BRPI0701931A2

BRPI0701931A2 - brasagem por microondas empregando pré-formas mim

Info

Publication number: BRPI0701931A2
Application number: BRPI0701931-9A
Authority: BR
Inventors: David Edwin Budinger
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2010-08-31
Also published as: SG137795A1; SG158080A1; CA2590032A1; JP2007319933A; EP1862247A3; US20070295785A1; EP1862247A2

Abstract

Brasagem por microondas empregando pré-formas MIM. Um método para produzir uma pré-forma de brasagem (32) para uma brasagem por microondas compreende fornecer uma mistura entre uma liga de brasagem na forma de um po metálico (34) e entre um ligante (36); e fundir o ligante (36) e conformar a mistura como uma pré-forma (32) apresentando um formato pré-selecionado. Um método para unir dois componentes metálicos compreende fornecer uma pré-forma de brasagem (32) compreendendo uma liga de brasagem na forma de um po metálico (34) contido em um ligante (36) solidificado; dispor a pré-forma (32) adjacente a ou dentro de uma juncao definida entre os componentes metálicos; aquecer a pré-forma (32) utilizando energia de microondas até uma temperatura de brasagem acima do ponto de fusao da pré-forma (32), de modo a fazer com que a liga de brasagem seja fundida e flua para dentro da juncao; e permitir o resfriamento da liga de brasagem de modo a formar uma unióo entre os componentes metálicos.

Description

Brasagem por microondas empregando pré-formas MIRA.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Esta invenção se refere, em geral, a união por brasagem decomponentes metálicos e, mais em particular, às pré-formas em liga de brasagem.

Os componentes metálicos, especialmente os componentesdos motores de tipo turbina a gás, são em geral unidos uns aos outros, através dabrasagem. Na brasagem, uma liga metálica, a qual apresenta um ponto de fusão maisbaixo que o ponto de fusão dos componentes, é disposta entre os componentes. Todo oconjunto é então aquecido a uma temperatura acima do ponto de fusão da liga debrasagem e abaixo do ponto de fusão dos componentes, fazendo com que a liga fluaentre os componentes. Quando resfriado, o resultado é uma união estrutural que nãoapresenta um efeito prejudicial em relação às propriedades metalúrgicas doscomponentes unidos.

É conhecido o uso de aquecimento por microondas de modoa aquecer localmente as ligas de brasagem, ao mesmo tempo em que não se aquece omaterial do substrato das partes dos componentes que estão sendo unidas. As uniõespor brasagem tem sido feitas empregando-se as ligas convencionas de brasagem. Asmicroondas geram um campo magnético ao redor das partículas em pó, fazendo comque estas aqueçam a uma temperatura acima do seu ponto de fusão. Esta poça fundidacontinua a esquentar e flui para dentro da junta de brasagem ou quebra por ação dacapilaridade. O aquecimento, somente do substrato, é isolado da área adjacente à poçafundida pela condução térmica. Este processo permite um aquecimento seletivo do pó debrasagem, sem o aquecimento do material do substrato fora da área de brasagem.

Contudo, em tais processos, a liga de brasagem tipicamenteé aplicada na forma de uma pasta, a qual se espalha por uma área mais ampla que a domaterial do substrato. Esta área de contato ampliada leva a um aumento da conduçãotérmica entre o pó de brasagem aquecido e o material do substrato. Isto resulta em ummaior aquecimento do material do substrato e impede o desejado aquecimento seletivo.

Desta forma, existe a necessidade por um método debrasagem por microondas dos componentes sem um aquecimento excessivo.

BREVE SÍNTESE DA INVENÇÃO

A necessidade supra citada é satisfeita pela presenteinvenção, a qual, de acordo com um aspecto fornece um método para a produção deuma pré-forma de brasagem para a brasagem por microondas, incluindo: fornecer umamistura entre uma liga de brasagem na forma de um pó metálico e entre um ligante; efundir o ligante e conformar a mistura como uma pré-forma apresentando um formatopré-selecionado.

