BRPI0500490B1 - Método para a reforma de superfícies submetidas a contatos de alta pressão - Google Patents

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BRPI0500490B1
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Kumar Gupta Bhupendra
John Emilianowicz Edward
J. Kelly Thomas
H. Nichols Glenn
M. Steplewski Marek
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General Electric Company
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Abstract

"método para a reforma de superfícies submetidas a contatos de alta pressão e componente suporte de envoltório assim reformado". um processo para a reforma de uma superfície desgastada (14, 16) do componente suporte de envoltório (10) de um motor tipo turbo, assim como um componente suporte de envoltório (10) reformado através do processo. o processo, em geral, prevê a remoção da região superficial da superfície desgastada (14, 16) de tal forma a definir uma superfície de reparo (18, 20) no componente (10). é então aplicada, na superfície de reparo (18, 20), uma fita de brasagem (22, 24) formada a partir de uma pasta, a qual compreende um material de brasagem e uma liga resistente ao desgaste, seguido de um tratamento térmico para fazer com que a fita de brasagem (22, 24) se una por difusão à superfície de reparo (18, 20), de tal forma a definir uma superfície aumentada (26, 28). a superfície aumentada (26, 28) é então usinada de tal forma a definir uma cobertura resistente ao desgaste (30, 32) no componente (10).

Description

(54) Título: MÉTODO PARA A REFORMA DE SUPERFÍCIES SUBMETIDAS A CONTATOS DE ALTA PRESSÃO (51) Int.CI.: F02C 7/24; B23K 35/12 (30) Prioridade Unionista: 16/02/2004 US 10/708,205 (73) Titular(es): GENERAL ELECTRIC COMPANY (72) Inventor(es): BHUPENDRA KUMAR GUPTA; EDWARD JOHN EMILIANOWICZ; THOMAS J. KELLY; GLENN H. NICHOLS; MAREK M. STEPLEWSKI
1/9 “MÉTODO PARA A REFORMA DE SUPERFÍCIES SUBMETIDAS A CONTATOS DE ALTA PRESSÃO”
Campo da invenção [001] A presente invenção se refere, em geral, a estruturas submetidas a um desgaste excessivo devido a um contato de alta pressão, tal como nos conjuntos de suporte do envoltório instalados em motores de turbina a gás de aeronaves e em outros mecanismos tipo turbo. Mais especificamente, esta invenção se refere a um método incrementado para a reforma de um conjunto de suporte de envoltório nos setores de alta pressão das turbinas de motores de turbina a gás.
Antecedentes da Invenção [002] Os motores tipo turbofan de grandes passagens apresentam um grande aspirador a qual comprime o ar que entra, o qual é enviado para a câmara de combustão e para o setor da turbina, na parte traseira do motor, para gerar um empuxo adicional pelo motor. A turbina é mantida dentro de uma caixa equipada com um envoltório, de tal forma que o envoltório circunscreve a turbina e é disposto adjacente aos topos ou ponteiras das palhetas móveis da turbina. O alcance pelo que as palhetas móveis, o envoltório e a estrutura do suporte de envoltório podem ser manufaturados com tolerâncias muito pequenas para minimizar as perdas entre o envoltório e as ponteiras das palhetas da turbina, é complicado pelas tolerâncias de manufatura, pelos índices de expansão térmica diferentes, e pelos efeitos dinâmicos. Desta forma, o desgaste é sempre inevitável, em particular entre o envoltório e o suporte de envoltório. Um exemplo deste último é o estágio 1 da secção do suporte de envoltório 10 das turbinas de alta pressão (HPT), representado nas figuras 1 e 2. Neste exemplo, o lábio 14 e a face 16 localizadas na flange avançada 12 da secção do suporte de envoltório 10 é particularmente susceptível a um desgaste excessivo devido ao contato de alta
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2/9 pressão com o estágio 1 das superfícies anteriores da banda externa do bocal HTP (não mostradas). O desgaste excessivo das superfícies pode fazer com que a secção do suporte de envoltório 10 resulte em uma condição de impossibilidade de uso.
