MXPA01002651A

MXPA01002651A - Soldadura con laser de articulos de superaleacion.

Info

Publication number: MXPA01002651A
Application number: MXPA01002651A
Authority: MX
Inventors: M Foster
Original assignee: Chromalloy Gas Turbine Corp
Priority date: 1998-09-15
Filing date: 1999-07-26
Publication date: 2002-06-21
Also published as: CA2343639C; WO2000015382A1; BR9913669A; ATE392290T1; AU1439500A; ES2306538T3; DE69938563D1; KR100593053B1; US6054672A; PT1148967E; EP1148967A1; JP2002524268A; EP1148967A4; DE69938563T2; CA2343639A1; KR20010073164A; JP4889858B2; EP1148967B1

Abstract

Se provee un procedimiento para soldar con laser un articulo de superaleacion a base de niquel o cobalto para minimizar el agrietamiento precalentado el area de soldadura completa hasta una temperatura ductil, manteniendo esa temperatura durante la soldadura y solidificacion de la soldadura. La soldadura utiliza un alimentador de aleacion en polvo y la velocidad del laser se controla a menos de 25.4 centimetros por minuto.

Description

SOLDADURA CON SER DE ARTÍCULOS DE SUPERALÜACION CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un procedimiento para soldar artículos de superaleación que son difíciles de soldar, y más en particular a un procedimiento para soldar con láser tales artículos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Al desarrollarse componentes para motores de aviones existe una continua demanda por una mejor capacidad para soportar temperaturas cada vez más altas debido a las demandas de alta temperatura que se exigen a estos componentes en el motor. Las cuchillas y aspas de turbinas de alta presión actuales son sometidas a condiciones de alta temperatura extremadamente adversas (por ejemplo, de más de 1092.24°C). Estas partes para motores de aviones pueden requerir procedimientos de soldadura durante la fabricación de los componentes, o después de ver las operaciones del motor, y requerir reparación como resultado del desgaste y agrietamiento.

Como ^sultado de estas demandas de alta temperatura, estos componentes comúnmente son fabricados a partir de superaleaciones que contienen una fase gamma prima y materiales comúnmente conocidos co o la familia MCrAlY de aleaciones. Un problema particular con las aleaciones endurecibles por precipitación gamma prima tales como R'80 es la incapacidad para soldar o revestir estas aleaciones con aleaciones parecidas o similares sin encontrar agrietamiento y rechazos a alta producción. Debido a las temperaturas de soldadura y tensiones implicadas,, estas experimentan encogimiento, agrietamiento por tensión y similares. Debido a las dificultades para soldar estas superaleaciones específicas, existe la necesidad de un procedimiento mediante el cual las aleaciones endurecidas por precipitación gamma prima pueden ser soldadas consistentemente sin agrietamiento con aleaciones de metal de origen o similares. Las patentes de E.U.A. Nos. 5,106,010 y 5,374,319 describen un procedimiento que precalienta el área de soldadura y la región adyacente al área de soldadura hasta una temperatura dúctil y mantiene dicha temperatura durante la soldadura y solidificación. La patente de E.U.A. No. 5,554,837 describe llevar a cabo un procedimiento de soldadura con láser interactivo para maximizar la capacidad de reproducción y minimizar rechazos y desperdicio mientras se incrementa la producción de componentes soldados. Aunque estos procedimientos minimizan el agrietamiento en muchas aleaciones, existen problemas particulares asociados con soldar versiones direccional ente solidificadas (DS) de estas aleaciones en las que se observa la formación de microgrietas en los contornos del grano.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Brevemente, esta invención provee un procedimiento para soldar con láser un artículo de superaleación a base de níquel y/o cobalto que tiene una fase gamma prima que comprende precalentar el área de soldadura completa y la región adyacente al área de soldadura del artículo hasta una temperatura dúctil dentro de la escala de 759.24°C a 1147.74°C y mantener dicha temperatura durante la soldadura y solidificación del material soldado; y soldar el artículo precalentado utilizando un láser con un alímentador de aleación en polvo, con la velocidad del láser controlada a menos de 25.4 centímetros por minuto, preferiblemente menos de aproximadamente 12.7 centímetros por minuto, para minimizar el agrietamiento en los contornos del grano.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Esta invención provee un procedimiento para soldar artículos de superaleación, particularmente componentes para motores de turbina de gas que incluyen cuchillas, aspas y rotores. Estas superaleaciones son superaleaciones a base de níquel y/o cobalto que son difíciles de soldar mediante procedimientos de punta. Estas superaleaciones tienen una fase gamma prima e incluyen aleaciones direccionalmente solidificadas y de un solo cristal de aleaciones endurecidas mediante precipitación gamma prima a base de níquel. Generalmente, las superaleaciones endurecidas por medio de precipitación gamma prima contienen titanio y aluminio en una cantidad combinada de por lo menos aproximadamente 5%. Las superaleaciones adecuadas incluyen R'80, DSR'SOh, R'108, IN 738, R'125, DSR'142, R'N4, R'N5 Mar-M~247DS, In 792Hf y CMSX-4. La composición nominal de algunas de estas superaleaciones se describe en la patente de E.U.A.

