ES2886226T3 - Procedimiento para la reparación de materiales monocristalinos - Google Patents

Abstract

Procedimiento de reparación para el recubrimiento de la superficie de un sustrato metálico monocristalino de un componente que comprende una aleación monocristalina con un material de recubrimiento con los siguientes pasos: - se pule la superficie a recubrir, - el sustrato se transfiere a una cámara de vacío, - todo el sustrato se calienta a temperaturas al menos iguales a la mitad de la temperatura de fusión del sustrato en °C, pero por debajo de la temperatura de fusión del sustrato, - el material de recubrimiento se aplica en forma de polvo a la superficie a recubrir mediante la pulverización de plasma al vacío, - utilizándose un polvo con un tamaño medio de partículas comprendido entre 10 y 200 μm, y - presentando el material de recubrimiento una aleación del mismo tipo que el material del sustrato monocristalino, - ajustándose una presión de entre 1 y 200 mbar, y - utilizándose como gas de trabajo una atmósfera de argón con un contenido de hidrógeno del 10 al 50% en volumen, - con lo que se genera directamente en la superficie límite del material de revestimiento y de la superficie del sustrato pulido al menos una zona que presenta la misma orientación monocristalina que el sustrato situado por debajo.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para la reparación de materiales monocristalinos

La invención se refiere al campo de los metales y de las aleaciones y especialmente al campo de las aleaciones de níquel. La invención se refiere en particular a un procedimiento para la reparación de materiales monocristalinos que se utilizan frecuentemente para componentes sometidos a cargas de elevadas temperaturas, por ejemplo, las palas de turbinas de gas estacionarias o de turbinas de aeronaves.

Estado de la técnica

Por la literatura se sabe que la producción de palas monocristalinas de turbinas de gas estacionarias y/o de turbinas de aeronaves es muy costosa y compleja debido a la solidificación direccional y a los procesos especiales de fundición. La orientación de la microestructura creada en los componentes se produce lo largo de la dirección de la tensión axial. Durante su funcionamiento, las palas están expuestas regularmente a una carga térmica elevada y también a una atmósfera corrosiva, lo que provoca un desgaste considerable.

Por el documento EP 2631324 A1 se conoce un procedimiento para el recubrimiento de la superficie de un sustrato monocristalino de un componente de superaleación de níquel, en el que se aplica un material en polvo similar al material del componente mediante pulverización de plasma al vacío. El sustrato se calienta a 600°C y se utiliza una mezcla de argón e hidrógeno como gas de trabajo.

En el documento EP 2110449 A1 se informa sobre la producción de superaleaciones recubiertas, en las que una varilla de una aleación monocristalina se funde al vacío y se solidifica mediante tratamiento térmico. La superficie del sustrato así producido se pule antes del recubrimiento propiamente dicho.

El documento EP 1001055 A1 revela un procedimiento en el que se aplica un revestimiento protector mediante revestimiento láser para proteger un componente de turbina de gas hecho de un material base de superaleación con una estructura monocristalina, y en el que el revestimiento protector crece epitaxialmente sobre el material base, dejándose crecer el revestimiento con una estructura completamente monocristalina.

Por esta razón, existe, por ejemplo, un gran interés en reparar las palas de las turbinas monocristalinas en lugar de fabricar otras nuevas. Para ello, ya se conocen varios procesos de reparación del estado de la técnica, en los que se distingue entre procedimientos para la reparación, por ejemplo, de palas de turbina mediante un proceso de pulverización térmica, otros procedimientos de reparación en los que se utiliza la soldadura y el revestimiento por láser y, por último, procedimientos en los que se produce el crecimiento epitaxial de materiales cerámicos durante un proceso de pulverización térmica.

Por la publicación de Kazuhoro et al. [1] se conoce un procedimiento que puede utilizarse para reparar una pala de turbina defectuosa. Sin embargo, no se produce ningún crecimiento epitaxial en el sustrato monocristalino, por lo que se genera como resultado una microestructura policristalina, que normalmente no presenta las propiedades mecánicas del sustrato original.