[003] Tem sido desenvolvido várias soluções para a reforma das superfícies desgastadas de um suporte de envoltório, incluindo o aumento destas superfícies através de pulverização térmica de um carbeto de crômio, de uma liga a base de níquel ou de uma liga de Co-Mo-Cr-Si, ou por solda de deposição tal como a liga superalloy' L605 a base de cobalto. Estas soluções de reforma, apesar de satisfatórias, não fornecem uma solução de longo prazo contra o desgaste e a degradação das dimensões para os suportes de envoltório, assim adversamente impactando o ajuste, a forma e a funcionalidade destes. Ainda mais, os altos custos de manufatura e os ciclos de tempo resultantes das operações de pulverização térmica, soldagem e usinagem ou desbaste resultam em atrasos no reparo e inspeção para o embarque do motor e por fim resultam na insatisfação do consumidor. Como uma alternativa, a patente americana US 6.398.103 de Hasz e outros, também cedida à ora cessionária, descreve uma técnica através da qual uma folha de material resistente ao desgaste é aplicada por brasagem a uma superfície de um componente sujeita ao desgaste. A folha é formada através da pulverização térmica de um material resistente ao desgaste sobre uma folha ou lâmina de suporte. Os materiais resistentes ao desgaste incluem materiais de carbeto de crômio e ligas de Co-Mo-Cr-Si, tal como as ligas comercialmente disponível ditas TRIBALLOY® T400 E T 800.
[004] Apesar dos avanços supra, seria desejável se fossem disponibilizados métodos para a reforma dos suportes de envoltório que fossem menos complicados, que empregassem menos trabalhos intensivos, e fossem mais baratos, e ainda fornecendo uma solução de longo prazo para os
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3/9 supracitados problemas de desgaste e de degradação nas dimensões.
Descrição da Invenção [005] A presente invenção fornece um processo para a reforma de uma superfície desgastada do componente suporte de envoltório de um motor tipo turbo, assim como um componente suporte de envoltório reformado através do processo. O processo, em geral, prevê a remoção da região superficial da superfície desgastada de tal forma a definir uma superfície de reparo no componente suporte de envoltório. É então aplicada, na superfície de reparo, uma fita de brasagem formada a partir de uma pasta, a qual compreende um material de brasagem e uma liga resistente ao desgaste, seguido de um tratamento térmico para fazer com que a fita de brasagem se una por difusão à superfície de reparo, de tal forma a definir uma superfície aumentada. A superfície aumentada é então usinada de tal forma a definir uma cobertura resistente ao desgaste no componente suporte de envoltório.
[006] De acordo com um aspecto preferido da invenção, dentro da fita de brasagem, o material de brasagem é disperso em um material matriz da liga resistente ao desgaste, preferencialmente uma liga de cobalto (uma liga cujo constituinte predominante é o cobalto). Como resultado do processo de reforma, o componente suporte de envoltório compreende uma cobertura resistente ao desgaste unida por difusão a uma superfície do componente suporte de envoltório, no qual a cobertura resistente ao desgaste apresenta uma superfície usinada a qual define uma superfície de desgaste do componente suporte de envoltório, a qual é apropriada para suportar um contato de alta pressão com o componente envoltório do motor tipo turbo. A cobertura resistente ao desgaste pode ser prontamente formulada para apresentar as melhores características de resistência ao desgaste quando comparada com as coberturas do estado da arte, formadas a partir de pulverização térmica, pulverização a plasma e soldagem.
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4/9 [007] Em vista do quanto supra, pode ser visto que as vantagens significativas da presente invenção incluem maior vida útil do produto e durabilidade, enquanto que também minimiza os custos de processamento e os ciclos de tempo. Em particular, o processo de reforma resulta em uma superfície resistente ao desgaste a qual pode ser obtida com um investimento de capital relativamente baixo e com custo de manufatura substancialmente reduzido, quando comparado com as técnicas de pulverização térmica, pulverização a plasma e soldagem.
Breve Descrição dos Desenhos [008] Outros objetos e vantagens da presente invenção serão melhor apreciados a partir da descrição detalhada que segue.
- A figura 1 é uma vista em perspectiva de uma secção do suporte de envoltório de um motor de turbina a gás de uma aeronave;
- A figura 2 representa uma vista lateral da secção do suporte de envoltório da figura 1 após a usinagem das superfícies desgastada na flange avançada da secção de suporte;
- A figura 3 representa uma vista lateral da secção do suporte de envoltório da figura 2 após a aplicação das fitas de brasagem de acordo com o processo da invenção;
As figuras 4 e 5 representam vistas laterais parciais dos suportes de envoltório das figuras 2 e 3 após a união por difusão das fitas de brasagem e usinagem das coberturas resultantes, de acordo com o processo desta invenção.