No. 5,554,387, cuya descripción se incorpora a manera de referencia. En las aleaciones direccionalmente solidificadas existen elementos de rastro añadidos como endurecedores del contorno del grano. Los endurecedores del contorno del grano consisten típicamente en carburos y boruros, comúnmente tungsteno y tantalio. Cuando se suelda con láser estas aleaciones usando procedimientos típicos existe un problema consistente con la formación de microgrietas en los contornos del grano. La composición metalúrgica de los contornos del grano es tal que se derriten a una temperatura más baja que la del resto del material de base. Si los contornos del grano se enfrían después demasiado rápido se rompen. La evaluación metalúrgica de muestras soldadas ha mostrado que las partes soldadas usando parámetros de láser de C02 típicos sufren de microgrietas en los contornos del grano. En algunos casos las microgrietas permanecen pequeñas. En otros, se desgarran y pueden progresar completamente a través de la nueva soldadura. Las grietas más grandes comúnmente pueden repararse individualmente. Sin embargo, la experiencia ha mostrado que entre más se intente la soldadura sobre una parte específica, mayor es la probabilidad de generar grietas adicionales. La probabilidad incrementada de grietas es ocasionada por el procedimiento de soldadura con láser inicial, el cual genera microgrietas en los contornos del grano. Incluso si las microgrietas no se propagan inicialmente, permanecen presentes como sitios de iniciación de grieta con una posibilidad muy alta de agrandarse durante las operaciones subsecuentes de soldadura o tratamiento con calor. Un parámetro crítico en controlar la generación de microgrietas cuando se sueldan las aleaciones DS es la velocidad de resolidificación de la aleación de base. Cuando se suelda con láser, esa velocidad es controlada por la velocidad de recorrido del rayo láser. Las velocidades de recorrido más comúnmente usadas se encuentran en la escala de 25.4 a 76.2 centímetros por minuto (cpm), siendo típico 45.7 cpm. Se ha pensado que las velocidades en esta escala son necesarias para sacar ventaja de la baja entrada de calor general permitida por el sistema de soldadura con láser. La práctica convencional sostuvo que la mejor manera de minimizar grietas sobre todas las superaleaciones era controlar cuidadosamente el tamaño del baño de fusión de la soldadura y minimizar la profundidad de la penetración de la soldadura junto con la zona afectada por calor asociada. Cuando se suelda con láser superaleaciones DS, la profundidad de penetración de la soldadura y el grado de la zona afectada por calor no afectan la generación de microgrietas sobre los contornos del grano. Las microgrietas son ocasionadas cuando los contornos del grano se solidifican tan rápido que los esfuerzos de tracción residuales exceden el límite aparente de fluencia de la aleación en esos lugares. Incrementar la temperatura de precalentamiento ayuda a reducir los desgarres grandes, pero aún pueden generarse mícrogrietas . Velocidades de soldadura con láser de menos de 25.4 centímetros por minuto, preferiblemente menos de aproximadamente 12.7 cpm con 5.08 a 10.16 cpm siendo óptimo, dan como resultado un procedimiento de soldadura que minimiza o está libre de microgrietas. Esta velocidad de soldadura que se prefiere está casi un orden de magnitud debajo de los 45.7 cpm comúnmente usados. Como resultado, otros parámetros de soldadura relacionados deben ajustarse en consecuencia. En particular, la potencia general del láser junto con la velocidad de flujo en gramos por minuto del polvo rellenador deben ser reducidas. La potencia debe ser significativamente más baja para evitar el derretimiento de la parte que se esté soldando y el flujo de polvo debe reducirse para evitar el exceso de porosidad de la soldadura. Un procedimiento adecuado para soldar la superaleación se describe en la patente de E.U.A. No. 5,554,837. El artículo de superaleación (por ejemplo, un aspa o cuchilla) es precalentado por una bobina de calentamiento por inducción. Durante esta etapa de precalentamiento el área de soldadura completa del artículo de superaleación y la región adyacente al área de soldadura es calentada por la bobina de calentamiento por inducción hasta una temperatura dúctil dentro de la escala de 759.24°C a 1147.74°C, preferiblemente 939.615°C a 1078.365°C. La temperatura dúctil a la cual el área de soldadura del artículo es calentada está por arriba de la temperatura de añejamiento o endurecimiento por precipitación, pero debajo de la temperatura de fusión incipiente del substrato del artículo de superaleación particular. Es crítico para este procedimiento mantener equilibrio térmico antes, durante y después del procedimiento de soldadura/revestimiento, llevando a gradientes térmicos menos severos a través del metal de base adyacente/soldado, reduciendo de esta manera tensiones residuales y agrietamiento subsecuente. La reducción de los gradientes térmicos disminuye el impacto del calor que proviene de la soldadura sobre la zona afectada por calor, es decir, el procedimiento * relocaliza" la zona afectada por calor lejos de la línea de fusión. Ya que el área de soldadura completa y la región adyacente es precalentada por arriba de la temperatura de endurecimiento por calor, esto da como resultado una distribución térmica uniforme que impide la contracción y tensiones residuales resultantes que se enfocan normalmente en la zona afectada por calor más débil. El área de soldadura completa y la región adyacente es sometida a contracción térmica como resultado de la reacción de añejamiento con las tensiones residuales que son resultando de que esta reacción sea distribuida sobre un área mucho más grande, no sólo concentrada en el punto que se está soldando . El área de soldadura completa y la región adyacente a la soldadura son calentadas, mediante calentamiento por inducción, hasta la temperatura dúctil. La región adyacente al área de soldadura que se está calentando es al menos lo suficientemente grande como para ser capaz de abarcar la zona afectada por el calor, preferiblemente más grande. La zona afectada por el calor se define como la porción del metal de base que no se ha derretido, pero cuyas propiedades mecánicas o microestructura han sido alteradas por el calor de la soldadura (véase Metals Handbook Ninth Edition, Volumen 6, AM, 1983) . Generalmente esta región adyacente que es calentada está a por lo menos 0.635 