ES2331307T3 - Procedimiento de reparacion de piezas metalicas concretamente de alabes de turbina de motores de turbinas de gas. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de reparación de una pieza metálica de un motor de turbina de gas que comprende una capa (93CC, 94CC) anti-desgaste conformada mediante el aporte de material por soldadura de un material anti-desgaste sobre una parte de su superficie sometida a un desgaste por rozamiento y en la que dicha capa está parcialmente desgastada, que comprende una etapa de rectificado de la citada capa por medio de una muela (M) colocada de forma que elimine un espesor (P) del material determinado con respecto a la cota inicial de la superficie (93C, 94C) de la citada capa, en la cual se deja que quede en al menos una parte del fondo de la zona rectificada, una traza (T) de la citada capa anti-desgaste, y una etapa en la cual se deposita por soldadura una nueva capa de material anti-desgaste.

Description

Procedimiento de reparación de piezas metálicas concretamente de álabes de turbina de motores de turbinas de gas.

El presente invento se refiere a piezas metálicas y concretamente a los álabes de turbinas de gas. En concreto, el invento tiene como objetivo la reparación de partes de álabes que están revestidas por una capa de un material anti-desgaste para resistir a los esfuerzos debidos a los grandes rozamientos producidos durante el funcionamiento del motor. El procedimiento de reparación se aplica a los álabes móviles del rotor o a los álabes fijos del distribuidor.

Un álabe móvil de turbina comprende un pie por el cual dicho álabe está fijado al disco del rotor, una plataforma que delimita la corriente de gases y una pala. Según el motor y la etapa de turbina, la pala termina, en su extremo alejado del pie, en un elemento transversal llamado talón que delimita la superficie exterior de la corriente de gases. El talón comprende un borde delantero y un borde trasero orientados transversalmente con respecto al sentido de circulación del gas. Los dos bordes están unidos por dos bordes laterales con los cuales el talón hace contacto con los talones de los dos álabes contiguos en el rotor. Estos bordes laterales tienen un perfil que se denomina en Z: dos porciones axiales están unidas entre sí por una porción sensiblemente transversal.

Con el objetivo de amortiguar las vibraciones a las cuales están sometidos durante el funcionamiento, los álabes se montan sobre el disco con un esfuerzo de torsión alrededor de su eje principal. Los talones están diseñados para que los álabes se vean así sometidos a esfuerzo de torsión al apoyar con sus vecinos a lo largo de las citadas porciones de superficie transversal. Debido a las vibraciones y a los esfuerzos transmitidos entre las dos superficies en contacto, se produce un rozamiento bajo tensión que es un factor importante de desgaste.

Este problema de desgaste se encuentra también en las superficies de contacto de las plataformas internas de los álabes o de los sectores del distribuidor. Los bordes laterales de los álabes o de los sectores contiguos tienen también forma de Z con, en concreto, una porción transversal. Debido a las vibraciones estas partes son el punto principal de desgaste.

El material que constituye el álabe es normalmente poco resistente a estos fenómenos de desgaste en las condiciones de funcionamiento del motor. Para prolongar la vida útil de la pieza se protegen las partes sensibles mencionadas anteriormente, aplicando un material resistente al desgaste. Puede tratarse de plaquitas de aleación específica que tienen una gran dureza que se sueldan al substrato metálico como se describe en la patente US6164916 y que conforman las superficies de apoyo con las piezas vecinas. De acuerdo con otra técnica conocida, para la fabricación de piezas nuevas se procede por aporte progresivo de material sobre la superficie a proteger eventualmente, después de haber eliminado localmente por amolado, hasta una profundidad determinada, el material del substrato, por medio de una varilla de un material anti-desgaste que se funde al mismo tiempo que la capa superior del substrato metálico. Se aporta el calor necesario por medio de una fuente apropiada. Este calor puede ser producido por un arco eléctrico revestido por gas inerte o bien por un rayo láser.

El presente invento se refiere a las piezas que comprenden una superficie resistente al desgaste obtenida mediante aporte de material anti-desgaste por soldadura. Esta técnica se designa en el campo mediante el término "estelitado". De acuerdo con esta técnica se aplica una aleación de base cobalto. Estas aleaciones de cobalto se comercializan por ejemplo bajo la marca "Stellite".