Descrição detalhada da Invenção [009] Como supra descrito, as figuras 1 e 2 representam a secção de suporte de envoltório 10 da turbina (HPT) de alta pressão do tipo empregado em motores de turbina a gás de aeronaves para suportar um envoltório (não mostrado), feito a partir de bocais múltiplos os quais envolvem
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5/9 os componentes rotativos do motor de turbina a gás. Podem ser empregados vários materiais para altas temperaturas para formar a secção de suporte 10, exemplos marcantes dos quais incluem as ligas René 41, René 77, R80 e MarM509, apesar de que a presente invenção é amplamente aplicável para o reparo essencialmente de qualquer liga de base metálica. A secção de suporte 10 apresenta uma flange avançada 12 a qual define um lábio avançado 14 e uma face avançada 16, as quais são adaptadas para o contato com a banda externa de um bocal individual suportado pela secção 10. O contato do lábio 14 e da face 16 com o bocal é caracterizado por grandes forças de compressão e por movimentos relativos entre as superfícies de contato, como resultado das tolerâncias de manufatura, diferentes taxas de expansão térmica e de efeitos dinâmicos durante a operação do motor. Assim sendo, as superfícies do lábio 14 e da face 16 são submetidas a desgastes excessivos, e assim necessitam de reforma das superfícies desgastadas.
[010] A figura 2 representa uma primeira etapa do processo de reforma da secção do suporte de envoltório 10, que envolve a remoção de quaisquer partes das superfícies desgastadas ou danificadas do lábio 14 e da face 16. Esta etapa é preferencialmente conduzida primeiramente através da limpeza de quaisquer óxidos ou de outros contaminantes das superfícies do lábio 14 e da face 16, por exemplo, através do emprego dos processos convencionais de jateamento de particulados, da aplicação de uma solução de remoção de óxidos, etc. As superfícies do lábio 14 e da face 16 são então preferencialmente usinadas para que sejam removidas todas as porções danificadas destas, incluindo restos de quaisquer coberturas resistentes ao desgaste anteriores, para definir as superfícies de reparo usinadas 18 e 20, através das quais fica exposto o material do substrato interno do suporte de envoltório 10. A usinagem pode ser realizada através de qualquer prática convencional de usinagem, tal como fresagem CNC.
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6/9 [011] A figura 3 ilustra o resultado da aplicação das fitas de brasagem 22 e 24 nas superfícies de reparo 18 e 20. De acordo com um aspecto preferido da presente invenção, as fitas de brasagem 22 e 24 são formadas de modo a conter um material de brasagem disperso em uma matriz de uma liga resistente ao desgaste. Os materiais de brasagem apropriados são em geral caracterizados por uma composição cujo constituinte base é o mesmo que o da liga resistente ao desgaste, mas com uma temperatura de fusão inferior que a da liga resistente ao desgaste. Um material de brasagem particularmente apropriado é uma liga a base de cobalto contendo, em peso, cerca de 22,5 a 24,25% de crômio, cerca de 9,0 a 11,0% de níquel, cerca de 6,5 a 7,5% de tungstênio, cerca de 3,0 a 4,0% de tântalo, cerca de 2,6 a 3,0% de boro, com o balanço de cobalto e elementos menores ou incidentais, tais como carbono, zircônio, ferro, silício, manganês, cobre, oxigênio, nitrogênio, selênio, fósforo e/ou enxofre. Uma composição nominal preferida para o material de brasagem compreende, em peso, cerca de 23% de crômio, cerca de 10% de níquel, cerca de 7% de tungstênio, cerca de 3,5% de tântalo, e cerca de 2,8% de boro, com o balanço de cobalto e impurezas incidentais. Uma tal liga tem sido empregada como uma liga de união para autocaldeação por difusão ativada (ADH) pelo depositante da presente invenção para o reparo de componentes de eixos similares (equiaxed) feitos em ligas superalloy1.
[012] Uma liga resistente ao desgaste é uma liga a base de cobalto do tipo comercialmente disponibilizada pela Deloro Stellite Company, Inc., sob o nome TRIBALLOY® T800. A liga T800 contém, em peso, cerca de 27 a cerca de 29% de molibdênio, cerca de 16,5 a cerca de 17,5% de crômio, cerca de 3,0 a cerca de 3,5% de silício, até cerca de 3% de ferro, até cerca de 3% de níquel, até cerca de 0,03% de enxofre, até cerca de 0,03% de fósforo, e até cerca de 0,1% de carbono, com o balanço de cobalto e impurezas incidentais. Uma composição preferida para a liga resistente ao desgaste
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7/9 contém, em peso, cerca de 27 a cerca de 30% de molibdênio, cerca de 16,5 a cerca de 18,5% de crômio, cerca de 3,0 a cerca de 3,8% de silício, até cerca de 1,5% de ferro, até cerca de 1,5% de níquel, com o balanço de cobalto e impurezas incidentais tais como oxigênio, carbono, enxofre e fósforo.