centímetros, preferiblemente 1.27 a 2.54 centímetros de la soldadura. Una vez que el artículo ha sido precalentado hasta la temperatura deseada el láser y alimentador de polvo son acoplados para soldar. La radiación del láser forma un depósito fundido pequeño del substrato al ser dispersado el polvo que proviene del alimentador sobre el depósito fundido y soldado (revestido) a la parte por el rayo láser. El proceso de solidificación se controla en forma precisa por la radiación del rayo y la energía de calentamiento impartida por la bobina de inducción y el movimiento relativo del rayo y el artículo para controlar la tensión térmica y las tensiones y esfuerzos resultantes para formar una soldadura libre de grietas durante y después del proceso de solidificación. Durante la operación, al área de soldadura del artículo es envuelta en un gas inerte (por ejemplo, argón o helio) para minimizar la oxidación y contaminación por óxido de la superaleación de base y el polvo de aleación de metal de relleno durante el proceso de calentamiento y soldadura . La temperatura del área de soldadura es controlada a lo largo del procedimiento a pesar del calor añadido que proviene del rayo láser usando un pirómetro óptico con circuito de voltaje de realimentación (inferómetro) que controla el calentador por inducción. La parte es precalentada en la escala de 760°C a 1148.8°C y permanece en esta escala durante la soldadura y solidificación a pesar de la entrada de calor láser localizada. Además, el inferómetro (circuito de realimentación) controla la velocidad de calentamiento antes de la soldadura y la velocidad de enfriamiento una vez que se ha completado la soldadura. Este proceso de precalentamiento reduce las tensiones y agrietamiento por la soldadura y permite que el artículo de superaleación de base sea soldado con láser (revestido) con un alimentador de aleación en polvo que también comprende una superaleación, es decir, una superaleación endurecida por precipitación gamma prima o una aleación M rAlY en la que M es Ni y/o Co. En forma adecuada, se puede utilizar una aleación en polvo que sea sustancialmente la misma que la aleación del artículo de superaleación. La reducción de tensiones y agrietamiento por las mismas es especialmente necesaria cuando se suelda una superaleación direccionalmente solidificada con una aleación en polvo endurecida gamma prima debido a la susceptibilidad para el agrietamiento a lo largo de los contornos del grano. Se prefiere generalmente controlar el enfriamiento para reducir las tensiones inducidas por el enfriamiento descontrolado que pueden inducir el agrietamiento . La soldadura con láser del artículo es controlada mediante el uso de un medio de control numérico por computadora (CNC) que controla el láser, alimentador de polvo y sistema de movimiento sobre el cual está instalado el artículo. Se requiere una extensa programación y desarrollo de parámetros corroborados por análisis metalúrgico para una unión por fusión metalúrgicamente perfecta sin grietas. El medio de control incluye un sistema de visión que digítaliza la configuración del artículo para impulsar al sistema de movimiento que sostiene al artículo debajo del rayo láser enfocado y alimentador de polvo convergido. El sistema de control permite la operación eficiente y económica del procedimiento, haciendo posible soldar una variedad de configuraciones complejas. El sistema de visión que se emplea establece una trayectoria precisa para el sistema de soldadura con láser que es individualizada para el área de soldadura del artículo particular que se esté soldando. Esto se logra con un control numérico por computadora que utiliza un programa para el artículo, pero con la trayectoria precisa establecida por el sistema de visión. Una vez que el artículo es asegurado en su soporte, se revisa la altura para determinar la acumulación necesaria durante la soldadura (revestimiento). Después, una vez establecido el contraste del área de soldadura, la cámara del sistema de visión observa (es decir, toma una foto) el área de soldadura y dígitaliza su periferia trazando la periferia con una pluralidad de puntos que son convertidos numéricamente proveyendo una trayectoria de contorno precisa para que el láser siga el área de soldadura específica del artículo. Una ez que la trayectoria es ajustada, el artículo aún en su soporte, es después colocado sobre el sistema de movimiento del aparato de soldadura con láser en el que la trayectoria del láser se ajusta en forma precisa para este artículo. Ya que la trayectoria se ajusta en forma precisa para el artículo específico, ocurre menos desperdicio en el procedimiento de soldadura y se requiere de menos maquinado (por ejemplo, fresado, amolado) al mismo para remover el exceso de soldadura. Como una ventaja particular, el maquinado subsecuente también puede controlarse en forma precisa utilizando el mismo soporte y parámetros de control para el artículo específico que los establecidos originalmente por el sistema de visión para la soldadura con láser. Esto reduce los requerimientos de medición y control subsecuentes, lo cual incrementa la eficiencia del procedimiento. El sistema de movimiento cuya trayectoria es establecida por el sistema de control es un sistema de movimiento de por lo menos tres ejes, pre eriblemente uno de cuatro o cinco ejes, para proveer el movimiento detallado que se requiere para varías superficies de área de soldadura complejas. El movimiento de tres ejes sería a lo largo de las direcciones X, Y y Z, el movimiento de cuatro ejes para superficies planas más complejas combinaría las direcciones X, Y y Z con rotación (véase figura 1), mientras que un movimiento de cinco ejes para superficies con contorno combinaría las direcciones X, Y y Z con rotación e inclinación. Los láseres adecuados incluyen aquellos conocidos por los expertos en la técnica, incluyendo un láser de C02. La densidad de potencia del láser puede ser de entre 105 watts/in2 y 107 watts/in2 con un tamaño de concentración del rayo en la escala de 0.101 a 0.381 centímetros. El alimentador de aleación en polvo es operado para suministrar una corriente de partículas de aleación generalmente de -120 a +400 mallas a una velocidad de 5 a 15 gramos/min. Con las velocidades de soldadura con láser reducidas de esta invención, la potencia de láser que se utiliza es preferiblemente de 104 a 106 watts/in2, y la velocidad de alimentación de aleación en polvo es de 2 a 6 gramos por minuto.

