ÁLABE PARA TURBINAS.

Álabe para turbinas de vapor o de gas o álabe de compresor de un acero al cromo martensítico con una composición en % en peso de cromo (Cr) entre 8,

0 y 29,0 carbono (C) entre 0,1 y 0,4 nitrógeno (N) entre 0,005 y 0,3 (C+N) entre 0,11 y 0,4 Molibdeno (Mo) entre 0,5 y 2,0 Vanadio (V) entre 0,08 y 1,0 silicio (Si) entre 0,05 y 0,6 manganeso(Mn) entre 0,05 y 2,0 azufre (S) entre 0,002 y 0,49 (Mn/S) MÍN. 2,0 wolframio (W) hasta 2,5 níquel (Ni) MÁX. 3,0 niobio (Nb) hasta 0,12 boro (B) hasta 0,01 hierro (Fe) resto así como las impurezas derivadas de la producción, formado a partir de un material de partida pulvimetalúrgico (PM) fabricado mediante la pulverización de una masa fundida por atomización por gas mediante nitrógeno y prensado isostático en caliente (HIP) del polvo, mecanizándose dicho material con arranque de virutas y sometiéndose el álabe de turbina o de compresor así elaborado a un tratamiento térmico o bonificado, que presenta las siguientes propiedades de material a temperatura ambiente: resistencia a la tracción : Rm = mínimo 700 N/mm 2 límite elástico: R0.2 = mínimo N/mm 2 alargamiento de rotura: A = mínimo 15 % estricción: Z = mínimo 10 %

La invención concierne a un álabe para turbinas de vapor o de gas así como para compresores, elaborándose dicho álabe mediante mecanizado con arranque de virutas del material de partida y sometiéndose a un tratamiento térmico o bonificado.

Los álabes de turbina se pueden elaborar con la forma necesaria para su respectivo uso en turbinas o compresores según el procedimiento de forjado en estampa mediante mecanizado con arranque de virutas a partir de una palanquilla o mediante forjado del material de partida con posterior arranque de virutas. El material de partida se produce en este caso mediante el forjado y/o laminado de aleaciones solidificadas en moldes y, dado el caso, se somete a tratamiento térmico para su subsiguiente mecanizado. Se conoce el uso de lingotes, palancones de colada continua

o barras de colada refundida para la producción del material de partida.

Para aumentar el rendimiento, las turbinas se fabrican para temperaturas elevadas de admisión de vapor, de hasta 600º C o más, y con ranuras reducidas entre los álabes deflectores y los álabes de rodete, con lo que la calidad y las propiedades del material de los álabes cobran una especial relevancia. Es extremadamente importante que al calentarse la turbina al estado de servicio y, a continuación, al funcionar bajo carga, los álabes se queden “en vertical”, es decir, que no se comben y que, en particular en los álabes de rodete, el material no sufra fluencia a temperaturas de servicio altas ni a una carga centrífuga de esa índole. Las turbinas para generadores bifásicos presentan una velocidad de giro de 3000 o 3600 min-1, lo que supone en altos rendimientos una considerable solicitación para los álabes de rodete.

Los álabes de turbina fabricados mediante el procedimiento descrito al principio presentan, sin embargo, segregaciones en su sección transversal, o dado el caso en dirección axial o longitudinal, que resultan de la solidificación de los lingotes. Aunque estas inhomogeneidades se rectifican mediante conformación en caliente y tratamiento térmico y se reducen parcialmente mediante difusión no se logra alcanzar una homogeneidad completa del material. Asimismo, cuando se emplean barras de colada refundida como barras de refusión de escoria eléctrica o barras de refusión al vacío tampoco se consigue por lo general una isotopía completa del material de aleación.

Pero si un álabe de turbina presenta anisotropía con segregaciones en la sección transversal que discurren excéntricamente, durante el calentamiento y/o carga de estos puede producirse que los extremos de los álabes se desvíen de la posición prevista, punto que el fabricante de turbinas debe tener en cuenta. Un cuadro de segregaciones pronunciado se puede descubrir, por ejemplo, mediante la inspección por partículas magnéticas.

En la construcción de turbinas, para lograr una alta disponibilidad y seguridad de las máquinas térmicas se requieren álabes cuyo material, por un lado, posea la mayor homogeneidad posible y, por otro lado, presente una tendencia a la fluencia reducida a temperatura de servicio. La invención se marca como objetivo crear álabes de turbina con superficies de corriente mecanizadas con arranque de virutas y que cumplan los requisitos arriba mencionados.

