BR112012015655B1

BR112012015655B1 - Processo para a produção de um componente

Info

Publication number: BR112012015655B1
Application number: BR112012015655-1A
Authority: BR
Inventors: Frederick Archer Geoffrey
Original assignee: Advanced Interactive Materials Science Limited
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2018-04-10
Also published as: MX345808B; CA2784614C; JP2013515852A; WO2011077150A9; EA025299B1; MX2012007226A; GB0922488D0; EP2516087A2; US20130071627A1; JP5820816B2; US9095902B2; CA2784614A1; CN103068505A; WO2011077150A3; PL2516087T3; BR112012015655A2; EA201200770A1; CN103068505B; EP2516087B1; WO2011077150A2

Abstract

aperfeiçoamento na prensagem isostática a quente. é fornecido um processo para a produção de um componente. o processo compreendendo as etapas de: produzir um molde formador correspondente ás dimensões internas do componente a ser formado; prover uma camada de um segundo material em pelo menos uma superfície do molde formador; posicionar o molde formador em um confinamento e preencher o confinamento com um primeiro material; submeter o confinamento á prensagem isostática a quente tal que o segundo material se difunda no primeiro material.

Description

(54) Título: PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE UM COMPONENTE (51) Int.CI.: B22F 3/15; B22F 3/24; B22F 5/10 (30) Prioridade Unionista: 23/12/2009 GB 0922488.2 (73) Titular(es): ADVANCED INTERACTIVE MATERIALS SCIENCE LIMITED (72) Inventor(es): GEOFFREY FREDERICK ARCHER

1/12 “PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE UM COMPONENTE”

A invenção está relacionada às técnicas de prensagem isostática a quente (HIP) e ainda a alguns produtos produzidos usando essas técnicas aperfeiçoadas.

Muitos processos industriais são realizados em um ambiente hostil tanto como um 5 resultado da pressão elevada, extremos de temperaturas, pH, abrasão e/ou corrosão. Essas condições limitam a vida útil dos tanques nos quais esses processos são realizados. A escolha do material a partir do qual são feitos tais tanques é ditada pelas condições de processo que irá ser experimentado. No entanto, os materiais mais resilientes são também muitas vezes os materiais mais caros e, portanto, a escolha do material é tipicamente um compro10 misso entre custos e durabilidade.

Um exemplo de tal processo é o craqueamento catalítico de hidrocarbonetos de alto peso molecular para produzir óleos combustíveis. Este processo é tipicamente operado em altas temperaturas em torno de 1100 °C em tubos de aço de alto teor de cromo onde partículas catalisadoras finamente pulverizadas são misturadas com os hidrocarbonetos de ca15 deia longa. O coque e as partículas de catalisador são removidos para regeneração por redução. Os tubos nos quais as reações são realizadas são também influenciados pelo carbono presente e isso pode resultar numa condição conhecida como podridão verde. Isto limita o tempo de vida útil dos tubos nos quais o craqueamento catalítico ocorre.

A podridão verde é a carburetação do aço que ocorre como resultado da supersatu20 ração da estrutura granular básica do aço com carbono. Uma vez a estrutura granular tenha saturado mais carbono pode ser depositado nos limites do grão que, se deixado sem controle, pode resultar na fratura do tubo. A temperatura limiar para carburetação do aço está na região dos 800 °C que é bem abaixo da temperatura operacional padrão dos craqueadores catalíticos.

Como os tubos só podem ser trocados de um catalisador catalítico quando ele não estiver operativo, a vida útil dos tubos é um fator limitante no tempo entre as paradas. Além disso, pelo fato de que uma fratura em um único tubo pode provocar danos aos tubos adjacentes e também a outras partes da unidade industrial, os tubos são trocados bem antes do fim teórico de suas vidas úteis, com a finalidade de se resguardar contra paradas não pro30 gramadas.

Atualmente, tubos para uso em craqueadores catalíticos experimentam um processo complexo de fabricação que consiste tipicamente de um lingote de metal a ser fundido com um furo nele situado. A peça fundida é forjada na forma de um tubo de cerca de 2 m de comprimento e, se o furo não foi criado durante o processo de fundição, ele pode ser criado durante o forjamento. O tubo é então forjado com uma ferramenta através do furo, a fim de criar sulcos longitudinais no furo. A fim de criar uma espiral evolvente a partir das ranhuras retas, o tubo é aquecido e torcido. O diâmetro exterior na região de 125 milímetros a 160

Petição 870180003506, de 15/01/2018, pág. 7/12

2/12 milímetros é então produzido e uma pluralidade de comprimentos de 2 m são soldados em conjunto para criar a montagem tubular de comprimento completo que pode ser de 10m de comprimento.

