ITUB20156091A1

ITUB20156091A1 - Metodo per produrre un componente di una macchina rotante

Info

Publication number: ITUB20156091A1
Application number: ITUB2015A006091A
Authority: IT
Inventors: Leonardo Tognarelli; Massimo Giannozzi; Iacopo Giovannetti; Pierluigi Tozzi; Antonella Dimatteo
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-02
Also published as: US20180361479A1; EP3384163A1; US11148200B2; WO2017093394A1; CN108603511B; CN108603511A

Description

“METODO PER PRODURRE UN COMPONENTE DI UNA MACCHINA ROTANTE”

DESCRIZIONE

La presente descrizione si riferisce ad un metodo per produrre un componente di una macchina rotante. In particolare, la presente descrizione è rilevante per la produzione di pale di turbine a gas. Pertanto a tale specifica applicazione si farà riferimento più volte nella descrizione, senza comunque intendere alcuna perdita di generalità. Un fattore chiave limitante nella precedente turbomacchina era la prestazione dei materiali disponibili per la sezione calda (combustore e turbina). La necessità di materiali migliori ha stimolato molte ricerche nel campo delle leghe e tecniche di fabbricazione, e tale ricerca ha prodotto un lungo elenco di nuovi materiali e metodi che rendono possibili le moderne turbine a gas. Uno dei primi di questi era il Nimonic, utilizzato nei motori British Whittle.

Lo sviluppo delle superleghe negli anni '40 e nuovi metodi di lavorazione come la fusione per induzione sotto vuoto negli anni '50 hanno notevolmente aumentato la capacità di temperatura delle pale di turbine. Altri metodi di lavorazione come la pressatura isostatica a caldo hanno migliorato le leghe utilizzate per le pale di turbine ed aumentato le prestazioni delle pale di turbina. Le moderne pale di turbina utilizzano spesso superleghe a base di nichel che incorporano cromo, cobalto e renio.

A parte i miglioramenti delle leghe, un importante passo avanti è stato lo sviluppo dei metodi di produzione per solidificazione direzionale (DS) e del cristallo singolo (SC). Questi metodi aiutano ad aumentare notevolmente la resistenza contro la fatica e lo scorrimento allineando i giunti del grano in una direzione (DS) o eliminando i giunti del grano tutti insieme (SC).

Un altro principale miglioramento alla tecnologia del materiale delle pale di turbina è stato lo sviluppo di rivestimenti di barriera termica (TBC). Dove lo sviluppo di DS e SC migliora la resistenza allo scorrimento ed alla fatica, i TBC migliorano la resistenza alla corrosione ed all’ossidazione, entrambe le quali divengono di grande preoccupazione quando le temperature aumentano. I primi TBC, applicati negli anni 70, erano rivestimenti di alluminuro. Rivestimenti ceramici migliorati sono diventati disponibili negli anni '80. Questi rivestimenti hanno aumentato la capacità di temperatura della pala di turbina di circa 200° F (90° C). I rivestimenti migliorano inoltre la durata della pala, quasi raddoppiando la durata delle pale di turbina in alcuni casi.

La maggior parte delle pale di turbina sono fabbricate per microfusione (o lavorazione a cera persa). Questo processo consiste nel realizzare un preciso stampo negativo della forma della pala che viene riempito con cera per formare la forma della pala. Se la pala è cava (ovvero ha passaggi di raffreddamento interni), un nucleo di ceramica a forma del passaggio viene inserito nel centro. La pala di cera viene rivestita con un materiale resistente al calore per costituire un guscio, e quindi detto guscio viene riempito con la lega per la pala. Questo passaggio può essere più complicato per materiali DS o SC, ma il processo è simile. Se vi è un nucleo in ceramica nel mezzo della pala, viene dissolto in una soluzione che lascia cava la pala. Le pale che sono rivestite con il TBC, ed i fori di raffreddamento sono poi lavorati secondo necessità, creando una pala di turbina completa.

