PT843026E

PT843026E - Plaqueamento de componentes de motor de turbina

Info

Publication number: PT843026E
Application number: PT97117725T
Authority: PT
Inventors: David Kang; Kevin Updegrove; Frank Goodwater
Original assignee: Chromalloy Gas Turbine Corp
Priority date: 1996-10-16
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 2001-12-28
Also published as: EP0843026B1; DK0843026T3; AU4095197A; JP3959161B2; AU726305B2; DE69706023T2; CA2217843C; ES2160878T3; DE69706023D1; EP0843026A1; ATE204036T1; MX9707942A; US5800695A; CA2217843A1; JPH10183363A

Description

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DESCRIÇÃO "PLAQUEAMENTO DE COMPONENTES DE MOTOR DE TURBINA"

Antecedentes da Invenção

Esta invenção refere-se a um processo para plaquear componentes de motor de turbina a gás, referindo-se mais particularmente à dissimulação de orifícios de arrefecimento num componente de motor de turbina a gás durante o processo de plaqueamento.

As pás e as palhetas que são habitualmente usadas na secção de turbina dos modernos motores de turbina a gás são tipicamente fabricadas em superligas à base de níquel e de cobalto. A composição das superligas são geralmente concebidas para fornecerem uma combinação desejável de força e resistência mecânicas à degradação ambiental (por exemplo, oxidação e corrosão por calor). Frequentemente, usam-se revestimentos para aumentar o nível de oxidação e de resistência à corrosão por calor, permitindo que os componentes fabricados a partir dessas superligas sejam usados por longos períodos antes de se tomar necessário substituí-los ou repará-los.

Esses revestimentos de protecção podem, tipicamente, ser aplicados por plaqueamento, imergindo um artigo num meio de plaqueamento. Um problema com que nos deparamos ao utilizar esta técnica de revestimento é a deposição do revestimento em áreas onde o mesmo não é desejado. Desenvolveu-se uma variedade de técnicas para evitar que os revestimentos se depositassem em áreas onde não são desejados, incluindo a utilização de películas formando materiais poliméricos resinosos para proteger a superfície metálica, tal como revela a Patente U.S. 3 451 902. Ver também as Patentes U.S. 2 999 771,4 089 686 e 4 224 118.

Nos motores de turbina a gás, vários componentes, em particular as pás e as palhetas da turbina a temperatura elevada, são invariavelmente arrefecidas por ar para permitir que o 2 motor funcione a uma temperatura mais elevada. Este arrefecimento por ar árige a utilização de complexas passagens de arrefecimento por ar e de orifícios de arrefecimento nas pás e nas palhetas. Na aplicação de revestimentos de protecção nessas pás e palhetas os revestimentos têm tendência para penetrar nas passagens dos orifícios de arrefecimento e têm um efeito prejudicial no fluxo de ar. Este problema tem sido observado nos processos de plaqueamento, por exemplo, plaqueamento a platina, onde a platina penetra no orifício, sobrepondo-se-lhe, obstruindo assim o orifício e tendo consequências graves sobre o fluxo de ar que deveria passar pelo mesmo. Observou-se que alguns orifícios ficam completamente obstruídos, enquanto que a obstrução de outros orifícios afectam o fluxo de ar entre 10% e mais de 50%.

Entre os vários processos que têm sido utilizados na técnica para lidar com o problema da obstrução dos orifícios das pás plaqueadas incluem-se: perfurar os orifícios de modo a apresentarem um diâmetro superior antes do revestimento, para compensar o plaqueamento subsequente; voltar a perfurar os orifícios depois de efectuado o revestimento; ou espetar arames nos orifícios durante o processo de plaqueamento. Estes métodos são geralmente considerados insatisfatórios, porque exigem tempo e são geralmente ineficazes.

Sumário da Invenção

Resumindo, fomece-se um processo para plaquear um revestimento sobre um componente de motor de turbina a gás que contém uma pluralidade de orifícios de arrefecimento e uma passagem de arrefecimento compreendendo a injecção de uma máscara na passagem de arrefecimento do componente para preencher os orifícios de arrefecimento com a máscara, plaquear a superfície do componente com o revestimento e remover a máscara do componente.

Breve Descrição dos Desenhos A FIG 1 é uma pá de turbina representativa com orifícios de arrefecimento. A FIG 2 é uma vista expandida de um corte transversal através dos orifícios de arrefecimento apresentando a diminuição do orifício de arrefecimento com o plaqueamento a platina. A FIG 3 é um corte transversal de uma pá de turbina mostrando a direcção do fluxo do plástico utilizado como máscara. A FIG 4 é um corte transversal através dos orifícios de arrefecimento mostrando a máscara injectada. A FIG 5 é uma vista expandida da secção transversal através dos orifícios de arrefecimento mostrando a máscara. A FIG 6 é uma secção transversal através dos orifícios de arrefecimento depois do plaqueamento a platina, com máscara, não apresentando qualquer diminuição dos orifícios.