EJEMPLO 1 Muestras para prueba hechas de material Rene 142 solidificado se cortaron a un tamaño aproximado de 2.54 centímetros de largo x 1.90 centímetros de ancho x 0.10 centímetros de grosor. La composición nominal en peso de Rene 142 es 6.15% de Al, 6.80% de Cr, 7.50% de Co, 1.45% de Mo , 4.90% de W, 6.35% de Ta, 1.45% de Hf, 2.80% de Re, 0.12% de C, 0.022% de Zr, 0.015% de B y el resto Ni. La estructura del grano fue orientada perpendicular al eje de longitud de la muestra de prueba, de manera tal que la soldadura sobre un lado larga representara la soldadura alrededor del riel de punta de una aspa de turbina. Las aspas fueron ciclizadas a través de un ciclo de liberación de tensión por vacío a alta temperatura. Después fueron deslustradas al ácido y procesadas a través de una inspección penetrante fluorescente de alta sensibilidad (FPI), seguidas por un ciclo de limpieza. Todas las operaciones iniciales se llevaron a cabo para aproximarse a la condición de la aleación de un aspa de turbina lista para su reparación por soldadura, sin grietas preexistentes. Utilizando el procedimiento descrito en la patente de E.U.A. No. 5,554,837 se ajustó la temperatura de precalentamiento a 842.49°C. Las muestras de prueba se soldaron después a velocidades que variaban de 45.7 cpm hasta 5.08 cpm. La velocidad de flujo de polvo de soldadura fue variada de 8,5 gramos por minuto hasta 3.5 gramos por minuto. La potencia del láser fue variada de 1000 watts hasta 125 watts en el baño ole fusión de la soldadura. Después de soldar las muestras de prueba se pasaron a través de otro ciclo de liberación de tensión por vacío a alta temperatura. Se repitieron el deslustrado y la FPI, seguidos por la evaluación metalúrgica de cada muestra de prueba. Las inspecciones llevadas a cabo después del tratamiento con calor final indicaron que todas las muestras de prueba soldadas a velocidades de más de 25.4 cpm tenían la mayoría de las grietas, progresando comúnmente de la aleación de base completamente a través de la soldadura. Las muestras de prueba soldadas a velocidades entre 5.08 cpm y 10.16 cpm no experimentaron grietas o microgrietas. Las muestras de prueba soldadas a velocidades entre 15.24 cpm y 25.4 cpm experimentaron un número de grietas y microgrietas, incrementándose el número y tamaño de las indicaciones al aumentar la velocidad de soldadura. Las variaciones en la velocidad de flujo del polvo de soldadura y la potencia del láser afectaron el tamaño y forma del cordón de soldadura junto con la profundidad de penetración de la soldadura y la zona afectada con calor. No hubo correlación entre cualquiera de esos dos parámetros y el tamaño o número de grietas en las muestras de prueba .