La pala di turbina e i processi sopradescritti hanno i loro limiti in termini di temperature di funzionamento e, come è noto nel settore tecnico, temperature superiori in corrispondenza della turbina aumentano l'efficienza della macchina. Pertanto, come già detto sopra, la soluzione nota dello stato della tecnica usa vari tipi di raffreddamento sulle pale. Svantaggiosamente, il raffreddamento stesso riduce l'efficienza della macchina e aumenta la complessità strutturale degli stadi della turbina. SOMMARIO

Una prima forma di realizzazione della invenzione è relativa pertanto ad un metodo per produrre un componente di una macchina rotante. Il metodo comprende le fasi di formare una porzione strutturale interna mediante fabbricazione aggiuntiva da un primo materiale. Poi la parte strutturale interna è coperta con una porzione di protezione esterna in un secondo materiale.

Una seconda forma di realizzazione dell'invenzione è relativa ad un componente di una macchina rotante. Tale componente comprende una porzione strutturale interna fabbricata da fabbricazione aggiuntiva e realizzata da un primo materiale. Inoltre, il componente comprende una porzione di protezione esterna che copre la porzione strutturale interna e fatto di un secondo materiale.

In entrambe le forme di realizzazione, il primo materiale ha un punto di fusione più elevato del secondo materiale.

Vantaggiosamente, la resistenza termo-strutturale del componente 1 è aumentata, a causa della capacità di supporto del carico della porzione interna, che è a sua volta protetta dalla corrosione dalla porzione esterna. Ciò permette di aumentare l'efficienza della turbina a gas o, in alternativa, permette di ridurre od eliminare la necessità di sistemi di raffreddamento a temperature attuali. La vita del componente viene estesa.

Vantaggiosamente, i costi di produzione del componente sono anche sensibilmente ridotti.

Ulteriori dettagli e specifiche forme di realizzazione faranno riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la figura 1 è una vista schematica di un componente di una macchina rotante secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 2 è una vista di dettaglio di un componente di una macchina rotante secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione; e

- la figura 3 è una vista schematica di un componente di una macchina rotante secondo una terza forma di realizzazione della presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione di forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni differenti identificano gli stessi o simili elementi. 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 ad "una forma di realizzazione" significa che una particolare funzione, struttura o caratteristica descritta in connessione con una forma di realizzazione è compresa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Così, la presenza delle frasi "in una forma di realizzazione" in vari luoghi attraverso tutta la descrizione non necessariamente si riferisce alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, le funzioni, le strutture o le caratteristiche particolari possono essere combinati in qualsiasi modo possibile in una o più forme di realizzazione.

Con riferimento alle figure allegate, con 1 è indicato un componente per una macchina rotante. Come spiegato sopra, il componente 1 può essere una pala di turbina a gas.

Il componente 1 è progettato per funzionare a temperatura elevata, per cui si prevede che sopporti sia carichi strutturali che corrosione a queste temperature. Temperature superiori a 1000° C sono considerate alte temperature secondo il significato della presente descrizione.

In un'applicazione del componente 1, che è una pala di una macchina rotante, le principali fonti di carichi strutturali sono le forze inerziali del gruppo rotante e le forze fluidodinamiche generate dal fluido di lavoro. L’agente corrosivo principale è l’ossigeno. Queste caratteristiche dell'ambiente, essendo intese per spiegare la forma di realizzazione dell'invenzione, non devono pertanto essere interpretate come limitanti l’ambito di protezione della domanda.

Il componente 1 comprende una porzione strutturale interna 2, che è il principale fornitore della capacità totale di carico. Pertanto, la porzione interna 2 è realizzata in un primo materiale avente proprietà meccaniche adeguate.

Le proprietà principali richieste alla porzione interna 2 sono resistenza alla trazione e resistenza allo scorrimento. Per resistenza alla trazione, si intende la massima sollecitazione che un materiale può sopportare mentre viene allungato o tirato prima di cedere o rompersi. Con resistenza allo scorrimento si intende la riduzione dello scorrimento sotto carico. Nella scienza dei materiali, lo scorrimento (a volte chiamato scorrimento plastico) è la tendenza di un materiale solido a muoversi lentamente o a deformarsi permanentemente sotto l'effetto di sollecitazioni meccaniche. Ciò può verificarsi come risultato di esposizione a lungo termine ad alti livelli di sollecitazioni che sono ancora al di sotto della resistenza allo snervamento del materiale. Lo scorrimento è più elevato in materiali che sono sottoposti a calore per lunghi periodi, e generalmente aumenta quando si avvicinano al loro punto di fusione.