De acordo com outro aspecto da invenção, um método paraunir dois componentes metálicos entre estes inclui: fornecer uma pré-forma de brasagemcompreendendo uma liga de brasagem na forma de um pó metálico contido em umIigante solidificado; dispor a pré-forma adjacente a ou dentro de uma junção definidaentre os componentes metálicos; aquecer a pré-forma utilizando energia de microondasaté uma temperatura de brasagem acima do ponto de fusão da pré-forma, de modo afazer com que a liga de brasagem seja fundida e flua para dentro da junção; e permitir oresfriamento da liga de brasagem de modo a formar uma união entre os componentesmetálicos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A invenção será compreendida a partir da referência que éfeita à descrição seguinte, a qual é realizada em conjunto com as figuras que aacompanham, e nas quais:

- A figura 1 é uma vista em perspectiva de um exemplo de um segmento de um bocalde turbina;

- A figura 2 é uma vista em perspectiva de um par de "camisetas" as quais compõem oseguimento do bocal da figura 1, antes da operação de união;

- A figura 3 é uma vista em perspectiva das "camisetas" do bocal da figura 2 dispostaslado a lado durante a preparação para uma operação de união;

- A figura 4 é uma vista em secção transversal de uma parte da figura 3; e

- A figura 5 é uma vista esquemática das camisetas do bocal da figura 2 posicionadasdentro de uma câmara para o processo de brasagem por microondas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Com referência aos desenhos, nos quais os numerais dereferência iguais indicam os mesmos elementos em todas as figuras, a figura 1 ilustra umexemplo de um seguimento de bocal 10 de turbina, o qual inclui os defletores do bocal12A e 12B, dispostos entre as cintas arqueadas externa e interna, 14 e 16. Os defletores12 definem aerofólios configurados de modo a direcionar os gases da combustão para orotor da turbina (não mostrado), localizado a jusante destes. As cintas externa e interna,14 e 16, definem respectivamente os limites radiais externo e interno para o fluxo do gásatravés do seguimento do bocal 10. Um motor de turbina a gás poderá incluir umapluralidade de tais seguimentos 10 dispostos de forma circunferencial em umaconfiguração anular.

A figura 2 ilustra um exemplo de um par de "camisetas"(singlets) 18A e 18B do bocal da turbina, as quais são montadas juntas de modo a formaro seguimento do bocal 10. Cada uma das camisetas 18 inclui um dos defletores 12A,12B disposto entre as porções da cinta arqueada externa e interna 14A, 14B e 14C e14D, respectivamente. As camisetas 14 tipicamente são moldadas por fusão, a partir deuma liga metálica que apresenta uma grande resistência em altas temperaturas, p. ex.,de cerca de 1100 0C (2000 °F) ou mais altas. Tais ligas são em geral ligas a base deníquel ou a base de cobalto e são conhecidas na arte como as ligas "superalloy". Ascamisetas 18A e 18B são unidas ao longo da junção interna 20 (figura 4) definida pelosvértices que se casam 22 e 24 das porções da cinta interna 16A e 16B, e por uma junçãoexterna definida pelos vértices que se casam 28 e 30 das porções da cinta externa 14A e 14B.

As camisetas 18 são em geral fundidas com umamicroestrutura por solidificação direcionada (DS) ou em cristal simples (SC), a qual édegradada pelas técnicas de união em fase líquida, tais como a soldagem por fusão.

Portanto, as camisetas 18a e 18B tipicamente são unidas por brasagem. Deve serpercebido que a configuração de exemplo é apenas uma dentre as várias configuraçõesconhecidas para as juntas por brasagem dos seguimentos de bocais de turbina, e opróprio seguimento de bocal 10 é apenas um exemplo dentre os vários componentes emontagens, em particular dentro dos motores de turbina a gás, que são usualmentemontados por meio de brasagem. A presente invenção pode ser aplicada em qualquertipo de união por brasagem.

Inicialmente, as camisetas 18A e 18B são dispostas dentrode uma relação lado a lado, tal qual o quanto ilustrado na figura 3, de tal forma que sãoformadas as supra citadas junções interna e externa, 20 e 26. Podem ser utilizadosdispositivos apropriados de sustentação para manter as camisetas 18A e 18B nestarelação, e, se necessário, as junções 20 e 26 podem ser temporariamente suportadaspor meio de uma ou mais tachas de solda.

Uma pré-forma de brasagem 32, a qual é feita utilizando umprocesso de moldagem por injeção de metal (MIM) é disposta adjacente ou dentro decada uma das juntas 20 e 26. A figura 4 ilustra uma pré-forma de brasagem 32, a qualapresenta a forma de um fio alongado com secção transversal circular. A pré-forma debrasagem 32 compreende partículas metálicas 34 que apresentam um tamanho de cercade 100 micrõmetros ou menor, bem como um Iigante 36. O formato da pré-forma debrasagem 32 é limitado somente pelo formato do molde utilizado para formá-la, tal comoo quanto descrito em detalhes abaixo.

