ES2228174T3 - Procedimiento de fabricacion por metalurgia de polvos de piezas de forma autosoldables. - Google Patents
Procedimiento de fabricacion por metalurgia de polvos de piezas de forma autosoldables.Info
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Abstract
Procedimiento de fabricación por metalurgia de polvos de piezas de forma del tipo de las destinadas a ser ensambladas por autosoldadura a una temperatura determinada a piezas metálicas receptoras de superaleación, poniendo en práctica el citado procedimiento de fabricación dos polvos metálicos, - un primer polvo de aleación denominado ¿polvo de base¿ que permite obtener las características metalúrgicas deseadas y que no comprende substancialmente elemento fundente, - y un segundo polvo denominado ¿polvo de soldadura¿ de aleación que comprende, al menos, un elemento denominado fundente con un contendido tal que la temperatura de líquido de la aleación del polvo de soldadura es inferior a la temperatura de sólido de aleación del polvo de base, siendo elegidos los citados polvos de base y de soldadura para que la temperatura de líquido del polvo de soldadura sea inferior a la temperatura de autosoldadura y que la temperatura de sólido del polvo de base sea superior a la temperatura de autosoldadura, comprendiendo el citado procedimiento de fabricación las etapas siguientes: a) preparación de una mezcla homogénea de polvo de base, de polvo de soldadura y de un aglutinante líquido, o en estado fundido, en la cual la composición química del polvo de base corresponde a una superaleación a base de Ni, de Co o de Fe y la del polvo de soldadura a una aleación a base de Ni, de Co, o de Fe en la cual el elemento fundente es el Si y/o el B y en la cual el aglutinante es elegido para poder tomar consistencia en estas condiciones, b) moldeo-inyección de la citada mezcla en un molde de la pieza de forma que hay que realizar, siendo mantenido el moldeo en condiciones de temperatura, de presión y de tiempo tales que se realice la toma de consistencia del aglutinante, c) extracción del molde de la pieza en bruto moldeada, d) eliminación del aglutinante, e) sinterización de la pieza en bruto a una temperatura superior a la temperatura de líquido del polvo de soldadura, pero inferior a la temperatura del tratamiento de autosoldadura posterior, de manera que se obtiene una pieza de forma apta para la autosoldadura cuya densidad relativa es, al menos, igual al 95%, pero inferior al 100%.
Description
Procedimiento de fabricación por metalurgia de
polvos de piezas de forma autosoldables.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de realización por metalurgia de polvos de piezas de
forma destinadas a ser ensambladas por autosoldadura a piezas
metálicas susceptibles de recibirlas y denominadas receptoras,
siendo las citadas piezas receptoras de superaleación.
Se refiere, también, a un procedimiento de
ensamblaje de tales piezas de forma a pieza metálicas
receptoras.
En lo que sigue del presente documento se
entiende por autosoldadura la soldadura autógena de la pieza de
forma a la pieza metálica receptora, estando contenidos los
elementos que aseguran la soldadura en la pieza de forma.
La operación de autosoldadura de la pieza de
forma a la pieza metálica puede comprender, o ir seguida de, un
tratamiento térmico de difusión en estado sólido, constituyendo,
así, lo que, habitualmente, se denomina una operación de
soldadura-difusión, tratamiento destinado a
homogeneizar la composición y la estructura de las piezas de forma y
de la zona de unión por autosoldadura.
Por la patente EP 0 075 497 se conoce un
procedimiento de ensamblaje por soldadura-difusión
de piezas metálicas, tales como componentes de superaleación para
turbinas de gas, que consiste en interponer entre las superficies
que hay que ensamblar una capa de unión de composición global
correspondiente a una superaleación y en realizar en este conjunto
un tratamiento de soldadura-difusión.
La capa de unión está constituida por una mezcla
íntima de dos polvos de aleación, siendo el primer polvo, denominado
"polvo de base", un polvo de superaleación, y siendo el segundo
polvo, un polvo de soldadura de aleación
Ni-Co-Si-B cuya
temperatura de líquido es inferior a la temperatura de sólido de las
piezas mecánicas y del polvo de base.
La temperatura de fusión relativamente baja del
polvo de soldadura está asegurada por su contenido en Si y/o en
B.
En lo que sigue del presente documento se designa
por "elemento fundente" un elemento tal como, por ejemplo, de
modo no limitativo, el silicio o el boro, que disminuye
sensiblemente la temperatura de sólido de la aleación en la cual
está introducido.
La operación de
soldadura-difusión se realiza a una temperatura tal
que el polvo de soldadura funde y, colándose entre los granos del
polvo de base, permite hacer disminuir muy rápidamente la porosidad
y obtener una capa de unión compacta independientemente del volumen
de polvo puesto en práctica.
La aplicación de la temperatura se mantiene
después para hacer difundir el elemento o los elementos fundentes B
y Si. La homogeneización de la composición resultante de tal
difusión hace subir la temperatura de líquido de las zonas fundidas
que se solidifican durante el mantenimiento de temperatura,
continuando la difusión en estado sólido.
Al final de la operación de
soldadura-difusión resulta una estructura homogénea
y densa con ausencia de discontinuidad entre las piezas que hay que
ensamblar.
El mismo documento EP 0 075 497 da varios
ejemplos de aplicación a superaleaciones a base de níquel o a base
de cobalto.
En uno de los ejemplos, se trata de
reacondicionar un álabe fijo de turbina de aleación a base de
cobalto KC25NW de acuerdo con la designación AFNOR fisurada por
fatiga térmica.
Para esto, se aplica en la fisura previamente
limpiada y/o agrandada una pasta que contiene íntimamente mezclados
el polvo de base de superaleación de Co, el polvo de soldadura de
aleación Ni-Co-Si-B
y un aglutinante volátil.
El aglutinante del tipo solución de resina
acrílica en el monómero de ésta es eliminado por pirólisis durante
el tratamiento de soldadura-difusión a 1.200ºC.
El documento EP 0 075 497 prevé, también, que en
lugar de una pasta pueda aplicarse una banda o una cinta obtenidas
por laminado de una mezcla íntima de polvos de base y de soldadura y
de resina acrílica.