Le proprietà richieste possono essere ottenute impiegando un primo materiale scelto di conseguenza. Infatti, il primo materiale comprende un peso predominante di un metallo refrattario. Tale metallo refrattario comprende tungsteno od una lega di tungsteno od una lega di molibdeno o siliciuri. Un esempio di un primo materiale può essere un materiale composito a base di siliciuro comprendente

- un siliciuro di Mo, B, W, Nb, Ta, Ti, Cr, Co, Y, od una combinazione di questi,

- S13N4, ed

- almeno un ossido scelto dal gruppo costituito da ossidi di ittrio, ossidi di cerio, e loro combinazioni.

Per l'applicazione in esempio, i valori minimi di carico di rottura alla trazione sono di 450MPa a 1100°C e 300MPa a 1300°C.

Strutturalmente, la porzione interna 2 può avere 0 una struttura reticolare, una struttura ramificata 0 qualsiasi altro tipo di forma complessa. Una struttura reticolare, illustrata a titolo di esempio nella figura 2, è definita da una pluralità di nodi 4 disposti 0 su una base strato- su -strato 0 su una struttura tridimensionale ripetitiva predefinita. I nodi adiacenti 4 sono uniti da travi 5. Queste travi 5 tendono a resistere prevalentemente ad un carico assiale, mentre la flessione e la resistenza al carico trasversale sono assicurate dalla geometria delle travi 5. Un insieme di nodi 4 e travi 5 predefinito, ripetitivo definisce una cella 6 della struttura reticolare. Per un esempio di applicazione, tale cella 6 può essere esagonale.

Una struttura ramificata è una struttura simile ad una struttura reticolare, ma priva di una cella 6, quindi le travi 5 sono posizionate per ottimizzare la capacità di supporto del carico del componente 1 per carichi previsti. Una forma complessa è una forma che non è facilmente definita come sovrapposizione di forme geometriche regolari 0 semiregolari.

Come mostrato nella figura 1, il componente 1 comprende una porzione di protezione esterna 7, che copre almeno in parte la porzione interna 2. Questa porzione esterna 7 è realizzata in un secondo materiale.

Secondo le forme di realizzazione dell'invenzione, il primo materiale ha un punto di fusione più elevato del secondo materiale. In altre parole, mentre il primo materiale è scelto per le sue caratteristiche strutturali, la scelta del secondo materiale è fatta con diversi parametri di guida, in particolare la resistenza alla corrosione. Infatti, il secondo materiale è scelto in modo che abbia una maggiore resistenza alla corrosione e all'ossidazione ad alte temperature rispetto al primo materiale. In altre parole, può verificarsi che il primo materiale si corroda e si ossidi rapidamente a temperature elevate, in particolare il primo materiale si corrode e si ossida più velocemente, a temperature elevate, rispetto al secondo materiale. Pertanto, grazie alla stratificazione della porzione esterna 7 sulla porzione interna 2, il secondo materiale protegge il primo materiale dalla corrosione. Ad esempio, il secondo materiale può comprendere una lega di nichel alluminio, quali NÌ3AI, R108, CM247, NiAI, NiAISi, NiCoCrAlY.

Più in dettaglio, almeno due proprietà meccaniche della porzione interna 2 sono superiori a quelle della porzione esterna 7. Come spiegato in precedenza, tali proprietà meccaniche sono resistenza alla trazione e resistenza allo scorrimento.

In una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa, la porzione interna 2 è inoltre sagomata in modo da formare un recipiente 8 per ricevere una polvere del secondo materiale. Il recipiente è configurato per resistere alle pressioni raggiunte durante la pressatura isostatica a caldo.

