BRPI0800703B1 - método para o revestimento em camadas de um substrato - Google Patents

Abstract

manufatura em formato de rede a laser utilizando um método de depósito com trajetória adaptativa. é descrito um método para o revestimento em camadas de um substrato, compreendendo fornecer um substrato; depositar uma primeira espessura variável determinada do leito de um material ao longo da trajetória sobre o substrato; depositar uma segunda espessura adjacente variável determinada do leito de um material ao longo da trajetória, a qual se sobrepõe à primeira espessura variável determinada do leito do material depositado; continuar a depositar uma pluralidade de espessuras de sobreposição adjacentes variáveis predeterminadas do leito do material até que esteja completa a primeira camada de material; formar uma segunda camada de material por meio do depósito de uma pluralidade de espessuras de sobreposição variáveis predeterminadas do leito do material acima da primeira camada de material; e continuar a depositar camadas de material sobre as camadas de material depositadas até que revestimento em camadas esteja completo; sendo que a espessura variável do leito de material depositado é controlada por meio de um computador o qual apresenta uma pluralidade de parâmetros de entrada de modo a manter um percentual aproximadamente constante para a sobreposição da espessura do leito.

Description

“MÉTODO PARA O REVESTIMENTO EM CAMADAS DE UM SUBSTRATO” Campo da Invenção [001] Esta invenção se refere aos procedimentos de manufatura e de reparo para uma peça, por exemplo um componente de uma turbina tal como o disco dotado de pás de hélice (BLISK), as pás de hélice do compressor ou as pás de hélice da turbina.

Antecedentes da Invenção [002] Um motor de avião a turbina a gás, ou motor a jato, aspira e comprime o ar através de um compressor de fluxo axial, mistura o ar comprimido com o combustível, queima a mistura e expele os gases da combustão através de uma turbina de fluxo axial de modo a movimentar o compressor. O compressor inclui um disco dotado de pás as quais se projetam a partir da sua periferia. O disco gira rapidamente em um eixo e as pás curvas aspiram e comprimem o ar.

[003] Na prática atual de manufatura, o compressor é feito através do forjamento do disco do compressor como uma peça única dotada de reentrâncias ou ranhuras em sua periferia. As pás do compressor são fundidas ou forjadas de modo a apresentarem uma região de base, ou raiz, chamada de encaixe em forma de rabo de andorinha o qual se ajusta dentro das ranhuras do disco. A montagem é completada pelo deslizamento das regiões em forma de rabo de andorinha das pás para dentro das ranhuras do disco. Se uma pá não se encaixa de forma apropriada, falha ou é danificada durante o uso, esta pode ser prontamente substituída através da inversão do procedimento de montagem de modo a remover a pá e instalar uma nova pã.

[004] As pás também podem ser formadas integralmente com o disco, em uma combinação chamada de disco dotado de pãs ou BLISK [do inglês bfaded disc], Esta combinação também pode ser conhecida como o rotor integralmente dotado de discos. A solução BLISK de manufatura oferece o potencial de aumentar a performance através da redução do peso. Um tal artigo pode ser fundido ou forjado como um grande disco com um excesso de material em sua periferia. As pás são então fresadas a partir do excesso de metal, integralmente fixado no disco. O produto final é caro de ser produzido, uma vez que este necessita extensivamente de operações de fresagem de alta precisão. Um erro na fresagem de apenas uma dentre as pás pode resultar na rejeição e no descarte de todo o BLISK, ou de um reparo caro e demorado.

[005] A substituição ou o reparo de uma parte danificada a pá do BLISK ou da pá de hélice da turbina apresenta um problema difícil a partir desta solução de fundição e fresagem ou de forja e fresagem. Se uma parte ou toda a pá quebra pelo impacto de um corpo externo durante a operação, por exemplo, o BLISK se torna desbalanceado. Os BLISKs danificados podem ser reparados através da solda de um excesso de metal na área danificada e da fresagem do metal de modo a dar a forma apropriada, ou através do corte e remoção da área danificada e substituição do material cortado e retirado através de união por difusão de uma nova peça na área danificada. Contudo, uma tal solução tanto é cara quanto pode resultar em uma redução da performance e da durabilidade.

[006] Uma solução diferente para a manufatura e para o reparo das BLISKs foi descrito na patente americana de número US 5.038.014, aqui incorporada como referência. Esta solução se utiliza da técnica de soldagem ou de revestimento em camadas (cladding) a laser, a qual alimenta um pó no material fundido na superfície a ser reparada, o qual produz uma camada de material novo. Através da repetição deste processo de uma forma camada após camada, estas camadas são acumuladas umas sobre as outras de modo a formar peças novas ou para reparar as partes danificadas.

[007] As técnicas anteriores de revestimento em camadas a laser têm resultado em imperfeições e em inclusões na parte resultante formada ou reparada, devida a falta de fusão completa entre as sucessivas camadas ou a extensa porosidade das camadas depositadas. Estas imperfeições ou inclusões em geral estão associadas com a geometria complexa das peças formadas ou reparadas. Portanto, existe a necessidade de se obter uma técnica de fabricação em camadas, a qual solucione os problemas associados com as técnicas de manufatura e de reparo anteriores.