Uma vez fixada, a pré-forma 32 é submetida a brasagempor microondas. Como mostrado na figura 5, as camisetas 18 são dispostas em umacâmara 38, a qual inclui meios para gerar uma atmosfera apropriada de modo a evitaruma oxidação indesejada da pré-forma 32, ou outras reações durante o processo desinterização. No exemplo ilustrado, uma fonte 40 de um gás inerte, tal como o argônio, éligada ao interior da câmara 38. A brasagem também poderia ser realizada a vácuo. Umafonte de microondas 42, tal como compreendendo um tipo conhecido por magnetron decavidade, com uma saída na freqüência dentro da faixa das microondas, é montada emcomunicação com a câmara 38, de tal forma que as ondas, tanto as diretas quanto asrefletidas, apresentem uma "linha de visão" sem obstáculos em relação a pré-forma 32.

No exemplo ilustrado, é mostrada somente a brasagem da junta externa 26. O espectrodas microondas cobre uma faixa de cerca de 1 GHz a 300 GHz. Dentro deste espectro,uma freqüência de saída de 2,4 GHz é conhecida tanto por ressoar quanto por aquecerpartículas metálicas sem atravessar os metais sólidos.

A fonte de microondas 42 é ativada de modo a irradiar paraa pré-forma 32. Devido ao pequeno tamanho das partículas metálicas da pré-forma 32,as microondas entram em ressonância com as partículas 34 e as aquecem, e serãorefletidas pelas camisetas 18 sem aquecê-las. A pré-forma 32 é aquecida até umatemperatura acima da temperatura de Iiquidus das partículas metálicas 34, fazendo comque estas se fundam em uma liga líquida de brasagem e fluam para dentro da juntaexterna 26. A liga de brasagem é então deixada resfriar e solidificar, formando umaligação metalúrgica entre as camisetas 18A e 18B. Utilizando este processo, a área decontato reduzida (comparada com a da brasagem por pasta) irá permitir o aquecimentoda liga de brasagem a temperaturas acima da temperatura de crescimento dos grãos oude recrístalização das camisetas 18A e 18B, com um significativo aquecimento destescomponentes. Uma vez que o aquecimento é direcionado somente para a pré-forma 32,isto irá permitir o uso de ligas de brasagem com pouca ou nenhuma depressão do pontode fusão (melting point deperssants).

As pré-formas de brasagem 32 são feitas através de umprocesso de MIM, como segue. Inicialmente, são fornecidos uma liga de brasagem naforma de um pó metálico 34 e um Iigante 36 apropriado. As ligas de brasagemapropriadas são conhecidas na arte e tipicamente incluem uma liga com uma basesimilar à do componente que está sendo submetido a brasagem. Para os componentesde um motor a turbina a gás, a liga de brasagem tipicamente é uma liga a base de níquelou a base de cobalto. Opcionalmente, a composição da liga de brasagem pode conterum ou mais componentes para abaixar o ponto de fusão da liga de brasagem, de modo aassegurar que a liga de brasagem funda dentro de uma faixa de temperatura menor quea de qualquer dos componentes que está sendo unido. Os redutores do ponto de fusãopara as ligas de brasagem a base de níquel ou a base de cobalto incluem silício, boro,fósforo ou combinações entre estes. A liga de brasagem específica que é usada não éde particular importância, desde que esta esteja apta a ser processada na forma de pópara o processo de MIM.

Para uma performance ótima do processo de moldagem porinjeção, e também por uma questão com compatibilidade com o aquecimento pormicroondas, o tamanho das partículas do pó metálico deve ser de cerca de 100micrômetros, ou menor.O Iigante 36 pode ser qualquer material o qual sejaquimicamente compatível com o pó metálico e o qual permita o processamentonecessário (p. ex., mistura, injeção, solidificação e lixiviação). Exemplos de Iigantes 36conhecidos e apropriados incluem as ceras e as resinas de polímeros. O Iigante 36 podeser fornecido na forma de um pó.

O Iigante 36 e o pó metálico 34 são vigorosamentemisturados. A mistura é então aquecida até a fusão do Iigante de modo a criar um fluido,com o pó metálico 34 ficando revestido pelo Iigante 36. A seguir, a mistura é conformadaem uma forma predeterminada. Um modo de conformar a mistura é através do uso deum conhecido dispositivo de moldagem por injeção. A mistura é extrudada dentro dacavidade do molde. Opcionalmente, o molde pode ser aquecido de modo a evitar umasolidificação excessivamente rápida do ligante, do que poderia resultar uma pré-formaquebradiça. Ao invés de fundir o ligante em uma batelada discreta, a mistura poderia sermoldada, de forma contínua, empregando um equipamento de injeção conhecido e aptoa fundir o ligante conforme este passa através da rosca. Uma vez que a mistura estejasolidificada, o molde é aberto e a pré-forma resultante não compactada ou "verde" éremovida.