En el documento US 5,732,467 A1 se describe además un procedimiento para la reparación de grietas en las superficies exteriores de componentes, que presentan una superaleación que tiene una microestructura direccionalmente orientada. El procedimiento descrito en este documento recubre y sella las superficies exteriores de estructuras direccionalmente solidificadas y monocristalinas mediante el recubrimiento de la zona defectuosa utilizando un proceso de oxicorte de alta velocidad (también denominado en el presente documento HVOF), seguido de un prensado isostático en caliente del componente correspondiente. El objetivo consiste en producir una zona reparada sin grietas sin afectar negativamente a la microestructura monocristalina del resto del componente. Sin embargo, en este caso también se produce una microestructura policristalina en la zona reparada que presenta los inconvenientes mencionados.

Por el estado de la técnica se conoce igualmente un procedimiento de soldadura de Boris Rottwinkel et al [2], en el que, para reparar una grieta por debajo de la zona de la punta de un componente monocristalino, por ejemplo, una pala de turbina, se prevén puntos de fractura de manera que se ahorre tiempo y material para eliminar inicialmente la zona dañada afectada. El punto de fractura debe ser adecuado para la soldadura y al mismo tiempo permitir una dirección de orientación del material recién aplicado, que presente la misma orientación que el resto del material. Para ello se necesita un gradiente de temperatura que fomente la alineación de la orientación. Debido a sus parámetros de proceso específicos, como el pequeño aporte local de energía y la aportación controlada de material, el revestimiento por láser aquí descrito es, en principio, un método apropiado para soldar este tipo de fracturas. Sin embargo, los retos de este procedimiento consisten en conseguir una zona monocristalina perfecta y libre de grietas ya que, debido a una baja distribución de energía inestable, normalmente sólo se pueden producir zonas policristalinas.

Henderson et al [3] describe procedimientos de soldadura automáticos para la fabricación industrial de turbinas de gas. La soldadura de aleaciones de níquel de alta aleación es muy compleja y a menudo muy difícil de aplicar de forma satisfactoria. Por ejemplo, en las pruebas de soldadura para la reparación de ruedas de palas se utilizaron hilos de aleación especial para el relleno. Se siguió un procedimiento estándar de horneado y envejecimiento en el que, sin embargo, aparecieron microfisuras.

Para la reparación de daños en materiales monocristalinos, como los que se encuentran en las palas o los álabes de las turbinas de gas, también se propone un proceso de soldadura [3]. En el caso de la reparación por revestimiento láser (en inglés: Laser Metall Forming (LMF) o Laser Cladding), resulta en principio posible crear estructuras monocristalinas en un sustrato monocristalino. Este método se caracteriza por una mínima aportación de calor al componente durante la acumulación, de modo que se eviten nuevas grietas o la recristalización del material monocristalino.

Con este método se puede mantener además la orientación del material monocristalino de partida más allá de la superficie límite en el material recién aplicado. La optimización de los parámetros de proceso también puede conducir a un crecimiento epitaxial correspondiente en un sustrato monocristalino, por ejemplo, cuando la relación entre el gradiente de temperatura en la zona de soldadura y la velocidad de solidificación es superior a un valor umbral que depende del material.

Sin embargo, hasta ahora la reparación selectiva de grietas no ha sido posible. En la reparación de zonas de mayor tamaño se produce normalmente un aumento de las tensiones debido a la expansión térmica. Además, la bibliografía no ofrece resultados sobre la reparación de las zonas, en las que se encuentran los orificios o las tuberías de refrigeración, mediante este procedimiento. Como consecuencia de los agujeros de enfriamiento, al igual que en el caso de una muesca, se produce un complejo sistema de solidificación. La solidificación cristalina direccional se produce generalmente sólo cuando el flujo de calor es constante y no se perturba. Sin embargo, en presencia de agujeros de refrigeración, este flujo de calor constante suele verse perturbado, lo que da lugar a grietas y/o a una policristalinidad no deseada en esta zona. Por lo tanto, la reparación en esa zona por debajo de la punta de la turbina no suele ser posible con estos procedimientos.

Por consiguiente, mediante los procedimientos de reparación ya existentes, todavía no es posible restaurar la microestructura del material base monocristalino en cada zona del componente a reparar, por ejemplo, una pala de turbina. Esto significa que, aunque sea posible reparar las palas, normalmente éstas no suelen presentar las propiedades mecánicas de las palas nuevas.

