ES2368264T3

ES2368264T3 - Procedimiento de revestimiento para componentes críticos a la fatiga.

Info

Publication number: ES2368264T3
Application number: ES07250481T
Authority: ES
Inventors: Aaron T. Nardi
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2011-11-15
Anticipated expiration: 2027-02-06
Also published as: US20070184297A1; US8182931B2; US20100151272A1; EP1816236B1; US7854966B2; EP1816236A1; JP2007231420A; JP5178023B2

Abstract

Un procedimiento de revestimiento para componentes críticos a la fatiga que comprende las etapas de: proporcionar un sustrato (22) que tiene un primer módulo de elasticidad; depositar una capa (26) de material de aluminio o de aleación basada en aluminio, que tiene un segundo módulo de elasticidad inferior a dicho primer módulo de elasticidad, sobre dicho sustrato; y depositar una capa (24) de revestimiento de carburo de volframio sobre dicha capa de material (26).

Description

Procedimiento de revestimiento para componentes criticos a la fatiga

Campo de la inveneian

La presente invenci6n se refiere a un procedimiento de revestimiento para un componente critico a la fatiga y a una parte formada por el.

Teeniea anterior

Durante anos, se ha usado la tecnologia de los dobles revestimientos por rociado termico para recrecer partes usadas de motores, helices, y otras aplicaciones donde se requiere mas de 0,25 mm de aumento, o en situaciones en las que se requiere un revestimiento de uni6n porque el revestimiento superior deseado no se unira apropiadamente

al sustrato. Se han realizado pruebas para identificar los modos de fallos de las partes sensibles a la fatiga, usadas en aplicaciones con grandes cargas, y sobre las cuales se aplican revestimientos muy duros resistentes al desgaste. Se ha descubierto que las aleaciones estructurales de aluminio y de titanio son muy sensibles a estos revestimientos duros, mientras que las aleaciones de acero son algo menos sensibles. Estas pruebas sugieren que la resistencia correspondiente a las fuerzas de cohesi6n y a la uni6n fuerte de revestimientos como el carburo de volframio y otros

compuestos metaloceramicos (cermets) permite al revestimiento comportarse como un sustrato. Estos revestimientos resisten la deformaci6n y tienen un m6dulo de elasticidad igual o superior al del acero, pero son materiales fragiles como materiales ceramicos. Cuando se forma una grieta en el revestimiento de esta integridad, esa grieta puede actuar de forma identica a una grieta en el sustrato y propagarse como dictan las teorias de los mecanismos de rotura. Las Figuras 1 - 3 muestran la tipica propagaci6n de grietas desde un revestimiento duro 10 hacia el sustrato

estructural 12 mas blando, y de m6dulo mas bajo. Como se muestra en la Figura 1, la grieta 14 se inicia en el revestimiento duro, de m6dulo alto, debido a fatiga o sobrecarga. Como se muestra en la Figura 2, la grieta 14 se propaga a traves del revestimiento 10 y va directamente al sustrato 12. La Figura 3 ilustra una grieta 14 que se extiende desde el revestimiento de carburo de volframio, con un 17% en peso de cobalto, a un sustrato formado a partir de una aleaci6n de aluminio 7075T73.

Este problema se produce en todos los materiales estructurales con revestimiento con un umbral de deformaci6n mas bajo (revestimientos que se agrietan con una deformaci6n estatica aplicada relativamente baja), pero con frecuencia se puede evitar con materiales de revestimiento sobre acero con umbrales de deformaci6n muy altos, debido a que el m6dulo de elasticidad del acero es tan alto que se requieren tensiones muy altas en el sustrato para generar grietas. El aluminio y el titanio son todavia susceptibles a la fatiga con revestimientos con alto umbral de

deformaci6n debido al bajo m6dulo de elasticidad del sustrato y, en el caso del aluminio, el alto coeficiente de expansi6n termica (CET). El CET juega un papel en partes que ven elevadas temperaturas porque los CET de los revestimientos muy resistentes al desgaste son muy bajos. Esto fuerza una deformaci6n en el revestimiento debido precisamente al ciclo termico, lo que puede originar que el revestimiento se agriete.