La patente EP 0 075 497 prevé, igualmente, que
pueda añadirse una pieza elemental de forma simple en forma de una
pieza en bruto presinterizada obtenida a partir de la mezcla de los
polvos de base y de soldadura, asegurando la superficie de la pieza
en bruto presinterizada la función de capa de unión.
La patente cita como aplicación, especialmente,
el taponamiento de agujeros en el soporte del núcleo en los álabes
huecos de una turbina de aleación NK15CADT según la designación
AFNOR obtenida por fundición. Para esto, se introduce en el agujero
un tapón constituido por una pieza en bruto presinterizada que
contiene un 75% en peso de polvo de base de aleación NK17CDAT según
la designación AFNOR y un 25% en peso de polvo de soldadura de
aleación Ni-Co-Si-B
y se realiza una autosoldadura a 1.200ºC durante 15 minutos.
La utilización del procedimiento descrito en esta
patente está sometida, no obstante, a un cierto número de
limitaciones.
La utilización de pastas o de cintas que
contengan, además de los polvos de base y de soldadura, un
aglutinante que es necesario descomponer y del cual hay que eliminar
los productos de descomposición durante la
soldadura-difusión, impone utilizar hornos capaces
de eliminar grandes cantidades de gas procedente de la pirólisis del
aglutinante. Tales hornos están mal adaptados para la operación de
soldadura-difusión, que se efectúa a 1.200ºC y,
generalmente, en vacío.
Otro problema que hay que resolver es la
realización de piezas elementales en forma de piezas en bruto
presinterizadas.
La conformación de las piezas en bruto puede
estar prevista por compactación uniaxial en frío, pero este
procedimiento no permite realizar formas muy esbeltas o delgadas de
densidad homogénea a causa de los rozamientos entre los granos de
polvo o entre los granos y las paredes de la matriz de compactación.
Además, para limitar estos rozamientos, se utilizan lubricantes del
tipo estearato de cinc o similares como aditivo de los polvos; estos
lubricantes son susceptibles de introducir cinc en la pieza en
bruto, siendo este elemento perjudicial para el mantenimiento en
servicio de las superaleaciones.
De hecho, se utilizan otros procedimientos de
conformación de las piezas en bruto, tales como la proyección por
plasma sobre un substrato en rotación y el recorte por láser de
cintas.
La proyección por plasma permite realizar piezas
en bruto de forma tubular de revolución por proyección de polvo
metálico sobre un mandril cilíndrico giratorio. Tal procedimiento
tiene un rendimiento muy pequeño, siendo proyectado,
aproximadamente, un 90% del polvo proyectado fuera del mandril
giratorio, lo que grava considerablemente el coste de realización de
las piezas en bruto, habida cuenta del coste extraordinariamente
elevado de los polvos metálicos proyectados. Además, este
procedimiento no asegura bordes netos en el extremo de la pieza en
bruto, lo que necesita recortes y aumenta todavía más el coste de
estas piezas.
El recorte por láser de cintas obtenidas por
colada de barbotina, eliminación del disolvente y sinterización
permite obtener solamente piezas planas de espesor relativamente
pequeño. Sin embargo, los residuos resultantes del recorte por láser
son importantes y representan los 2/3 del material puesto en
práctica.
práctica.
La consolidación de piezas en bruto
presinterizadas autosoldantes obtenidas por metalurgia de polvos,
está descrita en la patente US 4.937.042 que se refiere a la
realización de piezas fijas de rozamiento frente a las aletas de
turbinas de gas. Las piezas en bruto están constituidas por una
mezcla de un primer polvo de superaleación de tipo
M-Cr-Al o
M-Cr-Al-Y que no
contiene Si y un segundo polvo de tipo
M-Cr-Al-Si que
contiene, aproximadamente, un 10% en peso de Si, siendo Si el
elemento fundente, y representando M el elemento Co o el elemento Ni
o una combinación de estos dos elementos. Las piezas en bruto son
presinterizadas a una temperatura inferior a la temperatura de
sólido del segundo polvo.
La consolidación efectuada por una
presinterización de este tipo es muy limitada, habida cuenta de la
poca capacidad de sinterización de las superaleaciones. Las piezas
en bruto así obtenidas son, por tanto, poco manipulables.
En la presente invención se ha buscado realizar
piezas de forma destinadas a ser ensambladas por autosoldadura a
piezas metálicas receptoras, pudiendo ser estas piezas de forma de
formas muy diversas, incluso complejas, y de características
dimensionales relativamente precisas y siendo obtenidas por un
procedimiento de metalurgia de polvos de alto rendimiento, es decir,
que la relación entre la masa de la pieza de forma obtenida y la
masa de polvos metálicos puesta en práctica para hacer esto es
próxima a 1.
Se ha buscado, también, realizar piezas de forma
de densidad relativa controlada próxima a 1 cuya densidad es
homogénea en el volumen de la pieza y no contiene elementos nocivos
o "venenos" para las características de desgaste de estas
piezas.
Se ha buscado, también, realizar piezas de forma
macizas relativamente esbeltas cuya relación longitud/anchura es,
por ejemplo, al menos igual a 5, y piezas de forma huecas
relativamente delgadas cuya relación diámetro/espesor es, por
ejemplo, al menos, igual a 10.
El problema de base de la invención es, por
tanto, concebir un procedimiento de realización de piezas de forma
que permita un ensamblaje por autosoldadura a las piezas receptoras
que sea más eficaz que en la técnica anterior, especialmente, en el
procedimiento conocido por el documento EP 0 075 497.
Este procedimiento pone en práctica dos polvos
metálicos, un primer polvo denominado "polvo de base" que
permite obtener las características metalúrgicas deseadas y un
segundo polvo denominado "polvo de soldadura" de aleación que
comprende un elemento fundente con un contendido tal que la
temperatura de líquido del polvo de soldadura sea inferior a la
temperatura de sólido del polvo de base, no comprendiendo el polvo
de base en su composición química adición voluntaria de elemento
fundente.