A pesar de la protección otorgada por la capa anti-desgaste, no se puede evitar que se alteren las zonas de contacto debido a los rozamientos y las condiciones severas de funcionamiento. Más allá de un cierto umbral de desgaste, es necesario reparar y restaurar la geometría del álabe. En el caso de álabes de turbina, por ejemplo, si la pérdida de material por desgaste llega a ser demasiado grande, desaparece el esfuerzo de torsión en el álabe dejando paso a los fenómenos vibratorios.

El presente invento tiene por objeto la reparación de piezas de este tipo cuyas zonas anti-desgaste obtenidas por aporte de material están dañadas y eventualmente ya no son funcionales.

De acuerdo con el invento, el procedimiento de reparación de una pieza metálica de un motor de turbina de gas que comprende localmente una capa anti-desgaste de origen, formada mediante el aporte por soldadura de un material anti-desgaste en una parte de su superficie sometida a un desgaste por rozamiento y en la que dicha capa está parcialmente desgastada, está caracterizado por el hecho de que comprende una etapa de rectificado de la capa anti-desgaste por medio de una muela (M) colocada de forma que elimine un espesor (P) de material determinado con respecto a la cota inicial de la superficie (93C, 94C) de la citada capa en la cual se deja que quede en al menos una parte del fondo de la zona rectificada una traza de la citada capa anti-desgaste de origen, y una etapa de depositado por soldadura de una nueva capa de material anti-desgaste.

Preferentemente, el material anti-desgaste es una aleación de base cobalto utilizada normalmente en el campo y adaptada a la aplicación.

Mediante el procedimiento del invento y en concreto mediante la conservación de una traza de material anti-desgaste en el fondo de la zona rectificada, se garantiza una adherencia satisfactoria del material que se aplica posteriormente por soldadura. También se ha comprobado con sorpresa que esta capa intermedia formaba un medio de protección suficiente durante la soldadura para evitar la propagación de defectos en el substrato metálico. Esta protección es particularmente ventajosa en la parte del perfil en Z que está situada en el ángulo entrante entre la porción longitudinal y la porción transversal revestida de material anti-desgaste. Esta parte es crítica puesto que es el punto privilegiado de formación de defectos.

De esta manera, cuando la reparación afecta a una cara de un perfil en Z, la traza se extiende por tanto al menos sobre la zona entrante del perfil. Ventajosamente, se procede al rectificado de la capa de origen, de tal forma que la traza forma una capa intermedia entre el substrato metálico y la nueva capa. En ese caso, después del rectificado, la traza se extiende sobre todo el fondo de la zona rectificada.

El procedimiento se aplica tanto a un álabe móvil como a un álabe estatórico. En concreto, el procedimiento se aplica a un álabe móvil de turbina con talón, en la que el talón tiene un perfil en Z y comprende una picadura en el fondo del perfil. Una picadura de este tipo consiste en un agujero de perfil redondeado en la zona entrante de la Z. Tiene como objetivo impedir el desarrollo de fisuras en esta zona.

Llegado el caso, la muela comprende un perfil en Z. Por ejemplo, la propia muela es rectificada en continuo durante la etapa de rectificado del talón. Mediante esta característica se permite una automatización del proceso de rectificado de las piezas.

El invento tiene también como objetivo un procedimiento que incluye el control, mediante un método no destructivo tal como la inspección por líquidos penetrantes, de la calidad de la reparación y, en concreto, de la presencia o no de defectos.

De acuerdo con otra característica se consigue este objetivo procediendo, antes de depositar una nueva capa de material anti-desgaste, a una etapa de limpieza con el fin de eliminar cualquier depósito de contaminación y/o de oxidación que sea resultado de la utilización de la pieza. En concreto la etapa de limpieza comprende una etapa de limpieza química seguida de una etapa de chorreado con arena.

En efecto, las piezas a reparar han funcionado en entornos que generan depósitos en superficie. Mediante una limpieza apropiada se previene cualquier depósito susceptible de contaminar las paredes del horno durante la etapa de calentamiento al vacío antes de la inspección no destructiva tal como la inspección por líquidos penetrantes.