El documento US 3951642 describe el uso de una capa intermedia de niquel con un revestimiento superior de car buro de volframio o, mas preferiblemente, de carburo de cromo.

Segun la presente invenci6n, se proporciona un procedimiento de revestimiento para componentes criticos a la fatiga. El procedimiento comprende, en lineas generales, las etapas de proporcionar un sustrato que tiene un primer m6dulo de elasticidad, depositar sobre el sustrato una capa de material de aluminio o de aleaci6n basada en aluminio que tiene un segundo m6dulo de elasticidad inferior al primer m6dulo de elasticidad, y depositar una capa de

revestimiento de carburo de volframio sobre la capa de material.

Ademas, segun la presente invenci6n, se proporciona una parte que, en lineas generales, comprende un sustrato que tiene un primer m6dulo de elasticidad, un revestimiento de desgaste de carburo de volframio depositado sobre el sustrato, siendo el revestimiento fragil y susceptible a las grietas, y una capa de aluminio o de aleaci6n basada en aluminio que detiene las grietas, que tiene un segundo m6dulo de elasticidad inferior a dicho primer m6dulo de elas

ticidad, que separa el sustrato del revestimiento de desgaste.

Otros detalles del procedimiento de revestimiento para componentes criticos a la fatiga, asi como otros objetos y ventajas relacionadas con el, se exponen en la siguiente descripci6n detallada que se da unicamente a modo de ejemplo, y los dibujos que la acompanan, en los que numeros de referencia similares representan elementos similares.

La Figura 1 es una representaci6n esquematica de una grieta que se inicia en un revestimiento debido a la fatiga

o a la sobrecarga;

la Figura 2 es una representaci6n esquematica de la propagaci6n de una grieta a traves de un revestimiento y directamente en un sustrato.

la Figura 3 es una fotomicrografia de un agrietamiento desde un revestimiento de carburo de volframio hacia un sustrato de aluminio; la Figura 4 es una representaci6n esquematica de un sistema de revestimiento segun la presente invenci6n;

la Figura 5 es una representaci6n esquematica de un sistema de revestimiento segun la presente invenci6n donde se propaga una grieta dentro de una capa que detiene las grietas, y se para debido a la plasticidad de la punta de la grieta;

la Figura 6 es una representaci6n de un sistema de revestimiento segun la presente invenci6n, donde se propaga una grieta a traves de una capa que detiene las grietas, y cambia de direcci6n debido al diferencial de m6dulos;

la Figura 7 es una fotomicrografia que muestra una grieta que se propaga en el revestimiento duro, pero que es parada por la capa que detiene las grietas, y

la Figura 8 es una fotomicrografia que muestra una grieta que se propaga en el revestimiento duro, que pasa a traves de la capa que detiene las grietas, y que cambia de direcci6n en la interfase de sustrato.

