ES2345444T3 - Procedimiento de recarga de una pieza metalica microcristalina o de solidificacion dirigida. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de recarga de una pieza (7) metálica monocristalina o de solidificación dirigida, de espesor (Ws) inferior a 2 mm, en el cual se aplica sobre la pieza (7) un haz láser (6) y un flujo de polvo metálico (5), cuya naturaleza es la misma que la de la pieza metálica, para fabricar al menos una capa de metal, monocristalina o de solidificación dirigida, a partir de la pieza (7), siendo emitido el haz láser (6) a una potencia "P" y desplazándose a lo largo de la pieza a una velocidad "v", caracterizado por el hecho de que el haz láser (6) y el flujo de polvo (5) son aplicados de modo coaxial sobre la pieza (7), y la relación P/v está comprendida: - para un espesor Ws comprendido entre 0,2 mm y 0,6 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 0,12 W.min.mm-1, preferentemente 0,125 W.min.mm-1, a 0,58 W.min.mm-1, preferentemente 0,583 W.min.mm-1, tomando la otra valores que van de 0,25 W.min.mm-1 a 0,84 W.min.mm-1, preferentemente 0,833 W.min.mm-1; - para un espesor Ws comprendido entre 0,6 mm y 0,8 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 0,58 W.min.mm-1, preferentemente 0,583 W.min.mm-1, a 0,83 W.min.mm-1, preferentemente 0,833 W.min.mm-1, tomando la otra valores que van de 0,84 W.min.mm-1, preferentemente 0,833 W.min.mm-1, a 1,42 W.min.mm-1, preferentemente 1,417 W.min.mm-1; - para un espesor Ws comprendido entre 0,8 mm y 1 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 0,83 W.min.mm-1, preferentemente 0,833 W.min.mm-1, a 1,08 W.min.mm-1, preferentemente 1,083 W.min.mm-1, tomando la otra valores que van de 1,42 W.min.mm-1, preferentemente 1,417 W.min.mm-1, a 2,05 W.min.mm-1, preferentemente 2,042 W.min.mm-1; - para un espesor Ws comprendido entre 1 mm y 1,2 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 1,08 W.min.mm-1, preferentemente 1,083 W.min.mm-1, a 1,27 W.min.mm-1, preferentemente 1,271 W.min.mm-1, tomando la otra valores que van de 2,05 W.min.mm-1, preferentemente 2,042 W.min.mm-1, a 2,34 W.min.mm-1, preferentemente 2,333 W.min.mm-1; - para un espesor Ws comprendido entre 1,2 mm y 1,4 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 1,27 W.min.mm-1, preferentemente 1,271 W.min.mm-1, a 1,33 W.min.mm-1, preferentemente 1,333 W.min.mm-1, tomando la otra valores que van de 2,34 W.min.mm-1, preferentemente 2,333 W.min.mm-1, a 2,48 W.min.mm-1, preferentemente 2,479 W.min.mm-1; - para un espesor Ws comprendido entre 1,4 mm y 2 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, una constante igual a 1,33 W.min.mm-1, preferentemente 1,333 W.min.mm-1, tomando la otra valores que van de 2,48 W.min.mm-1, preferentemente 2,479 W.min.mm-1, a 2,75 W.min.mm-1.
Description
Procedimiento de recarga de una pieza metálica
microcristalina o de solidificación dirigida.
La invención se refiere a un procedimiento de
recarga de una pieza metálica monocristalina o de solidificación
dirigida, de espesor inferior a 2 mm.
Los álabes de turbina están constituidos
generalmente por una aleación monocristalina o de solidificación
dirigida. En razón de las condiciones locales de funcionamiento y de
los rozamientos a los que estos están sometidos sobre las paredes
del estator con respecto al cual éstas son puestas en rotación, es
frecuente que su porción terminal externa se desgaste. Así pues, es
necesario "recargar" su porción terminal, es decir reconstruir
una pared a partir de la punta desgatada del álabe.