De acuerdo con otra característica, el chorreado con arena se efectúa con un polvo de granulometría fina, de 40 a 90 \mum, en concreto la granulometría es de 50 \mum. De esta manera se evita dañar el revestimiento de la pala.

De acuerdo con otra característica, aplicándose el procedimiento a un álabe que comprende en su superficie orificios de salida del aire de refrigeración, se insufla aire a través de la pala y el chorreado con arena se efectúa en seco, estando el aire de arrastre a una presión inferior a la del aire insuflado.

Otras ventajas y características del procedimiento se pondrán de manifiesto después de la lectura que sigue de una realización del procedimiento del invento, haciendo referencia a los dibujos, en los cuales:

- la figura 1 representa un álabe de turbina con talón, visto de lado,

- la figura 2 representa un álabe de turbina con talón, visto desde arriba,

- la figura 3 representa una vista ampliada de la parte del talón que comprende una capa anti-desgaste,

- la figura 4 es una representación esquemática de una instalación de rectificado por amolado,

- la figura 5 es una vista lateral de una parte de la figura 4,

- la figura 6 representa el talón del álabe y la muela de acabado en posición.

En las figuras 1 y 2 se ha representado un álabe de turbina utilizado en una etapa de alta presión de un motor sometido a condiciones extremas, como por ejemplo un motor militar. Este álabe comprende un pie 3, una plataforma 5 que conforma un elemento de la pared interna que delimita la corriente de gases que atraviesa la turbina y la pala 7 que es barrida por los gases. La pala 7 es solidaria a un talón 9, que conforma un elemento de la pared externa que delimita la corriente de gases que atraviesa la etapa de turbina en la cual está montado el álabe. La figura 3 muestra el talón 9 visto desde arriba.

En este modelo el talón con forma general de paralelepípedo, comprende una cara 91 situada aguas arriba perpendicular al flujo de gases, una cara 92 situada aguas abajo que es paralela a la primera, y dos caras 93 y 94 laterales que unen a las dos anteriores. En esta figura se ve también el extremo superior de la pala 7 con sus orificios 71, 72 de salida del fluido de refrigeración que ha recorrido las cavidades internas de la pala. Dos lamas 95, paralelas a las caras situadas aguas arriba y aguas abajo, forman una junta de laberinto con la pared del estator contiguo no visible en la figura. La pared 93 lateral del talón comprende dos porciones 93A y 93B longitudinales paralelas entre sí y separadas la una con respecto a la otra. Dichas porciones están unidas por un elemento 93C de pared que forma en este caso un ángulo de 80º con la pared 93B. El conjunto de los tres elementos 93A, 93B y 93C forma un perfil denominado en Z. Este elemento 93C de pared está revestido por una capa 93CC de material anti-desgaste, tal como una aleación al cobalto de la gama de productos comercializados bajo la marca "Stellite". Eventualmente esta capa se ha obtenido, según un procedimiento conocido, por eliminación del substrato metálico hasta una profundidad determinada seguida por aporte de material anti-desgaste. El aporte de material se realiza generalmente por soldadura TIG o láser.

De la misma forma, la pared 94 comprende dos partes 94A y 94B paralelas unidas por una pared 94C transversal. Esta pared está orientada en la dirección opuesta a la de la pared 93C.

Las capas 93CC y 94CC tienen un espesor determinado, del orden de 1 a 3 mm por ejemplo. Después del montaje de los álabes en el rotor, cada talón está apoyado, forzado debido al esfuerzo de torsión aplicado a las palas, en los talones de dos álabes vecinos por medio de los elementos de pared 93C y 94C transversales.

En el ejemplo representado en la figura 2 se ha practicado un mecanizado en arco de círculo, una picadura 93E, en la zona que forma la parte superior del ángulo entrante formado por los dos elementos 93C y 93B. Lo mismo ocurre en la otra cara 94 lateral con la picadura 94E.