Um exemplo adicional de um processo realizado num ambiente hostil é o dos motores que trabalham em ambientes de lamas e bombas de cavidade progressiva utilizadas em várias aplicações, incluindo perfuração submarina, bombeamento de diesel naval, petróleo ou outros produtos. Em um motor de lama uma cavidade central é preenchida com a lama em alta pressão. Em uma bomba de cavidade progressiva, o fluido a ser bombeado pode estar a alta pressão. O conduto de um ou outro a bomba ou o motor é tipicamente reto, mas ele deve ser capaz de adotar uma curvatura na região de 1:100. Isso leva a tensões na medida em que um lado do tubo está sob estresse de tração enquanto que o outro lado está sob compressão. A fim de minimizar as juntas que são concentradoras naturais de tensões, os tubos do motor de lama e da bomba de cavidade progressiva são normalmente bastante longos.

Um diferente exemplo de um ambiente hostil é rolamentos que operam sob consideráveis estresses tênsil. Por exemplo, na indústria aeronáutica o material rodante sofre tensões consideráveis quando uma aeronave pousa. O rolamento no interior da perna da aeronave deve ser ao mesmo tempo leve e capaz de suportar estresses muito altos quando em uso.

Um outro exemplo de um artigo que é tipicamente submetido a esforços consideráveis são as matrizes utilizadas em processos de extrusão. A extrusão é uma técnica que pode ser aplicada para criar produtos de áreas de seções transversais constantes em uma variedade de materiais incluindo polímeros, borracha e compósitos de base madeira. As matrizes utilizadas compreendem tipicamente um bloco externo com uma porção recortada que é disponibilizada para proporcionar a forma desejada no material a ser extrusado através dela. O bloco deve ter alta resistência mecânica para suportar as pressões do processo de extrusão.

Um processo que pode ser usado para formar componentes é a prensagem isostática a quente (HIP). A prensagem isostática a quente é um processo de etapa única que resulta em componentes de forma de malha ou componentes de configuração quase malha que são formados a partir de metais na forma de pó que são confinados dentro de uma cavidade do molde e submetidos à pressão isostática.

Um processo HIP resulta em uma substância substancialmente homogênea e é conhecido usar nitreto de boro como uma barreira de difusão para evitar que o material proveniente do molde, ou qualquer inserção que seja provida dentro do molde para definir características estruturais adicionais do componente a ser formado, de se movimentar através da difusão atômica no pó metálico que está sendo consolidado pelo processo HIP.

3/12

A presente invenção surgiu a fim de resolver, pelo menos, alguns dos problemas enunciados acima em conjunto com a operação em um ambiente hostil. São aqui descritos componentes formados a partir de um primeiro material e que possuem pelo menos uma superfície que tenha uma superfície alterada como um resultado de um segundo material que tenha se difundido no primeiro material. O primeiro material pode ser um metal ou liga metálica, e os componentes podem ser feitos a partir de metal em pó comprimido. O metal pode ser metal ferroso, titânio, níquel, ligas de níquel ou de alumínio. Os componentes podem ser produzidos utilizando um processo de fabricação da forma de malha ou de configuração quase malha, e ser de um tamanho substancial; por exemplo, de pelo menos 2m de comprimento.

Permitir a um segundo material se difundir no primeiro material é vantajoso porque propicia que a concentração do segundo material se altere gradualmente com a distância a partir da superfície do componente. Como um resultado, não há limite único definido entre os dois materiais que impeça a camada do segundo material de se separar por cisalhamento do primeiro material sob as condições de processo. Preferentemente a formar um revestimento ou camada separada sobre a superfície de um componente feito do primeiro material, a estrutura da superfície do componente pode ser alterada utilizando os processos aqui descritos. Os componentes produzidos podem, portanto, não carregar um revestimento separado de um segundo material, mas pode ter o segundo material difundido para dentro da superfície do primeiro material.

De acordo com a presente invenção é proporcionado um tubo de craqueador catalítico formado a partir de um primeiro material e possuindo pelo menos uma superfície que tem uma estrutura de superfície alterada como resultado de um segundo material ter sido difundido no primeiro material.

Permitir que um segundo material se difunda no primeiro material a partir do qual o tubo do craqueador catalítico é formado é vantajoso porque propicia que a com do segundo material se altere gradualmente com a distância a partir da superfície do tubo. Como um resultado, não existe limite unido definido entre os dois materiais que impeça a camada do segundo material de se separar por cisalhamento do primeiro material sob as condições de processo.