La composición química del polvo de base puede
obtenerse, eventualmente, a partir de una mezcla de polvos.
La composición química del polvo de base y la del
polvo de soldadura permiten definir una temperatura de autosoldadura
que es superior a la temperatura de líquido del polvo de soldadura e
inferior a las de sólido del polvo de base y de la pieza
receptora.
El procedimiento de acuerdo con la invención
comprende la sucesión de etapas siguientes:
a) se prepara una mezcla homogénea de polvo de
base, de polvo de soldadura y de un aglutinante líquido o en estado
fundido, en la cual la composición química del polvo de base
corresponde a una superaleación a base de Ni, de Co o de Fe y la del
polvo de soldadura a una aleación a base de Ni, de Co o de Fe en la
cual el elemento fundente es el Si y/o el B.
Se entiende, aquí, por aglutinante un
constituyente o un conjunto de constituyentes que permiten aglutinar
entre sí los granos de polvos metálicos para formar una mezcla de
apariencia homogénea.
En lo que sigue del presente documento, el
aglutinante puede comprender aditivos destinados, por ejemplo, a
facilitar la dispersión, la puesta en suspensión de los polvos
metálicos o a mejorar otras características de la mezcla.
El calificativo "líquido" en el aglutinante
comprende el estado fundido y corresponde a circunstancias diversas
que pueden estar caracterizadas por su viscosidad.
El aglutinante es elegido para poder tomar
consistencia cuando se desee. Se entiende por esto tomar un estado
capaz de retener una forma, al contrario, por ejemplo, que el estado
líquido.
b) se inyecta la mezcla así preparada en un molde
de la pieza de forma que hay que realizar aplicando a la citada
mezcla una resina apropiada.
La geometría del molde está adaptada a la de las
piezas de forma que hay que realizar habida cuenta de las
variaciones dimensionales resultantes de este procedimiento,
variaciones dimensionales que el experto en la técnica sabe prever
por su experiencia o tener en cuenta a partir de ensayos
preliminares.
El moldeo se mantiene en estas condiciones de
temperatura, de presión de inyección y de tiempo tales que se
realice en él la toma de consistencia del aglutinante.
c) una vez hecho consistente el aglutinante, se
extrae del molde la pieza en bruto moldeada.
d) se elimina el aglutinante de la pieza en bruto
moldeada por un medio o por una combinación de medios apropiados
conocidos, tales como, por ejemplo, medios físicos, térmicos o
químicos. Esta etapa se denomina de eliminación del aglutinante y la
pieza en bruto que se obtiene en ella se denomina desprovista de
aglutinante.
e) en la pieza en bruto desprovista de
aglutinante se realiza un tratamiento de sinterización destinado a
densificarla hasta una densidad relativa, al menos, igual al 95%
pero inferior al 100%, siendo llevado el sinterizado a una
temperatura superior a la temperatura de líquido del polvo de
soldadura, pero inferior a la temperatura del tratamiento de
autosoldadura posterior.
La condición sobre la temperatura mínima de
sinterización permite asegurar un sinterizado en fase líquida
necesario para obtener piezas de forma de densidad relativa próxima
a la unidad incluso en el caso de polvos de base cuya capacidad de
sinterización es pequeña, permitiendo una densidad elevada después
de la sinterización limitar la evolución dimensional durante la
autosoldadura.
La condición sobre la temperatura máxima de
sinterización permite asegurar la formación de una cantidad
suficiente de fase líquida durante la autosoldadura para ensamblar
de manera segura la pieza de forma a la pieza receptora.
Las condiciones de autosoldadura propiamente
dichas son conocidas por el experto en la técnica de este tipo de
ensamblaje.
La sucesión de etapas del procedimiento de
acuerdo con la invención, a saber, preparación de una mezcla
inyectable, moldeo, extracción, eliminación del aglutinante,
sinterización, corresponden esquemáticamente a las de un
procedimiento de moldeo por inyección de materiales metálicos
pulverulentos, procedimiento designado por MIM, abreviatura de
"Metal Injection Moulding".
Variantes de tales procedimientos MIM están
descritas, por ejemplo, en las patentes US 4.197.118, WO 88/07902 y
WO 88/07903.
Las técnicas MIM descritas en estas patentes
registradas hace de 10 a 20 años son utilizadas para realizar piezas
acabadas de densidad relativa próxima a la unidad y el experto en la
técnica no estaba incitado hasta ahora en modo alguno a traspasar
estas técnicas para realizar componentes que presenten
características opuestas a las características asociadas a los
productos obtenidos con técnicas MIM, siendo los productos obtenidos
por el procedimiento de acuerdo con la invención
"semiacabados", no densificados completamente, y destinados a
sufrir una fusión parcial durante su puesta en práctica.
Ventajosamente, el procedimiento de acuerdo con
la invención se aplica a polvos metálicos de base de superaleaciones
a base de Ni, de Co o de Fe. El polvo de soldadura es, entonces, una
aleación de Ni, de Co o de Fe en la cual el elemento fundente es el
Si, el B o estos dos elementos a la vez.
Preferentemente, en el caso en que el elemento Si
se utilice solo o en combinación como fundente, el polvo de
soldadura contiene de un 2% a un 12% de Si en peso.
Preferentemente, en el caso en que el elemento B
se utiliza, solo o en combinación, como fundente, el polvo de
soldadura contiene del 1% al 5% de B en peso.
Preferentemente, la aleación de polvo de
soldadura se elige entre la lista siguiente de aleaciones:
Ni-Si, Ni-B,
Ni-Co-Si,
Ni-Co-B,
Ni-Co-Si-B,
Ni-Cr-Al-Si,
Ni-Co-Cr-Al-Si,
Ni-Cr-B,
Ni-Co-Cr-B.
En la aleación del polvo de soldadura, los
elementos no especificados se encuentran en contenidos habituales
habida cuenta de las materias primas utilizadas y de los
procedimientos de elaboración de la aleación.
Preferentemente, el porcentaje ponderal de polvo
de soldadura con respecto al conjunto de los dos polvos metálicos
está comprendido entre el 5% y el 40% y depende de la naturaleza de
estos dos polvos.