EJEMPLO 2 Aspas CF6-80C2 Stage 1 HPT hechas de un material Rene 142 direccionalmente solidificado fueron soldadas. Como parte del procedimiento de reparación normal las aspas fueron enviadas a través del ciclo de liberación de tensión por vacío a alta temperatura inicial. Después de eso, todas las grietas iniciales fueron reparadas manualmente mediante soldadura TIG. Las aspas se enviaron después a través de una FPI de alta sensibilidad e inspección por rayos X para asegurar que estuvieran libres de grietas antes de la soldadura con láser de C02 , En el láser de' 02 las aspas fueron soldadas usando los siguientes parámetros: velocidad de soldadura 5.08 cpm, alimentación de polvo 3.5 gramos por minuto, temperatura de precalentamiento de 842.49°C y potencia del láser de 575 watts en la parte. Después de soldar las aspas fueron amoladas hasta una longitud final, lijadas en banda para restaurar el contorno externo y maquinadas por electrodescarga para limpiar la punta de la cavidad.

Después de las operaciones de acabado mecánico las aspas fueron enviadas a través de un tratamiento final de calor por vacío a alta temperatura, seguidas por deslustrado, FPI de alta sensibilidad e inspección por rayos X. No se detectaron grietas por las diferentes inspecciones. Finalmente, las aspas fueron sometidas a evaluación " metalúrgica destructiva. De nuevo, no se detectaron grietas o microgrietas ,