O tubo do craqueador catalítico pode ser formado por um processo HIP. Os primeiro e segundo materiais são submetidos ao processo HIP em conjunto de modo que a forma interna do tubo é ditada pela forma de um molde formador provido dentro do compartimento no qual o processo HIP ocorre. Como resultado, o fornecimento do segundo material não requer uma etapa de processo subsequente, e também não resulta numa alteração da forma do tubo. O processo HIP fornece um forma de malha ou de configuração quase malha e, portanto, o processo é facilmente capaz de formar tubos de craqueadores catalíticos dentro

4/12 da precisão requerida de cerca de +/- 0,5 milímetros.

O tubo de craqueador catalítico pode ser proporcionado com uma espiral envolvente. O provimento de uma espiral envolvente aumenta a área de superfície e também aumenta a turbulência, promovendo assim a mistura do catalisador com os reagentes dentro do tubo.

O segundo material pode incluir boro. Boreto de ferro é conhecido resistir à carburetação do aço. Todavia, o boreto de ferro é também muito instável e, portanto, não pode ser introduzido sob esta forma. O segundo material pode, portanto, incluir boro e pelo menos um agente estabilizante. Durante o processo HIP, o boro irá difundir no aço e formar boreto de ferro com parte do ferro contido no aço.

O segundo material pode incluir alumínio e o primeiro material pode ser um material ferroso. Durante o processo HIP o alumínio reage com o ferro para formar alumineto de ferro que resiste fortemente à carburetação.

Além disso, de acordo com a presente invenção, é provido um segmento para uso em um motor de lama ou bomba de cavidade progressiva, o segmento sendo formado a partir de um primeiro material e possuindo pelo menos uma superfície que tem uma estrutura de superfície alterada como um resultado de um segundo material que foi difundido no primeiro material.

O segmento para o motor de lama ou bomba de cavidade progressiva pode ser formado por um processo HIP. O motor de lama ou bomba de cavidade deve ser formado numa precisão de + /- 20 pm (micra) e isso é compatível com o processo HIP.

Se o segmento se destina ao uso em um motor de lama ou uma bomba de cavidade progressiva, ele pode ser dotado com uma extremidade abaulada convexa e uma extremidade abaulada côncava. As extremidades convexas dos segmentos têm o mesmo raio que as extremidades côncavas de modo que quando dois segmentos são fornecidos mutuamente adjacentes, a extremidade abaulada convexa de um primeiro segmento faz interface com a extremidade abaulada côncava de um segundo segmento. As extremidades abauladas dos segmentos também permitem aos segmentos girarem um relativamente ao outro de modo a proporcionar um raio de curvatura comparativamente pequeno para o motor de lama ou a bomba de cavidade como um todo.

O segmento pode ser provido com um colar adjacente à extremidade abaulada convexa. O colar pode ter um raio na região de 1 mm maior que o raio do corpo do segmento. Pode também ser fornecido um colar adjacente à extremidade abaulada côncava. Entre os colares e as respectivas extremidades pode haver uma porção curta de ombro que é configurada para assegurar que, à medida que os segmentos giram relativamente um ao outro, a borda das extremidades abauladas não colida com o casco externo.

O interior de cada segmento pode ser provido com uma espiral envolvente de modo

5/12 a facilitar o fluxo de lama através do motor ou de fluido através da bomba.

Uma pluralidade de segmentos pode ser disposta adjacente e pode ser contida dentro de um casco externo. O casco externo pode estar na região de 20 m de comprimento e cada segmento pode estar na região de 1 m de comprimento. O provimento de uma pluralidade de segmentos dentro de um casco externo permite que uma abordagem modular para a manutenção pelo fato de que apenas os segmentos que apresentam sinais de desgaste devem ser substituídos durante qualquer dado ciclo de manutenção. Isto difere consideravelmente do estado da arte, onde os motores de lama são formados a partir de um número relativamente pequeno de peças, por exemplo, cinco, soldadas juntas. Pelo fato de que não existe soldagem entre segmentos adjacentes de acordo com a presente invenção, segmentos não danificados podem ser reintroduzidos no casco externo. Em uso, o colar de cada segmento faz interface com a superfície interna do casco externo. Isto assegura que o corpo do segmento não fica em contato com o casco externo na medida em que isso podería resultar em consideráveis forças compressivas e de tração como um resultado da curvatura do casco externo.