[008] A manufatura em formato de rede a laser (LNSM - Laser Net Shape Manufacturíng) fornece um método econômico e altamente flexível para formar e restaurar as BLISKs, as pás dos compressores e os componentes da turbina. A técnica da LNSM está baseada no revestimento em camadas [cladding] sendo que é usado um laser para criar uma geometria 3D para revestir, de forma precisa, com camadas finas de pó metálico sobre o material de base.

[009] A LNSM pode ser usada para a fabricação de peças novas e para o reparo de peças danificadas. Um modelo feito a partir de um CAD (projeto auxiliado por computador) da peça a ser fabricada é seccionado de modo uniforme ao longo da direção desejada para o depósito do material. O pó é aplicado e fundido ao longo da trajetória de modo a criar uma camada de material, as camadas sendo então construídas ou depositadas, uma após a outra, até que a peça seja fabricada. Tem sido utilizadas diversas trajetórias ou tool paths para a aplicação do pó, o mais comum sendo um padrão em zigue zague ou em um padrão linha após linha, dependendo se o material está formando uma área interna ou uma área superficial da peça. Contudo, os métodos LNSM anteriores resultam no aparecimento de imperfeições da fusão e em porosidade nas peças recém fabricadas ou reparadas, fazendo com que a peça ou seja descartada ou novamente processada para reparar as imperfeições. Ainda mais, os métodos de depósito a laser anteriores, destinados a fabricação e ao reparo, não têm sido focados na produção de formatos e de geometrías precisas.

[010] Portanto» persiste a necessidade do desenvolvimento de um método LNSM preciso, o qual reduza as imperfeições resultantes da fusão e de poros idade, o qual permita que sejam manufaturas e reparados os componentes de turbinas, incluindo as BLISKs, as pás dos compressores e as pás das turbinas.

Descrição da Invenção [011] De acordo com uma primeira forma de realização da invenção, é descrito um processo para a fabricação de um artigo, o qual compreende as etapas de fornecer um substrato, depositar uma primeira espessura variável determinada do leito de um material a longo da trajetória sobre o substrato, depositar uma segunda espessura adjacente variável determinada do leito de um material ao longo da trajetória, a qual se sobrepõe à primeira espessura variável determinada do leito do material depositado, continuar a depositar uma pluralidade de espessuras adjacentes variáveis predeterminadas do leito de sobreposição do material até que esteja completa a primeira camada de material; formar uma segunda camada de material por meio do depósito de uma pluralidade de espessuras de sobreposição variáveis predeterminadas do leito do material acima da primeira camada de material, e continuar a depositar camadas de material sobre as camadas de material depositadas até que revestimento em camadas esteja completo. A espessura variável do leito de material depositado é controlada por meio de um computador o qual apresenta uma pluralidade de parâmetros de entrada de modo a manter um percentual aproximadamente constante para a espessura de leito de sobreposição.

[012] De acordo com uma segunda forma de realização da invenção, é descrito um método de manufatura ou de reparo em formato de rede a laser o qual compreende fornecer um substrato, formar» por médio de revestimento em camadas a laser, uma primeira espessura de leito variável determinada de um material ao longo de uma trajetória sobre o substrato, formar, por médio de revestimento em camadas a laser, uma segunda espessura de leito variável determinada adjacente do material ao longo da trajetória, a qual se sobrepõem à primeira espessura de leito variável determinada, continuar a depositar espessuras de leito variáveis predeterminadas adjacentes e em sobreposição do material até que a primeira camada de material esteja completa, formar, através de revestimento em camadas a laser, uma segunda camada de pó através de espessuras de leito variáveis predeterminadas de sobreposição do material no topo da primeira camada de material, e continuar a depositar as camadas de material no topo das camadas de material depositadas até que o revestimento em camadas esteja completo e o artigo em formato de rede seja manufaturado ou reparado. A espessura de leito variável do material depositado é controlada por meio de um computador o qual apresenta uma pluralidade de parâmetros de entrada de modo a manter um percentual aproximadamente constante para a espessura de leito de sobreposição. Podem ser reparados ou manufaturados, de acordo com esta segunda forma de realização da invenção, um BLISK, uma pá de hélice de um compressor, uma pá de hélice de turbina ou um componente de turbina.

[013] De acordo com uma forma específica de realização da invenção, é descrito um método para o reparo de um BLISK, de uma pá de hélice de um compressor ou de um componente de turbina, o qual compreende fornecer um BLISK, de uma pá de hélice de um compressor ou de um componente de turbina danificado e comprometendo o BLISK, a pá de hélice de um compressor ou o componente de turbina de modo a formar uma superfície de um substrato, depositar uma primeira espessura de leito variável determinada de um material a longo da trajetória sobre o substrato, depositar uma segunda espessura de leito variável determinada de um material ao longo da trajetória, a qual seja adjacente em relação a primeira espessura de leito variável determinada depositada do material e se sobreponha à primeira espessura de leito variável determinada da camada do material depositado, continuar a depositar espessuras de leito variáveis predeterminadas adjacentes de sobreposição de um material até que esteja completa a primeira camada de material; formar uma segunda camada de material por meio do depósito de espessuras de leito variáveis predeterminadas de sobreposição do material acima da primeira camada de material, e continuar a depositar camadas de material sobre as camadas de material depositadas até que revestimento em camadas esteja completo. A espessura do leito de material depositada é controlada por meio de um computador o qual apresenta parâmetros de entrada de modo a manter um percentual aproximadamente constante para a espessura de leito de sobreposição das espessuras de leito variáveis adjacentes do material e cada espessura de leito variável depositada com as suas variações. Podem ser reparados ou manufaturados, de acordo com a forma específica de realização da invenção, um BLISK, uma pá de hélice de um compressor, uma pá de hélice de turbina ou um componente de turbina.