Preferentemente, también, la carga de polvos
metálicos es, al menos, del 50% en volumen en la mezcla realizada
con el aglutinante.
Como se indicó anteriormente, de acuerdo con la
invención pueden ponerse en práctica, ventajosamente, diversas
variantes del procedimiento MIM.
El mecanismo de toma de consistencia de la pieza
en bruto en el molde puede ser, según una primera variante del
procedimiento de acuerdo con la invención, un cambio físico de
estado líquido-sólido del aglutinante, obtenido por
mantenimiento del molde a una temperatura inferior a la temperatura
del citado cambio de estado.
Naturalmente, la temperatura del molde se elige
de manera que se realice una solidificación del aglutinante a pesar
de eventuales fenómenos de sobrefusión y teniendo en cuenta la
influencia de la presencia de eventuales aditivos en el
aglutinante.
De acuerdo con una subvariante de esta primera
variante del procedimiento de acuerdo con la invención, el
aglutinante puede ser, o comprender, una resina termoplástica,
siendo preparada, entonces, la mezcla
aglutinante-polvos metálicos a una temperatura
superior a la temperatura de fusión del aglutinante e inyectada en
el molde, igualmente, a una temperatura superior a esta temperatura
de fusión.
De acuerdo con otra subvariante de esta primera
variante del procedimiento de acuerdo con la invención, el
aglutinante puede ser un sistema acuoso o no acuoso líquido a
temperatura ambiente y la mezcla preparada con los polvos metálicos
es inyectada en un molde enfriado a una temperatura situada por
debajo de la temperatura de solidificación del aglutinante.
La etapa de eliminación del aglutinante comprende
en esta subvariante una operación de liofilización o de sublimación
del aglutinante.
De acuerdo con otra variante del procedimiento de
acuerdo con la invención, el aglutinante es una resina
termoendurecible y el mecanismo de toma de consistencia del
aglutinante es una polimerización acelerada de la resina, por
ejemplo, en un molde calentado.
De acuerdo todavía con otra variante del
procedimiento de acuerdo con la invención, el aglutinante es
susceptible de una reacción sol-gel que se pone en
práctica durante la etapa de moldeo. La etapa de eliminación del
aglutinante comprende, entonces, una operación de puesta en solución
del aglutinante o de sus constituyentes esenciales.
Ventajosamente, en estas diferentes variantes del
procedimiento de acuerdo con la invención, la etapa de eliminación
del aglutinante puede comprender una operación de puesta en solución
de, al menos, un componente del aglutinante por acción química de un
disolvente de este o de estos componentes.
Cuando el aglutinante comprende un polímero, la
etapa de eliminación del aglutinante puede comprender,
ventajosamente, una operación de despolimerización del citado
polímero por acción química y/o catalítica de un agente
específico.
Ventajosamente, también, la etapa de eliminación
del aglutinante puede comprender más de una operación, siendo la
operación final una operación de eliminación de aglutinante
térmica.
De manera muy ventajosa, en este caso, la
operación de eliminación de aglutinante térmica continúa hasta una
temperatura que asegure un principio de consolidación o
"presinterización" de los polvos metálicos. Esta
presinterización permite manipular sin riesgo de rotura las piezas
en bruto desprovistas de aglutinante antes de someterlas a la etapa
de sinterización destinada a densificarlas.
En lo que sigue del presente documento, el
térmico "sinterización" está reservado a la operación que
transforma las "piezas en bruto" desprovistas de aglutinante en
piezas de forma autosoldantes de pequeña porosidad, sabiendo que,
durante la autosoldadura, el proceso físico de sinterización y de
eliminación de la porosidad residual continúa en las piezas
de
forma.
forma.
Preferentemente, para permitir la
presinterización de las piezas en bruto desprovistas de aglutinante,
la eliminación de aglutinante térmica finaliza a una temperatura
situada en el intervalo de fusión del polvo de soldadura y de modo
muy preferente, en el semiintervalo inferior.
De modo muy preferente, también, la etapa de
sinterización se realiza a una temperatura comprendida,
aproximadamente, 50ºC por debajo de la temperatura de la operación
posterior de autosoldadura.
Opcionalmente, la operación de eliminación de
aglutinante térmica y la etapa de sinterización pueden realizarse
después en el mismo horno sin retorno al ambiente entre estas dos
operaciones o etapas.
Las piezas de forma obtenidas después de la
sinterización tienen dimensiones muy regulares, que no necesitan, o
solamente necesitan muy poco, retoque dimensional por mecanizado
para poder ajustarse a las piezas receptoras y realizar un
ensamblaje autosoldado sólido.
Debido a la eliminación forzada del aglutinante
durante la eliminación del aglutinante, las piezas de forma
obtenidas por el procedimiento de acuerdo con la invención no
contienen elemento químico distinto a los que constituyen los polvos
metálicos puestos en práctica.
La presente invención cubre también un
procedimiento de ensamblaje de las piezas de forma autosoldantes
obtenidas por el procedimiento de fabricación de acuerdo con la
invención a piezas receptoras que son componentes de superaleación
de turbinas de gas aeronáuticas o terrestres.
De acuerdo con este procedimiento de ensamblaje,
la aleación de la que está constituido el polvo de base, se elige
por su compatibilidad con la superaleación de las piezas receptoras
y la pieza de forma se preensambla a la pieza receptora
disponiéndola en contacto, o con una holgura pequeña, con la pieza
receptora. Esto impone, eventualmente, condiciones conocidas sobre
la forma y las dimensiones de la pieza de forma y de las partes
situadas frente a la pieza receptora.
El preensamblaje entre estas dos piezas se
realiza, entonces, a una temperatura superior a la temperatura de
líquido del polvo de soldadura e inferior a la temperatura de sólido
del polvo de base y de la pieza receptora para realizar la
autosoldadura.