Haciendo referencia ahora a la Figura 4, se muestra un sistema 20 de revestimiento, segun una realizaci6n de la presente invenci6n, depositado sobre un sustrato 22. El sustrato se puede formar a partir de cualquier material metalico conocido en la tecnica. Por ejemplo, el sustrato 22 podra ser un material metalico seleccionado del grupo consistente en aluminio, aleaciones de aluminio, acero, titanio y aleaciones de titanio. El sustrato 22 tiene un primer m6dulo de elasticidad. El sistema 20 de revestimiento incluye, ademas, un revestimiento duro 24, formado a partir del carburo de volframio, que tiene un m6dulo de elasticidad mas alto que el m6dulo de elasticidad del material que forma el sustrato 22. El revestimiento duro 24 es, preferiblemente, resistente al desgaste. El sistema 20 de revestimiento incluye ademas una capa 26 que detiene las grietas. La capa 26 que detiene las grietas se pueden formar usando un material que tiene un m6dulo de elasticidad que sea inferior al m6dulo de elasticidad del revestimiento duro 24, e inferior al m6dulo de elasticidad del material que forma el sustrato 22, es decir, segun la invenci6n, la capa 26 que detiene las grietas esta formada de aluminio o de una aleaci6n basada en el aluminio, como por ejemplo Al12% de Si o Al6061, que tiene una composici6n consistente en 1% de Mg, 0,6% de Si, 0,28% de Cu, 0,2% de Cr. En ejemplos alternativos que no caen dentro del alcance de la las reivindicaciones, pero que son utiles para comprender la invenci6n, la capa que detiene las grietas se forma a partir de una aleaci6n basada en niquel, como por ejemplo el INCONEL 718 que tiene una composici6n consistente en 19% en peso de cromo, 3,05% en peso de molibdeno, hasta el 1% de cobalto como maximo, 5,13% en peso de niobio + tantalio, 0,9% en peso de titanio, 0,5% en peso de aluminio, 18,5% en peso de hierro, y el resto niquel.

La capa 26 que detiene las grietas, se puede depositar sobre el sustrato 22 usando cualquier tecnica de deposici6n apropiada conocida en la tecnica, como por ejemplo rociado termico a alta velocidad de oxigenocombustible (HVOF) (del ingles; High Velocity Oxygen Fuel), rociado con plasma, rociado por arco de electrodos gemelos, rociado en frio, chapado por deposici6n electrolitica, chapado no electrolitico u otro metodo de revestimiento capaz de aplicar revestimientos que cumplan los requisitos aqui definidos. De forma similar, la capa 24 de revestimiento duro se puede depositar sobre la capa 26 que detiene las grietas usando cualquier tecnica de deposici6n adecuada conocida en la tecnica. Las tecnicas de deposici6n que se pueden usar incluyen rociado termico a alta velocidad de oxigenocombustible, rociado con plasma, rociado por arco de electrodos gemelos, rociado en frio, chapado por deposici6n electrolitica, chapado no electrolitico y cualquier otro metodo de revestimiento capaz de aplicar revestimientos que cumplan los requisitos aqui definidos. Es espesor de la capa 26 que detiene las grietas es, preferiblemente, igual o superior al espesor de la capa 24 de revestimiento duro.

Como se muestra en la Figura 4, una grieta 30 se puede iniciar en la capa 24 de revestimiento duro. La grieta puede ser un resultado de la fatiga y/o de la sobrecarga.

Como se muestra en la Figura 5, la grieta 30 puede crecer dentro de la capa 26 que detiene las grietas, y se puede para debido a la plasticidad de la punta de las grieta.

Como se muestra en la Figura 6, la grieta 30 se puede propagar a traves de la capa 26 que detiene las grietas. En la interfase 32 entre la capa 26 que detiene las grietas y el sustrato 22, la grieta 30 puede cambiar de direcci6n debido al diferencia entre los m6dulos de elasticidad de la capa 26 que detiene las grietas y del sustrato 22.

En un ejemplo alternativo que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones, pero que es util para comprender la invenci6n, se revistieron componentes de acero D6AC, acero de alta resistencia, con una capa de INCONEL 718 que tenia un espesor de 0,63 mm. Se aplic6 sobre la parte superior del INCONEL 718, una capa de carburo de volframio duro (WC17% en peso de Co) que tenia un espesor de 0,13 mm. Se realizaron ensayos para identificar el umbral de deformaci6n estatica y el limite de fatiga del revestimiento. Una vez que se agriet6 el revestimiento, la grieta se propag6 dentro de la capa de INCONEL, pero no se propag6 mas dentro del sustrato de acero. Se produce un fallo en el acero a un nivel de tensi6n consecuente con la resistencia tipica de la aleaci6n de acero usada, y en una posici6n retirada de la formaci6n de la grieta inicial del revestimiento. La Figura 7 ilustra una muestra en la que el agrietamiento desde la capa 24 de revestimiento duro se propaga dentro de la capa 26 que detiene las agrietas, donde se para. La Figura 8 ilustra una muestra en la que el agrietamiento desde la capa 24 de revestimiento duro se propaga dentro de la capa 26 que detiene las grietas y cambia de direcci6n en la interfase 34 del sustrato.