En el campo del procesamiento cerámico, Shu-Wie Yao et al [4] han realizado estudios sobre el tema del crecimiento epitaxial durante la solidificación del TiO2 fundido rociado con plasma. Se ha comprobado que una serie de parámetros, como la temperatura de aplicación, la orientación cristalográfica y el sobreenfriamiento de la masa fundida, tienen una influencia significativa en el crecimiento epitaxial. Especialmente la temperatura de la masa fundida determina si se produce una formación de gérmenes heterogénea o un crecimiento epitaxial. El documento impreso demuestra que la solidificación direccional también se ha observado en la pulverización de plasma.

El cometido de la invención se resuelve mediante un procedimiento para la reparación de materiales monocristalinos según la reivindicación principal.

Otras formas de realización ventajosas del procedimiento resultan de las reivindicaciones que se refieren al mismo. Objeto de la invención

En el marco de la invención se ha descubierto que a través del método de pulverización de plasma al vacío se puede generar un crecimiento epitaxial en un material monocristalino (sustrato).

En el marco de la presente invención, el material a reparar, en lo sucesivo denominado como material de sustrato, comprende normalmente un material de aleación metálica, especialmente una aleación a base de níquel o también una aleación a base de cobalto.

Por pulverización de plasma se entiende un proceso de recubrimiento que se realiza con ayuda de un plasma y que no se basa en la polimerización de plasma.

A diferencia de la pulverización de plasma atmosférica, se entiende por pulverización de plasma al vacío un proceso de recubrimiento que se lleva a cabo en una cámara de vacío a una presión de 1 a 200 mbar para evitar la oxidación del material de recubrimiento por el oxígeno atmosférico.

Como material de recubrimiento se utiliza, en el caso ideal, el mismo material que el material del sustrato. Dado que los componentes a reparar, como las palas de turbinas de gas estacionarias y/o las palas de turbinas de aeronaves, suelen ser materiales sometidos a cargas de alta temperatura, se consideran como materiales de recubrimiento especialmente todas las aleaciones metálicas de alta temperatura o incluso las superaleaciones.

Entre las aleaciones de alta temperatura cuentan actualmente sobre toro aleaciones sólidas y de alta resistencia a base de níquel o también aleaciones a base de cobalto. Como superaleaciones se definen generalmente materiales metálicos de composición compleja (a base de hierro, níquel, platino, cromo o cobalto con adiciones de los elementos Co, Ni, Fe, Cr, Mo, W, Re, Ru, Ta, Nb, Al, Ti, Mn, Zr, C y B) para aplicaciones de alta temperatura. En su mayoría son resistentes a la formación de cascarilla y a las altas temperaturas. Su producción puede llevarse a cabo tanto por metalurgia de fusión como por pulvimetalurgia.

En el marco de la invención se ha descubierto que la policristalinidad de las capas metálicas rociadas térmicamente puede suprimirse rociando una aleación al menos del mismo tipo que el material del sustrato monocristalino sobre la superficie de sustrato calentada y pulida a una presión muy reducida y en una atmósfera de argón. En el contexto de la presente invención se entiende por el término "del mismo tipo" que la proporción de elementos de aleación del sustrato y de la capa difieren sólo ligeramente y que presentan una microestructura casi idéntica después del tratamiento térmico.

Se ha comprobado que una baja tasa de solidificación favorece el crecimiento monocristalino orientado del material depositado. La tasa de solidificación dentro de la capa depositada disminuye regularmente con el aumento de la temperatura del sustrato.

Según la invención, las temperaturas del sustrato son tan altas que la tasa de solidificación de las partículas de polvo fundido se reduce en gran medida, pero sin que se alcance la temperatura de fusión del sustrato. Normalmente, se fijan para ello temperaturas del sustrato entre 700 °C y temperaturas justo por debajo de la temperatura de fusión del sustrato utilizado, es decir, por ejemplo, 50 °C por debajo de la temperatura de fusión del sustrato.

La velocidad de solidificación no puede medirse con exactitud en este proceso, lo cual es una desventaja, pero debería ser preferiblemente inferior a 100 mm/s.

La generación de gérmenes no se produce en estas condiciones en cualquier lugar dentro de la capa depositada, sino ventajosamente directamente en la superficie del sustrato, donde se alinea con la orientación predeterminada del monocristal del sustrato. Así, es posible el crecimiento epitaxial de la capa depositada sobre el sustrato.

Preferiblemente, el calentamiento de la zona del sustrato a reparar se realiza mediante un movimiento de meandro de un soplete de plasma sin transporte de polvo sobre la superficie del sustrato.