La figura 3 muestra la zona de la capa 93CC ampliada. Esta capa, al estar sometida a los esfuerzos de rozamiento explicados anteriormente, se desgasta hasta que, después de un cierto número de ciclos de funcionamiento del motor, la superficie 93C retrocede hasta la 93C' marcada con línea de puntos.

Si el desgaste no es demasiado grande, inferior a una distancia D determinada con respecto a la cota inicial de la superficie 93C, es económicamente rentable reparar el álabe. Este es el objeto del procedimiento del invento.

De acuerdo con una primera etapa, se elimina una parte de la capa 93CC ó 94CC respectiva.

En la figura 4 se ha representado esquemáticamente una instalación que permite realizar esta etapa del procedimiento. La instalación comprende una muela M con perfil en forma de Z complementario al de la cara 93 o 94 respectivamente. Una moleta MO con superficie del tipo revestida con diamante está colocada contra la muela y tiene por función regenerar el perfil. Un carro C se mueve por raíles perpendicularmente al eje de la muela. Este carro sostiene al álabe de tal forma que el desplazamiento del talón 9 sea tangente a la superficie en Z de la muela, con un contacto a una profundidad determinada para la parte 93C ó 94C transversal del perfil. En la figura 6 se observa también el montaje del álabe en el carro C.

En la figura 5, la cual es una vista según la dirección del desplazamiento del carro, se observa que la muela M elimina una cantidad de material de la capa 93CC, 94CC respectiva hasta una profundidad determinada mediante el ajuste de la posición del carro con respecto a la muela. Este ajuste se efectúa por desplazamiento lateral del carro. En la figura 3 se ha representado por medio de una línea de trazos el límite L del corte de la capa por la muela M.

Se determina la profundidad P de la eliminación de material con respecto a la cota inicial de la superficie 93C ó 94C respectiva, de la capa 93CC ó 94CC respectiva en el estado nuevo. Sabiendo que esta capa presenta en el estado nuevo un espesor de, por ejemplo, 3 mm, se elimina el material por amolado hasta una profundidad de 1 mm, sabiendo que P es al menos igual a D, la profundidad de desgaste.

Como se observa en las figuras 3 y 5, queda ventajosamente una traza T en toda la longitud de la capa anti-desgaste. No se ha eliminado el material hasta el substrato metálico. El invento cubre sin embargo el caso en el que se profundice la capa de manera que se deje una traza en sólo una parte del fondo de la zona rectificada. Esta traza constituye una zona de adherencia para la soldadura posterior.

De acuerdo con una característica del invento, se conserva al menos una traza T1 de material anti-desgaste en la parte contigua a la picadura 93E ó 94E respectiva.

La etapa de rectificado comprende también una fase por la cual, llegado el caso, se elimina por amolado el revestimiento de protección del álabe en las cercanías de la zona rectificada para dejar al desnudo el metal que constituye el álabe. Para el talón, se amolan su cara externa y su cara interna en una zona contigua a las capas 93CC y 94CC respectivas.

El procedimiento comprende una etapa de limpieza del álabe. Esta etapa se puede efectuar antes del rectificado de la capa anti-desgaste o bien a continuación de éste.

Los álabes que son seleccionados para la reparación tienen generalmente un depósito de material duro extraño cuya composición, productos de oxidación o contaminantes, depende de las condiciones, especialmente las condiciones ambientales, en las que ha funcionado el motor. Es importante suprimir este depósito antes de pasarlo al horno de vacío puesto que el material que lo constituye contaminaría las paredes de este último y perturbaría los tratamientos posteriores.

Se procede a la limpieza de forma que no se altere el revestimiento protector de pequeño espesor de la pala.

La secuencia de limpieza comprende un desengrasado alcalino, seguido de un decapado químico. Este último se efectúa pasando la pieza por varios baños específicos que son preparados por el experto en la técnica. Los baños comprenden por ejemplo sucesivamente un baño alcalino fuerte, un decalaminado, un baño de permanganato y un baño de ácido débil para neutralizar los ataques alcalinos fuertes.

Se termina la limpieza con un chorreado con arena en seco, al corindón por ejemplo. La granulometría es fina,
50 \mum por ejemplo, para no dañar el revestimiento.