[014] De acordo com outra forma de realização da invenção, é descrito um método para o revestimento em camadas a laser de um substrato, o qual compreende fornecer um substrato, depositar ao menos uma primeira espessura de leito variável determinada de um material a longo da trajetória sobre o substrato de modo a formar uma primeira camada de material, formar uma segunda camada de material por meio do depósito de ao menos uma espessura de leito variável de um material no topo da primeira camada de material, e continuar a depositar camadas de material, formadas por ao menos uma espessura de leito variável de material sobre as camadas de material depositadas até que revestimento em camadas esteja completo.

[015] De acordo com mais uma forma de realização da invenção, é descrito um método de manufatura ou de reparo em formato de rede a laser o qual compreende fornecer um substrato, formar, por médio de revestimento em camadas a laser, uma primeira espessura de leito variável determinada de um material em pó ao longo de uma trajetória sobre o substrato de modo a formar uma primeira camada de material, formar, por médio de revestimento em camadas a laser, uma segunda camada de material por meio do depósito de espessuras de leito variável predeterminadas adjacente de sobreposição de um material em pó no topo da primeira camada em pó, e continuar a depositar camadas de pó sobre as camadas de pó depositadas até que o revestimento em camadas esteja completo e o artigo em formato de rede seja manufaturado ou reparado.

[016] Outras características e vantagens da presente invenção ficarão mais aparentes a partir da seguinte descrição detalhada que segue da forma preferida de realização, feita em conjunto com os desenhos que acompanham os quais ilustram, a título de exemplo, os princípios da invenção. Contudo, o escopo da invenção não é limitado a esta forma preferencial de realização.

Breve Descrição dos Desenhos [017] A figura 1 é uma ilustração do sistema de depósito LNSM.

[018] A figura 2 é uma vista em perspectiva de um exemplo de uma BLISK.

[019] A figura 3 é um diagrama de blocos de uma forma de realização do método de depósito de trajetória adaptativa;.

[020] A figura 4 é uma ilustração de um exemplo de uma pã de BLISK danificada.

[021] A figura 5 é uma ilustração de um depósito de material sobre uma pá de BLISK danificada de exemplo.

Descrição de Realizações da Invenção [022] A presente invenção fornece um método para a manufatura em formato de rede a laser (LNSM) para a fabricação e o reparo de artigos tais como as BLISKs, as pãs de hélice de um compressor, as pás de hélice de turbina ou os componentes de turbina, o qual soluciona os problemas associados com o estado da arte. A técnica LNSM está baseada no revestimento em camadas de pós metálicos a laser, sendo que é usado um laser para criar uma geometria 3D de modo a precisamente revestir em camadas finas camadas do material em pó sobre um substrato de base utilizando um método de depósito com trajetória adaptativa. O método com trajetória adaptativa inclui fornecer uma espessura de leito variável predeterminada em uma camada depositada. O substrato de base pode ser uma superfície de uma BLISK, tal como o disco do compressor BLISK ou o bordo de uma pá BLISK. Apesar de que as formas específicas de realização descritas abaixo são direcionadas para as BLISKs, a invenção é igualmente aplicável ao LNSM de outras peças, incluindo uma variedade de peças de turbina incluindo as pás de hélice do compressor e a pás de hélice da turbina.

[023] De modo a formar um depósito com uma forma através da LNSM, as dimensões e a geometria geral da peça ou da secção de reparo são renderizadas de acordo com a descrição de um CAD (projeto auxiliado por computador). A geometria do reparo deve ser descrita de forma matemática. A modelagem das formas é obtida através do uso do sistema CAD, e a partir destas representações são geradas as trajetórias para guiar o processo LNSM.

[024] De modo a guiar o sistema de controle numérico de computador (CNC) do LNSM, é gerado um arquivo de trajetória a partir de um programa de computador tipo CAM (manufatura comercial auxiliada por computador) o qual contém os comandos que podem ser entendidos pelo CNC. Os comandos são carregados na memória e executados. Os comandos típicos são os comandos de movimento, os quais dizem ao CNC para se mover para um novo ponto a uma dada velocidade, ligar/desligar o laser e atuar o fluxo de pó. Estes comandos estão todos inseridos no programa parte quando este é gerado, e são disparados, ou executados, em pontos específicos dentro do programa. Alguns parâmetros que controlam o processo devem ser trocados, de forma dinâmica, durante o processamento de uma peça, incluindo, mas não limitado a, potência do laser, velocidade da ferramenta, taxa de alimentação do pó e relação de sobreposição.