Por la patente US 6.024.792, se conoce un
procedimiento de recarga de la porción terminal de una pared
monocristalina o de solidificación dirigida. En este último, la
extremidad de la pieza es primero precalentada, después sometida a
un haz láser CO_{2} perpendicular a su superficie y a un flujo de
polvo metálico, proyectado por una boquilla lateral según una
dirección inclinada con respecto al eje del haz láser. Este último
provoca la fusión del polvo y el crecimiento de una capa metálica
monocristalina o de solidificación dirigida a partir del substrato
que constituye la pared inicial del álabe. Se construyen, así,
varias capas sucesivamente. La potencia del haz láser es regulada
de modo que se encuentre siempre en una franja de gradiente térmico
y de velocidad de solidificación en la cual la nueva capa formada
sea efectivamente de estructura monocristalina o de solidificación
dirigida, creciendo los nuevos granos de modo columnar epitexial con
el grano o con los granos del substrato.
Los documentos
EP-A-1424158 y
EP-A-1340583 enseñan procedimientos
similares al del US 6024792.
Un procedimiento de recarga de este tipo de una
pared de una pieza debe ser puesto en práctica con parámetros
optimizados, debiendo tener la porción de pared recargada
propiedades mecánicas parecidas a las del material de base. Ahora
bien, para un álabe de turbomáquina, por ejemplo, el espesor de la
pared es variable, aunque sea entre el extradós o el intradós y el
borde de fuga. Así pues, hay que adaptar el funcionamiento del
dispositivo al espesor de la pared en curso de procedimiento.
Hasta ahora no se ha dado definición precisa de
los parámetros, ni de la disposición del dispositivo, para un
procedimiento de recarga homogénea epitaxial de la pared de una
pieza metálica, en función del espesor de esta última.
La solicitante ha dirigido una serie de ensayos
con el fin de determinar las condiciones óptimas de recarga y, así,
ha llegado a la invención, que pretende mejorar un procedimiento de
recarga de una pieza monocristalina o de solidificación dirigida de
espesor inferior a 2 mm.
A tal efecto, la invención se refiere a un
procedimiento de recarga de una pieza metálica monocristalina o de
solidificación dirigida, de espesor inferior a 2 mm, en el cual se
aplica sobre la pieza un haz láser y un flujo de polvo metálico,
cuya naturaleza es la misma que la de la pieza metálica, para
fabricar al menos una capa de metal, monocristalina o de
solidificación dirigida, a partir de la pieza, siendo emitido el haz
láser con una potencia "P" y desplazándose a lo largo de la
pieza a una velocidad "v", caracterizado por el hecho de que
el haz láser y el flujo de polvo son aplicados de modo coaxial sobre
la pieza, y la relación P/v está comprendida:
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 0,2 mm y 0,6 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 0,12, preferentemente de 0,125 W.min.mm^{-1}, a 0,58 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,583 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 0,25 W.min.mm^{-1} a 0,84 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 0,6 mm y 0,8 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 0,58, preferentemente 0,583 W.min.mm^{-1}, a 0,83 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm-1, tomando la otra valores que van de 0,84 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm^{-1}, a 1,42 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,417 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 0,8 mm y 1 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 0,83 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm^{-1}, a 1,08 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,083 W.min.mm-1, tomando la otra valores que van de 1,42 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,417 W.min.mm^{-1}, a 2,05 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,042 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 1 mm y 1,2 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 1,08 W.min.mm-1, preferentemente 1,083 W.min.mm^{-1}, a 1,27 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,271 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 2,05 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,042 W.min.mm^{-1}, a 2,34 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,333 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 1,2 mm y 1,4 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 1,27 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,271 W.min.mm^{-1}, a 1,33 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,333 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 2,34 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,333 W.min.mm^{-1}, a 2,48 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,479 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 1,4 mm y 2 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, una constante igual a 1,33 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,333 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 2,48 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,479 W.min.mm^{-1}, a 2,75 W.min.mm^{-1}.
