IT201600116950A1

IT201600116950A1 - Metodo per la riparazione di parti di turbomacchine mediante procedimento ibrido di pressatura isostatica a caldo

Info

Publication number: IT201600116950A1
Application number: IT102016000116950A
Authority: IT
Inventors: Paolo Mola; Gabriele Masi; Vincenzo Branchetti
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2018-05-18
Also published as: JP7076984B2; CN108070709B; JP2018144105A; EP3323535A1; KR102371872B1; US20180142316A1; BR102017024686B1; US10760139B2; EP3323535B1; KR20180056387A; CN108070709A; BR102017024686A2

Description

“Metodo di riparazione di parti di turbomacchine mediante procedimento ibrido di pressatura isostatica a caldo.”

STATO DELLA TECNICA

L’oggetto di questa descrizione si riferisce a un nuovo metodo per la riparazione di parti di turbomacchine mediante un procedimento ibrido di pressatura isostatica a caldo (HIP). La pressatura isostatica a caldo è un metodo di produzione, usato generalmente per ridurre la porosità e i difetti interni di metalli per migliorare le proprietà meccaniche e la resa del processo di produzione.

Il procedimento HIP sottopone il componente da trattare, inserito in un contenitore ad alta pressione, sia ad alta temperatura che ad alta pressione, applicate al componente in modo isostatico, attraverso l’uso di un gas pressurizzante. I gas più ampiamente utilizzati sono i gas inerti in modo che il materiale da trattare non possa reagire chimicamente durante il procedimento.

Il procedimento HIP è usato generalmente per riparare o ridurre cavità dovute al restringimento e altri difetti di fusione. L’applicazione simultanea di calore e alta pressione serve a eliminare o ridurre i difetti del materiale come vuoti interni e micro porosità grazie a una combinazione di deformazione plastica, deformazione viscosa, e saldatura a diffusione, migliorando così la resistenza meccanica della parte trattata e in particolare la sua fatica.

Inoltre, HIP può essere utilizzato per il consolidamento di polveri, e per la saldatura a diffusione – la giunzione allo stato solido di due o più parti – (ad esempio la placcatura del metallo o il legame di un materiale non saldabile tramite processi di fusione – l'unione di due metalli dissimili).

HIP è ampiamente utilizzato per riparare difetti strutturali su componenti metallici ottenuti attraverso un processo di microfusione e un processo di metallurgia delle polveri. Detti componenti sono soggetti a un numero di possibili difetti interni, quali, senza limitazioni: porosità da gas, cavità dovute al ritiro, crepe, gocce calde, mancata fusione interna o mancata unione, e difetti della metallurgia delle polveri. Una volta completata la microfusione o il processo di metallurgia delle polveri, il componente metallico risultante viene accuratamente esaminato per rilevare eventuali difetti. I difetti interni vengono generalmente riparati tramite un procedimento HIP. Saldatura e brasatura sono processi alternativi per risolvere i difetti sopra citati. Tali processi alternativi sono ampiamente utilizzati per riparare o ripristinare le parti statiche, mentre la loro applicazione è limitata per le parti rotanti, essendo queste parti particolarmente critiche. Generalmente questi metodi presentano un importante inconveniente: è necessario ripulire il componente tramite lavorazioni e trattamenti meccanici che possono essere costosi, di difficile esecuzione e richiedono tempo. L'alta pressione e l’alta temperatura indotte da HIP sono in grado di risolvere solo discontinuità intrinseche (crepe, porosità, cavità, etc.).

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Dati gli svantaggi della tecnica anteriore, una prima forma di realizzazione dell’oggetto della presente descrizione si riferisce ad un nuovo metodo per riparare difetti o ripristinare parti di turbomacchine mediante procedimento ibrido di pressatura isostatica a caldo.

Il metodo comprende le fasi di effettuare una prima pulizia del componente da trattare e successivamente posizionare detto componente in un contenitore metallico a chiusura ermetica, ad esempio una tanica, insieme a un materiale non metallico e applicare a detto contenitore pressione isostatica e alta temperatura. Dette pressione isostatica e alta temperatura sono trasmesse all'intera superficie del componente incorporato attraverso detto mezzo di materiale non metallico, in modo da generare una combinazione di temperatura e forze che pressano il materiale del componente sottoposto al trattamento, riducendo in questo modo i difetti - incorporati e non incorporati - nel componente stesso.

