ES2301140T3 - Pieza metalica tratada por puesta en compresion de sus capas y procedimiento para obtener dicha pieza. - Google Patents

Abstract

Pieza metálica que incluye al menos una primera zona (73) tratada por puesta a compresión de las capas por debajo de la superficie de ésta, poniéndose a compresión al menos una primera capa por granallado, caracterizada porque incluye una segunda capa subyacente más profunda puesta a compresión por choques láser.

Description

Pieza metálica tratada por puesta en compresión de sus capas y procedimiento para obtener dicha pieza.

La presente invención se refiere a una pieza metálica según el preámbulo de la reivindicación 1. Se refiere al ámbito del tratamiento de piezas metálicas por puesta a compresión de capas subyacentes en la superficie de las piezas y en particular el ámbito de las turbomáquinas aeronáuticas, para las cuales se aplica una técnica de este tipo para mejorar la duración de vida de las piezas sometidas a fuertes tensiones tanto mecánicas como térmicas. Se tratan así en particular los álabes, los discos de rotor o los discos con álabes monobloque. La invención se refiere también a un procedimiento de tratamiento para obtener una pieza metálica según la invención, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 12.

Se conoce varias técnicas de puesta a compresión de las capas internas de piezas metálicas. La puesta a compresión de éstas consiste, según una primera técnica clásica, en un martilleo mediante granalla esférica, que tiene por objeto crear tensiones residuales en la superficie y en las capas inferiores de las piezas metálicas. Esta tensión de compresión contempla retrasar la aparición de grietas o volver a cerrar los esbozos de fisura existentes. Con ello se provoca una mejora de su comportamiento mecánico. Se utiliza bolas de un material duro tal como el vidrio, una cerámica o bien acero que se proyecta a gran velocidad sobre la superficie de las piezas a tratar. La proyección se hace en una máquina de turbina o por impulsión en un flujo gaseoso, aire, o por medio de una boquilla por ejemplo. El gas se somete a una expansión y se introducen las bolas en el flujo creado por la expansión.

Bajo la acción del martilleo de las bolas, la superficie, habiendo supera el límite de elasticidad se deforma, creando una capa subyacente de metal a compresión. Estas tensiones de compresión mejoran así la resistencia a la fatiga, la resistencia a la corrosión y el coeficiente de rozamiento. El choque de las bolas crea tensiones de compresión en el metal hasta una determinada profundidad.

Según esta técnica, las profundidades a compresión llegan hasta 150 \mum, con tensiones de compresión del orden de 400 a 500 MPa en superficie y 500 a 600 MPa a profundidades del orden de 50 \mum.

En las solicitudes de patente EP 1.208 942 (base para los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 12) o EP 1.207.013, a nombre del solicitante, se describe otra técnica de granallado de pretensado que aplica los ultrasonidos (en lo sucesivo denominada granallado por US), y consiste en poner bolas en movimiento en forma de una niebla de bolas creada, en un recinto estanco que contiene la pieza a tratar, por la superficie activa de un sonotrode excitado por medios de producción de oscilaciones ultrasónicas. Según esta técnica, las profundidades puestas a compresión llegan hasta 300-400 \mum con tensiones de compresión residual del orden de 500 a 600 MPa en superficie y de 700 a 900 MPa a profundidades de 50 a 100 \mum. Globalmente, el granallado por ultrasonidos induce unas tensiones de compresión sensiblemente más intensas y a profundidades mayores que el granallado por chorros de gas.

En la presente, se designa por el término "granallado", un granallado por choques mecánicos, cubriendo el término granallado el granallado con ayuda de bolas puestas en movimiento bien por proyección bajo chorro de gas o bien por vibraciones ultrasónicas o incluso el galeteado.