[025] Diversos artigos podem ser analisados como sendo compostos por secções ou fatias paralelas umas as outras. O artigo é então definido de forma única através da especificação de um padrão de cada secção, isto é, o seu formato e tamanho, bem como a posição de tal secção, isto é, a sua relação com as secções adjacentes. Desta forma, as pás BLISK podem ser formadas ao redor da circunferência de um disco de compressor BLISK. O padrão de cada secção pode ser susceptível de ser formado por meio de um leito do material de depósito, sendo que um leito é um depósito alongado tipicamente formado pela movimentação do substrato em relação à fonte de calor. Quando este é o caso, o artigo pode ser formado através do depósito de um leito com uma espessura variável, ou através de diversos leitos dispostos lado a lado e com espessura variável, dentro da forma inventiva tal como supra indicado, com o formato do padrão de uma secção, e então incrementando o dispositivo de depósito para cima através da altura do leito, deste modo depositando um outro leito apresentando o padrão da próxima secção e a posição desejada em relação ao leito previamente depositado. Durante cada passagem, a unidade de depósito por soldagem a laser funde a porção superior do leito previamente depositado, ou o substrato na primeira passagem, e adiciona mais material através da sua alimentação de pó de modo a formar o leito de sobreposição. O novo material adicionado e o leito previamente depositado são parcialmente inter misturados e solidificados juntos, assegurando uma estrutura contínua e forte, através dos leitos, substancialmente livre de imperfeições. Este processo é repetido tantas vezes quantas necessárias para formar o artigo.

[026] Através desta solução pode ser conseguida uma ampla variedade de formatos e de configurações de secção. As figuras sólidas são feitas através do assentamento de leitos com espessuras variáveis, um acima do outro. O aumento da espessura é conseguido através do assentamento de diversos leitos de espessura variável de uma forma lado a lado em cada camada, de acordo com a invenção tal como supra descrita, e então adicionando mais leitos acima da camada. As peças de espessura variável são feitas por meio da mudança no número de leitos sobrepostos em camadas de espessura variável. Os aerofólios ocos ou outros formatos ocos são feitos através do depósito do leito com o formato da parede externa, e então depositando leitos de sobreposição adicionais um acima do outro. As secções ocas com estrutura interna, tais como as passagens ou dutos de refrigeração, são feitas através da adição de costelas internas e similares em cada secção, em adição as paredes externas. Virtualmente, qualquer formato pode ser definido como um conjunto de leitos, e a presente solução apresenta a versatilidade de conformá-los em uma variedade de formas. Tipicamente, as aplicações relativas aos motores de aeronaves incluem as pás de hélice do compressor, as pás de hélice da turbina, tubos e caixas, com o último apresentando secções transversais quadradas, retangulares ou irregulares.

[027] O controle do depósito é conseguido através da caracterização numérica do formato do artigo, tal como uma pá de hélice, a partir dos desenhos ou a peça preparada através de métodos mais convencionais, tais como a fresagem. Uma vez que o formato da peça esteja numericamente caracterizado, tal como a partir de um modelo sólido de um CAD (projeto auxiliado por computador) do artigo, a movimentação da peça ou, de forma equivalente, do cabeçote de depósito, é programada utilizando os programas de computador de controle numérico disponíveis de modo a gerar um padrão de instruções, conhecido como as funções de transferência, para a movimentação da peça durante cada passagem, e para o seu deslocamento lateral entre as passagens. Estas funções de transferência desenvolvidas mantêm uma espessura de leito variável determinada e uma sobreposição constante de um material depositado de acordo com a invenção. O artigo resultante reproduz o formato da caracterização numérica de forma muito precisa, para conformar em rede ou para conformar de forma próxima a rede as especificações, incluindo as curvas complexas de um aerofólio.

[028] O método de LNSM para a fabricação e a reprodução de artigos, deste modo, funde os pós através da alimentação do pó no material fundido de uma superfície que tenha sido irradiada por um feixe de laser. A solução é controlável e rende resultados precisos e reproduzíveis. Durante a fabricação de um artigo através da presente solução, a composição do pó alimentado pode ser mantida constante por todo o artigo. De foram alternativa, a composição do pó alimentado pode ser intencionalmente mudada em qualquer leito ou entre leitos sucessivos, de modo a produzir variações controladas na composição no artigo. Por exemplo, em uma pá de hélice de um compressor, pode ser usada uma composição de liga forte e robusta próxima a base, e dura e pode ser usada uma liga resistente ao desgaste ou abrasiva próxima a ponteira.

[029] Para o reparo dos artigos, incluindo as BLISKs, as pás dos compressores, as pás das turbinas e os componentes das turbinas, é necessário somente repetir uma parte da seqüência de depósito do método previamente descrito. Por exemplo, se uma pá do compressor se quebra próxima ao seu ponto médio, é somente necessário desgastar uma superfície plana sobre a pá correspondente a secção não danificada remanescente mais próxima, e então repetir o depósito controlado por computador do restante da pá. A pá reparada é virtualmente indistinguível da pá originalmente fabricada, uma vez que esta é realizada através do mesmo dispositivo e com o mesmo padrão de controle do formato.

