ES2918999T3

ES2918999T3 - Fabricación de un alambre sinterizado y alimentación in situ a un sistema de soldadura de alambre por láser

Info

Publication number: ES2918999T3
Application number: ES18718048T
Authority: ES
Inventors: Bernd Burbaum; Kazim Ozbaysal; Ahmed Kamel
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: CN112135705A; JP7082210B2; US20210069832A1; SA520420219B1; EP3768453B1; KR20200128161A; EP3768453A1; JP2021519213A; RU2750316C1; CN112135705B; KR102379683B1; WO2019190475A1

Abstract

Se presenta un sistema para la fabricación de un alambre sinterizado y una alimentación in situ a un sistema de soldadura de alambre láser. El sistema incluye un recipiente a presión conectado a un sistema de alimentación en polvo para administrar al menos dos polvos a una zona de mezcla de polvo del recipiente a presión. Los al menos dos polvos se mezclan a través de un cono giratorio en el recipiente a presión. Después de mezclar, un dispositivo de calentamiento contenido dentro del recipiente a presión calienta la mezcla para que ocurra la sinterización de fase líquida y se crea una varilla sinterizada. El cable sinterizado se alimenta continuamente a un sistema de deposición de metal láser para depositar una capa de material aditivo en un material base. También se presenta un método de fabricación o reparación de un componente de superalloy. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Fabricación de un alambre sinterizado y alimentación in situ a un sistema de soldadura de alambre por láser Antecedentes

1. Campo

La presente divulgación se refiere en general al campo de la tecnología de materiales, y más particularmente a la fabricación aditiva y a un procedimiento de deposición de metal por láser utilizando un alambre sinterizado fabricado in situ.

2. Descripción de la técnica relacionada

El documento US 2017/182558 A1 da a conocer procedimientos de fabricación aditiva que emplean un haz de energía para fusionar selectivamente un material de base para producir un objeto. El documento DE 102015219341 A1 da a conocer una aplicación local de material de soldadura a una zona que va a repararse. Adicionalmente, el documento WO 2017/096050 A1 da a conocer una fabricación aditiva de haz de electrones. El documento US 2004/118245 A1 da a conocer una fabricación de varilla sin fusión. Además, el documento US 2008/141825 A1 da a conocer una formación de alambre a partir de materiales en polvo.

La reparación por soldadura de superaleaciones supone una variedad de desafíos técnicos debido a la alta resistencia (y la correspondiente baja ductilidad) que pueden lograr estas aleaciones optimizadas. Están aplicándose fuentes de calor como láseres y arcos para construir piezas fabricadas de manera aditiva o reparar componentes de superaleación dañados. Un tipo de procedimiento usado para la fabricación de manera aditiva o reparación es un procedimiento de deposición de metal por láser (LMD). Los procedimientos de LMD utilizan materiales en polvo que se depositan en un baño de fusión para formar capas de un material aditivo, también conocido como capa de acumulación. Desagraciadamente, los procedimientos de LMD que usan materiales en polvo no son eficientes debido a la cantidad de materiales que se pierden durante el procedimiento de pulverización, por ejemplo, depósitos que no logran entrar en el baño de fusión para su procesamiento. Adicionalmente, debido a la naturaleza no confinada de los materiales en polvo, los contaminantes a menudo pueden terminar depositándose junto con los materiales en polvo durante el procedimiento de LMD. Por tanto, sigue existiendo la necesidad de un procedimiento de LMD más eficiente, que al menos reduzca la pérdida de cualquier material durante el procedimiento de LMD, y que reduzca o elimine cualquier contaminante asociado con las deposiciones en polvo tradicionales.

Sumario

Brevemente descritos, los aspectos de la presente divulgación se refieren a un sistema para fabricar de manera aditiva y/o reparar un componente de superaleación a través de deposición de metal por láser utilizando un alambre sinterizado y un método de fabricación de manera aditiva y/o reparación de un componente de superaleación. Estos se definen en las reivindicaciones independientes Las realizaciones del sistema y el método se describen en las reivindicaciones dependientes.