Adicionalmente se produce un calentamiento de todo el sustrato. El sustrato se puede calentar de diferentes maneras: eléctricamente, inductivamente o por radiación electromagnética. Ventajosamente, dependiendo de la aleación, todo el sustrato se calienta por lo menos a 700 °C, ventajosamente por lo menos a 800 °C, preferiblemente incluso a unos 1100 °C.

Lo importante en el proceso según la invención es que durante la aplicación de la capa rociada térmicamente el propio sustrato se caliente, pero no a temperaturas a las que el sustrato se funde. Durante el proceso de reparación, el polvo fundido en el plasma se encuentra teóricamente con una superficie de sustrato sólida y pulida, se nuclea allí y se solidifica así ventajosamente en la misma orientación del cristal. Sin embargo, en la práctica, y dependiendo de cómo se lleve a cabo el procedimiento, no se puede descartar que la superficie del sustrato se funda localmente en unos pocas pm.

Este paso del procedimiento debe distinguirse claramente de los procedimientos de reparación conocidos anteriormente, como los procesos de soldadura con láser, en los que a menudo también se funde el propio sustrato al menos en la superficie a reparar.

En la composición del gas de plasma es importante que éste contenga hidrógeno. El hidrógeno provoca condiciones reductoras que suprimen regularmente la oxidación del material del sustrato durante el proceso de calentamiento. Por lo tanto, un gas de plasma adecuado que contenga argón podría presentar un mínimo de 5 NLPM y un máximo de 25 NLMP de hidrógeno con 50 NLPM de argón. NLPM significa litros estándar por minuto y se refiere a un caudal de gas en condiciones estándar (T = 273,15 K). Esto corresponde en este caso a un rango de concentración del 10% en volumen al 50% en volumen de hidrógeno en el gas de plasma argón.

Para la realización del procedimiento se necesitan preferiblemente un sistema de pulverización de plasma al vacío con sistema de transporte de polvo y un dispositivo para el calentamiento de un sustrato (componente) a temperaturas de aproximadamente 700 °C hasta 1300 °C. Es conveniente que la zona a reparar del componente esté pulida.

El proceso de reparación del componente dañado suele comenzar con la eliminación de la capa adhesiva (bondcoat) y de la capa brillante (topcoat) de la capa de barrera térmica mediante ácido fluorhídrico, también llamado stripping (inglés), si están presentes en el material del sustrato. El siguiente paso consiste en identificar los daños críticos y eliminarlos periódicamente, esmerilarlos y pulirlos mediante un proceso de arranque de virutas.

El lijado se puede realizar, por ejemplo, con papel de lija de grano: 320, 640, 1200 y 4000.

El pulido posterior puede llevarse a cabo con una suspensión de diamante sobre un paño suave, utilizando, por ejemplo, primero una suspensión con partículas de diamante con un tamaño medio de partícula de aproximadamente 3 pm y después una suspensión con partículas de diamante con un tamaño medio de partícula de aproximadamente 1 pm. Para la comprobación de la superficie del sustrato pulido se utiliza convenientemente un microscopio de luz. La superficie del sustrato tratado debe estar libre de arañazos.

En el siguiente paso se enmascaran las zonas no dañadas del sustrato.

Ahora la zona eliminada puede ser reconstruida mediante el procedimiento según la invención. Se pueden realizar espesores de capa de aproximadamente 10 pm hasta varios mm. El grosor de la capa durante una sola pasada del quemador de plasma puede ajustarse individualmente y resulta de la velocidad del robot junto con la tasa de transporte de polvo. El grosor total de la capa se obtiene regularmente por medio de múltiples pasadas/pulverizaciones.

Por ejemplo, en una sola pasada se obtiene un espesor de capa de aproximadamente 25 pm. Dependiendo del número de pasadas, la capa puede alcanzar cualquier grosor. Sin embargo, no se debe utilizar una tasa de aplicación demasiado alta para una sola pasada, ya que esto puede tener el inconveniente de aumentar la formación de poros. El pulido entre las transiciones individuales no es necesario.

La aplicación de varias capas también es posible según la invención, siempre que se realice un pulido de la superficie correspondiente entre cada aplicación de capas. Esto puede ser necesario, por ejemplo, si después de una reparación e inspección inicial de una zona se considera necesaria una reparación adicional. En este caso, el sustrato reparado puede volver a pulirse y utilizarse para una nueva reparación.