[030] Em geral, os danos nas BLISKs, na pá do compressor, na pá da turbina ou no componente da turbina se encontra na forma de um dano com formato irregular e não simétrico. De modo a reparar a BLISK ou a pá da turbina para o reparo, a área danificada pode ser preparada por meio da fresagem do material na área próxima ao dano, de modo a formar um entalhe e/ou nivelar a superfície danificada. A fresagem do dano é preferencialmente realizada de forma automatizada em um equipamento de corte de diversos eixos e controlado numericamente, o qual é programado para formar um entalhe predeterminado próximo da área danificada. A região de reparo é então limpada, se necessário, através de solventes e/ou agentes de limpeza aquosos, e secada seguido do depósito controlado por computador do restante da pá de hélice. A porção reparada não apresenta uma linha de união macroscopicamente detectável após o acabamento ou uma descontinuidade com a porção de base da pá, uma vez que os dois foram soldados juntos e d mesma forma empregada quando a pá de hélice foi manufaturada.

[031] Pode ser depositada uma ampla variedade de materiais utilizando a solução da invenção. Por exemplo, podem ser depositados metais e ligas metálicas incluindo o titânio e as ligas de titânio, o níquel e as ligas de níquel, o cobalto e as ligas de cobalto, e o ferro e as ligas de ferro, as ligas de tipo “superalloy” incluindo as ligas “superalloy” a base de níquel, as a base de cobalto e as a base de ferro, as cerâmicas, os cimentos e os plásticos.

[032] A seleção dos parâmetros que controlam o depósito dos materiais e a união e como estes parâmetros controlam o depósito são críticos para a capacidade do processo em reparar um artigo tanto em forma de rede quanto em forma de quase rede e com densidade total. Os parâmetros são transformados em comandos os quais controlam o depósito por LNSM através das funções de transferência.

[033] Um sistema de manufatura em formato de rede a laser (LNSM) é ilustrado na figura 1. Tal como o quanto mostrado na figura 1, um fornecedor de pó (não mostrado) alimenta um bico de pó 2 para o depósito sobre o substrato 3. Um laser 4 funde o pó conforme este é alimentado sobre a superfície do substrato e também funde a superfície do substrato de modo a criar uma poça fundida 5 nas proximidades de onde o laser 4 é direcionado sobre o pó e a superfície do substrato 3. O sistema 1 e o substrato 3 são relativamente movidos de modo a criar uma camada de um material depositado solidificado 7, conforme a poça fundida 5 se resfria.

[034] O trajeto ou deslocamento que o laser 4 realiza sobre o substrato 3 é referido como a trajetória. O material depositado 7 é referido como o leito de material. A espessura do material 7 depositado ao longo da trajetória é referida como a espessura do leito. A poça fundida 5 formada se resfria e se solidifica conforme o laser 4 se move ao longo do substrato 3. Pode ser usado mais de um alimentador de pó para formar o material depositado 7 e, nesta ilustração, um segundo bico de pó 8 é mostrado contribuindo com o material depositado 7 solidificado. O laser 4, através da fusão tanto do pó alimentado quanto da superfície do substrato 3, forma um material depositado 7 fortemente unido.

[035] Com a finalização do primeiro leito do material depositado 7, o bico 2 e o laser 4 são posicionados e movidos com relação ao substrato 3 de tal forma que um segundo leito adjacente do material depositado 7 pode ser depositado ao lado do primeiro leito, a espessura do segundo leito se sobrepondo à espessura do primeiro leito. A quanto de sobreposição pode ser selecionado entre cerca de 10% a cerca de 90%. O processo é repetido até que seja formada uma camada do material depositado 7. Sobre esta camada, o processo é repetido de modo a montar camadas do material depositado 7 até que a peça seja formada ou reparada.

[036] De acordo com esta invenção, as funções de transferência foram desenvolvidas de modo a correlacionar os parâmetros chave de processamento, incluindo a potência do laser, a velocidade de deslocamento da ferramenta, a taxa de alimentação do pó e a distância de foco, com a geometria fundamental do depósito da espessura do leito. As funções de transferência foram desenvolvidas de modo a permitir que fosse obtida uma trajetória adaptativa através da variação da potência do laser ou da velocidade de deslocamento do laser ao mesmo tempo em que este está varrendo ao longo da trajetória. Desta forma, uma espessura variável do leito do material pode ser depositada ao longo da trajetória. A espessura do leito depositado de material pode ser variada durante uma única passagem de depósito e durante o depósito dos leitos adjacentes de material depositado.

[037] A invenção permite o depósito de uma espessura variável do leito do material de cerca de 0,2 mm a cerca de 5,0 mm, e de preferência de cerca de 0,76 mm a cerca de 1,52 mm, e mais preferencialmente de cerca de 0,89 mm a cerca de 1,42 mm. A faixa de espessuras variáveis do leito depositadas em uma camada depende dos parâmetros de depósito, incluindo a composição do material depositado e a geometria do artigo formado.