Cuando el álabe comprende orificios de evacuación de aire de refrigeración en la pala, en el caso más general, se insufla, durante la operación de chorreado con arena, aire en el álabe a través de sus cavidades internas para evitar que granos de arena los obturen. Para lograr este objetivo se garantiza que la presión del aire de chorreado sea inferior a la del aire que sale por los orificios de la pala.

La pieza así limpiada y rectificada es conducida hasta el puesto de soldadura, por ejemplo de tipo TIG.

La soldadura se efectúa con un electrodo de tungsteno bajo gas inerte, argón por ejemplo.

El metal de aporte es el mismo que el que constituye la traza de la capa anti-desgaste inicial. Se aplica mediante gotas sucesivas. Se cuentan por ejemplo 6 ó 7 gotas. La forma de la traza, en concreto la de la parte T1, permite no realizar el depósito de material en la zona de la picadura, 93E ó 94E, y evita la formación de defectos.

Una vez terminado el aporte de metal anti-desgaste, se procede a un mecanizado de acabado para devolver la capa al perfil nominal. Se utiliza con este objetivo una muela que presenta un perfil complementario al del talón. En la figura 6 se ha representado, vista a lo largo de la pala, la disposición del talón con respecto a la muela M después del rectificado. Preferentemente, el perfil de esta última coincide con exactitud con el del talón. Se observa en concreto que la muela presenta un reborde que se adapta a la picadura.

Cuando la pieza se ha mecanizado de esta manera y se ha devuelto a la cota inicial, terminan las operaciones de reparación procediéndose a una inspección que tiene el objetivo de revelar la presencia de defectos formados eventualmente por la soldadura, tales como fisuras.

Se prepara la pieza sometiéndola durante un tiempo determinado a un tratamiento térmico en un horno de vacío para relajar las tensiones y, si se da el caso, abrir las fisuras eventualmente formadas.

Se procede a continuación a una inspección por líquidos penetrantes. Este modo de inspección consiste en aplicar un líquido fluorescente, llamado penetrante, sobre la superficie a inspeccionar. Este líquido penetra en el interior de los defectos existentes con forma de fisuras y de porosidades. El exceso de penetrante se elimina mediante lavado. Al iluminar la pieza con una lámpara de luz ultravioleta se hacen visibles los defectos.

Claims (11)

1. Procedimiento de reparación de una pieza metálica de un motor de turbina de gas que comprende una capa (93CC, 94CC) anti-desgaste conformada mediante el aporte de material por soldadura de un material anti-desgaste sobre una parte de su superficie sometida a un desgaste por rozamiento y en la que dicha capa está parcialmente desgastada, que comprende una etapa de rectificado de la citada capa por medio de una muela (M) colocada de forma que elimine un espesor (P) del material determinado con respecto a la cota inicial de la superficie (93C, 94C) de la citada capa, en la cual se deja que quede en al menos una parte del fondo de la zona rectificada, una traza (T) de la citada capa anti-desgaste, y una etapa en la cual se deposita por soldadura una nueva capa de material anti-desgaste.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación anterior, aplicado a un álabe móvil o estatórico.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación anterior, aplicado a un álabe móvil de turbina con talón (9).

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación anterior, aplicado a un álabe móvil en el que el talón (9) con perfil en Z comprende una picadura (93E, 94E) en el fondo del perfil.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación anterior en el que la muela comprende un perfil en Z.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la propia muela (M) es rectificada en continuo durante la etapa de rectificado de la capa.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación anterior, que comprende antes del depósito de una nueva capa de material anti-desgaste, una etapa de limpieza con el fin de eliminar cualquier depósito de contaminación y/o de oxidación resultado de la utilización de la pieza.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que la etapa de limpieza comprende una etapa de limpieza química seguida de una etapa de chorreado con arena.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que el chorreado con arena se efectúa con un polvo de granulometría fina.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación anterior, aplicado a un álabe que comprende en su superficie cavidades u orificios de evacuación del aire de refrigeración, en el cual se insufla el aire a través de la pala y en el que el chorreado con arena se realiza en seco, estando el aire de arrastre a una presión inferior a la del aire insuflado.

11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de inspección no destructiva de la pieza.