Descrição Pormenorizada da Invenção É fornecido um processo para plaquear um componente de motor de turbina a gás, contendo uma pluralidade de orifícios de arrefecimento e uma passagem de arrefecimento interligados,' com um revestimento. Entre os componentes que contêm passagens de arrefecimento e orifícios de arrefecimento desse tipo incluem-se pás, palheta e blindagens. O primeiro passo do processo envolve a injecção de uma máscara dentro da(s) passagem/passagens de arrefecimento do componente para preencher os orifícios de arrefecimento com a máscara. Tal como apresentado nas Figuras 1 e 3, tipicamente, chega-se às passagens de arrefecimento 2 das pás 1 e das palhetas e a injecção é efectuada através da raiz 3. Para que a máscara preencha efectivamente os orifícios de arrefecimento 4 pode ser necessário pré-aquecer o componente e inserir a máscara fundida por calor nas passagens de arrefecimento sob uma pressão eficaz para preencher os orifícios de arrefecimento. Tal como apresentado nas Figuras 4 e 5, os orifícios de arrefecimento são preenchidos de maneira que a máscara 5 fique nivelada com a superfície do componente. A máscara é, preferivelmente, um material orgânico que seja fácil de aplicar e de remover. A máscara é utilizada para evitar o revestimento das áreas de superfície metálica com as quais fica em contacto durante o plaqueamento e não deve reagir prejudicialmente com a superfície metálica do componente ou interferir com o banho de plaqueamento. Os plásticos são os preferidos porque, num estado líquido, podem ser moldados no componente por injecção e, então, podem ser curados para endurecer o plástico antes do subsequente processo de plaqueamento. Entre as máscaras adequadas encontram-se o polipropileno e uma mistura de olígomero de poliuretano. Preferivelmente, a máscara não conterá halogéneos que podem reagir prejudicialmente com a superfície metálica. Quando se injecta a máscara deve tomar-se cuidado para que a máscara não apareça sobre as superfícies destinadas a serem revestidas. Qualquer máscara que apareça no exterior do componente é geralmente removida antes do plaqueamento.

Depois da máscara ser injectada nos orifícios de arrefecimento e curada para endurecer, se necessário, então, pode ser efectuado o plaqueamento da superfície externa do componente com o revestimento protector. Um processo de plaqueamento preferido é um processo de electro-plaqueamento que é bem conhecido na técnica. Um revestimento protector preferido, para aplicação pelo processo de electro-plaqueamento, inclui metais nobres como a platina. A utilização da máscara injectada nos orifícios de arrefecimento durante o processo de plaqueamento inibe o revestimento dos orifícios que afectam prejudicialmente o fluxo de ar.

Depois de se completar o processo de plaqueamento, a máscara é removida. Uma máscara e um método preferidos para a sua remoção incluem uma máscara que irá volatilizar-se perante a aplicação de temperaturas elevadas durante um lapso de tempo eficaz. Outras máscaras que podem ser usadas incluem as que são removidas por meio de solventes. Tipicamente, a máscara pode ser removida por tratamento de calor a cerca de 593 °C (1100 °F) até 927 (1700 °F) durante 15 a 30 minutos. O tratamento a estas 5

temperaturas não afectará prejudicialmente a superfície em superliga do componente de motor de turbina a gás. Tal como apresentado na Figura 2, sem o preenchimento dos orifícios de arrefecimento com a máscara durante o plaqueamento, a platina irá plaquear tanto a superfície externa 6 como as passagens internas do orifício de arrefecimento 7 o que afecta prejudicialmente o fluxo de ar. Com a máscara a preencher os orifícios de arrefecimento durante o plaqueamento, a platina só irá plaquear a superfície externa 8 tal como apresentada na Figura 6.

Depois da remoção da máscara, o componente pode então ser processado como é habitual na técnica, incluindo um tratamento por difusão de calor para difundir o revestimento protector, por exemplo, platina, na superfície do componente. Outras operações podem também ser adequadamente efectuadas, incluindo aplicações de revestimentos adicionais sobre o componente plaqueado. Um revestimento adicional preferido que é aplicado a um substrato revestido a platina, é um revestimento por difusão de aluminido que pode ser aplicado por um processo de difusão por vapor ou por enchimento (por exemplo, enchimento por precipitação) seguido pela difusão do revestimento no substrato a temperaturas elevadas (por exemplo, 815 a 1093 °C ou 1500 a 2000 °F).