O casco externo pode ser de aço, tal como aço liga US 4140 ou EN24 e os segmentos podem ser de uma liga de níquel base tal como Sagitite ®. O aço tem um coeficiente de expansão térmica de 11,5-13 x 10'⁶, dependendo do grau do aço. Em contraste, Sagitite ® tem um coeficiente de expansão térmica de 9 x 1 θ'⁶ e, portanto, o motor de lama pode ser construído mediante introduzir uma pluralidade de segmentos em um casco externo de aço na temperatura, fechar as tampas do casco externo e em seguida deixar o motor de lama esfriar. Como um resultado das diferenças no coeficiente da expansão térmica, o aço irá contrair ainda mais e irá encapsular os segmentos firmemente dentro do casco externo.

Além disso, de acordo com a presente invenção, é proporcionada uma perna de trem de pouso para uma aeronave, a perna sendo formada a partir de um primeiro material e possuindo pelo menos uma superfície que tem uma estrutura de superfície alterada como resultado de um segundo material ter sido difundido para o primeiro material. Uma perna de trem de pouso para uma aeronave exige alta resistência sob compressão.

O primeiro material pode ser uma liga de titânio e o segundo material pode ser diboreto de titânio. A liga de titânio pode ser TiAI₆V₄ . O titânio não pode ser tratado termicamente para dar rigidez na medida em que ele absorve fortemente outros compostos na temperatura. O diboreto de titânio se difunde através dos 3 milímetros do topo da superfície onde ele cria uma rede complexa de fases intermetálicas.

A perna de trem de pouso pode ser formada por um processo HIP. Após o processo HIP, a superfície externa pode ser forjada isotermicamente a fim de proporcionar uma superfície externa acabada.

Além disso, de acordo com a presente invenção é proporcionado uma matriz para

6/12 uso em um extrusor, a matriz sendo formada de um primeiro material e possuindo pelo menos uma superfície que tem uma estrutura de superfície alterada como resultado de um segundo material ter sido difundido no primeiro material.

O primeiro material pode ser uma liga de força média, por exemplo, de aço. Isto ajuda a reduzir o peso e o custo total da matriz. O segundo material pode então ser uma liga muito mais dura capaz de suportaras pressões do processo de extrusão.

A matriz pode ser feita pelo processo HIP usando uma série de cargas concêntricas para proporcionar camadas do primeiro, segundo e possivelmente terceiro e mesmo quarto materiais. Um e materiais primeira, segunda e, possivelmente, terceiro e quarto mesmo. Um molde formador pode ser proporcionado para assegurar que a matriz seja produzida como uma forma de malha no processo HIP. Alternativamente, se a matriz não está em forma de malha quando o processo HIP tiver sido completado, então o furo passante pode ser em seguida usinado para aperfeiçoar a forma.

Além disso, de acordo com a presente invenção, é proporcionado um processo para a produção de um componente, o processo compreendendo as etapas de: produzir um molde formador correspondente às dimensões internas do componente a ser formado; fornecer uma camada de um segundo material em pelo menos uma superfície do molde; posicionar o molde no confinamento e preencher o confinamento com um primeiro material; submeter o confinamento à pressão isostática a quente tal que o segundo material se difunda no primeiro material.

O provimento de um segundo material que é especificamente pretendido a se difundir no primeiro material representa uma troca de paradigma nos processos de HIP. Atualmente, se um segundo material é de todo modo fornecido, ele é fornecido especificamente para prevenir a difusão no componente a ser formado.

O primeiro material e/ou o segundo material podem ser metais em pó. Alternativamente, o segundo material pode ser um material cerâmico especificado, por exemplo, para proporcionar uma superfície de desgaste para um componente de aço. Por exemplo, o zircônio não pode se difundir no aço, mas o níquel pode se difundir no aço. Portanto, uma superfície de zircônia estabilizada com háfnio pode ser provida em um componente de aço mediante incorporar níquel no segundo material além da zircônia.

O provimento de um segundo material pode resultar numa mudança na escolha do primeiro material em comparação com as práticas correntes no que diz respeito a um determinado componente. A difusão de um segundo material para o primeiro material significa que as propriedades do componente já não são determinadas exclusivamente pelo material a partir do qual a maior parte do componente é feito. Como resultado, um material mais econômico pode ser selecionado como o primeiro material, desde que a camada superficial formada in situ entre os primeiro e segundo materiais forneça as necessárias propriedades

7/12 de superfície do componente como um todo.

O molde formador pode ser removido do componente após o processo HIP. O molde formador pode ser de carbono ou aço. O carbono é fácil de usinar e remover. Além disso, é relativamente estável e previsível. O carbono é, portanto, adequado para componentes de aço. Em contraste, o carbono pode se difundir em um componente de titânio e, portanto, para um componente de titânio um molde formador de aço pode ser usado. A diferença de coeficientes de expansão térmica entre o aço e o titânio significa que um molde formador de aço será liberado facilmente de um componente titânio uma vez que o confinamento que aloja o componente e o molde formador tenha sido resfriado.