Según otra diferente técnica de granallado, la puesta a compresión se efectúa por choques láser; se puede tratar profundidades más importantes con niveles de compresión más elevados. Las profundidades a compresión son del orden de 0,5 a 1,5 mm, pero pueden alcanzar varios milímetros, con unas tensiones de compresión residual del orden de 350 a 1000 MPa. Globalmente, el tratamiento por choques láser induce tensiones de compresión residual en unas profundidades de dos a tres veces mayores que el granallado por US por ejemplo, con unos niveles de tensiones comparables. Este procedimiento por choques láser es de aplicación relativamente pesada. La aplicación del láser requiere el revestimiento de las superficies a tratar con un revestimiento ablativo, pintura o cinta adhesiva cuya ablación por pulverización bajo el efecto del haz láser 25 produce la onda de choque en el origen de la puesta a compresión del material tratado. Esta onda es confinada por un material que cubre el revestimiento ablativo y transparente al haz láser. Se trata generalmente de una cortina de agua. El láser debe ser capaz de entregar una densidad de potencia del orden de 10 GW/cm^{2} con duraciones de impulso del orden de diez a treinta nanosegundos (10 ns a 30 ns) y una frecuencia de disparo comprendida entre menos de un Hertzio y algunos Hertzios.

Los impactos de choques láser tienen una forma redonda, cuadrada, elíptica u otra eventualmente, cubriendo una superficie del orden de una decena de milímetros cuadrados (en particular, de 10 a 20 mm^{2}). Los impactos se repiten tres o cuatro veces en cada punto para tratar toda la gama de profundidades y alcanzar gradualmente los niveles más elevados de tensión previstos. Sin embargo a cada impacto del láser, se pulveriza el revestimiento sobre la superficie del punto láser (ver un poco más adelante), siendo por tanto necesario renovar el revestimiento ablativo a cada disparo.

Además, no se puede barrer en una única secuencia toda la superficie a tratar con puntos láser, y eso tanto menos cuanto se haya destruido el revestimiento por el impacto láser más allá de la superficie del punto. Así pues, según la técnica anterior. El tratamiento de una superficie dada requiere una serie de tres o cuatro barridos. El tratamiento de una superficie dada se efectúa por recubrimiento parcial de los impactos para no dejar superficies entre impactos que no se tratarían. Se trata la superficie efectuando un barrido por hileras de puntos espaciados y reiterando varias veces el barrido con un ligero desfase de las hileras de puntos para alcanzar todos los puntos de la superficie.

Eso implica también una renovación del revestimiento cada vez. De ello se deduce que para el tratamiento de una superficie dada, se ve obligado a renovar el revestimiento hasta doce veces (véase por ejemplo el procedimiento descrito en el documento EP 0 794 264). La aplicación de esta técnica es pues larga y compleja y por lo tanto costosa. Se prefiere por tanto limitar la extensión de las zonas a tratar.

En el caso de una álabe, este último tratamiento se aplica en las zonas situadas en el borde de la pala como el borde de ataque o de fuga. Éstas son las más expuestas a los daños generados por impactos de partículas que tienen una fuerte acción erosiva o de cuerpos extraños que pueden causar una deformación local, un desgarro o grietas. Sin embargo, otras partes de la pala no están libres de daños. Se constata, por ejemplo, la presencia de zonas rayadas en la superficie intradós.

Por las razones mencionadas anteriormente, no sería ventajoso económicamente tratar una superficie extensa de la pala por choques láser.

La invención tiene pues por objetivo una pieza y un álabe en particular, todas cuyas partes de superficie susceptibles de dañarse más o menos fuertemente, en particular por cuerpos extraños y agentes de erosión, se traten por puesta a compresión de las capas inferiores de superficie pero cuya fabricación permanezca a un costo aceptable.

Por otra parte, se constata que las zonas tratadas por un martilleo tan intenso como los choques láser inducen localmente unas tensiones (tensiones de tracción) en su periferia, que equilibran el conjunto de las tensiones. Sería pues deseable poder reducir los efectos de estas tensiones de tracción evitando fuertes gradientes de tracción y alejando las zonas a tracción de las zonas sensibles.