[038] Através da aplicação deste método, pode ser conseguida uma relação constante de sobreposição de leitos entre os leitos adjacentes do material depositado, o que efetivamente elimina as imperfeições devidas a fusão. Os inventores determinaram que uma relação constante de sobreposição selecionada entre cerca de 10% e cerca de 90% leva a uma melhoria na performance de acúmulo por depósito. Além do mais, os inventores determinaram que utilizando uma espessura variável em uma camada de cerca de 0,76 mm acerca de 1,52 mm, pode ser conseguida uma maior qualidade de depósito, a qual efetivamente elimina os vazios no material depositado.

[039] O depósito de uma espessura adaptativa do leito com uma relação constante de sobreposição, quando aplicada nas regiões de projeção, produz acréscimos de camadas as quais são livres de encrespamentos superficiais. As regiões de projeção tipicamente são consideradas áreas com um ângulo agudo com aproximadamente menos de 35 graus com relação a vertical. Nestas regiões, é preciso formar uma maior poça de fundido para que se consiga uma maior eficiência na captura do pó, de tal forma que a camada de depósito apresenta material suficiente para suportar a camada seguinte sem colapsar.

[040] O depósito em uma trajetória adaptativa soluciona os problemas do estado da arte associados com o depósito de material sobre um substrato frio. Este novo método permite descer a potência do laser sobre as camadas assentadas de modo a assegurar uma espessura constante do leito quando do depósito das primeiras diversas camadas sobre o substrato frio. Ainda mais, a potência pode ser reduzida durante o depósito das últimas camadas diversas próximas à ponteira afilada da pá de hélice. Em particular, uma potência inicial do laser alta é selecionada e reduzida para uma potência constante do laser pelas 2 a 100 camadas do material depositado para uma potência do laser constante e determinada. Esta potência do laser constante e determinada é usada para depositar as camadas sucessivas de material até que sejam depositadas as camadas finas de material. Para o depósito das camadas finas de material, a potência do laser é novamente reduzida. De preferência, o laser é reduzido para as de 3 a 100 camadas mais próximas da ponta aguçada ou da superfície recém fabricada ou reparada de uma peça ou de uma pá de hélice. Deve ser percebido que o número ou as camadas são fornecidos com o propósito de ilustração e não representam limites da presente invenção. A quantidade de camadas sobre as quais são feitos os ajustes na potência do laser depende da geometria do substrato e das propriedades termofísicas e do material em pó.

[041] Quando da determinação da trajetória para o reparo de uma BLISK, a relação de sobreposição da trajetória e o ângulo de projeção em cada ponto de interpolação são calculados de acordo com o modelo da peça sólida. Esta informação é então convertida em comandos para a potência do laser ou para a velocidade do laser em secções apropriadas dos códigos G da trajetória, de acordo com as funções de transferência.

[042] Este método permite a fabricação ou o reparo em um formato próximo a rede das pás de hélice BLISK o que economiza material, bem como o trabalho de um processo de pós fresagem. Devido ao fato de que a LNSM estar apta à fabricação e a restauração da pá completa, até mesmo as pás de hélice severamente danificadas podem ser reparadas.

[043] A figura 2 mostra ma vista em perspectiva de uma BLISK 10. A BLISK 10 é formada pelas pás da BLISK 20 e pelo disco do compressor da BLISK 30. Em uma forma específica de realização da invenção, a BLISK 10 pode ser reparada através da substituição do material danificado das pás da BLISK 20. Em adição, em uma segunda forma específica de realização da invenção, uma BLISK pode ser manufaturada através da formação das pás da BLISK 20 sobre o disco do compressor da BLISK 30.

[044] A figura 3 ilustra um diagrama de blocos de uma forma específica de realização do método de o reparo da BLISK. O método incluía determinar os parâmetros inicias do processo os quais foram introduzidos em um controlador formado de um computador digital o qual direcionava o movimento de uma zona de depósito ao longo de uma trajetória e que fornecia os sinais de controle para ajustar as funções do dispositivo tais como a potência do laser e a velocidade do feixe de laser, tais como a velocidade com a qual o cabeçote de depósito movia o feixe de laser e a taxa com a qual o pó era depositado, foram fornecidos para a zona de depósito que se movia ao longo da trajetória.

[045] Tal como o quanto ilustrado na figura 3, os parâmetros iniciais incluíam, mas não estavam limitados a, potência do laser, velocidade de varredura do laser, taxa de alimentação do pó, e relação de sobreposição. Estes parâmetros iniciais foram fornecidos para o controlador, e as funções de transferência programadas então determinaram a característica básica do depósito da espessura e da altura do leito correspondente à posição desejada dentro da geometria do material formado desejado. Os dados de camada forma convertidos para os dados da trajetória em termos dos códigos G do controle numérico de computador (CNC). Estes códigos foram então utilizados para guiar a ferramenta de fabricação para assentar as camadas de material depositado.

[046] De acordo com uma forma específica de realização da invenção, tal como mostrada na figura 4, foi reparado uma pá de hélice de compressor 320 danificada. De acordo com a figura 4, uma pá de compressor 320 contém material danificado 340. O material danificado 340 foi removido até uma superfície aproximadamente plana 350. O material danificado 340 foi removido por meio de corte, apesar de que poderiam ser empregados outros métodos de remoção de material. O componente danificado é mostrado como uma pá de hélice de compressor 320, apesar de que este poderia ser uma pá de uma BLISK.