O segundo material pode incluir nitreto de boro e cromo. O segundo material pode ser termicamente pulverizado, pulverizado a plasma, pulverizado em aquoso ou depositado por meio de deposição de fase vapor por sobre o molde formador.

O primeiro material pode ser uma liga de níquel tal como Sagitite ®. O cromo e o carbono irão se difundir no primeiro material de baixa liga a fim de proporcionar uma maior fração volumétrica de C₂₃C₆ próxima da superfície que dentro do núcleo do componente. O Cr₂₃C₆ será gerado in situ para criar uma estrutura de pino que aumenta a resistência ao desgaste e a dureza da superfície do componente completado.

O segundo material pode incluir níquel e o primeiro material pode incluir alumínio. Durante o processo HIP o níquel irá reagir com o alumínio para formar alumineto de níquel. Isto é particularmente adequado para aplicações tais como pistões onde o níquel melhora as propriedades de superfície do componente de alumínio.

O segundo pó se difunde através dos 1000 pm a 2000 pm da parte de topo (isto é, 1-2 mm) do componente.

O segundo pó pode ter uma pluralidade de partes constituintes que podem ser aplicadas de forma homogênea ou em uma forma estratificada. Cada parte constituinte do segundo pó irá difundir no primeiro pó, de acordo com suas próprias propriedades materiais. As partes constituintes do segundo pó podem reagir mutuamente, bem como com também com o primeiro pó, a fim de criar as espécies que possam não estar presentes independentemente antes do processo de HIP.

A etapa HIP do processo de produção de um componente pode incluir a etapa da elevação da temperatura até um valor predeterminado e em seguida a manutenção da temperatura nesse valor predeterminado a fim de aliviar as tensões dos pós. A temperatura pode ser mantida por 1 hora e meia, embora possa ser realizada por tão pouco quanto 1 hora ou até em 4 horas. O tempo pode ser escolhido de acordo com o grau de crescimento de grãos que seja desejável no componente a ser fabricado. Por exemplo, em materiais ferrosos e em materiais à base de alumínio, o crescimento de grãos irá se tornar excessivo se o confinamento for mantido na temperatura por períodos prolongados.

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O valor predeterminado da temperatura é ajustado para ser apropriado ao confinamento que pode ser, por exemplo, feito de aço, que tenha sido soldado e, portanto, ser plástico a 720 °C, permitindo o alívio total do estresse do confinamento.

A presente invenção será agora descrita em maior detalhe com referência aos desenhos anexos, que são fornecidos apenas a título de exemplo.

A Figura 1 mostra um tubo de craqueador catalítico de acordo com a presente invenção;

A Figura 2 mostra um motor de lama ou bomba de cavidade compreendendo uma pluralidade de segmentos de acordo com a presente invenção;

A Figura 3a mostra uma perna de trem de pouso de aeronave de acordo com a presente invenção;

A Figura 3b mostra um molde formador para utilização na extrusão de acordo com a presente invenção;

A Figura 4 mostra uma vista explodida das partes constituintes necessários para produzir um componente, tal como os ilustrados nas Figuras 1 a 3 acima, usando o processo de acordo com a presente invenção;

A Figura 5 é uma temperatura e perfil de pressão das condições durante o processo

HIP; e

As Figuras 6A e 6B são ilustrações esquemáticas de uma seção transversal através dos materiais antes e após o processo HIP.

A Figura 1 mostra um tubo de craqueador catalítico 10, de acordo com a presente invenção. O tubo 10 tem um comprimento L de 2m e um diâmetro D na faixa de 125 milímetros a 160 milímetros. Em uso um conjunto de cinco tubos 10 serão unidos para fornecer um comprimento total de processo de 10m.

O tubo 10 é cilíndrico e tem uma superfície exterior 12 e geometria interna 14. A superfície exterior 12 é substancialmente lisa para facilitar o tubo 10 a ficar adjacente a outros tubos dentro de um craqueador catalítico. A geometria interna 14 inclui um furo central 16 e uma espiral envolvente 18. A espiral envolvente estimula o fluxo turbulento resultando na mistura dos reagentes com o catalisador resultando em craqueamento mais eficiente do que poderia ser obtido em condições de fluxo laminar ou quase laminar.