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención se considera como novedad y por lo tanto se declara como propiedad lo descrito en las siguientes: R E I V I N D I C A C I O N E S

1. Un procedimiento para soldar con láser un artículo de superaleación a base de níquel y/o cobalto seleccionado del grupo que consiste en una superaleación endurecida mediante precipitación gamma prima que contiene titanio y aluminio en una cantidad combinada de al menos 5%, que comprende: precalentar un área de soldadura completa y región adyacente al área de soldadura del artículo hasta una temperatura dúctil que se encuentra por arriba de la temperatura de añejamiento y debajo de una temperatura de fusión incipiente para dicha superaleación y dentro de la escala de 759.24°C a 1147.74°C y mantener esa temperatura durante la soldadura y solidificación de una soldadura; y soldar el artículo precalentado utilizando un láser con un alimentador de aleación en polvo, controlando la velocidad del láser a menos de 25.4 centímetros por minuto.

2. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el artículo de superaleación es direccionalmente solidificado .

3. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la velocidad del láser es de menos de aproximadamente 12.7 centímetros por minuto.

4. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la aleación en polvo es una superaleación a base de níquel endurecida mediante precipitación gamma prima que . contiene titanio y aluminio en una cantidad combinada de al menos 5% o una aleación McrAlY en la que M es Ni y/o Co.

5. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el artículo de superaleación y la aleación en polvo comprenden sustancialmente la misma aleación.

6. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque el artículo de superaleación es un componente para un motor de turbina de gas.

7. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el artículo es una cuchilla de turbina, un aspa de turbina o un rotor de turbina.

8. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 2, que comprende además maquinar el artículo soldado.

9. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque la temperatura dúctil se encuentra en la escala de 939.615°C a 1078.365°C.

10. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la potencia del láser es de 104 a 10d watts/ín2.

11. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque la velocidad de alimentación de aleación en polvo es de 2 a 6 gramos por minuto.