Generalmente, ma non esclusivamente, il mezzo non metallico è fornito sotto forma di polvere o granuli, la cui dimensione è maggiore della dimensione minima del difetto più grande del componente sottoposto al trattamento, in modo da non consentire a detto mezzo non metallico di penetrare nei difetti esistenti del componente. In questo modo, il mezzo non metallico è adatto ad esercitare solo forze e calore sulla superficie complessiva del componente sottoposto al trattamento dall'esterno, trasmettendo così calore e forze al materiale nel suo volume e riparando i difetti esistenti.

Una volta completato il trattamento, il mezzo non metallico può essere facilmente rimosso mediante una seconda fase di pulizia comprendente un'operazione selettiva di lavaggio chimico o pulizia meccanica come, per esempio, incisione chimica selettiva o disgregazione meccanica o una loro combinazione.

Inoltre, il mezzo non metallico impiegato nel procedimento HIP secondo la presente invenzione è caratterizzato da una temperatura di fusione superiore alla temperatura di fusione del metallo del componente da trattare. Questo permette di evitare qualsiasi penetrazione dei mezzi - o eventuali agenti contaminanti generati dai mezzi - all'interno dei difetti esistenti del componente.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Queste ed altre caratteristiche, aspetti e vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiari una volta letta la seguente descrizione dettagliata con riferimento ai disegni allegati in cui caratteri simili sono associati a parti simili in tutti i disegni, in cui:

La figura 1 illustra un diagramma schematico di una sezione frontale di un recipiente a pressione tipico del procedimento HIP della presente invenzione;

La figura 2 illustra un diagramma schematico di una sezione superiore di un recipiente a pressione tipico del procedimento HIP della presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE

Con riferimento ad una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, l'apparecchio HIP impiegato può essere un apparecchio HIP dello stato dell’arte. Un apparecchio HIP comprende generalmente un recipiente di trattamento HIP 10 ed un telaio di pressatura adatto a mantenere il recipiente 10 sotto pressione. Il recipiente di trattamento, a sua volta, è a tenuta e ospita preferibilmente un generatore di calore e uno strato di isolante termico.

Il componente difettoso (un componente avente un difetto come descritto sopra) da trattare può essere un corpo stampato o un corpo ottenuto per fusione o un corpo ottenuto tramite microfusione o un corpo ottenuto tramite un processo di metallurgia delle polveri. Esempi di metalli possono includere carburo cementato, acciaio rapido, acciaio duro, acciaio inossidabile, lega di nichel, lega di titanio, lega di molibdeno, lega di cobalto e tutti i metalli generalmente noti come superleghe. Il componente da trattare viene sottoposto ad una prima pulizia per rimuovere i contaminanti che potrebbero danneggiare le fasi successive. Detta prima pulizia può essere effettuata tramite lavaggio chimico, attraverso pulizia meccanica, tramite ciclo termico a idrogeno o pulizia a ioni di fluoruro (FIC). La pulizia meccanica può essere selezionata nel gruppo comprendente incisione chimica selettiva o disgregazione meccanica.

Il componente da trattare viene collocato all'interno di un contenitore metallico a tenuta ermetica 11. Detto contenitore metallico 11 in cui il componente sottoposto al trattamento viene posizionato per esigenze del procedimento HIP in modo da essere a tenuta, pertanto generalmente viene eseguito in anticipo su detto contenitore metallico 11 un test di tenuta. Materiali tipici utilizzati per produrre detto contenitore 11 sono acciaio dolce e acciaio inossidabile, ma può essere utilizzato qualsiasi materiale in grado di sopravvivere alle condizioni del procedimento HIP come leghe di nichel, leghe di cobalto, leghe di titanio, ecc. Un mezzo 12 viene quindi introdotto all'interno del contenitore metallico 11 per incorporare completamente il componente sottoposto al trattamento. Il mezzo non metallico 12 è tipicamente, ma non esclusivamente, fornito sotto forma di polvere o granuli (ma possono essere selezionate altre forme), la cui dimensione sia maggiore della dimensione minima del difetto maggiore del componente sottoposto al trattamento, in modo da impedire a detto mezzo non metallico 12 di penetrare nei difetti esistenti del componente. Detto mezzo 12 è tipicamente introdotto in detto contenitore metallico 11 tramite un tubo di riempimento adatto. Anche il solo riempimento del contenitore 11 con il mezzo scelto 12 assicurerà il corretto funzionamento del procedimento, tuttavia, al fine di rendere massima l'efficienza del procedimento, è preferibile ottenere un impaccamento massimo e uniforme di detto mezzo 12 all’interno di detto contenitore 11, ottenuto, per esempio, adattando un processo di pre-compattazione, tipicamente eseguito applicando un movimento vibratorio durante il riempimento di detto contenitore 11.