A pré-forma compreende partículas metálicas 34 suspensasno ligante 36 solidificado. A pré-forma apresenta uma resistência mecânica suficientepara ser submetida a um processamento posterior, apesar de ser algo frágil. A pré-forma32 pode ser Iixiviada de modo a remover a maior parte do ligante 36, criando a assimchamada pré-forma "marrom". Isto pode ser feito através da submersão ou lavagem dapré-forma com um solvente apropriado, o qual dissolva o ligante mas não ataque o pómetálico 34.

A pré-forma 32 pode ser utilizada para o supra citadoprocesso de brasagem por microondas no estado "verde" ou "marrom". Opcionalmente, apré-forma 32 pode ser sinterizada, de modo a aumentar a sua densidade e a suaresistência. A pré-forma 32 é disposta em uma câmara, similar à câmara 38 supradescrita, e a qual inclui meios para criar uma atmosfera apropriada de modo a evitar aindesejada oxidação da pré-forma 32 ou outras reações durante o processo desinterização. Pode ser utilizada uma fonte convencional de microondas, como supradescrito, ou então poderia ser empregado um aquecimento convencional.

Se sinterizada, a pré-forma 32 é aquecida a umatemperatura abaixo da temperatura de Iiquidus do pó metálico 34 e alta o suficiente parafundir e eliminar o ligante 36 restante. Para os propósitos da brasagem por microondassupra descrita, a pré-forma 32 deve conter a liga de brasagem no estado de pó ou departiculados, de tal forma que esta possa absorver a energia das microondas. Atemperatura e o tempo de qualquer etapa de sinterização são portanto limitados de talforma que a pré-forma 32 fique substancialmente menos do que 100% densa. Quando ociclo de sinterização está completo, a pré-forma 32 é removida da câmara e deixadaesfriar.

O supra descreveu um processo para a brasagem pormicroondas de componentes, Apesar de terem sido descritas as formas específicas derealização da presente invenção, ficará claro aos peritos na arte que podem ser feitasvárias modificações neste sem fugir do espírito e do escopo da invenção. Desta forma, adescrição supra da forma preferida de realização da presente invenção e da melhorforma de realização na prática da invenção são fornecidas somente com o propósito deilustração, e não com a intenção de serem limitativas, a invenção sendo definida pelasreivindicações.

Claims

1. Método para produzir uma pré-forma de brasagem (32)para uma brasagem por microondas, caracterizado pelo fato de compreender:- fornecer uma mistura entre uma liga de brasagem na forma de um pó metálico (34) eentre um Iigante (36); e- fundir o Iigante (36) e conformar a mistura como uma pré-forma (32) apresentandoum formato pré-selecionado.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato no qual a maioria do Iigante (36) é removida através da lavagem da pré-forma(32) com um solvente selecionado de modo a dissolver o Iigante mas não o pó metálico(34).

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de ainda compreender aquecer a pré-forma (32) de modo a remover o restantedo Iigante (36).

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato no qual a etapa de conformar a mistura como uma pré-forma (32) compreendeinjetar a mistura em um molde apresentando um formato pré-selecionado.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato no qual o formato pré-selecionado é o de um fio de secção transversal circular.

6. Método para unir dois componentes metálicos,caracterizado pelo fato de compreender:- fornecer uma pré-forma de brasagem (32) compreendendo uma liga de brasagem naforma de um pó metálico (34) contido em um Iigante (36) solidificado;- dispor a pré-forma (32) adjacente a ou dentro de uma junção definida entre oscomponentes metálicos;- aquecer a pré-forma (32), utilizando energia de microondas, até uma temperatura debrasagem acima do ponto de fusão da pré-forma (32), de modo a fazer com que aliga de brasagem seja fundida e flua para dentro da junção; epermitir o resfriamento da liga de brasagem de modo a formar uma união entre oscomponentes metálicos.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopelo fato no qual a temperatura de brasagem é inferior à do ponto de fusão de qualquerdos componentes metálicos.

8. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopelo fato de ainda compreender, e antes da etapa de aquecimento, Iixiviarsubstancialmente qualquer Iigante (36) da pré-forma (32) através da lavagem da pré-forma (32) com um solvente selecionado de modo a dissolver o Iigante (36), mas não opó metálico (34).

9. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopelo fato no qual o pó metálico (34) é selecionado do grupo que consiste de níquel,cobalto e das ligas destes.

10. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopelo fato no qual o pó metálico (34) apresenta um tamanho de partícula de cerca de 100micrômetros ou menor.