A Figura 2 mostra um motor de lama segmentado ou bomba de cavidade progressiva 20 que tem um casco externo 22 e uma pluralidade de segmentos 24. Cada um dos segmentos 24 tem um corpo 25, uma extremidade abaulada côncava 26 e uma extremidade abaulada convexa 27. Adjacente às extremidades abauladas 26, 27 são fornecidos um par de colares 28, 29. Os segmentos 24 têm um comprimento de 1 m, e um raio de 120 milímetros. Em um exemplo alternativo, não mostrado nos desenhos anexos, o comprimento é de 1,5 m e o diâmetro é de 200 mm.

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O provimento das extremidades abauladas 26, 27 permite aos segmentos a se movimentarem relativamente uns aos outros. O exemplo ilustrado tem um raio de curvatura consideravelmente maior que o diâmetro do segmento 24. Embora isto limite o alcance do movimento, também administra as pressões colocadas no casco externo 22. O casco externo 22 é feito de aço e tem um raio interior que se conforma muito proximamente com o raio externo dos colares 28, 29 dos segmentos 24. O diâmetro do círculo do qual a forma abaulada das extremidades 26 e 27 fazem parte é ditado pelo raio máximo de curvatura dos completados motor de lama ou bomba de cavidade, que é tipicamente de 1m em 30,5 m (100 ft). O diâmetro pode ser reduzido para proporcionar uma curvatura mais apertada, porém, quanto mais justo o raio, maior o estresse sobre o um apertado curva, mas o mais apertado raio, maior a tensão do no casco externo.

O corpo 25 tem um diâmetro de 1 mm menor que o diâmetro dos colares 28, 29 de modo que os colares ficam em contacto com o casco externo 22 enquanto que o corpo 25 permanece fora do contato, a fim de evitar os consideráveis estresses de tração e de compressão que poderiam ser experimentados se o corpo 25 fosse dimensionado para ficar em contato com o corpo 25 ao longo do seu comprimento.

Os colares 28, 29 são posicionados pelo menos 1 mm a partir das extremidades abauladas 26, 27 de modo que a borda da extremidade abaulada não pode colidir com o casco externo 22 na medida em que os segmentos 24 giram relativamente uns aos outros dentro do casco 22.

Uma espiral envolvente (não mostrada) percorre o centro do segmento 24. A espiral envolvente pode ter cinco raias, embora ela possa ter mais raias, até nove ou onze. Alternativamente, ela pode ter menos raias. O diâmetro do percurso através de cada uma das raias tem um diâmetro na região de 15 a 25 milímetros, e o diâmetro será, pelo menos em parte, ditado pelo número de raias e o diâmetro do segmento 24 do mesmo modo.

A Figura 3a mostra uma perna de trem de pouso de aeronave 30 que tem uma parte de pé circular 32 e uma porção de perna alongada 34. A perna 30 é formada de titânio. No centro da parte de pé 32 existe uma abertura 36 através da qual passa um rolamento, em uso. A superfície interna 38 da parte de pé 32 está sujeita à difusão de um segundo material que é capaz e alterar a morfologia a superfície da perna 30 para incorporar uma complexa rede de fases intermetálicas que resulta na superfície sendo consideravelmente mais resistente ao desgaste que uma perna que não tenha sido tratada desse modo.

A Figura 3b mostra um exemplo de uma matriz 31 para uso em um processo de extrusão. A matriz 31 compreende um bloco externo 33 atravessado por uma superfície moldada 35. A forma da superfície 35 corresponde com a forma desejada do produto a ser extrusado pela matriz. A superfície 35 é formada predominantemente a partir do segundo material que é mais resistente às tensões associadas com a extrusão. A maior parte do bloco

10/12 externo 33 é formada a partir de uma liga metálica mais leve. O bloco exterior 35 compreende furos passantes 37.

A Figura 4 mostra as etapas na criação de um componente tal como um tubo de craqueador catalítico 10 ou os segmentos 24 para uso em um motor de lama segmentado 20 ou uma perna de trem de pouso de aeronave 30 usando o processo de acordo com a presente invenção. Na primeira etapa, um confinamento 42 e um molde formador 44 são produzidos. O confinamento 42 é configurado para ter uma superfície interna 46 que pode corresponder à desejada superfície externa do componente a ser formado ou, pelo menos, englobar o tamanho máximo do componente a ser formado. O molde formador 44 é configurado para corresponder à geometria interna do componente. Por exemplo, no caso do tubo de craqueador catalítico descrito acima com referência à Figura 1, ou dos segmentos 24 para o motor de lama segmentado 20 descrito acima com referência à Figura 2, o molde formador 44 pode ser configurado como uma espiral envolvente. O molde formador 44 é tipicamente de carbono quando o componente é de aço porque o carbono é relativamente estável e previsível sob as condições de HIP.