Preferentemente, y especialmente durante la
aplicación del procedimiento a la reparación de piezas, el
tratamiento de autosoldadura va seguido directamente o después de
retorno al ambiente, de un tratamiento de difusión destinado a hacer
difundir los elementos químicos y, especialmente, el elemento o los
elementos fundentes, y a homogeneizar la estructura de la zona
reparada.
Las figuras que siguen ilustran, sin ser en modo
alguno limitativas, un ejemplo de pieza de forma y ejemplos de
puesta en práctica de los procedimientos de fabricación y de
ensamblaje de acuerdo con la invención.
La fig. 1 muestra una pieza de forma autosoldante
del tipo de casquillo anular de superaleación.
La fig. 2 es un esquema de las etapas de una
primera variante del procedimiento de fabricación de acuerdo con la
invención del casquillo de la figura 1, variante que pone en
práctica una resina termoplástica.
La fig. 3 es un esquema de las etapas de una
segunda variante del procedimiento de fabricación de acuerdo con la
invención del casquillo de la fig. 1, variante que pone en práctica,
igualmente, una resina termoplástica.
La fig. 4 es un esquema de las etapas de una
tercera variante del procedimiento de fabricación de acuerdo con la
invención del casquillo de la fig. 1, variante que pone en práctica
un aglutinante líquido a temperatura ambiente.
La fig. 1 muestra un casquillo tubular 1
autosoldante de superaleación a base de níquel.
Su diámetro exterior D es del orden de 12 mm y su
espesor e es del orden de 0,6 mm. Se trata, por tanto, de una pieza
delgada de relación D/e elevada, del orden de 20. Su altura h es del
orden de 10 mm.
Estando destinado este casquillo a ser
autosoldado en un agujero ciego de un álabe de turbina de gas
aeronáutica de superaleación de designación comercial René 77
(aleación de Ni del tipo NK15CDAT), la tolerancia de su diámetro
exterior es muy estrecha, del orden de algunas centésimas de mm, de
manera que el casquillo se centre perfectamente, para limitar sus
distorsiones geométricas durante la autosoldadura y para facilitar
su unión con la pieza receptora, a saber el álabe de turbina.
El casquillo 1 se fabrica en superaleación a base
de níquel por el procedimiento de metalurgia de polvos de acuerdo
con la invención, con la ayuda de dos polvos metálicos, un polvo A
de base y un polvo B de soldadura.
El polvo A de base es un polvo de aleación
conocido, de designación comercial Astroloy (NK17CDAT de acuerdo con
la designación AFNOR). Este material es totalmente compatible con la
superaleación René 77 del álabe, especialmente, desde el punto de
vista de la temperatura de sólido y de características
mecánicas.
La temperatura de sólido del polvo A de base es
de 1.240ºC. Su temperatura de líquido es de 1.280ºC.
El polvo de soldadura B utilizado para realizar
la sinterización de Astroloy y la autosoldadura con el álabe es un
polvo de aleación
Ni-Co-Si-B que
contiene, en peso, el 17% de Co, el 4% de Si, el 2,7% de B.
La temperatura de sólido del polvo B de soldadura
es de 965ºC. Su temperatura de líquido es de 1.065ºC y es inferior a
las temperaturas de sólido del polvo A de base y de la del
álabe.
Estos datos permiten definir una temperatura de
autosoldadura de 1.200ºC que es superior a la temperatura de líquido
del polvo de soldadura, pero que es inferior a la temperatura de
sólido del álabe de René 77 y del polvo A de Astroloy.
La fig. 2 describe una primera variante de puesta
en práctica del procedimiento de acuerdo con la invención.
Los dos polvos metálicos A y B son polvos de
granos esféricos atomizados con argón y su granulometría es inferior
o igual a 53 \mum.
Estos dos polvos metálicos A y B son premezclados
entre sí en atmósfera inerte. El premezclado de los dos polvos
metálicos A y B es designado por (A+B).
La proporción ponderal entre el polvo A de
Astroloy y el polvo B de soldadura es de 3/1, lo que corresponde a
un porcentaje ponderal del 25% de polvo B en el premezclado (A+B) de
los dos polvos
metálicos.
metálicos.
De acuerdo con esta primera variante, se prepara
una mezcla pastosa de los dos polvos metálicos premezclados (A+B)
con un aglutinante L fundido, aproximadamente, a 180ºC en un
mezclador en gas inerte.
El aglutinante L está constituido por una mezcla
de cera C y de resina termoplástica R, por ejemplo, del tipo
polietileno o polipropileno.
La carga volúmica de polvos metálicos (A+B) en la
mezcla es del 70%.
La mezcla homogénea obtenida es enfriada y molida
para constituir gránulos.
Los gránulos obtenidos pueden ser manipulados y
almacenados sin problema a temperatura ambiente, estando los granos
de polvos metálicos revestidos de aglutinante solidificado.
En la etapa siguiente de
moldeo-inyección, los gránulos son introducidos en
el tornillo de Arquímedes de una prensa del tipo de las utilizadas
para moldear por inyección objetos de material sintético, siendo
calentado el tornillo de Arquímedes, aproximadamente, a
180ºC-200ºC de manera que se funde el aglutinante de
los gránulos y se obtiene una pasta metálica cuya viscosidad está
comprendida entre 10^{4} cP y 10^{7} cP y que por ello es apta
para ser inyectada por el tornillo de Arquímedes en un molde.
El molde, realizado de acero de herramientas,
está compuesto por dos partes en apoyo una sobre otra por un plano
de unión, delimitando estas dos partes cuando son puestas en
contacto una cavidad anular o huella en la cual es inyectada la
pasta metálica con la ayuda del tornillo de Arquímedes.
Las dimensiones de la huella del molde son las
del casquillo que hay que realizar, salvo un coeficiente,
experimentando la pieza en bruto variaciones dimensionales durante
las operaciones posteriores de fabricación, especialmente, una
contracción durante la sinterización.
En el caso de los casquillos de la fig. 1, la
huella tiene, así, dimensiones iguales a 1,15 x las del
casquillo.
La contracción puede ser no isótropa; para
definir las dimensiones del molde, se aplican, entonces,
coeficientes de contracción diferentes según las direcciones.