A questo punto, il contenitore 11 contenente il componente da trattare e riempito con il mezzo scelto 12 viene svuotato da eventuali gas che potrebbero essere presenti e potrebbero impedire il corretto svolgimento del procedimento fluendo all'interno dei difetti del componente da trattare. Tale operazione è generalmente definita degassificazione ed è molto importante al fine di garantire la corretta unione tra le superfici che formano il difetto. È necessario che il gas non penetri all’interno dei difetti esistenti del componente da trattare, altrimenti ciò impedirebbe alla unione di verificarsi correttamente. Per questo motivo, anche le aperture utilizzate per eseguire la degassificazione del contenitore 11 sono sigillate. Infine, il contenitore 11 viene posto all'interno del contenitore 10 dell'unità HIP e viene eseguito il procedimento HIP.

Nel caso di applicazioni critiche, l'operazione di riempimento può essere effettuata sotto gas inerte o sotto vuoto per minimizzare il rischio di contaminazione del mezzo 12 e/o del componente nel momento in cui viene introdotto nel contenitore metallico 11.

Il gas inerte viene normalmente impiegato come gas di pressurizzazione durante il procedimento HIP. Tipicamente viene utilizzato il gas argon.

Inoltre, durante il procedimento HIP, la temperatura, la pressione del gas inerte e il tempo di mantenimento variano a seconda del tipo del materiale del componente sottoposto al trattamento e del tipo di materiale del mezzo utilizzato 12.

I mezzi non metallici da utilizzare nel procedimento ibrido di pressatura isostatica a caldo (HIP) secondo la presente invenzione possono essere, per esempio di tipo ceramico selezionati dal gruppo comprendente: ossidi (come ossido di alluminio, ossido di magnesio, silice, ossido di zirconio , ecc), nitruri (come TiN, silicio-nitruri, boro-nitruri, ecc), carburi (come TiC, WC, silicio-carburi, boro-carburi, ecc), carbonitruri, boruri, o loro miscele. La caratteristica più importante del materiale da utilizzare come mezzo 12, nel metodo secondo la presente invenzione, è il punto di fusione e la temperatura di decomposizione rispetto alla pressione e alla temperatura applicate al contenitore sigillato 11. Detto punto di fusione e detta temperatura di decomposizione del mezzo impiegato 12 devono essere notevolmente maggiori (maggiori del 30% e più) rispetto a quelli del materiale del componente sottoposto al trattamento. Per poter utilizzare mezzi più fini sulle imperfezioni più grandi, una sim, un inserimento di tappo o patch, un inserto o un tag potrebbero essere accoppiati alle imperfezioni strutturali del componente sottoposto al trattamento.

A seconda del materiale da trattare con il metodo secondo la presente invenzione, il gas inerte può essere applicato ad una pressione compresa tra 500 Bar (7250 Psi) e 3000 bar (43500 Psi), essendo l’intervallo di pressione preferito superiore a 1000 Bar (14500 psi).

La temperatura del gas inerte del procedimento deve essere inferiore al punto di fusione del componente da trattare e può variare da 480°C (896°F) per i rivestimenti in alluminio a 1300°C (2400°F) per le superleghe. Essendo l'intervallo di temperatura preferito per le superleghe superiore a 1000°C (1832°F).

Il tempo di tenuta, di nuovo, dipende dal materiale da trattare e viene mantenuto generalmente maggiore di o uguale a 2 ore. Nel caso di trattamento di un componente di una lega comprendente un ciclo HIP nell’avviamento della produzione, quindi il tempo di mantenimento è preferibilmente mantenuto maggiore o uguale al 120% del tempo del ciclo HIP originale eseguito durante la produzione. Se il ciclo HIP per una lega fusa è di 5 ore, il tempo di mantenimento del metodo secondo la presente invenzione deve essere di almeno 6 ore.