Uma etapa de revestimento é feita a seguir em que um ou outro da superfície interna 46 do confinamento ou o molde formador 44 são revestidos com um ou mais revestimentos. O molde formador 44 é revestido com nitreto de boro que é convencionalmente usado em um processo HIP para evitar que o carbono proveniente do molde formador 44 migre durante o processo HIP para o componente que está sendo formado. Além disso, o molde formador 44 é revestido com uma ou mais camadas de material que se destina a ser difundido dentro da camada de superfície do componente a ser formado. Estas camadas ou revestimentos 48 podem ser providos como pastas, géis, isolados em fitas providas em um colante orgânico. O colante orgânico é então removido antes da etapa de HIP. Os revestimentos 48 podem ser providos sobre a totalidade do molde formador 44 ou apenas sobre uma porção do molde formador 44. Isso permite que diferentes superfícies possuam diferentes propriedades de superfície. Isso garante que compostos caros sejam somente introduzidos onde eles sejam exigidos, em lugar de serem providos sobre toda a superfície do componente. Uma pluralidade de camadas de material pode ser provida no molde formador 44. Por exemplo, dois, três, quatro, cinco, seis, oito, doze ou mesmo trinta e duas camadas podem ser providas. Onde múltiplas camadas são providas, a ordem das camadas é selecionada de acordo com o alcance ou difusão que sejam preferidos, na medida em que algumas camadas irão inibir os constituintes das outras camadas de se difundirem no componente durante o processo de HIP.

Alternativamente, em lugar de prover camadas discretas do segundo material, em um exemplo alternativo que não está ilustrado nos desenhos anexos, um número de componentes pode ser provido por um único revestimento homogêneo e as diferenças nas ca11/12 racterísticas de difusão dos vários constituintes irão permitir aos diferentes constituintes se difundirem através do primeiro material sem reagir com o primeiro material. Dependendo da escolha dos componentes no revestimento homogêneo, um ou mais constituintes podem se difundir através do primeiro material sem reagir com o primeiro material. Outros podem formar novas substâncias in situ; tais substâncias novas ficando sujeitas a um gradiente de concentração relacionado com as características de difusão do constituinte introduzido no revestimento.

Se a superfície externa do componente a ser formado exigir que sua morfologia seja alterada pela difusão de outros materiais no processo HIP e se o confinamento é configurado para corresponder estreitamente à configuração externa do componente a ser formado, então esses materiais são providos sobre a superfície interna 46 do confinamento 42. Como o confinamento 42 não é de carbono, não existe necessidade de uma camada de nitreto de boro para impedir o carbono de migrar no componente a ser formado. Além disso, os revestimentos 48 utilizados na superfície interna 46 do confinamento 42 podem diferir daqueles fornecidos sobre o molde formador 44.

Uma vez o confinamento 42 e o molde formador 44 tenham sido dotados com revestimentos o molde formador 44 é colocado no confinamento 42 e o confinamento 42 é preenchido com um pó 49 do material predominante a partir do qual o componente deve ser formado. O confinamento 42 é então fechado e submetido à Prensagem Isostática a Quente (HIP) tal que os revestimentos 48 se difundam para dentro de uma camada do componente formado. Dependendo das substâncias nos revestimentos 48, a camada de superfície pode se estender até 2 mm. As substâncias contidas nos revestimentos 48 podem migrar dentro do componente e podem permanecer quimicamente idênticas. No entanto, esta técnica é mais eficaz na situação em que as substâncias nos revestimentos 48 reagem com o pó 49 na região de superfície para produzir ligas diferentes numa concentração que varia com a distância do molde formador 44.

Uma vez que o confinamento tenha sido despressurizado e retornado à temperatura ambiente, o componente é removido do confinamento 42 e o molde formador 44 é removido do componente. Se o molde formador 44 é de carbono, então ele pode ser usinado. Se o molde formador é de aço e o componente é predominantemente titânio, então o molde formador 44 será tipicamente feito soltar enquanto o confinamento vai atingindo a temperatura e pressão ambiente. Se o molde formador 44 é de cobre, então ele pode ser eletroliticamente removido por decapagem do componente acabado.

Se o confinamento 42 não está configurado para se conformar estreitamente à forma do componente acabado, então o componente pode ser adicionalmente tratado uma vez o molde formador tenha sido removido. Por exemplo, o componente pode ser forjado isotermicamente, se ele for de titânio ou ele pode ser torneado se ele for de aço.