El experto en la técnica sabe prever estas
variaciones dimensionales, eventualmente, con la ayuda de algunos
ensayos preliminares destinados a tener en cuenta la influencia,
especialmente, de las características de los polvos metálicos y del
aglutinante utilizados, de la carga de polvos metálicos en la mezcla
y de las condiciones de sinterización.
El molde es mantenido a la temperatura del orden
de 45ºC, para permitir, a la vez, un buen relleno de la huella y la
solidificación de la pasta metálica, aproximadamente, en 1
minuto.
Una vez solidificada la pieza en bruto, se
separan las dos partes del molde y se extrae la pieza en bruto de la
huella.
La construcción del molde debe tener en cuenta la
exigencia de poder extraer las piezas en bruto moldeadas sin
dañarlas, pero la consideración de esta exigencia es conocida en el
ámbito del moldeo-inyección.
La etapa siguiente del procedimiento de acuerdo
con la fig. 2 es la eliminación del aglutinante, que se realiza en
dos operaciones sucesivas.
Una primera operación es una eliminación del
aglutinante química DCS por acción de un disolvente que es el hexano
y que disuelve la cera del aglutinante. Esta eliminación del
aglutinante se realiza en fase vapor y en fase líquida por
inmersión.
La segunda operación de eliminación del
aglutinante realizada es una eliminación de aglutinante térmica DT
en un horno, en atmósfera de hidrógeno.
Esta segunda operación comprende, en primer
lugar, una subida de temperatura y un mantenimiento a
400ºC-500ºC, a la que se efectúa la pirólisis de la
resina termoplástica no disuelta por el hexano.
La pirólisis en medio hidrógeno no deja casi
ningún residuo del aglutinante.
La pieza en bruto en este momento es
extremadamente porosa, ocupando los poros el volumen dejado libre
por la salida del aglutinante. Los granos de polvos metálicos
solamente tienen entre ellos una pequeña cohesión, lo que hace que
la pieza en bruto sea sensible a los choques y poco manipulable.
La temperatura se sube, entonces, en el horno
para la eliminación de aglutinante térmica, hasta 1.000ºC para
realizar una presinterización de las piezas en bruto desprovistas de
aglutinante. A esta temperatura, superior a la temperatura de sólido
del polvo B de soldadura (965ºC) y situada a un 1/3 de su intervalo
de fusión, el polvo B se funde parcialmente y la fase líquida
obtenida de B se infiltra en la superficie de los granos de polvo no
fundidos, especialmente, los del polvo A de base, formando puentes
metálicos entre los granos y realizando, así, una consolidación de
la estructura.
Las piezas en bruto son mantenidas a 1.000ºC
durante, aproximadamente, 10 minutos y enfriadas hasta la
temperatura ambiente.
Una presinterización a una temperatura más baja,
ligeramente inferior a la temperatura de sólido del polvo B de
soldadura, por ejemplo, a 950ºC, no permitiría la formación de los
puentes metálicos y las piezas en bruto serían demasiado frágiles
para poder ser manipuladas después, habida cuenta de su espesor muy
pequeño, inferior al mm.
Una presinterización a una temperatura superior a
1.000ºC implicaría la formación de demasiada fase líquida en el
estado del presintetizado.
Una subida relativamente lenta a 1.000ºC
contribuye, igualmente, a la calidad de la presinterización. Una
velocidad de subida del orden de 500ºC/h es satisfactoria.
Después de esta operación de eliminación de
aglutinante térmica, las piezas en bruto se introducen en el horno
de sinterización, que es un horno al vacío.
La sinterización se realiza por una subida en
etapas hasta 800ºC, y después una subida hasta 1.150ºC, o sea una
temperatura situada por encima de la temperatura de líquido del
polvo B de soldadura y 50ºC por debajo de la temperatura prevista
para la autosoldadura de los casquillos al álabe de René 77.
Los casquillos son mantenidos 15 minutos a
1.150ºC. Estas condiciones son suficientes para obtener una
densificación forzada de las piezas a más del 96%, conservando un
potencial suficiente de formación de fase líquida durante la
autosoldadura.
Después de un enfriamiento a la temperatura
ambiente acelerado por introducción de argón en el horno, los
casquillos anulares son controlados, y eventualmente retocados por
rectificación, si, especialmente, su diámetro exterior es demasiado
grande para su utilización.
La fig. 3 describe una segunda variante para
fabricar los casquillos anulares de la fig. 1.
Se prepara una mezcla homogénea de los dos polvos
metálicos (A+B) premezclados con un aglutinante L fundido, que esta
vez está constituido por una resina termoplástica, el poliacetal,
siendo la carga de polvos metálicos del 65% en volumen en la
mezcla. Esta mezcla es granulada como en la primera variante.
Como en la primera variante, los granulados son
recalentados hasta una fusión del aglutinante e inyectados en el
molde de una prensa de moldeo-inyección.
Después de su extracción del molde, las piezas en
bruto moldeadas solidificadas sufren una eliminación del aglutinante
catalítica DC a 110ºC con la ayuda de HNO_{3} gaseoso.
Este agente despolimeriza el poliacetal que se
transforma en monómero gaseoso, el formaldehído, el cual es
evacuado.
Esta etapa de eliminación del aglutinante
catalítica permite eliminar casi en la totalidad el aglutinante, no
siendo necesaria por ello la operación de eliminación de aglutinante
térmica.
La pieza en bruto desprovista de aglutinante es
sinterizada después directamente en un horno al vacío a 1.150ºC como
en la primera variante.
La fig. 4 describe una tercera variante para
fabricar los casquillos anulares de la fig. 1.
Se prepara esta vez una mezcla de los mismos
polvos metálicos (A+B) premezclados con un aglutinante L que es
líquido a temperatura ambiente.
Este aglutinante L puede ser un sistema acuoso o
no acuoso.
En el caso de utilización de un sistema acuoso,
el constituyente principal del aglutinante es el agua, mejorando
aditivos al agua la dispersión y la puesta en suspensión de los
granos de polvos metálicos, permitiendo acondicionar la viscosidad
de la mezcla a temperatura ambiente o teniendo una función
crio-protectora. La solicitud de patente WO 88/07902
describe tales sistemas acuosos.