Este objetivo se alcanza con un álabe para turbinas de vapor o de gas, así como para compresores, con las siguientes propiedades de material a temperatura ambiente:

resistencia a la tracción : Rm = mínimo 700 N/mm2

límite elástico: R0.2 = mínimo N/mm2

alargamiento de rotura: A = mínimo 15 %

estricción: Z = mínimo 10 %,

formado a partir de un material de partida pulvimetalúrgico (PM) fabricado mediante la pulverización de una masa fundida por atomización por gas mediante nitrógeno y prensado isostático en caliente (HIP) del polvo, mecanizándose dicho material con arranque de virutas y sometiéndose el álabe de turbina así elaborado a un tratamiento térmico o bonificado.

Las ventajas obtenidas con la invención residen básicamente en que el material de partida fabricado mediante el método pulvimetalúrgico (PM) está básicamente exento de segregación y garantiza una alta homogeneidad de material en el álabe de turbina fabricado con él. Incluso con un grado de deformación o una elongación elevados del material, la homogeneidad se mantiene, en particular en la sección transversal, con lo que no hay tendencia a que los extremos libres de los álabes se comben.

En la fabricación del polvo, es esencial en la invención que este se genere mediante atomización por gas con nitrógeno, porque un contenido elevado de nitrógeno fijado por adición en la superficie de las partículas de polvo con un diámetro inferior a 0,2 mm se homogeneiza por difusión a las temperaturas que se emplean en el prensado isostático en caliente. La compactación del metal en polvo se realiza mediante un método ya conocido en un recipiente, evacuándose de aire o rellenándose con nitrógeno los huecos residuales antes del realizar el “HIPeado”.

Fue toda una sorpresa para el experto el hecho de que, en comparación con la producción conforme a las últimas tecnologías, la fabricación PM aumentase de forma tan considerable la calidad del álabe de turbina. Por un lado, al realizar un tratamiento térmico o un bonificado del material no se producen cambios de forma del álabe PM o estos son muy reducidos, lo que hace que el denominado enderezado sea por lo general innecesario, evitando con ello las tensiones de enderezado; por otro lado, la calidad sustancialmente mejorada del álabe se puede aprovechar en el diseño de turbinas y aumentar la seguridad funcional de la máquina térmica.

Cuando, conforme a un perfeccionamiento de la invención, el material de partida se mecaniza tras el prensado isostático en caliente (“HIPeado”) preferentemente en un molde de dimensiones aproximadas a las finales -con arranque de virutas sin deformación (as-HIPed), se puede lograr una producción especialmente económica de los álabes. A pesar de la opinión de los expertos de que un álabe de turbina PM sin conformar, es decir, en el denominado estado “as-HIPed”, no puede presentar las propiedades mecánicas de material deseadas, se ha comprobado que un álabe de ese tipo presenta en parte incluso características de calidad mejoradas.

Se pueden lograr ventajas especiales en el material, sobre todo en cuanto a un aumento de la homogeneidad, cuando el material de partida PM está formado por una aleación a base de hierro que se solidifica sin ledeburita. Aunque el procedimiento PM se desarrolló especialmente para aleaciones que durante la solidificación forman precipitaciones primarias como los carburos y este procedimiento no puede incidir en la calidad de los aceros que se solidifican sin ledeburita, sorprendentemente se ha comprobado que con ello se puede conseguir un aumento sustancial de la calidad del material aleado del álabe.

Un álabe de turbina para una elevada solicitación térmica y mecánica, y en particular dinámica, que no tiende a combarse en los extremos puede emplearse en la práctica cuando el material de partida PM está constituido por un acero al cromo martensítico con una composición en % de peso de

Inesperadamente se ha comprobado que el material presenta una tendencia a la fluencia comparativamente reducida a temperatura de aplicación. Aún no se ha encontrado una explicación científica completa de las causas, pero se presume que algunos elementos, favorecidos por la producción PM, producen un cierto efecto de temple por dispersión y contribuyen a mantener la forma a altas temperaturas.