Dado que la capa aplicada es generalmente de muy baja tensión debido a la alta temperatura de aplicación, no hay límite físico para el espesor máximo de la capa que se puede aplicar a través del procedimiento según la invención. El proceso permite obtener un rango de grosor de capa de unos pocos pm hasta unos 5 mm.

Posteriormente, se procede al acabado y, en su caso, a la restauración de las dimensiones originales de los componentes y al tratamiento térmico, por ejemplo, en forma de recocido por disolución y recocido por precipitación. En función de los requisitos se puede volver a aplicar, en el último paso, una nueva capa de aislamiento térmico y, en caso necesario, se pueden volver a perforar los agujeros de refrigeración.

Por lo tanto, el procedimiento según la invención ofrece ventajosamente la posibilidad de devolver a las palas monocristalinas defectuosas y desechadas su condición de nuevas.

Los parámetros de proceso óptimos se pueden determinar mediante algunas pruebas preliminares realizadas por una persona experta. Dependiendo del material, ya existen modelos CET y/o diagramas de microestructura para este fin como, por ejemplo, para el CMSX-4® ^[5] (véase la figura 1), a los que se puede recurrir.

En resumen, se puede decir que, en el procedimiento según la invención, lo importante es que todo el sustrato o todo el componente se caliente en primer lugar externamente a temperaturas justo por debajo de la temperatura de fusión del sustrato. La temperatura que debe fijarse es específica para cada aleación. El calentamiento adicional por el chorro de plasma es necesario para suprimir la oxidación de la superficie. El hidrógeno contenido en el chorro de plasma crea condiciones reductoras. Las temperaturas pretendidas deben ser lo más altas posible, por lo que es deseable una temperatura de 50 K por debajo de la temperatura de fusión.

La diferencia de temperatura con el resto del sustrato/componente debe ser lo más pequeña posible, ya que la zona a reparar debe presentar convenientemente una distribución de temperatura lo más homogénea posible. Una temperatura elevada del sustrato suele tener un efecto beneficioso en la formación de tensiones residuales. Las tensiones residuales pueden provocar desventajosamente el desprendimiento de la capa aplicada anteriormente. Cuanto mayor sea la temperatura del sustrato, menores serán las tensiones residuales resultantes. En este sentido, una distribución no homogénea de la temperatura del componente durante el proceso de moldeo por inyección aumentaría la susceptibilidad a las tensiones residuales en todo el componente.

La diferencia esencial en el procedimiento según la invención es el calentamiento externo adicional del sustrato. Sólo así es posible conseguir la microestructura deseada con las propiedades mecánicas superiores de las aleaciones monocristalinas y unas tensiones residuales mínimas. En cambio, calentar el componente sólo con la energía introducida del plasma no sería suficiente.

En un diagrama CET (en inglés: Columnar to Equiaxes Transition (CET)) se muestran los efectos de la tasa de solidificación y del gradiente de temperatura registrado en el punto sobre la microestructura resultante del material solidificado.

La figura 2 muestra esquemáticamente un modelo de solidificación para el procedimiento descrito. Las partículas de polvo fundido inciden en la superficie calentada de la muestra a la velocidad v^p . Cerca de la superficie se desarrollan tres zonas de temperatura. La temperatura cerca del sustrato está por debajo de la temperatura de fusión. Allí, las dendritas y la zona interdentrítica ya se han solidificado. Por encima se encuentra una zona de transición en la que sitúa el frente de solidificación y se forman las dendritas. La zona interdentrítica aún no se ha solidificado. En la zona superior de la figura, las partículas fundidas inciden en el sustrato. Aquí la temperatura está por encima de la temperatura de fusión. Además, la figura muestra en el sustrato la gran distancia de brazos de dendritas Aⁱ en el sustrato, que resulta de una velocidad de solidificación muy baja v y de un gradiente de temperatura bajo G (véase el diagrama CET) durante la producción de los sustratos monocristalinos.

Debido a la alta temperatura de las partículas de polvo fundido, el gradiente de temperatura G aumenta y también la velocidad de solidificación v aumenta a causa de la temperatura del sustrato pretendido. Esto conduce a una disminución de la distancia entre los brazos de las dendritas A^{1 capa de reparación}.

Parte especial de la descripción

En lo que sigue, la invención se explica con más detalle a la vista de ejemplos de realización y de algunas figuras, sin que ello suponga una limitación del amplio ámbito de protección.