Un primer aspecto proporciona un sistema para fabricar de manera aditiva y/o reparar un componente de superaleación a través de deposición de metal por láser utilizando un alambre sinterizado. El sistema incluye un recipiente a presión conectado a un sistema de alimentación de polvo para suministrar al menos dos polvos a una zona de mezclado de polvo del recipiente a presión. Los al menos dos polvos se mezclan a través de un cono rotatorio en el recipiente a presión. Después del mezclado, un dispositivo de calentamiento contenido dentro del recipiente a presión calienta la mezcla de modo que se produzca sinterización en fase líquida y se cree un alambre sinterizado. El alambre sinterizado se alimenta de manera continua a un sistema de soldadura de alambre por láser para depositar una capa de material aditivo sobre un material de base.

Un segundo aspecto proporciona un método de fabricación de manera aditiva y/o reparación de un componente de superaleación. El método incluye la etapa de sinterizar al menos dos polvos diferentes en un recipiente a presión mediante un proceso de calentamiento de modo que se crea un alambre sinterizado. El alambre sinterizado se alimenta de manera continua in situ a un cabezal de soldadura de un sistema de soldadura de alambre por láser. El sistema de deposición de metal por láser dirige un haz de láser desde el sistema de soldadura de alambre por láser hacia un material de base del componente de superaleación que forma un baño de fusión sobre el material de base del componente de superaleación en el que se deposita el alambre sinterizado formando una capa de material aditivo sobre el material de base.

Aspectos adicionales se definen en las reivindicaciones dependientes.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 ilustra un esquema de un sistema para fabricar de manera aditiva y/o reparar componentes de superaleación a través de deposición de metal por láser, y

la figura 2 ilustra un diagrama de bloques de un método de fabricación de un alambre sinterizado y alimentación in situ a un sistema de soldadura de alambre por láser (un ejemplo no cubierto por la presente invención), y la figura 3 ilustra un diagrama de bloques de un procedimiento de fabricación aditiva y/o reparación según la divulgación proporcionada en el presente documento.

Descripción detallada

Para facilitar la comprensión de las realizaciones, los principios y las características de la presente divulgación, se explicarán a continuación en el presente documento con referencia a la implementación en realizaciones ilustrativas. Sin embargo, las realizaciones de la presente divulgación no se limitan al uso en los sistemas o métodos descritos. Se pretende que los componentes y materiales descritos a continuación en el presente documento como constituyentes de las diversas realizaciones sean ilustrativos y no restrictivos. Se pretende que muchos componentes y materiales adecuados que realizarían la misma función o una similar a la de los materiales descritos en el presente documento queden incluidos dentro del alcance de realizaciones de la presente divulgación.

Con referencia ahora a los dibujos en los que lo que se muestra es únicamente para fines de ilustración de las realizaciones del contenido en el presente documento y no para limitar las mismas, la figura 1 ilustra un sistema 100 para fabricar un alambre 50 sinterizado para alimentación in situ a un sistema 200 de soldadura de alambre por láser.

El sistema 100 puede incluir un recipiente 230 a presión conectado operativamente a uno o más sistemas 220, 222 de alimentación de polvo. El sistema 220, 222 de alimentación de polvo está configurado para suministrar al menos dos polvos al recipiente 230 a presión. En la realización ilustrada en la figura 1, se muestran dos sistemas 220, 222 de alimentación de polvo, sin embargo, un experto en la técnica entenderá que pueden añadirse más sistemas de alimentación de polvo al sistema. El/los polvo(s) puede(n) alimentarse a la zona 236 de mezclado de polvo del recipiente 230 a presión. La zona 236 de mezclado de polvo puede comprender un recipiente 238 que tiene un cono 232 rotatorio. En la zona 236 de mezclado de polvo, el cono 232 rotatorio puede utilizarse para mezclar los polvos que forman una mezcla de polvos.