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O regime de aquecimento e de resfriamento utilizado no processo HIP é concebido para maximizar as oportunidades de alívio de tensões do componente que está sendo formado e também para permitir aos revestimentos 48 a se difundirem para dentro da camada superficial do componente. Um esquema da temperatura (linha sólida) e de pressão (linha pontilhada) é dado na Figura 5.

Inicialmente a temperatura e a pressão são aumentadas, a uma taxa de subida de cerca de 10 °C/minuto até que a temperatura atinja uma temperatura de manutenção. A temperatura é mantida no ponto de espera por uma hora, a fim de permitir que as tensões sejam liberadas. A temperatura de espera está na região de 720 °C para um confinamento de aço soldado.

Uma vez a etapa de liberação das tensões tenha sido completada a temperatura e a pressão são aumentadas na região de 80% sólido. Isso ocorre a 1000 °C para o níquel e 1090 °C para o aço e nessa temperatura e pressão ocorre a prensagem isostática a quente. A duração do processo HIP é determinada pela espessura da seção do componente que está sendo formado e o tamanho do grão do pó a partir do qual o componente está sendo formado.

Quando o processo HIP se conclui a temperatura é reduzida a uma taxa de rampa de entre 3 e 10 °C/minuto até que a temperatura atinja um segundo valor predeterminado. A temperatura é mantida neste segundo valor na região por 1 hora. A temperatura depende do material predominante no componente. Por exemplo, ela estará tipicamente entre 750 °C e 720 °C, embora possa ser tão alta como 800 °C para uma liga de níquel ou tão baixa como 540 °C para um aço de alto teor de cromo.

Mediante manter a temperatura nesse segundo valor predeterminado, as camadas de superfície providas irão se difundir através do componente. Mudanças de fase dentro do componente ocorrem durante essa etapa de espera.

Após a espera da difusão se concluir, a temperatura pode ser reduzida. Isto é feito lentamente, em não mais do que 3 °C/minuto a fim de permitir que o componente libere as tensões ao molde formador. Desta forma, as tensões dentro do componente acabado são minimizadas.

A temperatura é mantida, enquanto durante o resfriamento, no primeiro valor predeterminado a fim de permitir que as tensões se liberem do componente completado, no confinamento e do molde formador. A temperatura e a pressão são ambas em seguida reduzidas até que elas atinjam as condições ambientes.

As Figuras 6A e 6B mostram, esquematicamente, a distribuição dos revestimentos 48 antes e após o processo HIP, respectivamente.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para a produção de um componente (10, 24) CARACTERIZADO por compreender as etapas de:

produzir um molde formador (44) correspondente às dimensões internas do compo5 nente a ser formado;

prover uma camada de um segundo material em pelo menos uma superfície do molde formador;

posicionar o molde formador em um confinamento (42) e preencher o confinamento com um primeiro material;

10 submeter o confinamento à prensagem isostática a quente tal que o segundo material se difunda no primeiro material.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato do molde formador (44) ser removido do componente (10, 24) após o processo HIP.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato do 15 primeiro e/ou do segundo dos materiais serem metais na forma em pó.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato do segundo material ser um material cerâmico.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato do segundo material incluir nitreto de boro e cromo.

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6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5,

CARACTERIZADO pelo fato do segundo material poder ser termicamente pulverizado, pulverizado a plasma, pulverizado em aquoso ou depositado por fase vapor por sobre o molde formador.
7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6,

25 CARACTERIZADO pelo fato do primeiro material ser uma liga de níquel tal como Sagitite®.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato do segundo material incluir níquel e do primeiro material incluir alumínio.
9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADO pelo fato do segundo pó se difundir através de 1000 pm a 2000 pm (isto

30 é, 1-2mm) do topo do componente.
10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, CARACTERIZADO pelo fato do segundo pó ter uma pluralidade de partes constituintes que são aplicadas de forma homogênea.
11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, 35 CARACTERIZADO pelo fato do segundo pó ter uma pluralidade de partes constituintes que são aplicadas de forma estratificada.
12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores1 a 11,

Petição 870180003506, de 15/01/2018, pág. 8/12

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CARACTERIZADO pelo fato da etapa de HIP do processo de produção de um componente (10, 24) incluir a etapa de aumentar a temperatura para um valor predeterminado e em seguida manter a temperatura nesse valor predeterminado a fim de aliviar as tensões dos pós.

Petição 870180003506, de 15/01/2018, pág. 9/12

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FIGURA 2

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FIGURA 4

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FIGURA 5

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