[013] Na manufatura das fitas de brasagem 22 e 24, o material de brasagem e a liga resistente ao desgaste estão preferencialmente na forma de pós e mescladas para formar uma mistura de pós consistindo de, em peso, cerca de 10% a cerca de 30% do material de brasagem, preferencialmente cerca de 19% a cerca de 21% do material de brasagem, com o balanço sendo essencialmente da liga resistente ao desgaste. O pó do material de brasagem apresenta um tamanho de partículas preferencial na faixa de cerca de -270 mesh (máximo de 53 micrômetros), preferencialmente -325 mesh (máximo de 44 micrômetros). O pó da liga resistente ao desgaste apresenta um tamanho de partículas preferencial na faixa de cerca de -200 mesh (máximo 75 micrômetros), preferencialmente de cerca de -325 mesh (máximo de 44 micrômetros). Esta mistura de pós é então combinada com um ligante para formar uma pasta. Uma composto apropriado para o ligante é um ligante polimérico ou orgânico apto a evaporar ou se desprender a uma temperatura não maior que cerca de 1200° F (cerca de 650° C) de forma a não deixar resíduos indesejáveis. Um ligante preferido é um polietileno comercialmente disponibilizado por uma variedade de fontes. O ligante é combinado com a mistura de pós em uma quantidade suficiente para formar uma pasta a qual podem então ser secada para formar uma folha maleável. Por exemplo, a pasta pode ser aplicada a uma folha de suporte, a qual é então removida da folha maleável formada pela secagem da pasta. A folha resultante é então sinterizada a uma temperatura suficientemente alta para fundir (aglomerar) as partículas de pó e para evaporar o ligante (p. ex. cerca de 200° C a cerca de 425° C), após o que a folha sinterizada pode ser cortada em fitas 22 e 24 de
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8/9 quaisquer formatos desejados empregando um jato de água, um laser, ou qualquer outra técnica apropriada.
[014] Apesar de ser preferida uma dispersão uniforme do material de brasagem em uma matriz da liga resistente ao desgaste, é previsto que o material de brasagem e a liga resistente ao desgaste poderiam estar presentes dentro das fitas 22 e 24 como camadas discretas. Por exemplo, as fitas 22 e 24 poderiam ser formadas como camadas alternadas entre o material de brasagem e a liga resistente ao desgaste, em cujo caso as camadas individuais do material de brasagem, de preferencia, seriam mais finas que as camadas individuais da liga resistente ao desgaste.
[015] As fitas de brasagem 22 e 24 são ligadas por difusão nas superfícies de reparo 18 e 20 da secção de suporte 10, empregando um tratamento térmico a vácuo seguido de cura. As fitas 22 e 24 podem ser fixadas nas superfícies de reparo 18 e 20 através de um método de solda a resistência, p. ex. solda de pega (tack welding) em locais selecionados para assegurar uma fixação temporária. De forma alternativa, pode ser empregado um adesivo inorgânico para este propósito. Um tratamento térmico apropriado é conduzido a uma temperatura de cerca de 2100° F a cerca de 2300° F (cerca de 1150° a cerca de 1260° C) por um tempo de cerca de dez a sessenta minutos, mais preferencialmente a uma temperatura de cerca de 2180° F a cerca de 2200° F (cerca de 1193° a cerca de 1204° C) por um tempo de cerca de dez a trinta minutos, sob um vácuo de menos de 1x10-3 torr (menos que cerca de 1,3 x 10-3 mbar). Na conclusão do tratamento térmico, as fitas de brasagem 22 e 24 são de preferencia suavemente circuladas e mesmo sobre as superfícies de reparo 18 e 20 através de um encolhimento linear de menos de 5% e com uma espessura de encolhimento de menos de 20%, gerando coberturas aumentadas 26 e 28 representadas na figura 4. A ligação entre as coberturas 26 e 28 e as superfícies de reparo 18 e 20 é preferencialmente de
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9/9 um mínimo de 90%. Ainda mais, as coberturas 26 e 28 preferencialmente apresentam uma porosidade de não mais que cerca de 4% em volume, com o eixo maior de qualquer poro não excedendo a 0,008 polegadas (cerca de 0,2 mm) quando medido por avaliação metalográfica a 100X, e estando presente um máximo de uma inclusão em qualquer campo de visão examinada através de uma ampliação de 50X.