A continuación, se muestra, a modo de ejemplo, la solidificación direccional del polvo CMSX-4® sobre un sustrato ERBO-1. Estas dos aleaciones son muy similares. La composición exacta puede extraerse de la siguiente tabla. CMSX-4® es una marca registrada para una aleación monocristalina (SC) de Cannon-Muskegon, MI (USA). ERBO/1 es una superaleación monocristalina de segunda generación a base de níquel de la empresa Doncasters Precision Casting, Bochum (Alemania).

Tabla 1:

En primer lugar, se producen a partir de placas ERBO-1 muestras de sustrato con las dimensiones 32 mm x 20 mm x 2,5 mm y un agujero con un diámetro de 1,1 mm y una longitud de 10 mm mediante erosión por chispa. La figura 3 muestra la geometría de la muestra aquí utilizada.

Antes del recubrimiento, las muestras de sustrato se esmerilan y pulen. La superficie se trató en primer lugar sucesivamente con papel de lija de grano 320, 640, 1200 y finalmente con 4000.

El pulido posterior se realizó con un paño suave empapado con una suspensión de diamante. En primer lugar, se utilizó un paño con una suspensión de partículas de diamante con un tamaño medio de partícula de aproximadamente 3 pm y se pulió la superficie en círculo. Posteriormente, se utilizó otro paño con una suspensión de partículas de diamante con un tamaño medio de partícula de aproximadamente 1 pm y se volvió a pulir la superficie.

El examen de la superficie del sustrato así tratado y pulido se realizó con un microscopio óptico. No se detectaron arañazos en la superficie del sustrato.

A continuación, la muestra pulida se montó en un portamuestras calentado. Un dibujo técnico muestra el montaje exacto según la figura 4.

Un calentador plano aislado de SiN 2 con una potencia de 1000 W permite el calentamiento de la muestra 4 hasta 1100 °C al vacío, preferiblemente de 1 a 200 mbar. Encima del calentador 2 se coloca una placa térmica de SiC 3, que garantiza una temperatura más constante de la muestra. El calentador 2, la placa conductora de calor (SiC) 3 y la muestra 4 están rodeados por un aislamiento fabricado 1,5 que reduce la convección. La(s) capa(s) pulverizada(s) se aplica(n) a través de una abertura en la franja 6. La temperatura se controla mediante un regulador y midiendo la temperatura en la muestra con un elemento térmico. Tanto los cables del elemento térmico como los cables de alimentación del calentador se colocan por separado mediante un paso aislado en la cámara de vacío.

El transportador de polvo Sulzer Metco Twin-120-V se llena de polvo CMSX-4® con partículas esféricas con un diámetro geométrico medio de 25 - 60 pm. El tamaño medio de las partículas se determinó por difracción láser utilizando el aparato Horiba LA-950V2 de la empresa Retsch.

Para el polvo con un diámetro medio de partícula de 38,53 mm, el valor D¹⁰ fue, por ejemplo, de 27,70 pm, el valor D⁵⁰ de 39,77 pm y el valor D⁹⁰ de 55,27 pm.

El polvo se almacenó previamente durante 2 horas a 150 °C. Este paso sirve para eliminar el agua del polvo.

Después siguió el proceso de recubrimiento según la invención. Los parámetros de pulverización fijados para ello pueden verse en la tabla 2.

Tabla 2:

Cuando se inicia el proceso de calentamiento, se activa en primer lugar el calentador de muestras. A partir de una temperatura de unos 300 °C, la llama de plasma del F4 - VB de la empresa Oerlinkon Metco fomenta el calentamiento de la superficie del sustrato hasta alcanzar la temperatura de recubrimiento de unos 900 °C.

El hidrógeno contenido en el gas plasma que contiene argón (gas plasma: 50 NLPM de argón y 9 NLPM de hidrógeno) crea condiciones reductoras. De este modo, el oxígeno contenido en el argón puede oxidarse selectivamente sin reaccionar con la superficie del sustrato y sin formar una capa de óxido desventajosa.

Los parámetros seleccionados para el recubrimiento pueden verse en la Tabla 2.

Tabla 2:

Después del recubrimiento, siempre es ventajoso un tratamiento térmico. Por ejemplo, puede ser necesario un tratamiento térmico en solución (en inglés: Solution Heat Treatment (SHT)) para reducir cualquier inhomogeneidad en la estructura del recubrimiento.