\vskip1.000000\baselineskip
Así, la solicitante ha descubierto que era
posible determinar una gama de valores para la relación P/v, que
garantice un buen funcionamiento del procedimiento de recarga.
Preferentemente, las porciones de curvas son
porciones de rectas.
De acuerdo con un modo de realización, antes de
aplicar el flujo de polvo, se efectúa un precalentamiento de la
pieza.
Preferentemente en este caso, el
precalentamiento es efectuado por el haz láser.
De acuerdo con otro modo de realización, la
aplicación del flujo de polvo es efectuada sin precalentamiento de
la pieza.
De acuerdo con una forma de realización, siendo
fabricadas varias capas de metal sucesivamente, la energía aplicada
a lo largo de la pieza a todas las capas es la misma.
De acuerdo con otra forma de realización, siendo
fabricadas varias capas de metal sucesivamente, la energía de la
primera capa es inferior a la energía de las capas siguientes.
Preferentemente, cualquiera que sea la forma de
realización elegida, la relación P/v de las capas a las cuales es
aplicada la misma energía es igual.
Ventajosamente, el haz láser es un haz láser
YAG.
Ventajosamente todavía, el haz láser y el polvo
metálico son aplicados por una boquilla de proyección, que
comprende una porción terminal troncocónica que comprende un ánima
central de paso del haz láser y canales de alimentación de polvo
que se extienden en el interior de la pared de generación de su
extremidad troncocónica.
La invención se aplica de modo más particular a
un álabe de motor de turbina de gas y a un polvo que comprende una
aleación monocristalina denominada AM1, pero la solicitante no
pretende limitar el alcance de sus derechos a esta aplicación.
La invención se comprenderá mejor con la ayuda
de la descripción que sigue de la forma de realización preferida
del procedimiento de la invención, refiriéndose a los dibujos
anejos, en los cuales:
- la figura 1 representa una vista en corte
esquemática de la boquilla de proyección del dispositivo de puesta
en práctica de la forma de realización preferida del procedimiento
de la invención;
- la figura 2 representa una vista en corte
esquemática de la recarga de un álabe por la forma de realización
preferida del procedimiento de la invención;
- la figura 3 representa una curva de
definición de la gama de los valores admitidos para la relación
entre la potencia del láser y su velocidad de paso, en relación con
el espesor de la pared del álabe, para la puesta en práctica de la
forma de realización preferida del procedimiento de la
invención;
- la figura 4 representa una vista en
perspectiva de un álabe recargado por la forma de realización
preferida del procedimiento de la invención, y
- la figura 5 representa una fotografía de una
vista en corte de la recarga del álabe de la figura 4, antes del
remecanizado.
\vskip1.000000\baselineskip
El dispositivo de puesta en práctica del
procedimiento de recarga de la invención, no representado, comprende
principalmente un recinto, una sonda láser, una boquilla de
proyección de polvo, alimentada por un distribuidor de polvo y un
fuelle de unión entre el sistema de focalización, que comprende
especialmente la fuente láser y la boquilla, y el recinto. El
procedimiento se va a describir para la recarga de un álabe de
turbina de motor de turbina de gas, de aleación a base de níquel,
monocristalina o de solidificación dirigida, pero evidentemente se
aplica a cualquier pieza metálica que comprenda una pared que haya
que recargar y constituida por una aleación monocristalina o de
solidificación dirigida.
Por monocristalina, se entiende una aleación
constituida por un cristal único. Por solidificación dirigida, se
entiende una aleación cuyos cristales se extienden todos paralelos
uno a otro, en forma de dendritas columnares.
El álabe es colocado en el interior del recinto,
con la punta de su pared que hay que recargar hacia arriba. El
recinto está construido de aluminio y se presenta en forma de un
paralelepípedo cuyas dimensiones son 130 mm*130 mm*100 mm. Su
volumen interior es alimentado de argón, con el fin de crear una
atmósfera neutra con, como máximo, 200 partes por millón (ppm) de
oxígeno, para proteger los diversos elementos contra la oxidación.