Se llega a estos objetivos de acuerdo con la invención con una pieza metálica según la reivindicación 1.

La puesta a compresión de la segunda capa puede también tener por efecto aumentar la intensidad de las tensiones de compresión residual en la primera capa, si estas tensiones se obtienen por granallado clásico y las son del orden de 300 a 500 MPa. En el caso del granallado previo por ultrasonidos estas tensiones son aproximadamente de 700 a 800 MPa, y no son aumentadas o lo son poco por el choque láser.

En el caso de una álabe de turbomáquina dicha zona se extiende ventajosamente a lo largo del borde de ataque, del borde de fuga y/o del vértice de la pala. Resultan afectados en particular los álabes llenos de compresor como los álabes de soplante en los turborreactores con soplante. La invención no se limita no obstante a los álabes de turbomáquinas, se aplica también a los rotores, en particular, a los discos de rotor y más concretamente a los discos con álabes monobloques.

La solución de la invención resulta de la observación según la cual el tratamiento de compresión por granallado, en particular con ultrasonidos, puede proporcionar unos niveles de tensiones residuales comparables a las obtenidas por los choques láser aunque éstas sólo se creen en una profundidad menor. Al combinar la puesta a compresión por granallado, menos costoso, con la puesta a compresión por choques láser, se obtiene un producto que es globalmente más económico desde el punto de vista de su fabricación.

La pieza preferiblemente dispone de una segunda zona diferente de dicha primera zona que se pone a compresión por granallado solamente. Más concretamente, el granallado es un granallado de tipo con ultrasonidos.

La invención se refiere igualmente a un procedimiento de tratamiento para obtener una pieza metálica según la invención, tal como se define en la reivindicación 12.

En particular, se trata en una primera etapa, dicha primera zona junto con una segunda zona diferente de la primera por granallado luego, en una segunda etapa, se trata la primera zona solamente por choques láser.

Preferiblemente las dos zonas son adyacentes, creando así un gradiente progresivo de tensiones residuales. Contrariamente a las piezas que comprenden zonas tratadas por choques láser bordeadas por zonas adyacentes no puestas a compresión, no se crean porciones limítrofes sometidas a un brusco salto de tensiones y susceptibles de ver aparecer grietas. Por otra parte, se evita la aparición de deformaciones en piezas tales como los álabes delgados generadas por estos cambios bruscos de tensiones.

La reducción del recubrimiento de los impactos láser presenta igualmente una ventaja en cuanto a las deformaciones generadas por el tratamiento por choques láser. En efecto, se constató que el nivel de las distorsiones causadas en un álabe de compresor, por ejemplo, es tanto más elevado cuanto mayor es el recubrimiento de los impactos. Se informa de esto, por ejemplo en la patente US 5.531 570. La reducción del nivel de recubrimiento favorecida por la invención es por tanto beneficiosa también en este plano.

La presente solicitud tiene por objeto cubrir también un disco de rotor de turbomáquina, en particular un disco con álabes, monobloque que incluye álabes según la invención. También cubre una turbomáquina que incluya álabes según la invención y en particular un turborreactor dotado de álabes de compresor según la invención.

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Otras características y ventajas se describen en la descripción siguiente de un procedimiento de realización de la invención, a la cual se anexan los dibujos con las siguientes figuras:

La figura 1 es una representación esquemática de un álabe de turbomáquina;

La figura 2 es una vista en corte según la dirección AA del álabe de la figura 1 que muestra la superficie tratada por granallado;

La figura 3 es una vista de un álabe que muestra zonas tratadas por granallado y por choques láser, de acuerdo con la invención;

La figura 4 es una vista en corte según la dirección BB del álabe de la figura 3 que muestra las capas subyacentes a la superficie puestas a compresión por granallado y por choques láser, de acuerdo con la invención;

La figura 5 es una ilustración de la puesta a compresión por choques láser;

La figura 6 muestra una secuencia de barrido de los impactos del haz láser en el tratamiento.