Desde el punto de vista técnico de fabricación, pero también con respecto a las características de uso a largo plazo, puede ser ventajoso que el material de partida PM del álabe esté constituido por un acero al cromo martensítico con una composición en % de peso de

Cr = entre 8,0 y 22,0, preferentemente entre 9,0 y 16,0 C = entre 0,1 y 0,35, preferentemente... [Seguir leyendo]

1. Álabe para turbinas de vapor o de gas o álabe de compresor de un acero al cromo martensítico con una composición en % en peso de

cromo (Cr) entre 8,0 y 29,0 carbono (C) entre 0,1 y 0,4 nitrógeno (N) entre 0,005 y 0,3 (C+N) entre 0,11 y 0,4 Molibdeno (Mo) entre 0,5 y 2,0 Vanadio (V) entre 0,08 y 1,0 silicio (Si) entre 0,05 y 0,6 manganeso(Mn) entre 0,05 y 2,0 azufre (S) entre 0,002 y 0,49 (Mn/S) MÍN. 2,0 wolframio (W) hasta 2,5 níquel (Ni) MÁX. 3,0 niobio (Nb) hasta 0,12 boro (B) hasta 0,01 hierro (Fe) resto

así como las impurezas derivadas de la producción, formado a partir de un material de partida pulvimetalúrgico (PM) fabricado mediante la pulverización de una masa fundida por atomización por gas mediante nitrógeno y prensado isostático en caliente (HIP) del polvo, mecanizándose dicho material con arranque de virutas y sometiéndose el álabe de turbina o de compresor así elaborado a un tratamiento térmico o bonificado, que presenta las siguientes propiedades de material a temperatura ambiente:

resistencia a la tracción : Rm = mínimo 700 N/mm2 límite elástico: R0.2 = mínimo N/mm2 alargamiento de rotura: A = mínimo 15 % estricción: Z = mínimo 10 %

2. Álabe de turbina o de compresor según la reivindicación 1 de un acero al cromo martensítico con una composición en % en peso de Cr = entre 8,0 y 22,0, preferentemente entre 9,0 y 16,0 C = entre 0,1 y 0,35, preferentemente entre 0,15 y 0,3 N = entre 0,005 y 0,28, preferentemente entre 0,1 y 0,24 (C+N) = entre 0,16 y 0,4, preferentemente entre 0,21 y 0,29 Mo = entre 0,5 y 2,0, preferentemente entre 0,8 y 1,8 V = entre 0,08 y 0,6, preferentemente entre 0,12 y 0,4 Si = entre 0,05 y 0,5, preferentemente entre 0,1 y 0,35 Mn = entre 0,05 y 2,0, preferentemente entre 0,5 y 0,95 S = entre 0,002 y 0,39, preferentemente entre 0,06 y 0,35 (Mn/S) = MÍN. 2,0, preferentemente MÍN. 2,5 NI = MÁX. 2,4, preferentemente MÁX. 0,9 B = hasta 0,01 Fe = resto, e impurezas derivadas de la producción.

3. Álabe para turbinas de vapor o de gas o álabe de compresor de un acero martensítico dulce o martensítico al níquel con una composición en % en peso de formado a partir de un material de partida pulvimetalúrgico (PM) fabricado mediante la pulverización de una masa fundida por atomización por gas mediante nitrógeno y prensado isostático en caliente (HIP) del polvo, mecanizándose dicho material con arranque de virutas y sometiéndose el álabe de turbina o de compresor así elaborado a un tratamiento térmico o bonificado, que presenta las siguientes propiedades de material a temperatura ambiente:

resistencia a la tracción : Rm = mínimo 700 N/mm2

límite elástico: R0.2 = mínimo N/mm2

alargamiento de rotura: A = mínimo 15 %

estricción: Z = mínimo 10 %

4. Álabe de turbina según la reivindicación 3 formado por un acero martensítico dulce

o martensítico al níquel con una composición en % de peso de

C = entre 0,02 y 0,08, preferentemente entre 0,03 y 0,05 N = entre 0,001 y 0,05, preferentemente entre 0,0015 y 0,039 Si= entre 0,08 y 0,5, preferentemente entre 0,1 y 0,4 Mn= entre 0,1 y 1,9, preferentemente entre 0,2 y 1,6 S = entre 0,003 y 0,39, preferentemente entre 0,1 y 0,35 Cr= entre 9,0 y 20,0, preferentemente entre 9,0 y 13,0 Mo = entre 0,6 y 2,0, preferentemente entre 0,6 y 1,8 Ni = entre 3,0 y 7,9, preferentemente entre 3,5 y 6,8 Cu = entre 1,0 y 4,4 Al = hasta 0,04 Fe = resto, e impurezas derivadas de la producción.

5. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones de la 1 a la 4, en el que el material de partida está fabricado por arranque de virutas tras el prensado isostático en caliente (“HIPeado”) y tras una conformación en caliente con un grado de conformación de al menos 2,5 veces.

6. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones de la 1 a la 4, en el que el material de partida se mecaniza tras el prensado isostático en caliente (“HIPeado”), preferentemente en un molde de dimensiones aproximadas a las finales, con arranque de virutas sin deformación (as-HIPed).