En el interior del recinto está dispuesto un analizador de oxígeno
con el fin de asegurar una medición en tiempo real de la
concentración de oxígeno contenido en el recinto.
El argón es inyectado por seis tubos colocados
en la parte superior del recinto. En su parte inferior, este último
comprende un recipiente de recuperación de polvo metálico que no se
hubiera fundido durante la recarga de la pared del álabe. En la
cara delantera del recinto está perforada una ventana con el fin de
poder colocar en ella una cámara, para seguir el desarrollo del
procedimiento, así como un pirómetro de control térmico.
El álabe está aquí constituido por una aleación
a base de Níquel, que se denominará aleación AM1. Esta aleación es
de composición ponderal: Co del 6,0% al 7,0%, Cr del 7,0% al 8,0%,
Mo del 1,8% al 2,2%, W del 5, 0% al 6,0%, Ta del 7,5% al 8,5%, Al
del 5,1% al 5,5%, Ti del 1,0% al 1,4%, Nb, Mn y Si, cada uno
inferior al 0,05%, C, B, Cu, P, S, Mg, Sn y Zr cada uno inferior al
0,01%, Hf y Fe, cada uno inferior al 0,2% y Ni que completa al
100%.
El polvo es igualmente de aleación AM1. Éste es
un polvo esférico cuyas partículas son de diámetro medio comprendido
entre 25 \mum y 250 \mum. Típicamente, para una punta de pared
de álabe de aleación AM1, se utilizan partículas de diámetro medio
de 63 \mum con un resultado satisfactorio.
Refiriéndose a la figura 1, la boquilla de
proyección 1 está dispuesta en la parte superior del recinto. Ésta
comprende una porción terminal troncocónica 2, que comprende una
ánima central 3 y una serie de canales antiestáticos 4 que se
extienden en el interior de la pared de generación de su extremidad
troncocónica 2. Los canales son alimentados de polvo 5, mientras
que un haz láser 6 rectilíneo se propaga en el seno del ánima
central. La boquilla es del tipo de la boquilla descrita en la
patente DE 3935009, a la cual podrá hacerse referencia para más
detalles.
El haz láser 6 es producido por una fuente láser
denominada YAG. Se trata de un láser en el que el medio láser está
constituido por un Granate de Aluminio e Itrio (YAG), dopado con
Neodimio (Nd). Las partículas excitables son iones de Neodimio
Nd^{3+}. Este láser emite un haz de longitud de onda de 1064 nm.
Éste emite un haz de energía continua. La fibra óptica de guía del
haz es de diámetro de 0,3 mm a 0,6 mm, en función de la geometría
de la pared que hay que recargar. Por ejemplo, una fibra de diámetro
0,6 mm permite recargar paredes cuyo espesor esté comprendido entre
0,5 mm y 2 mm. El láser YAG permite una interacción muy buena entre
el haz láser 6 y el material, y permite una gran manejabilidad de
la cabeza de proyección, debido a la manejabilidad de su fibra
óptica.
La boquilla 1 está unida a uno o varios
distribuidores de polvo de aleación AM1. El polvo 5 es arrastrado
por Argón, con el fin de asegurar su protección. Éste está contenido
en uno o varios depósitos en los cuales es agitado de modo que se
mantenga homogéneo. El caudal de gas en los distribuidores es de 1
l/min a 2 l/min y el del polvo de 6 g/min a 8 g/min. A la salida de
la boquilla de proyección 1, el caudal de gas es de 5 l/min a 7
l/min.
A la salida de la boquilla 1, el flujo de polvo
5 es simétrico y estable con el fin de paliar cualquier
irregularidad de la recarga; el haz láser 6 se propaga de modo
coaxial con el polvo 5. Esta proyección del polvo 5 en el eje del
haz láser 6 permite una mayor manejabilidad de la boquilla de
proyección 1, pero también una mayor regularidad del caudal y del
fenómeno de fusión para la recarga.