Como se ve en la figura 1, un álabe 1 comprende un pie 3 una plataforma 5 y una pala 7. El álabe se monta por el pie 3 a la periferia de un disco de rotor en un alojamiento apropiado. La plataforma garantiza la continuidad del conducto anular por el cual se guía el flujo gaseoso. La pala 7 de forma aerodinámica es barrida por el flujo gaseoso. Es esta parte del álabe la que se somete a las solicitaciones exteriores y que tienen un efecto sobre la duración de su vida. Los bordes de ataque BA y de fuga BF se someten eventualmente a choques violentos tales como los de cuerpos extraños ingeridos por el motor y que percuten los álabes de soplante. Estos impactos pueden tener un efecto en profundidad en las zonas de borde de la pala. Otros impactos tales como los de partículas erosivas son más superficiales pero se encuentran en zonas más extensas de la pala en forma de rayas y abrasiones. Las tensiones residuales generadas por el martilleo contribuyen a limitar los daños, las propagaciones de grietas y a aumentar el resistencia a la fatiga. Tienen por objeto mantener la duración de vida de la pieza.

De acuerdo con la invención, en primer lugar la pieza es tratada por un granallado sobre una superficie extensa que corresponde al menos en parte pero preferiblemente al conjunto de las zonas susceptibles de ser dañadas. Este tratamiento es ventajosamente un granallado por ultrasonidos. Se ha representado esquemáticamente la zona 71 tratada por esta técnica. Se extiende por el intradós de la pala entre el borde de ataque BA y el borde de fuga BF. Se extiende en pieza por el extradós de la pala aguas abajo del borde de ataque BA. El grosor de la capa puesta a compresión es de cerca de 0,3 mm por debajo de la superficie, más generalmente del orden de 0,2 mm. El nivel de tensiones residuales alcanzado a esta profundidad es del orden de 400 a 500 MPa.

Para llegar a este resultado se describe a continuación un ejemplo de aplicación del granallado por US sobre una aleación de titanio TA6V. Se ponen en movimiento unas bolas en acero 100C6 de diámetro 1,5 mm. por un sonotrode vibrante a una frecuencia ultrasónica con una amplitud de 85 micras. El porcentaje de recubrimiento contemplado es del 400%, la duración del tratamiento de 52 S. Las tensiones de compresión obtenidas alcanzan hasta 700 MPa y se extienden sobre una profundidad de 250 a 300 micras.

A continuación se procede al tratamiento por choques láser en las zonas que se someten a las tensiones más fuertes que son BA y BF, en particular, y también el vértice eventualmente. Aquí esta zona 73 se limita a la región del borde de ataque BA en una distancia determinada aguas abajo.

A continuación se recuerda, en relación con la figura 5, el principio de esta técnica.

La pieza a tratar 100 se reviste con una capa llamada ablativa 102 y se aplica el haz láser pulsado 104 sobre la pieza a través de una capa de confinamiento 106.

Las diferentes etapas del procedimiento son las siguientes:

1)

Preparación de la capa ablativa 102 por aplicación de una pintura o de una cinta adhesiva. Eventualmente la ablación puede hacerse directamente sobre la superficie metálica.

2)

Aplicación de la capa de confinamiento 104 que es por ejemplo una cortina de agua o una placa de vidrio.

3)

Disparos por láser 106. Los impactos tienen una forma de disco redondo, elíptico o de otro tipo, de superficie del orden de 10 mm^{2}. Los impactos son cercanos los unos a los otros pero sin recubrimiento de tal modo que siempre correspondan a una zona virgen de la capa ablativa. La pieza y la cabeza de focalización láser se animan con un desplazamiento relativo.

4)

Retirada de las partes de la capa ablativa no vaporizadas; limpieza de la superficie.

5)

Aplicación de una nueva capa ablativa.

6)

Reanudación del ciclo en el punto 2).