Exemplo 1

Polipropileno a uma temperatura dé cerca de 204 °C (400 °F) e sob uma pressão de cerca de 69 bar (1000 psi) é injectado nas passagens de arrefecimento 2 através da raiz 3 de uma pá de primeiro estágio CF6-80C2 (ver FIG 3), preenchendo os orifícios de arrefecimento 4 da pá. O excesso de polipropileno no exterior da pá é retirado por meio de limpeza. O polipropileno começa a endurecer à medida que arrefece a menos de cerca de 93 °C (200 °F). A pá é então plaqueada com platina num banho de electroplaqueamento contendo uma solução de diamin-dinitrito de platina a 82 °C (180 °F) durante 90 minutos produzindo uma espessura de platina de 0,00005 a 0,0001 cm (0,0002 a 0,0004 polegadas). A seguir ao plaqueamento, o plástico é volatilizado por queima a 593 °C (1100 °F) durante 30 minutos, limpeza ultrassónica em água a 66 °C (150 °F) durante 15 minutos e um enxaguamento com água durante 5 minutos.

As peças plaqueadas a platina foram mais revestidas por meio de uma aplicação de aluminido por difusão sobre a superfície plaqueada a platina por meio de enchimento por precipitação e difusão a 982 °C (1800 °F) durante 6 horas proporcionando um revestimento protector de aluminido de platina. O efeito no fluxo de ar pela obstrução dos orifícios durante o plaqueamento a platina foi medido com e sem máscara injectada nos orifícios de arrefecimento registando-se as observações que se seguem. A alteração média da massa de fluxo de ar é medida para cada uma das três câmaras 9,10 e 11 na pá da turbina 1 ilustrada na Figura 3, com Wa indicando a câmara 9 da aresta superior, Wb indicando a câmara central 10 e Wc indicando a câmara 11 da aresta inferior. O controlo (sem máscara) apresentou uma alteração média na massa de fluxo de ar para cada câmara, em 5 etapas diferentes de plaqueamento e revestimento, como segue:

Wa - 49,3%

Wb - 27,8%

Wc - 22,8% A pá injectada com máscara apresentou uma alteração média na massa de fluxo de ar para cada câmara, em 5 etapas difíerentes de plaqueamento e revestimento, como segue:

Wa -12,1%

Wb - 8,6%

Wc - 7,7%

As pás com máscara exibiram, assim, uma melhoria dramática no fluxo de ar depois do plaqueamento e revestimento com platina em comparação com as pás de controlo plaqueadas e revestidas com platina sem a utilização de máscara.

Exemplo 2 O processo do Exemplo 1 é repetido usando um polímero acrílico de uretano curável por raios UV como máscara que, depois da injecção, é curado por raios UV até endurecer e curado por calor a 121 °C (250 °F) durante 30 minutos.

As pás plaqueadas também apresentaram orifícios de arrefecimento abertos com uma alteração mínima no fluxo de ar.

Lisboa, - 3 OUT. 2001

Dra. Maria FHvina Fcrreira

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Claims

REIVINDICA Ç Õ E S: Processo de plaquear um revestimento sobre um componente de motor de turbina a gás, contendo uma pluralidade de orifícios de refrigeração e uma passagem de arrefecimento compreendendo: injectar uma máscara na passagem de arrefecimento do componente preenchendo os orifícios de arrefecimento do componente com a máscara; plaquear a superfície externa do componente com um revestimento; e remover a máscara do componente. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que a máscara é uma máscara orgânica. Processo de acordo com a reivindicação 2, em que a máscara orgânica é removida aquecendo o componente até uma temperatura e tempo eficazes para volatilizar a máscara. Processo de acordo com a reivindicação 3, em que a máscara orgânica é um plástico. Processo de acordo com a reivindicação 4, em que o revestimento é um processo de electroplaqueamento. Processo de acordo com a reivindicação 5, em que o processo de electroplaqueamento aplica um metal nobre como revestimento. Processo de acordo com a reivindicação 6, em que o metal nobre é platina. Processo de acordo com a reivindicação 7, em que o plástico é uma mistura de olígomero de poliuretano. Processo de acordo com a reivindicação 3, em que, depois de injectado, o plástico é curado para endurecer. Processo de acordo com a reivindicação 9, em que a máscara no exterior do componente é removida antes do plaqueamento. Processo de acordo com a reivindicação 7, compreendendo ainda o aquecimento do componente plaqueado a platina para difundir a platina na superfície. Processo de acordo com a reivindicação 2, em que a máscara é seleccionada a partir do grupo consistindo em polipropileno e misturas de olígomero de poliuretano. Processo de acordo com a reivindicação 1, compreendendo ainda a aplicação de revestimentos adicionais sobre o componente plaqueado. 3 OUT. 20Π1

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