El sistema de focalización, constituido
especialmente por la fuente láser y la boquilla 1, está unido al
recinto por un fuelle, cuyo interior es de tejido de vidrio
recubierto de aluminio, con el fin de soportar las reflexiones del
haz láser 6, y cuyo exterior comprende un revestimiento de silicona
con el fin de ser protegido contra eventuales alteraciones ligadas
a los movimientos del conjunto. Éste es arrastrado en movimiento por
un dispositivo que le permite desplazarse según tres direcciones
perpendiculares y arrastrado por un dispositivo mandado por un
programa.
Refiriéndose a las figuras 2 a 5, se va a
describir ahora más en detalle el procedimiento de la invención.
Un álabe 7 es colocado en el interior del
recinto del dispositivo. La boquilla 1 es colocada por encima de la
pared que hay que recargar y proyecta sobre esta última el haz láser
6 y el polvo 5. El haz láser es emitido a una potencia "P" y
se desplaza a lo largo de la pared a una velocidad "v". El
polvo 5 es proyectado en el eje del haz láser 6.
En función del espesor "W_{s}" de la
pared, la solicitante a descubierto que, para obtener una recarga
correcta, era necesario adaptar la relación P/v, haciendo variar
uno o el otro de los parámetros, preferentemente los dos, y ha
encontrado que se podía definir una gama de valores admitidos para
esta relación. La gama de valores óptimos para la relación de los
parámetros P y v, en función del espesor W_{s} de la pared está
definida en la curva de la figura
3.
3.
\newpage
En primera aproximación, por porciones de
curvas, se ve que la relación P/v debe estar comprendida:
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 0,2 mm y 0,6 mm, entre dos porciones de curvas - crecientes, tomando una valores que van de 0,12, preferentemente 0,125 W.min.mm^{-1}, a 0,58 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,583 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 0,25 W.min.mm^{-1} a 0,84 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 0,6 mm y 0,8 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 0,58, preferentemente 0,583 W.min.mm^{-1}, a 0,83 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 0,84 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm^{-1}, a 1,42 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,417 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 0,8 mm y 1 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 0,83 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm^{-1}, a 1,08 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,083 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 1,42 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,417 W.min.mm^{-1}, a 2,05 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,042 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 1 mm y 1,2 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 1,08 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,083 W.min.mm^{-1}, a 1,27 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,271 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 2,05 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,042 W.min.mm^{-1}, a 2,34 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,333 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 1,2 mm y 1,4 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 1,27 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,271 W.min.mm^{-1}, a 1,33 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,333 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 2,34 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,333 W.min.mm^{-1}, a 2,48 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,479 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 1,4 mm y 2 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, una constante igual a 1,33 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,333 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 2,48 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,479 W.min.mm^{-1}, a 2,75 W.min.mm^{-1}.
\vskip1.000000\baselineskip
En primera aproximación, las curvas que definen
la gama que ha descubierto la solicitante han sido definidas por
porciones de curvas crecientes. Estas últimas tiene un
comportamiento tangencial que se calificará de "liso", es
decir que las curvas evolucionan de un modo bastante regular de una
porción de curva a la otra, por ejemplo sin cambio brusco de
concavidad. Un método para trazar las curvas a partir de los datos
que se han dado es, para ir de un primer punto a un segundo,
anticipar el punto que seguirá al segundo para no tener que operar
cambio no lógico de concavidad.
Otra aproximación puede ser tomar porciones de
recta para las porciones de curvas definidas anteriormente.
Así, respetando la gama definida en la figura 3,
la relación P/v depende del espesor W_{s} de la pared. Esta
dependencia puede ser asegurada por un programa. La evolución del
espesor W_{s} de la pared del álabe 7 es determinada previamente
e introducida en el programa. Durante la puesta en práctica del
procedimiento, este programa manda la evolución de la relación P/v
en función de la posición de la boquilla 1 a lo largo de la pared,
y por tanto del espesor W_{s} de esta última, en función de
parámetros definidos por el usuario, por ejemplo el diámetro de la
fibra óptica, la geometría que se quiere dar al cordón de recarga,
la altura de la capa que se quiere crear, ... al tiempo que
permanece en la gama definida por la figura 3.