[047] Tal como o quanto mostrado na figura 5, a pá de compressor 420 apresentava camadas do material 460 assentadas sobre o substrato plano 450 após o material danificado ter sido removido de modo a reparar a pá de compressor 420. Em uma forma específica de realização, o material 460 era a liga “superalloy” a base de níquel Inconel 718, também conhecida como IN718. O material 460 foi depositado de acordo com o método inventivo vislumbrado na figura 2, e além disto aqui descrito. A atuação na prática da invenção resultou no reparo da pá de compressor 430 até uma forma de rede sem a necessidade de uma fresagem ou usinagem adicional após o reparo. Deve ser entendido que o material 460 não esta limitado ao da forma específica de realização, mas este pode ser selecionado entre os materiais estruturais conhecidos dentro do campo da invenção.

[048] Através do depósito de uma espessura variável do leito ao longo da trajetória com uma relação de sobreposição constante, as imperfeições por falta de fusão no depósito sólido foram efetivamente reduzidas. Na forma específica de realização, foi usada uma espessura variável do leito com entre cerca de 0,89 mm a cerca de 1,42 mm e uma sobreposição de aproximadamente 50 por cento de modo a reparar a pá de compressor 420 e foi formado um depósito de leito o qual era suficientemente livre de imperfeições, incluindo as imperfeições por vãos e porosidade.

[049] O controle da potência nas regiões de projeção solucionou os problemas de encrespamento superficial do estado da arte na superfície assentada da pá de compressor. A rugosidade superficial da pá de compressor 420 assentada foi melhorada através do uso do uso de uma potência levemente maior e uma velocidade mais lenta para a trajetória do contorno externo, quando comparada com a trajetória interior de costura ou preenchimento.

[050] A atual invenção permitiu uma na potência do laser para as camadas assentadas, permitindo o depósito de uma espessura variável do leito e uma taxa de dissipação de calor no material assentado da pá de compressor 420. Isto reduziu os problemas tais como a falta de fusão nas camadas iniciais quando do depósito sobre uma superfície fria 450. Ainda mais, e devida a redução adaptativa na potência do laser através das camadas conforme estas se aproximavam da ponteira estreita da pá de compressor 420, foram minimizadas a redução da espessura do leito e a oxidação superficial devida ao super aquecimento.

[051] Além disto, uma única espessura variável do leito pode formar uma camada. Desta forma, as camadas formadas por uma única espessura variável do leito do material depositado podem ser depositadas sobre as camadas formadas de vários leitos adjacentes de material. Ainda mais, pode ser fabricada uma peça através da formação de camadas compostas por espessuras únicas do leito sobre camadas formadas de espessuras únicas do leito do material depositado para formar ou reparar uma peça.

[052] De acordo com uma segunda forma específica de realização da invenção, foi manufaturada uma BLISK 10 tal como ilustrada na figura 2. De acordo com esta forma de realização, um disco de compressor de BLISK 30 foi formado através de um método convencional de fabricação por fundição, apesar de que os discos poderíam ter sido formados através de outros métodos tais como forja ou usinagem. Uma superfície externa do disco de compressor de BLISK 30 compreendia o substrato para as pás da BLISK 20 serem formadas sobre este.

[053] Um material da pá de hélice da BLISK, neste caso uma liga “superalloy” a base de níquel Inconel 718, também conhecida como IN718, foi usado para formar as pás da BLISK 20 sobre o disco de compressor de BLISK 30. O material IN718 foi depositado de acordo com o método inventivo tal como mostrado na figura 2 e também aqui descrito. A atuação na prática da invenção resultou na fabricação das pás da BLISK 20 até uma forma de rede sem a necessidade de uma fresagem ou usinagem adicional após a fabricação.

[054] Através do depósito de uma espessura variável do leito ao longo da trajetória com uma relação de sobreposição constante, as imperfeições por falta de fusão no depósito sólido foram efetivamente reduzidas. Na forma específica de realização, foi usada uma espessura variável do leito com entre cerca de 0,89 mm a cerca de 1,42 mm e uma sobreposição de aproximadamente 50 por cento de modo a fabricar as pás da BLISK 20 as quais eram substancialmente livres de imperfeições, incluindo as imperfeições por vãos.

[055] O controle da potência nas regiões de projeção solucionou os problemas de encrespamento superficial do estado da arte na superfície assentada das pás da BLISK 20. A rugosidade superficial das pás da BLISK 20 assentadas foi melhorada através do uso do uso de uma potência levemente maior e uma velocidade mais lenta para a trajetória do contorno externo, quando comparada com a trajetória interior de costura ou preenchimento.

[056] A atual invenção permitiu uma na potência do laser para as camadas assentadas, permitindo o depósito de uma espessura variável do leito e uma taxa de dissipação de calor no material assentado da peça. Isto reduziu os problemas tais como a falta de fusão nas camadas iniciais quando do depósito sobre um substrato frio do disco do compressor da BLISK 30. Ainda mais, e devida a redução adaptativa na potência do laser através das camadas conforme estas se aproximavam da ponteira estreita da pá da BLISK 20, foram minimizadas a redução da espessura do leito e a oxidação superficial devida ao super aquecimento.