La barbotina metálica así constituida con el
sistema acuoso L y una carga del orden del 60% de polvos metálicos
(A+B), tiene una viscosidad que va de 10^{3} cP a 10^{4} cP y
puede ser conservada en recipientes cerrados antes del
moldeo-inyección.
La operación de moldeo-inyección
es realizada, entonces, en un molde de acero de herramientas
enfriado a -40ºC o a una temperatura inferior.
La patente EP 587 483 describe una prensa de
inyectar tales barbotinas y, especialmente, la cabeza de inyección
de la prensa.
La patente EP 626 224 describe un dispositivo
para realizar el moldeo de tales barbotinas a las temperaturas
inferiores al ambiente sin hacer que se forme escarcha en la
superficie de la huella o del plano de junta del molde.
La utilización de un sistema no acuoso como
alternativa a un sistema acuoso está descrita en la solicitud de
patente WO 88/07903.
Puede utilizarse, por ejemplo, ciclohexano con
aditivos tales como un dispersante de los polvos metálicos y un
coloide para acondicionar la viscosidad de la mezcla.
El molde es mantenido en este caso a una
temperatura del orden de -20ºC.
Sea el aglutinante L un sistema acuoso o no
acuoso, los témpanos metálicos extraídos del molde después de la
solidificación de la barbotina son conservados a baja temperatura y
sometidos después a eliminación del aglutinante en dos
operaciones.
La primera operación de eliminación del
aglutinante es una operación conocida de liofilización, siendo
eliminados el agua o el ciclohexano por sublimación durante esta
operación.
La segunda operación de eliminación del
aglutinante es una eliminación de aglutinante térmica que permite
quemar los aditivos al agua o al ciclohexano que no han sido
eliminados durante la liofilización.
Esta eliminación de aglutinante térmica se
realiza de la misma manera que en el caso de la variante de la fig.
2 y permite, igualmente, presintetizar las piezas en bruto obtenidas
subiendo hasta 1.000ºC al final.
La etapa de sinterización se realiza, igualmente,
de la misma manera que en la variante de la fig. 2.
Naturalmente, el procedimiento de fabricación de
piezas de forma autosoldantes de acuerdo con la invención no está
limitado a las variantes descritas anteriormente.
Los resultados obtenidos en el casquillo anular
de la fig. 1 fabricado de acuerdo con la invención por la variante
de la figura 2 son los siguientes:
- Densidad absoluta del casquillo sinterizado:
7,83, o sea una densidad relativa del 98%.
- Contenido de carbono del casquillo = 0,03%,
- Tamaño de granos = nº 6,5 de acuerdo con la
especificación ASTM E112,
- Desviación típica del diámetro interior = 0,01
mm,
- Desvío medio de circularidad en el diámetro
interior.
El desvío de circularidad se toma igual a la
diferencia entre diámetro máximo y diámetro mínimo en una misma
sección.
El desvío medio se toma igual a la media de los
desvíos en un mismo lote de piezas.
El desvío medio de circularidad en el diámetro
interior medido al 25% de la altura del casquillo es igual a 0,02
mm.
El desvío medio de circularidad en el diámetro
interior medido al 75% de la altura del casquillo es igual a 0,03
mm.
Se describe ahora rápidamente el procedimiento de
ensamblaje de acuerdo con la invención con la ayuda del mismo
ejemplo.
En el álabe de turbina de superaleación René 77
se realiza un taladro de diámetro muy preciso, con una tolerancia
de, por ejemplo, algunas centésimas de mm, y se retoca si es
necesario el diámetro exterior del casquillo de la figura 1 para
permitir su inserción con fuerza en el taladro del álabe.
Este preensamblaje con fuerza se lleva, entonces,
en vacío, a 1.200ºC, se mantiene 15 minutos a esta temperatura, y se
enfría a temperatura ambiente.
Se puede controlar, entonces, la calidad del
ensamblaje obtenido.
Se puede realizar, también, un tratamiento de
difusión en estado sólido de 2 h a 1.200ºC, sea en el horno de
autosoldadura, o posteriormente después del retorno a la temperatura
ambiente.
Puede realizarse, finalmente, un tratamiento
térmico de calidad en el ensamblaje realizado.
Claims (22)
1. Procedimiento de fabricación por metalurgia de
polvos de piezas de forma del tipo de las destinadas a ser
ensambladas por autosoldadura a una temperatura determinada a piezas
metálicas receptoras de superaleación, poniendo en práctica el
citado procedimiento de fabricación dos polvos metálicos,
- un primer polvo de aleación denominado "polvo
de base" que permite obtener las características metalúrgicas
deseadas y que no comprende substancialmente elemento fundente,
- y un segundo polvo denominado "polvo de
soldadura" de aleación que comprende, al menos, un elemento
denominado fundente con un contendido tal que la temperatura de
líquido de la aleación del polvo de soldadura es inferior a la
temperatura de sólido de aleación del polvo de base,
siendo elegidos los citados polvos de base y de
soldadura para que la temperatura de líquido del polvo de soldadura
sea inferior a la temperatura de autosoldadura y que la temperatura
de sólido del polvo de base sea superior a la temperatura de
autosoldadura,
comprendiendo el citado procedimiento de
fabricación las etapas siguientes:
a) preparación de una mezcla homogénea de polvo
de base, de polvo de soldadura y de un aglutinante líquido, o en
estado fundido, en la cual la composición química del polvo de base
corresponde a una superaleación a base de Ni, de Co o de Fe y la del
polvo de soldadura a una aleación a base de Ni, de Co, o de Fe en la
cual el elemento fundente es el Si y/o el B y en la cual el
aglutinante es elegido para poder tomar consistencia en estas
condiciones,
b) moldeo-inyección de la citada
mezcla en un molde de la pieza de forma que hay que realizar, siendo
mantenido el moldeo en condiciones de temperatura, de presión y de
tiempo tales que se realice la toma de consistencia del
aglutinante,
c) extracción del molde de la pieza en bruto
moldeada,
d) eliminación del aglutinante,
e) sinterización de la pieza en bruto a una
temperatura superior a la temperatura de líquido del polvo de
soldadura, pero inferior a la temperatura del tratamiento de
autosoldadura posterior, de manera que se obtiene una pieza de forma
apta para la autosoldadura cuya densidad relativa es, al menos,
igual al 95%, pero inferior al 100%.
