinante de cromato-fosfato relleno con pigmento de oxido de metal u oxido ceramico a base de una suspension y, opcionalmente, una capa de sellado formada a partir de un aglutinante de cromato-fosfato sustancialmente libre de pigmentos.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de superposicion multicapa para un sustrato metalico que comprende:

una capa base formada por aplicacion de una suspension que comprende partfculas de partfculas de pigmentos de metal o de oxidos de metal dispersas en un aglutinante a base de fosfato, donde la capa base tiene un espesor de entre 12,7 y 76,2 pm (0,5 a 3,0 mils); y una segunda capa formada por aplicacion de una suspension que comprende partfculas de pigmentos de oxidos de metal dispersas en un aglutinante a base de fosfato, donde la segunda capa tiene un espesor de entre 2,54 y 25,4 pm (0,1 a 1,0 mils);

en donde las partfculas de pigmentos de oxidos de metal dispersas en el aglutinante a base de fosfato tambien comprende partfculas de pigmento de oxido de cromo dispersas en el aglutinante a base de fosfato; y

en donde las partfculas de pigmento de oxido de cromo tienen un tamano de partfcula medio de entre 0,8 y 2,2 pm, en donde la estrecha distribucion del tamano de partfcula se caracteriza porque el percentil 50 de la distribucion de tamano de partfcula tiene un diametro de entre 1,0 y 2,0 pm y el percentil 90 de la distribucion de tamano de partfcula tiene un diametro menor o igual a 3,0 pm; y

en donde el area superficial optimizada de las partfculas de pigmento de oxido de cromo es mayor o igual a 4 m2/g.

2. El sistema de superposicion multicapa de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende, ademas, una capa de sellado que comprende un aglutinante a base de fosfato sustancialmente libre de pigmentos, donde la capa de sellado tiene un espesor mayor o igual a 1,27 pm (0,05 mils).

3. El sistema de superposicion multicapa de acuerdo con la reivindicacion 2, en donde la capa de sellado tiene un espesor de 2,54 pm (0,1 mils) o mayor.

4. El sistema de superposicion multicapa de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde la rugosidad de la superficie de cada capa en el sistema de superposicion multicapa es menor o igual a 0,762 pm (30 pin).

5. El sistema de superposicion multicapa de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el aglutinante a base de fosfato de la capa base es cromato-fosfato.

6. El sistema de superposicion multicapa de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el aglutinante a base de fosfato de la segunda capa es cromato-fosfato.