El mencionado tratamiento térmico se puede realizar ventajosamente a presión con una prensa isostática en caliente (inglés: Hot Isostatic Press ((HIP)). El tratamiento térmico con presión reduce normalmente los poros de la estructura. La disposición regular de los precipitados y' dentro de la matriz y se consigue regularmente mediante recocido por precipitación. Los precipitados y' son responsables de las muy buenas propiedades mecánicas en el rango de altas temperaturas.

Los desarrollos exactos de las temperaturas de los tratamientos térmicos realizados para este ejemplo de realización se indican a continuación:

Recocido de la solución: 1300 - 1315 °C en una atmósfera protectora durante 6 horas, seguido de un enfriamiento de 150 - 400 °C/min hasta unos 800 °C.

Recocido por precipitación: 1140 ± 10 °C durante 4 horas, seguido de 870 ± 10 °C durante 16 horas en atmósfera protectora.

En las figuras 5a y 5b se representan micrografías electrónicas de barrido de secciones transversales de las muestras tratadas de esta manera, que muestran la solidificación direccional en el sustrato monocristalino. La figura 5a muestra el sustrato monocristalino sobre el que se roció la capa de reparación. La estructura de los granos de la capa policristalina en forma de tallo es un indicio de la solidificación direccional. En la zona de transición entre el sustrato y la capa se aprecia una zona con un color gris similar al del sustrato. Debido al contraste de la orientación del cristal en la imagen de electrones retrodispersados del microscopio electrónico de barrido, esto significa que la orientación del cristal es la misma para el sustrato y la capa en esta misma zona coloreada. La figura 5b muestra una ampliación de esta zona. En la zona de transición del sustrato a la capa no hay óxido. Esto es muy importante para la nucleación del polvo fundido en el sustrato. En el sustrato, los precipitados y' oscuros pueden verse en la matriz y.

Las Figuras 6a y 6b muestran micrografías electrónicas de barrido de secciones transversales de la misma muestra que se recoció en primer lugar por solución y después por precipitación tras el recubrimiento con los parámetros anteriores.

La figura 6a muestra la zona de transición del sustrato monocristalino a la capa de reparación. La línea blanca discontinua indica la antigua superficie límite. Como consecuencia de este tratamiento térmico los granos nucleados en el sustrato monocristalino crecen en la capa policristalina a expensas de los granos pequeños. Al menos en la superficie límite se forma una estructura monocristalina con la misma orientación cristalina que el sustrato. La capa de reparación sólo muestra un ligero aumento de la densidad de poros, que desaparecería con el tratamiento térmico asistido por presión mediante HIP. Los puntos negros más pequeños indican inclusiones de Al2O3, que son el resultado de una ligera oxidación del material de pulverización.

La figura 6b muestra una sección ampliada. En la primera superficie límite, una franja de poros de AbO3 lo indica. Como consecuencia del recocido por precipitación se reduce el tamaño de los precipitados y' en la matriz y y éstos se ordenan cúbicamente. Esta disposición garantiza las mejores propiedades mecánicas posibles de la aleación. La orientación de los precipitados, además del mismo contraste de orientación del cristal, muestra que la cristalinidad única del sustrato continua en la capa de reparación.

Además de los análisis con un microscopio de sonda de barrido, también se tomaron imágenes de difracción de retrodispersión de electrones (inglés: Elektron Backschaften Diffraction (EBSD)) para estas muestras (no mostradas aquí). El recubrimiento aplicado se reconoce por el color rojo, señalando el color rojo indica el plano de cristal (001) en el que está orientado el material del sustrato. De este modo se puede comprobar que en la aplicación según la invención el recubrimiento aplicado y pulverizado se solidifica, al menos en amplias zonas, en la misma orientación que el material de sustrato monocristalino.

Al desarrollar el procedimiento de reparación en el contexto de la presente invención se ha podido comprobar que la porosidad en la capa pulverizada está determinada por la tasa de deposición, que es una función de la tasa de transporte de polvo y de la velocidad del robot. A medida que la tasa de aplicación disminuye, la porosidad de la capa también se reduce. Además, se comprobó que el tamaño de los granos solidificados depende del tamaño del polvo utilizado. Así, el tamaño de los granos solidificados direccionalmente aumenta con diámetros de partícula más grandes.