El procedimiento de la presente invenci6n se puede usar en una amplia variedad de partes que se revisten para el desgaste. Como por ejemplo cilindros con extremo abovedado usados en conexi6n con helices y partes de aluminio para sistemas de propulsi6n.

Claims

REIVINDICACIONES

1, Un procedimiento de revestimiento para componentes criticos a la fatiga que comprende las etapas de:

proporcionar un sustrato (22) que tiene un primer m6dulo de elasticidad;

depositar una capa (26) de material de aluminio o de aleaci6n basada en aluminio, que tiene un segundo m6dulo de elasticidad inferior a dicho primer m6dulo de elasticidad, sobre dicho sustrato; y

depositar una capa (24) de revestimiento de carburo de volframio sobre dicha capa de material (26).
2.

Un procedimiento de revestimiento segun la reivindicaci6n 1, en el que dicha etapa de proporcionar un sustrato (22) comprende proporcionar un sustrato formado a partir de un material metalico.
3.

Un procedimiento de revestimiento segun la reivindicaci6n 2, en el que dicha etapa de proporcionar un sustrato (22) comprende proporcionar un sustrato formado a partir de un material metalico seleccionado del grupo consistente en aluminio, aleaciones de aluminio, acero, titanio, y aleaciones de titanio.
4.

Un procedimiento de revestimiento segun la reivindicaci6n 1, 2 6 3, en el que dicha etapa de proporcionar un sustrato (22) comprende proporcionar un sustrato formado a partir de un material basado en aluminio. Y dicha etapa de depositar la capa de material 26 comprende depositar una capa de un material de revestimiento de aluminio que tiene un m6dulo de elasticidad inferior al m6dulo de elasticidad de dicho material, basado en aluminio, que forma dicho sustrato.
5.

Una parte que comprende:

un sustrato (22) que tiene un primer m6dulo de elasticidad;

un revestimiento (24) de carburo de volframio depositado sobre dicho sustrato (22), siendo dicho revestimiento

(24) fragil y susceptible de formar grietas; y

una capa (26 ) de aluminio o de aleaci6n basada en aluminio, que detiene las grietas, y que tiene un segundo m6dulo de elasticidad inferior a dicho primer m6dulo de elasticidad, que separa dicho sustrato (22) de dicho revestimiento (24).
6.

Una parte segun la reivindicaci6n 5, en la que dicho sustrato (22) se forma a partir de un material metalico.
7.

Una parte segun la reivindicaci6n 6, en la que dicho sustrato (22) se forma a partir de un material metalico seleccionado del grupo consistente en aluminio, aleaciones de aluminio, acero, titanio y aleaciones de titanio.
8.

Una parte segun la reivindicaci6n 5, 6 6 7 en la que dicho revestimiento (24) tiene un tercer m6dulo de elasticidad superior a dicho primer m6dulo de elasticidad.
9.

Una parte segun cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, en la que dicho sustrato (22) se forma a partir de un material basado en aluminio, y dicha capa (26) que detiene las grietas, se forma a partir de un material basado en aluminio que tiene un m6dulo de elasticidad inferior al m6dulo de elasticidad del material basado en aluminio que forma el sustrato (22).
10.

Una parte segun cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, en la que, en uso, dicha capa (26) que detiene las grietas, para la propagaci6n de las grietas en dicho sustrato (22).
11.

Una parte segun cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, en la que, en uso, un diferencia entre dichos primero y segundo m6dulos de elasticidad origina una grieta que se propaga a traves de dicha capa (26) que detiene las grietas, para cambiar de direcci6n y no propagarse en dicho sustrato (22).