Otra posibilidad es colocar un dispositivo
autorregulador que mande la relación P/v en tiempo real en función
de un dato, que puede ser la medición de la luminosidad del baño
fundido, que depende, indirectamente, del espesor W_{s} de la
pared en un punto dado. Esta medición puede ser asegurada por un
fotodiodo unido a un sistema de control.
Manteniendo la relación P/v en la gama definida,
la acción del haz láser 6 sobre el polvo 5 proyectado sobre la
pared provoca la fusión del polvo y el crecimiento de una aleación;
este crecimiento se hace de modo columnar epitexial a partir de los
brazos primarios de las dendritas contenidas en el substrato, es
decir la punta del álabe 7, y tiene como consecuencia la
solidificación de un metal monocristalino o de solidificación
dirigida, según la naturaleza del substrato.
En la figura 2 se ve la construcción de la
primera capa metálica 8. Los diversos parámetros son regulados de
manera que se funda el substrato en una altura hp y así permitir la
solidificación de la nueva capa a partir de los brazos primarios de
sus dendritas. El polvo 5 es proyectado de modo que se obtenga una
capa 8 de altura H_{D}. Esta capa 8 está formada de manera que
tiene un perfil de gota, cuyo ángulo \alpha en la base debe estar
comprendido entre 30º y 70º, con el fin de que el mecanizado después
del procedimiento, denominado remecanizado, para obtener una pared
rectilínea, sea mínimo. La anchura máxima W_{D} de la gota debe
estar comprendida entre el 110% y el 150% de la anchura W_{s} del
álabe 7, con el fin de limitar el remecanizado.
La altura h_{mono} representa la altura, a
partir del substrato no fundido, en la cual la gota presenta una
estructura de solidificación monocristalina o de solidificación
dirigida. Por encima de esta altura, el casquete 9 de altura
(H_{D} - h_{mono}) no se solidifica convenientemente y deberá ser fundido durante la aplicación de la segunda capa, con el fin de que esta última pueda hacerse a partir de los brazos primarios de las dendritas columnares de la primera capa 8 y, así sucesivamente para cada una de las capas.
(H_{D} - h_{mono}) no se solidifica convenientemente y deberá ser fundido durante la aplicación de la segunda capa, con el fin de que esta última pueda hacerse a partir de los brazos primarios de las dendritas columnares de la primera capa 8 y, así sucesivamente para cada una de las capas.
Gracias al procedimiento de la invención y a la
buena elección de la relación P/v, la zona afectada térmicamente,
simbolizada por las flechas ZAT en la figura 2, será mínima.
Con el fin de recargar la punta del álabe 7,
deben ser construidas varias capas. El procedimiento puede ser
puesto en práctica, en lo que concierne a la sucesión de las capas,
según diferentes formas de realización, de las cuales se van a
describir dos.
En una primera forma de realización, la energía
depositada en la primera capa 8, que depende del espesor W_{s} de
la pared del álabe 7 a medida que la boquilla 1 avanza a lo largo de
esta pared, es la misma que la que se deposita en las capas
siguientes. Esta forma de realización es la más simple porque para
su puesta en práctica es necesario un solo programa de
potencia.
En una segunda forma de realización, la energía
depositada en la primera capa 8 es reducida al mínimo, con objeto
de fundir al mínimo el substrato, y después la energía de las capas
siguientes es la misma para cada una de ellas, igual a la de la
primera capa 8 aumentada del 10% al 20%. Para el conjunto de las
capas, salvo la primera capa 8, la relación P/v toma los mismos
valores a lo largo de la pared del álabe 7.
Entre la formación de cada capa, el álabe 7 será
preferentemente enfriado a una temperatura inferior a 600º.