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La capa ablativa es vaporizada 108 por el rayo láser y confinada por la capa de confinamiento. A esto sigue la formación de una onda de choque 110 que se propaga en el material metálico poniéndolo así a compresión.

Estas operaciones forman una secuencia que debe repetirse 10 a 12 veces en el procedimiento de la técnica anterior de martilleo por choques láser para cubrir la superficie afectada con el número deseado de recubrimiento de los impactos.

Se reduce el número de operaciones de acuerdo con la invención tratando por choques láser una zona previamente tratada por granallado, en particular, granallado por US. Este granallado previo se practica de modo que las tensiones de compresión residuales sean aproximadamente de 500 a 700 MPa a una profundidad de 0,2 - 0,3 mm por debajo de la superficie de la pieza.

Se ha representado en la figura 6 un ejemplo de distribución de los impactos en la pieza. Los primeros impactos I1 son discos tangentes; la segunda pasada de impactos I2 está constituida por discos también tangentes con un desfase de un rayo a la vez transversal y longitudinalmente con relación al sentido de la marcha SM.

El tratamiento de la invención requiere menos impactos láser puesto que las zonas tratadas ya implican una capa que presenta tensiones de compresión residual con la misma intensidad que las producidas por los choques láser. Al no ser nulo el nivel de las tensiones de compresión entre dos impactos vecinos, no es necesario su perfecto recubrimiento. De ahí se llega a un número reducido de pasadas así como de renovaciones de revestimiento. El tiempo de tratamiento puede reducirse en un 40 a un 50%.

El tratamiento de puesta a compresión va seguido, dado el caso, por una operación de pulido mediante acabado por vibración o por abrasión, en particular, por medio de una cinta abrasiva o de una pasta abrasiva. Se tiene en cuenta que en este caso la aplicación de un revestimiento no es necesaria, dado que se realizó la ablación directamente sobre la superficie metálica.

El tratamiento se aplica en nuevas piezas pero conviene también a los álabes reparados por recarga de material.

Claims (13)

1. Pieza metálica que incluye al menos una primera zona (73) tratada por puesta a compresión de las capas por debajo de la superficie de ésta, poniéndose a compresión al menos una primera capa por granallado, caracterizada porque incluye una segunda capa subyacente más profunda puesta a compresión por choques láser.

2. Pieza según la reivindicación 1, una segunda zona (71) de la cual, diferente de dicha primera zona, se pone a compresión por granallado solamente.

3. Pieza según la reivindicación anterior, cuyas dos zonas (71,73) son adyacentes.

4. Piezas según una de las reivindicaciones anteriores, cuyo granallado es de tipo por ultrasonidos.

5. Pieza según la reivindicación 1, cuya capa puesta a compresión por granallado tiene un grosor de 0,2 a 0.3 mm.

6. Pieza según la reivindicación anterior, cuyas tensiones residuales de la primera capa están comprendidas entre 500 y 700 MPa.

7. Álabe de turbomáquina (1) que forma una pieza según una de las reivindicaciones 1 a 6, cuya dicha primera zona (73) se extiende al menos en parte a lo largo del borde de ataque (BA), de su borde de fuga (BF) y/o de su vértice.

8. Disco de rotor de turbomáquina que incluye álabes (1) según la reivindicación 7.

9. Disco de rotor según la reivindicación 8, caracterizado porque es un disco con álabes monobloque.

10. Compresor que incluye álabes (1) según la reivindicación 7.

11. Turbomáquina que incluye álabes (1) según la reivindicación 7.

12. Procedimiento de tratamiento para obtener una pieza metálica según una de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende una primera etapa de tratamiento de dicha primera zona (73) por granallado caracterizado porque dicha primera etapa de tratamiento va seguida de un tratamiento de dicha zona (73) por choques láser.

13. Procedimiento según la reivindicación anterior según el cual, se trata juntas dicha primera zona (73) y una segunda zonas (71) diferente de la primera por granallado, luego se trata la primera zona (73) solamente por choques láser.