La descrizione che precede di forme di realizzazione esemplificative fa riferimento alle figure allegate. Gli stessi numeri di riferimento in diversi disegni identificano elementi uguali o simili. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Invece, l'ambito di protezione dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni allegate. Il riferimento nel corso della descrizione a "una forma di realizzazione" o "forma di realizzazione" indica che una particolare funzione, struttura o caratteristica descritta relativamente a una forma di realizzazione è inclusa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto della descrizione. Pertanto, la comparsa delle frasi "in una forma di realizzazione" o in vari punti della descrizione non è necessariamente riferita alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, funzioni, strutture o caratteristiche particolari possono essere combinate in qualsiasi modo adatto in una o più forme di realizzazione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di pressatura isostatica a caldo comprendente: posizionare un componente avente imperfezioni strutturali in un contenitore a tenuta (11); introdurre un mezzo (12) nel contenitore (11) per incorporare completamente il componente; degassificare il contenitore (11) per rimuovere gas e vapore acqueo dall’interno del contenitore (11); sigillare le aperture del contenitore (11) utilizzate per riempire il contenitore (11) con il mezzo (12) e per degassificare il contenitore (11); posizionare il contenitore (11) all'interno di un recipiente riscaldato pressurizzato (10) di un apparecchio per la pressatura isostatica a caldo; pressare e riscaldare il contenitore (11) ad una predeterminata pressione e temperatura per un intervallo di tempo di mantenimento predeterminato; estrarre il componente dal contenitore (11) e applicare una seconda pulizia al componente, in cui detto mezzo (12) comprende materiale non metallico sotto forma di polvere o granuli le cui dimensioni sono più grandi della dimensione minima dell’imperfezione strutturale più grande del componente sottoposto al trattamento.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui, detta pressione predeterminata viene applicata attraverso gas inerte pressurizzato e varia da 500 Bar (7250 Psi) e 3000 bar (43500 psi).
3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta temperatura predeterminata varia da 480°C (896°F) e 1300°C (2400°F).
4. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto intervallo di tempo di tenuta predeterminato è o maggiore o uguale a 2 ore oppure, se il componente è stato sottoposto a un ciclo HIP durante la produzione, o maggiore o uguale al 120% del tempo di tenuta del ciclo HIP eseguito durante la produzione del componente.
5. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente la fase preliminare di applicare una prima pulizia al componente da trattare.
6. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui un truciolo di metallo metal scelto nel gruppo comprendente una sim, un inserimento di tappo o patch, un inserto o un tag è accoppiato ad almeno una delle imperfezioni strutturali del componente al fine di ridurre la dimensione minima della imperfezione strutturale più grande del componente e pertanto le dimensioni di detto mezzo (12).
7. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 6 in cui detta pressione predeterminata è maggiore o uguale a 1000 bar (14500 Psi).
8. Metodo, secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui la temperatura predeterminata è maggiore o uguale a 1000°C (1832°F).
9. Metodo, secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 8 in cui detto materiale non metallico sotto forma di polvere o granuli è selezionato nel gruppo di ceramiche comprendenti: ossidi, nitruri, carburi, boruri, carbonitruri, e qualsiasi miscela di ossidi, nitruri, carburi, carbonitruri e boruri.
10. Metodo secondo la rivendicazione 9 in cui detti ossidi sono selezionati dal gruppo comprendente allumina, magnesia, silice e zirconia.
11. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 9 a 10 in cui detti nitruri sono selezionati dal gruppo comprendente TiN, silicio-nitruri e boro-nitruri.
12. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 9 a 11 in cui detti carburi sono selezionati dal gruppo comprendente TiC, WC, silicio-carburi e boro-carburi.
13. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui la prima pulizia del componente è effettuata mediante lavaggio chimico, o mediante pulizia meccanica, o ciclo termico a idrogeno, o pulizia a ioni di fluoruro (Fluoride Ion Cleaning - FIC).
14. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 13 in cui il secondo lavaggio del componente è effettuato mediante lavaggio chimico o pulizia meccanica.
15. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni 13 e 14 in cui detta pulizia meccanica è selezionata dal gruppo comprendente incisione chimica selettiva o disgregazione meccanica.