Además, antes de la fabricación de la primera
capa 8, es posible precalentar el substrato, como se hacía
habitualmente en la técnica anterior. En este caso, el
precalentamiento puede ser asegurado por el propio haz láser 6, que
puede efectuar una primera serie de pasadas por encima de la pared
del álabe 7, sin proyectar polvo. Actuando sobre la focalización
del láser, se puede garantizar un calentamiento homogéneo. El número
de pasadas y la energía aportada serán dimensionados de modo que se
garantice un precalentamiento mínimo pero suficiente para limitar
las fisuras. Puede preverse controlar el sistema por una medición de
temperatura que, cuando se llegue a la consigna de temperatura,
detenga la fase de precalentamiento.
Por otra parte, el procedimiento de la invención
permite, gracias a la calidad de la elección de sus parámetros,
especialmente los parámetros P y v, efectuar la recarga de la pared
del álabe 7 sin precalentamiento, lo que permite un ahorro de
tiempo y una simplificación del procedimiento considerables.
Una vez construidas todas las capas, se efectúa
preferentemente un tratamiento térmico postoperatorio con el fin de
homogeneizar su estructura y permitir la relajación de las tensiones
residuales. Este tratamiento se hará preferentemente entre 800ºC y
1300ºC.
A título de ejemplo, para un espesor W_{s}
igual a 1 mm, puede elegirse una potencia P = 400 W, con una
velocidad v = 250 mm/min, para la primera capa 8, y una potencia P =
500 W, con una velocidad v = 300 mm/min, para todas las otras
capas, por ejemplo nueve capas. Se ve que las relaciones P/v están
contenidas correctamente en la gama de la figura 3 para el espesor
W_{s} = 1 mm.
Para un espesor W_{s} igual a 0,5 mm, se puede
elegir una potencia P = 125 W, con una velocidad v = 250 mm/min,
para la primera capa 8, y una potencia P = 150 W, con una velocidad
v = 250 mm/min, para todas las otras capas.
Se puede elegir también, para este mismo
espesor, una potencia P = 150 W, con una velocidad v = 250 mm/min,
para la primera capa 8, y una potencia P = 175 W, con una velocidad
v = 250 mm/min, para todas las otras capas.
El la figura 4 se ve el álabe 7 una vez
terminado el procedimiento de la invención, efectuados el
tratamiento térmico postoperatorio y el remecanizado. Se distingue
la recarga 10 obtenida, que prolonga la pared del álabe 7 en el
intradós 11, el extradós 12 y el borde de fuga 13. Los espesores
W_{s} de estas diferentes paredes no son constantes y el
procedimiento de la invención permite controlar la relación P/v en
su evolución, al tiempo que asegura la buena calidad de la
recarga.
En la figura 5 se ve una fotografía en corte de
la recarga 14 de la pared del álabe 7 antes de su remecanizado. Se
ve bien que la estructura interna de esta recarga es dendrítica
columnar, a excepción de su casquete superior 15. En esta figura
está claro que, durante la definición de los parámetros operatorios,
deben tenerse en cuenta estos dos objetivos: la obtención de una
buena microestructura aceptable, monocristalina o de solidificación
dirigida, pero también la obtención de una buena geometría para la
gota (por ejemplo, si el procedimiento se efectúa demasiado
lentamente, la gota corre el riesgo de debilitare y de no presentar
una geometría correcta).
Así, la invención permite la puesta en práctica
de un procedimiento totalmente optimizado. Al especialista en la
materia se le da la elección de utilizar o no un precalentamiento,
según las limitaciones a las cuales esté sometido. El hecho de no
utilizarlo, si las limitaciones son bastantes flexibles, proporciona
un ahorro de tiempo y una simplificación del procedimiento no
despreciables. El hecho de utilizarlo ofrece resultados más
precisos y más seguros.
La gama de parámetros que ha sido definida
asegura al especialista en la materia la formación de una recarga
cuya solidificación se hace de manera columnar y epitaxial con las
dendritas de los brazos primarios del substrato, con el fin de
obtener una recarga monocristalina o de solidificación dirigida y de
una forma geométrica que permita un remecanizado.
La zona afectada térmicamente en el marco del
procedimiento está menos extendida que en la técnica anterior.