Cada uno de los sistemas 220, 222 de alimentación de polvo puede incluir un polvo para suministrarse, a través de una línea 224 de alimentación respectiva, a una zona 236 de mezclado de polvo del recipiente 230 a presión. Los polvos pueden incluir un primer polvo que comprende un polvo de metal de base y un segundo polvo que comprende un polvo de aleación de soldadura fuerte. El polvo de metal de base puede corresponder a una composición de material de base de un componente 10 que va a soldarse por láser. En una realización, el polvo de metal de base comprende un polvo de superaleación a base de níquel. El polvo de aleación de soldadura fuerte puede comprender un material de soldadura fuerte que incluye una temperatura de fusión más baja que el polvo de metal de base.

En una realización, la mezcla de polvos puede comprender una proporción de polvo de metal de base en el intervalo de (en % en peso) del 60-100% con respecto a polvo de aleación de soldadura fuerte en el intervalo de (en % en peso) del 0-40%. En una realización, el polvo de aleación de soldadura fuerte puede comprender un polvo de aleación de soldadura fuerte usado para superaleaciones basadas en níquel o cobalto tales como Amdry BRB o Amdry DF-4B. El polvo de aleación de soldadura fuerte también puede comprender una composición de polvo seleccionado de las siguientes aleaciones, Ni-Cr-Ti, Ni-Cr-Zr-Ti, Ni-Ti-Zr, Ni-Cr-Hf-Zr, Ni-Cr-Ti-Hf, y Ni-Cr-Hf-Zr-Ti. El recipiente 230 a presión puede incluir un dispositivo 234 de calentamiento dispuesto dentro del recipiente 230 a presión, tal como se muestra en la figura 1, con el fin de realizar un procedimiento de sinterización. El dispositivo 234 de calentamiento puede comprender un sistema de calentamiento por inducción, un horno, o una combinación tanto de un sistema de calentamiento por inducción como de un horno, el dispositivo 234 de calentamiento puede funcionar para producir calor hasta o más allá de la temperatura de fusión del polvo de aleación de soldadura fuerte, por ejemplo temperaturas en el intervalo de 1000°C - 1250°C. Debe apreciarse que los dispositivos de calentamiento que pueden producir temperaturas menores o mayores que el intervalo mencionado anteriormente pueden usarse dependiendo de las temperaturas de fusión de los polvos de aleación de soldadura fuerte y los polvos de metal de base elegidos.

En una realización, el dispositivo 234 de calentamiento calienta la mezcla hasta una temperatura en la que el polvo de aleación de soldadura fuerte comienza a fundirse. Cabe señalar que la temperatura de calentamiento del sistema de calentamiento estará por debajo de la temperatura de fusión del polvo de metal de base, de modo que sólo se funde el polvo de aleación de soldadura fuerte. Tras la fusión, el polvo de aleación de soldadura fuerte entra en contacto con el polvo de metal de base restante, humedeciendo el polvo, de modo que todo el polvo restante sinterice junto debido al material de soldadura fuerte fundido. Por tanto, se produce una sinterización en fase líquida. En una realización, el material sinterizado puede conformarse para dar un alambre 50 sinterizado dentro del recipiente 230 a presión. El alambre 50 sinterizado puede alimentarse entonces de manera continua a través de una pluralidad de rodillos 226 dispuestos en el exterior del recipiente 230 a presión para dar un sistema 200 de soldadura de alambre por láser.

El sistema 100 puede incluir un sistema 200 de soldadura de alambre por láser convencional para aplicar una energía láser, a través de una fuente 202 de energía láser, al material de base del componente 10 que va a soldarse, y para depositar el alambre 50 sinterizado en un baño de fusión del material de base que resulta de la energía láser para formar capas de material aditivo para fabricar o reparar el componente 10 deseado. En una realización, el componente 10 puede ser un componente de superaleación a base de níquel tal como una pala o álabe de turbina de gas. La fuente 202 de energía láser puede estar configurada operativamente para dirigir o emitir energía láser desde ella y hacia el material de base para fundir partes del material de base para formar el baño de fusión.

En una realización, el sistema 200 de soldadura de alambre por láser incluye un cabezal 204 de soldadura para recibir el alambre 50 sinterizado caliente directamente desde el recipiente 230 a presión. El recipiente 230 a presión puede calentar de manera continua los al menos dos polvos para sinterizar el alambre, lo que permite una alimentación in situ continua del alambre 50 sinterizado al cabezal 204 de soldadura del sistema 200 de soldadura de alambre por láser. En una realización, el cabezal 204 de soldadura puede conectarse operativamente a la fuente 202 de energía láser.