[057] A performance da BLISK não foi reduzida como resultado do reparo de acordo com a invenção. Esta solução permitiu que as pás de hélice da BLISK fossem reparadas diversas vezes, sem perda de funcionalidade da BLISK devida a uma redução excessiva em suas dimensões nas regiões não reparadas abaixo de um valor mínimo especificado.

[058] Este método pode ser aplicado para a formação de uma peça nova, assim como para o reparo. Na formação de uma peça nova, as camadas iniciais são depositadas sobre um substrato de sacrifício, ou, quando da formação de uma BLISK, o assentamento do material pode ser realizado na forma de uma secção integrada da peça, tal como o disco de compressor da BLISK. O controle adaptativo da trajetória para as camadas iniciais, para as regiões projetantes, e para as regiões dos vértices é igual ao da aplicação para reparo.

[059] A invenção descrita apresenta diversas vantagens em relação aos métodos do estado da arte de depósito em camadas. Inicialmente, através do depósito de uma espessura variável do leito ao longo da trajetória com uma relação de sobreposição constante, pode ser reduzido o número de imperfeições devidas a falhas de fusão no depósito sólido. Em segundo lugar, o controle da potência nas regiões de projeção pode solucionar o problema de encrespamento superficial na superfície assentada da pá de hélice através de um controle mais efetivo do aquecimento nestas regiões. Em terceiro lugar, o uso de uma potência de laser mais alta e uma velocidade mais baixa para a trajetória do contorno externo comparada com a trajetória de costura ou preenchimento do interior melhora a rugosidade superficial do material depositado. Em quarto lugar, através da redução da potência do laser através das camadas assentadas, pode ser mantida uma espessura de leito constante e uma taxa de dissipação de calor na peça em formação. Os problemas tais como a falta de fusão e a porosidade nas poucas camadas iniciais quando do depósito sobre um substrato “frio” e a oxidação superficial devida ao sobre aquecimento quando do depósito próximo a ponteira estreita da pá de hélice são solucionados através da redução adaptativa da potência do laser pelas camadas depositadas.

[060] Apesar da invenção ter sido descrita com referência a uma forma preferida de realização, será compreendido pelos peritos na arte que diversas modificações podem ser feitas, e que elementos podem ser substituídos por seus equivalentes sem com isto escapar do escopo da invenção. Ainda mais, podem ser feitas diversas modificações de modo a adaptar os ensinamentos da invenção a uma situação em particular ou a um material, sem com isto fugir ao escopo essencial da mesma. Portanto, pretende-se que a invenção não seja limitada pela forma particular de realização descrita como a melhor forma contemplada de realização desta invenção, mas que a invenção irá incluir todas as formas de realização que recaem dentro do escopo das reivindicações em anexo.

Claims (5)

1. MÉTODO PARA O REVESTIMENTO EM CAMADAS DE UM SUBSTRATO, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - fornecer um substrato; - inserir as funções de transferência no computador para controlar os parâmetros compreendendo a potência do laser, a velocidade do laser, a distancia focal, e a taxa de alimentação do pó, de modo a se obter uma relação de sobreposição aproximadamente constante para a espessura do leito; - depositar uma primeira espessura variável determinada do leito de um material ao longo da trajetória sobre o substrato; - depositar uma segunda espessura adjacente variável determinada do leito de um material ao longo da trajetória, a qual se sobrepõe à primeira espessura variável determinada do leito do material depositado, sendo que a etapa de depositar a segunda espessura adjacente variável inclui variar a potência do laser para prover uma variação da segunda espessura adjacente variável determinada do leito de um material ao longo da trajetória, de modo que uma sobreposição entre a primeira espessura variável determinada do leito do material depositado e a segunda espessura adjacente variável é mantida aproximadamente constante; - continuar a depositar uma pluralidade de espessuras de sobreposição adjacentes variáveis predeterminadas do leito do material até que esteja completa a primeira camada de material; - formar uma segunda camada de material por meio do depósito de uma pluralidade de espessuras de sobreposição variáveis predeterminadas do leito do material acima da primeira camada de material; e - continuar a depositar camadas de material sobre as camadas de material depositadas até que revestimento em camadas esteja completo; no qual a espessura variável do leito de material depositado é controlada por meio de um computador o qual apresenta uma pluralidade de parâmetros de entrada de modo a manter um percentual aproximadamente constante para a sobreposição da espessura do leito; e no qual a potência do laser é inicialmente maior para as 2 a 100 camadas iniciais de pó depositadas, e reduzida para as camadas de pó restantes ao longo do depósito.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato no qual cada espessura variável depositada do leito de material em uma camada varia entre cerca de 0,2 mm e cerca de 5,0 mm.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato no qual a sobreposição é mantida entre cerca de 10% e cerca de 90%.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato no qual cada espessura variável do leito formada varia entre cerca de 0,2 mm e cerca de 5,0 mm em uma camada.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato no qual a sobreposição está entre cerca de 10% e cerca de 90%.