Si entre el sustrato y la capa de reparación se forma una capa de óxido que impide la nucleación, conviene mejorar la calidad del argón con respecto al contenido de oxígeno. Otra razón para la formación de una capa de óxido podría ser un movimiento desfavorable del robot durante el proceso de pulverización. Este movimiento debe ajustarse preferiblemente para que la muestra no salga de la zona de influencia del quemador de plasma. Si no se produce la nucleación en la superficie pulida de la zona a reparar, aunque no haya capa de óxido, hay que aumentar la temperatura de la pieza a reparar.

Literatura citada en esta solicitud:

[1] Kazuhiro Ogawa y Dowon Seo (2011). Repair of Turbine Blades Using Cold Spray Technique, Advances in Gas Turbine Technology, Dr. Ernesto Benini (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/23623. Disponible en: https://www.intechopen.com/books/advances-ingas-turbine-technology/repair-of-turbine-blades-using-cold-spraytechnique.

[2] Boris Rottwinkel, Luiz Schweitzer, Christian Noelke, Stefan Kaierle, Volker Wesling. Desafíos para el revestimiento de grietas monocristalinas (SX), Physics Procedia 56 (2014) 301 - 308.

[3] M. B. Henderson, D. Arrell, R. Larsson, M. Heobel & G. Marchant, Nickel based superalloy welding practices for industrial gas turbine applications, Science and Technology of Welding and Joining Volume 9, 2004 - Issue 1.

[4] Shu-Wei Yao, Tao Liu, Chang-Jiu Li, Guan-Jun Yang, Cheng-Xin Li, Epitaxial growth during the rapid solidification of plasma-sprayed molten TiO2 splat, Acta Materialia 134 (2017) 66e80.

[5] W. Kurz, C. Bezengon, M. Gaumann, Columnar to equiaxed transition in solidification processing, Science and Technology of Advanced Materials 2 (2001) 185 - 191. W. Kurz, D. J. Fisher, Fundamentals in Solidification, Chryst. Res. Tech. (1986) 21(9), 1176.

6] Boris Rottwinkel, Christian Nolke, Stefan Kaierle, Volker Wesling, Crack repair of single crystal turbine blades using laser cladding technology, Procedia CIRP (22) 2014, 263-267, disponible en:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212827114007732

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de reparación para el recubrimiento de la superficie de un sustrato metálico monocristalino de un componente que comprende una aleación monocristalina con un material de recubrimiento con los siguientes pasos: - se pule la superficie a recubrir,

- el sustrato se transfiere a una cámara de vacío,

- todo el sustrato se calienta a temperaturas al menos iguales a la mitad de la temperatura de fusión del sustrato en °C, pero por debajo de la temperatura de fusión del sustrato,

- el material de recubrimiento se aplica en forma de polvo a la superficie a recubrir mediante la pulverización de plasma al vacío,

- utilizándose un polvo con un tamaño medio de partículas comprendido entre 10 y 200 pm, y

- presentando el material de recubrimiento una aleación del mismo tipo que el material del sustrato monocristalino,

- ajustándose una presión de entre 1 y 200 mbar, y

- utilizándose como gas de trabajo una atmósfera de argón con un contenido de hidrógeno del 10 al 50% en volumen,

- con lo que se genera directamente en la superficie límite del material de revestimiento y de la superficie del sustrato pulido al menos una zona que presenta la misma orientación monocristalina que el sustrato situado por debajo.

2. Procedimiento de reparación según la reivindicación 1, utilizándose como material de recubrimiento un material idéntico al material del sustrato.

3. Procedimiento de reparación según una de las reivindicaciones 1 a 2, utilizándose como sustrato y material de recubrimiento respectivamente una aleación monocristalina a base de níquel o una aleación a base de cobalto.

4. Procedimiento de reparación según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que todo el sustrato se calienta a al menos 700 °C, ventajosamente a al menos 800 °C.

5. Procedimiento de reparación según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el calentamiento de todo el sustrato se realiza de forma eléctrica, inductiva o por radiación electromagnética.

6. Procedimiento de reparación según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el calentamiento de la superficie del sustrato por el soplete de plasma se realiza sin aportación de polvo.

7. Procedimiento de reparación según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que, a continuación del revestimiento, el sustrato revestido se somete a un recocido por disolución y/o a un recocido por precipitación y/o a un tratamiento térmico asistido por presión.

8. Procedimiento de reparación según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que se utiliza un sustrato con al menos un orificio de refrigeración.