Una vez depositada, la energía láser procesa/funde los materiales aditivos/acumulados, que posteriormente se solidifican para formar una capa 15 de material aditivo para formar la pieza o componente deseado. Pueden construirse capas sucesivas encima de la capa depositada a través del procedimiento de deposición de metal por láser con el fin de formar la pieza o componente deseado. En una realización, la proporción de polvo de metal de base con respecto a polvo de metal de soldadura fuerte puede ser diferente por capas, es decir, una proporción de polvo de metal de base con respecto a polvo de metal de soldadura fuerte en una primera capa puede ser diferente que en una capa sucesiva. De este modo, por ejemplo, las grietas pueden rellenarse con un material que tiene una mayor proporción de polvo de metal de soldadura fuerte con respecto a polvo de metal de base, y las capas superiores pueden tener una mayor proporción de polvo de metal de base con respecto a polvo de metal de soldadura fuerte donde se necesita más resistencia en el material para el componente tal como en una pala de turbina. En una realización, por ejemplo, el material aditivo utilizado para rellenar una grieta puede tener una razón del 80% en peso de polvo de metal de base con respecto al 20% en peso de polvo de aleación de soldadura fuerte donde el material aditivo en una capa superior puede tener una razón del 90% en peso de polvo de metal de base con respecto al 10% en peso de polvo de aleación de soldadura fuerte. Por favor, vuelva a comprobar los porcentajes, ¿son correctos?

Continuando con la referencia a la figura 1 y ahora a la figura 2, se proporciona un ejemplo no cubierto por la presente invención de un procedimiento 300 de fabricación de un alambre sinterizado para alimentación in situ a un sistema 200 de soldadura de alambre por láser. Los componentes del sistema para fabricar un alambre sinterizado se han descrito anteriormente. El montaje de los componentes del sistema puede incluir proporcionar al menos dos sistemas 220, 222 de alimentación de polvo que contiene cada uno una aleación de polvo diferente. Cada aleación de polvo se alimenta 310 desde su sistema 220, 222 de alimentación de polvo respectivo, a través de una línea 224 de alimentación, a una zona 236 de mezclado de un recipiente 238 dentro de un recipiente 230 a presión. El mezclado 320 se logra, a través de un cono 232 rotatorio, en el recipiente 238. Entonces se alimenta la mezcla de los al menos dos polvos a un dispositivo 234 de calentamiento dentro del recipiente 230 a presión.

Dentro del recipiente 230 a presión, se proporciona el dispositivo 234 de calentamiento para realizar un procedimiento 330 de sinterización en la mezcla. En el procedimiento 330 de sinterización, la mezcla se calienta hasta una alta temperatura justo o ligeramente por encima del punto de fusión del polvo de aleación de soldadura fuerte. Durante el calentamiento, el material de soldadura fuerte se funde, pero el polvo de metal de base no se funde, de modo que se produce sinterización en fase líquida y se crea un alambre 50 sinterizado. En este punto, mientras que el alambre 50 sinterizado todavía está caliente, por ejemplo 400-1000°C, el alambre 50 puede alimentarse de manera continua 340 in situ al cabezal 204 de soldadura para un procedimiento de deposición de metal por láser. Alternativamente, el alambre 50 sinterizado puede alimentarse a una temperatura más fría al cabezal 204 de soldadura para la deposición de metal por láser.

Con referencia ahora a la figura 3, se proporciona una realización de un método 400 para fabricar de manera aditiva o reparar un componente de superaleación. Para esta realización, se proporciona un material de base o sustrato de un componente 10 de superaleación a un sitio de soldadura para un procedimiento de reparación y/o fabricación aditiva. En el sitio, tal como se describió anteriormente, pueden sinterizarse al menos dos polvos diferentes 410 mediante un dispositivo 234 de calentamiento en el sitio formando un alambre 50 sinterizado. El alambre 50 sinterizado “caliente” puede alimentarse de manera continua 420 a un cabezal 204 de soldadura de un sistema 200 de soldadura de alambre por láser. En una realización, el alambre 50 sinterizado se utiliza en un procedimiento de fabricación aditiva o reparación directamente después de su fabricación en el sitio de soldadura.