[016] A seguir ao tratamento térmico, as coberturas 26 e 28 são submetidas a uma cura primária, para unir ainda mais as coberturas 26 e 28 nas superfícies de reparo 18 e 20, a qual é realizada de preferência a uma temperatura de cerca de 2000° F a cerca de 2100° F (cerca de 1090° C a cerca de 1150° C), por um tempo de cerca de uma a cerca de quatro horas. Uma etapa de cura secundária é preferencialmente realizada a uma temperatura de cerca de 1400° F (cerca de 760° C) por cerca de quarto horas, se o material que está sendo reparado é o René 77, René 41 ou outra liga cuja resistência pode diminuir na temperatura de brasagem.
[017] Após a cura, as coberturas aumentadas 26 e 28 são usinadas de forma a readquirirem as dimensões e as condições superficiais necessárias para as superfícies de desgaste do lábio 14 e da face 16. O acabamento da superfície é particularmente importante pelo fato de que uma superfície rugosa irá resultar em taxas de desgaste mais elevadas. Desta forma, as superfícies das coberturas usinadas resultantes 30 e 32 (figura 5) preferencialmente apresentam acabamentos superficiais da ordem de cerca de 30 a 40 micro polegadas (cerca de 1 a cerca de 3 micrômetros) Ra.
[018] Apesar da invenção ter sido descrita em termos de uma forma de realização particular, é evidente que podem ser adotadas outras formas por aqueles peritos na área. Portanto, o escopo da invenção deve ser somente limitado pelas reivindicações a seguir.
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1/3

Claims (8)

  1. Reivindicações
    1. Processo para a reforma de uma superfície desgastada (14, 16) de um componente (10) sujeito a grandes forças de compressão, compreendendo as etapas de:
    - remoção da região superficial da superfície desgastada (14, 16) de tal forma a definir uma superfície de reparo (18, 20) no componente (10);
    - formação de uma fita de brasagem (22, 24) a partir de uma pasta, a fita de brasagem (22, 24) compreendendo um pó de uma liga metálica de base de cobalto resistente ao desgaste e um pó de material de brasagem de base de cobalto com uma temperatura de fusão inferior à da liga resistente ao desgaste;
    - aplicar a fita de brasagem (22, 24) na superfície de reparo (18,
    20);
    - realizar um tratamento térmico na fita de brasagem (22, 24) e na superfície de reparo (18, 20) para fazer com que a fita de brasagem (22, 24) se una por difusão à superfície de reparo (18, 20), de tal forma a definir uma superfície aumentada (26, 28); e então
    - usinar a superfície aumentada (26, 28) de tal forma a definir uma cobertura resistente ao desgaste (30, 32) sobre o componente (10),
    - sendo o método caracterizado pelo fato de que a liga resistente ao desgaste consiste, em peso, de 27 a 29% de molibdênio, de 16,5 a 17,5% de crômio, de 3,0 a 3,5% de silício, até 3% de ferro, até 3% de níquel, com o balanço de cobalto, elementos menores de liga e impurezas incidentais, e
    - referida fita de brasagem é submetida a cura primária a uma temperatura de 1090 °C a 1150 °C por um tempo de uma a quatro horas antes do passo de usinagem.
  2. 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fita de brasagem (22, 24) quando aplicada na superfície de
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    2/3 reparo (18, 20) consiste essencialmente no material de brasagem e na liga resistente ao desgaste.
  3. 3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fita de brasagem (22, 24) é formada a partir de um método compreendendo:
    - combinar um pó do material de brasagem, um pó da liga resistente ao desgaste e um ligante para formar uma pasta na qual os pós estão dispersos; e
    - formar e sinterizar a fita de brasagem (22, 24) para remover o ligante.
  4. 4. Processo, de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o material de brasagem consiste, em peso, de 22,5 a 24,25% de crômio, de 9,0 a 11,0% de níquel, de 6,5 a 7,5% de tungstênio, de 3,0 a 4,0% de tântalo, de 2,6 a 3,0% de boro, com o balanço de cobalto, elementos menores de liga e impurezas incidentais.
  5. 5. Processo, de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a fita de brasagem (22, 24) contém, em peso, cerca de 10% a cerca de 30% do material de brasagem e o balanço sendo essencialmente da liga resistente ao desgaste.
  6. 6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o componente (10) é um componente de suporte de envoltório de um motor tipo turbo e a superfície desgastada (14, 16) está sobre uma flange de suporte do componente de suporte de envoltório (10), a flange de suporte adaptada para suportar um componente de envoltório de um motor tipo turbo.
  7. 7. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que após o passo de cura primária, a fita de brasagem (22, 24) é submetida a uma cura secundária a uma temperatura de 760 °C durante
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    3/3 quatro horas.
  8. 8. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a superfície do componente resistente ao desgaste tem um acabamento superficial de 1 a 3 micrometros.
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