2. Procedimiento de fabricación de piezas de
forma de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado
porque la aleación del polvo de soldadura contiene del 2% al 12% de
Si en peso.
3. Procedimiento de fabricación de piezas de
forma de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2,
caracterizado porque la aleación del polvo de soldadura
contiene del 1% al 5% de B en peso.
4. Procedimiento de fabricación de piezas de
forma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque la aleación del polvo de soldadura se
elige entre la lista de las aleaciones siguientes:
Ni-Si, Ni-B,
Ni-Co-Si,
Ni-Co-B,
Ni-Co-Si-B,
Ni-Cr-Al-Si,
Ni-Co-Cr-Al-Si,
Ni-Cr-B,
Ni-Co-Cr-B.
5. Procedimiento de fabricación de piezas de
forma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque el porcentaje ponderal de polvo de
soldadura en el conjunto de los dos polvos metálicos está
comprendido entre el 5% y el 40%.
6. Procedimiento de fabricación de piezas de
forma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque la carga de polvos metálicos en la
mezcla con el aglutinante es de, al menos, del 50% en volumen.
7. Procedimiento de fabricación de piezas de
forma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque la toma de consistencia del aglutinante
en el molde es un cambio físico de estado
líquido-sólido del aglutinante obtenido por
mantenimiento del molde a una temperatura inferior a la temperatura
del citado cambio de estado.
8. Procedimiento de fabricación de piezas de
forma de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado
porque el aglutinante comprende una resina termoplástica.
9. Procedimiento de fabricación de piezas de
forma de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado
porque el aglutinante es un sistema acuoso o no acuoso líquido a
temperatura ambiente y porque la etapa de eliminación del
aglutinante comprende una operación de liofilización o de
sublimación del constituyente principal del aglutinante.
10. Procedimiento de fabricación de piezas de
forma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque el aglutinante comprende, esencialmente,
una resina termoendurecible y porque la toma de consistencia del
aglutinante en el molde se obtiene por polimerización de la citada
resina.
11. Procedimiento de fabricación de acuerdo con
una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado
porque la toma de consistencia del aglutinante durante la etapa de
moldeo se obtiene por una reacción sol-gel de la que
es susceptible el citado aglutinante, y porque la etapa de
eliminación del aglutinante comprende una operación de puesta en
solución del gel obtenido.
12. Procedimiento de fabricación de piezas de
forma de acuerdo con la reivindicación 9, o de acuerdo con la
reivindicación 10, caracterizado porque la etapa de
eliminación del aglutinante comprende una operación química de
puesta en solución de, al menos, un componente del aglutinante por
acción de un disolvente de este componente o de estos
componentes.
13. Procedimiento de fabricación de piezas de
forma de acuerdo con la reivindicación 8 o de acuerdo con la
reivindicación 10, caracterizado porque, comprendiendo el
aglutinante un polímero, la etapa de eliminación del aglutinante
comprende una operación de despolimerización de éste.
14. Procedimiento de fabricación de acuerdo con
una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado
porque la etapa de eliminación de aglutinante consiste en, o
comprende al final, una operación de eliminación de aglutinante
térmica.
15. Procedimiento de fabricación de acuerdo con
la reivindicación 14, caracterizado porque la operación de
eliminación de aglutinante térmica continúa hasta una temperatura
que asegura una presinterización de las piezas en bruto desprovistas
de aglutinante.
16. Procedimiento de fabricación de acuerdo con
la reivindicación 15, caracterizado porque la sinterización
finaliza a una temperatura situada en el intervalo de fusión del
polvo de soldadura.
17. Procedimiento de fabricación de acuerdo con
las reivindicaciones 15 ó 16, caracterizado porque la
sinterización finaliza a una temperatura situada en el semiintervalo
inferior de fusión del polvo de soldadura.
18. Procedimiento de fabricación de acuerdo con
una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado
porque la operación de eliminación de aglutinante térmica y la etapa
de sinterización son realizadas a continuación en el mismo horno sin
retorno a la temperatura ambiente entre estas dos operaciones o
etapas.
19. Procedimiento de fabricación de acuerdo con
una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado
porque la etapa de sinterización se realiza a una temperatura de,
aproximadamente, 50ºC por debajo de la temperatura de ensamblaje de
las piezas de forma por autosoldadura.
20. Procedimiento de ensamblaje de piezas de
forma autosoldantes obtenidas de acuerdo con el procedimiento de
fabricación objeto de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19,
a piezas receptoras de superaleación, en el cual las piezas
receptoras son componentes de turbinas de gas aeronáuticas o
terrestres, en el cual el polvo de base del que están constituidas
las citadas piezas de forma es de aleación compatible con la
superaleación de las citadas piezas receptoras, en el cual las
citadas piezas de forma tienen formas y dimensiones que permiten su
preensamblaje a las citadas piezas receptoras, y en el cual se
realiza una autosoldadura de las piezas de forma a las piezas
receptores a una temperatura superior a la temperatura de líquido
del polvo de soldadura e inferior a la temperatura de sólido del
polvo de base y de la pieza receptora.
21. Procedimiento de ensamblaje de acuerdo con la
reivindicación 20, caracterizado porque el tratamiento de
autosoldadura va seguido directamente, o después del retorno al
ambiente, de un tratamiento de difusión en estado sólido.
22. Procedimiento de reparación de turbinas de
gas de acuerdo con las reivindicaciones 20 ó 21,
caracterizado porque las piezas receptoras son de aleación de
designación comercial René 77, porque las piezas de forma son de
aleación de designación comercial Astroloy, y porque el tratamiento
de autosoldadura se realiza a 1.200ºC.
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