La utilización de un láser YAG con una boquilla
coaxial asegura una mejor interacción láser - material, una mejor
manejabilidad de la cabeza de proyección y una mayor flexibilidad de
utilización de la fibra óptica.
La invención se ha descrito en relación con una
aleación monocristalina AM1, pero ésta se aplica a otros tipos de
metales.
Claims (12)
-
\global\parskip0.900000\baselineskip
1. Procedimiento de recarga de una pieza (7) metálica monocristalina o de solidificación dirigida, de espesor (W_{s}) inferior a 2 mm, en el cual se aplica sobre la pieza (7) un haz láser (6) y un flujo de polvo metálico (5), cuya naturaleza es la misma que la de la pieza metálica, para fabricar al menos una capa de metal, monocristalina o de solidificación dirigida, a partir de la pieza (7), siendo emitido el haz láser (6) a una potencia "P" y desplazándose a lo largo de la pieza a una velocidad "v", caracterizado por el hecho de que el haz láser (6) y el flujo de polvo (5) son aplicados de modo coaxial sobre la pieza (7), y la relación P/v está comprendida:- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 0,2 mm y 0,6 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 0,12 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,125 W.min.mm^{-1}, a 0,58 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,583 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 0,25 W.min.mm^{-1} a 0,84 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 0,6 mm y 0,8 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 0,58 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,583 W.min.mm^{-1}, a 0,83 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 0,84 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm^{-1}, a 1,42 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,417 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 0,8 mm y 1 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 0,83 W.min.mm^{-1}, preferentemente 0,833 W.min.mm^{-1}, a 1,08 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,083 W.min.mm-1, tomando la otra valores que van de 1,42 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,417 W.min.mm^{-1}, a 2,05 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,042 W.min.mm-1;
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 1 mm y 1,2 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 1,08 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,083 W.min.mm^{-1}, a 1,27 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,271 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 2,05 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,042 W.min.mm^{-1}, a 2,34 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,333 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 1,2 mm y 1,4 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, tomando una valores que van de 1,27 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,271 W.min.mm^{-1}, a 1,33 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,333 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 2,34 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,333 W.min.mm^{-1}, a 2,48 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,479 W.min.mm^{-1};
- -
- para un espesor W_{s} comprendido entre 1,4 mm y 2 mm, entre dos porciones de curvas crecientes, una constante igual a 1,33 W.min.mm^{-1}, preferentemente 1,333 W.min.mm^{-1}, tomando la otra valores que van de 2,48 W.min.mm^{-1}, preferentemente 2,479 W.min.mm^{-1}, a 2,75 W.min.mm^{-1}.
- 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual las porciones de curvas son porciones de rectas.
- 3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, en el cual, antes de aplicar el flujo de polvo (5), se efectúa un precalentamiento de la pieza (7).
- 4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual el precalentamiento es efectuado por el haz
\hbox{láser (6).} - 5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, en el cual la aplicación del flujo de polvo (5) es efectuada sin precalentamiento de la pieza (7).
- 6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual, siendo fabricadas varias capas de metal sucesivamente, la energía aplicada a lo largo de la pieza a todas las capas es la misma.
- 7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual, siendo fabricadas varias capas de metal sucesivamente, la energía de la primera capa (8) es inferior a la energía de las capas siguientes.
- 8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 o 7, en el cual la relación P/v es igual en las capas a las cuales es aplicada la misma energía.
- 9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual la pieza (7) y el polvo (5) comprenden una aleación a base de níquel del tipo denominado AM1.
- 10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9, en el cual el haz láser (6) es un haz láser YAG.
- 11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, en el cual el haz láser (6) y el polvo metálico (5) son aplicados por una boquilla de proyección (1), que comprende una porción terminal troncocónica (2) que comprende un ánima central (3) de paso del haz láser (6) y canales (4), que se extienden en el interior de la pared de generación de su extremidad troncocónica (2), de alimentación de polvo (5).
- 12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11, en el cual la pieza (7) es un álabe de motor de turbina de gas.
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