Puede apreciarse que en una realización en la que está reparándose el componente 10, el método puede incluir etapas para retirar el componente 10 de una máquina industrial, y preparar el componente 10 para el procedimiento de soldadura, por ejemplo, excavando cualquier parte dañada del componente.

El procedimiento de fabricación aditiva o reparación 400 puede incluir dirigir 430 un haz 202 de láser desde el sistema 200 de deposición de metal por láser hacia el material de base del componente 10 de superaleación. La energía láser crea un baño de fusión sobre el material de base del componente 10. En esta etapa, un extremo del alambre 50 sinterizado, portado por el cabezal 204 de soldadura puede situarse dentro del baño de fusión del material de base. Cuando el extremo del alambre 50 sinterizado entre en contacto con el haz 202 de láser, el material de aleación de soldadura fuerte se funde, de modo que el material de soldadura fuerte fundido fluye hacia el baño de soldadura y, al enfriarse, se solidifica para producir una capa 15 aditiva sobre el material 10 de base.

Con el fin de crear una capa 15 a lo largo de una longitud del componente 10, el componente puede moverse en relación con el sistema 200 de deposición de metal por láser de modo que pueda disponerse una capa de material aditivo sobre el sustrato según se desee. Puede apreciarse que puede formarse una capa sucesiva sobre la capa 15 repitiendo las etapas de procesamiento y deposición por láser hasta que se logra una forma o geometría del componente deseado. En una realización, puede lograrse una reparación estructural del componente utilizando el método, ya que la soldadura fuerte fundida puede fluir hacia una grieta, por ejemplo, con la ayuda de la fuerza capilar.

El sistema dado a conocer para fabricar de manera aditiva y/o reparar un componente de superaleación a través de deposición de metal por láser permite que se acumule la capa aditiva sobre un material de base utilizando un alambre sinterizado caliente fabricado de manera continua en el sitio soldado mientras que se deposita la capa aditiva. Por tanto, un alambre sinterizado caliente se suelda directamente después de su fabricación. De este modo, pueden fabricarse alambres sinterizados a partir de material quebradizo y soldarse directamente debido a las propiedades más dúctiles del material del alambre en las condiciones de calentamiento. Adicionalmente, el uso del alambre sinterizado dado a conocer con el procedimiento de deposición de metal por láser reduce la contaminación común con las aleaciones y partículas en polvo para la reparación estructural de materiales de superaleación, ya que el alambre sinterizado una vez procesado proporciona una composición idéntica o casi idéntica a la del material de base del componente subyacente.

Aunque las realizaciones de la presente divulgación se han dado a conocer a modo de ejemplo, resultará evidente para los expertos en la técnica que pueden realizarse muchas modificaciones, adiciones y deleciones sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Sistema (100) para fabricar de manera aditiva y/o reparar un componente (10) de superaleación a través de deposición de metal por láser utilizando un alambre (50) sinterizado, que comprende:

un recipiente (230) a presión conectado a un sistema (220, 222) de alimentación de polvo para suministrar al menos dos polvos a una zona (236) de mezclado de polvo del recipiente (230) a presión;

un dispositivo (234) de calentamiento contenido dentro del recipiente (230) a presión, estando configurado el dispositivo (234) de calentamiento para calentar una mezcla de los al menos dos polvos diferentes mezclados en la zona (236) de mezclado de polvo de modo que se produzca sinterización en fase líquida creando un alambre (50) sinterizado;

un sistema (200) de soldadura de alambre por láser, que comprende:

una fuente (202) de energía láser configurada operativamente para dirigir una energía láser hacia un material (10) de base para formar un baño de fusión en el mismo y para procesar por láser el alambre (50) sinterizado depositado en el baño de fusión para formar una capa de material aditivo sobre el material (10) de base, y