Un metodo per produrre il componente 1 è anche una forma di realizzazione della presente invenzione. Questo metodo comprende le fasi di formare la porzione strutturale interna 2 mediante fabbricazione aggiuntiva dal primo materiale. Il processo di fabbricazione aggiuntiva può essere fusione di metallo a laser diretta (DMLM), sinterizzazione di metallo a laser diretta (LMD), fusione laser selettiva (SLM), fusione a fascio di elettroni (EBM), getto di legante, stampaggio ad iniezione o qualsiasi altro processo adatto.

La porzione strutturale interna 2 viene poi ricoperta con una porzione di protezione esterna 7. Questa porzione esterna 7 è realizzata con il secondo materiale sopra specificato. Con maggiore dettaglio, la fase di coprire la porzione interna 2 comprende la sotto fase di pressatura isostatica a caldo del secondo materiale sulla porzione interna 2. In alternativa, la fase di rivestimento della porzione interna 2 può comprendere la sotto fase di microfusione del secondo materiale sulla porzione interna 2.

Si deve notare che la fase di copertura della porzione interna 2 viene eseguita almeno parzialmente in un'atmosfera sostanzialmente senza ossigeno. Preferibilmente, l'atmosfera di lavoro è composta di Argon.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per produrre un componente (1) di una macchina rotante, comprendente le fasi di formare una porzione strutturale interna (2) per fabbricazione aggiuntiva da un primo materiale; coprire la porzione strutturale interna (2) con una porzione di protezione esterna (7) costituita da un secondo materiale; in cui il primo materiale ha un punto di fusione superiore rispetto ad un secondo materiale.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di coprire la porzione interna (2) comprende la sotto fase di pressatura isostatica a caldo di detto secondo materiale sulla porzione interna (2).
3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di coprire la porzione interna (2) comprende la sotto fase di microfusione di detto secondo materiale sulla porzione interna (2).
4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di coprire la porzione interna (2) viene eseguita almeno parzialmente in un'atmosfera sostanzialmente priva di ossigeno.
5. Componente (1) per una macchina rotante comprendente: - una porzione strutturale interna (2) fabbricata per fabbricazione aggiuntiva e costituita di un primo materiale; - una porzione di protezione esterna (7) che copre la porzione strutturale interna (2) e costituita di un secondo materiale; in cui il primo materiale ha un punto di fusione più elevato del secondo materiale.
6. Componente (1) secondo la rivendicazione 5, in cui almeno due proprietà meccaniche della porzione interna (2) sono superiori a quelle della porzione esterna.
7. Componente (1) secondo la rivendicazione 6, in cui le proprietà meccaniche sono resistenza alla trazione e resistenza allo scorrimento.
8. Componente (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 5 alla 7, in cui detto secondo materiale ha una maggiore resistenza, ad alte temperature, alla corrosione ed all'ossidazione rispetto al primo materiale.
9. Componente (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui dette alte temperature sono superiori a 1000° C.
10. Componente (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 5 alla 9, in cui la porzione interna (2) ha una forma reticolare, ramificata o complessa.
11. Componente (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 5 alla 10 in cui la porzione esterna (2) è formata da pressatura isostatica a caldo o microfusione.
12. Componente (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il secondo materiale comprende una lega di nichel alluminio.
13. Componente (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo materiale comprende un peso predominante di un metallo refrattario.
14. Componente (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il metallo refrattario comprende tungsteno od una lega di tungsteno o di molibdeno.
15. Componente (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 5 alla 14, in cui la porzione strutturale interna () è inoltre sagomata in modo da formare un recipiente () per ricevere una polvere di detto secondo materiale; il recipiente () è configurato per resistere alle pressioni raggiunte durante la pressatura isostatica a caldo.
16. Componente (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 5 alla 15, in cui la porzione esterna (7) copre completamente la porzione interna (2).
17. Componente (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 5 alla 16, in cui detto componente è una pala di una turbina a gas.
18. Componente (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 5 alla 17, in cui detto componente è prodotto da un metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 1 alla 4.