un cabezal (204) de soldadura para recibir el alambre sinterizado directamente desde el recipiente (230) a presión,

en el que el alambre (50) sinterizado se alimenta de manera continua desde el recipiente (230) a presión al sistema (200) de soldadura de alambre por láser.
2. Sistema (100) según la reivindicación 1, en el que el sistema (100) incluye el material (10) de base, en el que el material aditivo comprende una composición similar o igual a la del material (10) de base.
3. Sistema (100) según la reivindicación 1, en el que el sistema (100) incluye los al menos dos polvos diferentes, en el que los al menos dos polvos incluyen un primer polvo que comprende un polvo de metal de base y un segundo polvo que comprende un polvo de aleación de soldadura fuerte.
4. Sistema (100) según la reivindicación 3, en el que el polvo de metal de base es un polvo de superaleación a base de níquel.
5. Sistema (100) según la reivindicación 4, en el que la mezcla comprende una razón (en % en peso) de polvo de superaleación a base de níquel con respecto a (en % en peso) polvo de aleación de soldadura fuerte, y en el que el polvo de superaleación a base de níquel se encuentra en un intervalo del 60-100% (en % en peso) y el polvo de aleación de soldadura fuerte se encuentra en un intervalo del 0-40% (en % en peso).
6. Sistema (100) según la reivindicación 4, en el que el polvo de superaleación a base de níquel se selecciona del grupo que consiste en CM247, Rene 80, IN738 e IN792.
7. Sistema (100) según la reivindicación 3, en el que el polvo de aleación de soldadura fuerte comprende la composición seleccionada del grupo que consiste en: Amdry BRB, Amdry DR-4B, Ni-Cr-Ti, Ni-Cr-Zr-Ti, Ni-Ti-Zr, Ni-Cr-Hf-Zr, Ni-Cr-Ti-Hf y Ni-Cr-Hf-Zr-Ti.
8. Sistema (100) según la reivindicación 1, en el que el sistema comprende además al menos dos rodillos (226) para recibir el alambre (50) sinterizado caliente desde el recipiente (230) a presión y para alimentar de manera continua el alambre (50) sinterizado al sistema (200) de soldadura de alambre por láser.
9. Sistema (100) según la reivindicación 3, en el que el sistema (200) de soldadura de alambre por láser está configurado para construir una capa sucesiva encima de la capa (15) depositada de material aditivo.
10. Sistema (100) según la reivindicación 9, en el que una primera proporción del primer polvo con respecto al segundo polvo de la capa depositada es diferente de una segunda proporción del primer polvo con respecto al segundo polvo de la capa sucesiva.
11. Sistema (100) según la reivindicación 1, en el que el recipiente (230) a presión incluye un cono (232) rotatorio en un recipiente (238) para mezclar los al menos dos polvos.
12. Método de fabricación de manera aditiva y/o reparación de un componente (10) de superaleación que comprende:

sinterizar (410) al menos dos polvos diferentes en un recipiente (230) a presión mediante un proceso de calentamiento de modo que se crea un alambre (50) sinterizado;

alimentar (420) in situ de manera continua el alambre (50) sinterizado a un cabezal (204) de soldadura de un sistema (200) de soldadura de alambre por láser;

dirigir (430) un haz de láser (202) desde el sistema (200) de soldadura de alambre por láser hacia un material de base del componente (10) de superaleación para formar un baño de fusión en el mismo y para procesar el alambre (50) sinterizado depositado en el baño de fusión para formar una capa de material (15) aditivo sobre el material (10) de base.
13. Método según la reivindicación 12, en el que los al menos dos polvos incluyen un primer polvo que comprende un polvo de metal de base y un segundo polvo que comprende un polvo de aleación de soldadura fuerte.
14. Método según la reivindicación 12, en el que la alimentación in situ de manera continua se logra utilizando un par de rodillos (226).
15. Método según la reivindicación 12, que comprende además atravesar el componente (10) que comprende el material de base en relación con el sistema (200) de soldadura de alambre por láser de modo que la capa de material (15) aditivo se disponga sobre el material de base según se desee.