Lámina de soldadura para la soldadura a alta temperatura y procedimiento para la reparación o bien para la fabricación de componentes utilizando esta lámina de soldadura.

Lámina de soldadura (1) amorfa fabricada por medio de procedimientos de hilado por fundición a base de Ni,

abase de Co o a base de Ni-Co para la soldadura a alta temperatura, en la que la lámina de soldadura (1) presenta unlado superior y un lado inferior, caracterizada por que el lado superior y el lado inferior de la lámina de soldadura (1)están recubiertas finas con una película de polvo metálico de soldadura (2) a base de Ni, a base de Co o a base deNi-Co con un tamaño de las partículas en la zona de nanómetros, en la que tanto la lamina de soldadura (1) comotambién el polvo de soldadura (2) presentan adicionalmente elementos de estabilización de los límites de los granoscomo elementos de la aleación.

Lámina de soldadura para la soldadura a alta temperatura y procedimiento para la reparación o bien para la fabricación de componentes utilizando esta lámina de soldadura La invención se refiere al campo de la técnica de materiales. Se refiere a una lámina de soldadura amoría fabricada por medio de procedimientos de hilado por fundición para la soldadura a alta temperatura de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 (ver, por ejemplo, el documento EP 0 677 335 A1 o el documento EP 0 342 506 A1) y a un procedimiento para la unión de al menos dos elementos de componentes a partir de superaleaciones monocristalinas o solidificadas dirigidas con objeto de la fabricación o bien la reparación de componentes, en particular palas de turbinas de gas, utilizando la lámina de soldadura de acuerdo con la invención (ver las reivindicaciones 12 a 13) .

Estado de la técnica

Los componentes monocristalinos o solidificados dirigidos a partir de superaleaciones, por ejemplo a base de níquel, superaleaciones a base de cobalto o superaleaciones a base de níquel y cobalto, presentan a temperaturas de solicitación muy altas, entre otras cosas, una buena resistencia del material, pero también una buena resistencia a la corrosión. En virtud de esta combinación de propiedades, en el caso de empleo de materiales de este tipo, pero muy caros, por ejemplo en turbinas de gas, se puede elevar fuertemente la temperatura de entrada de la turbina, con lo que se incrementa el rendimiento de la instalación. Por lo tanto, las temperaturas de funcionamiento en el campo del gas caliente de más de 1400ºC son temperaturas de solicitación, a las que están expuestos una pluralidad de componentes de la turbina de gas, por ejemplo las palas de guía y las palas de rodadura o los revestimientos de la cámara de combustión. Además de estas solicitaciones térmicas altas, también están fuertemente solicitadas mecánicamente, por ejemplo, sobre todo las palas de rodadura de las turbinas. Todo esto puede conducir durante el funcionamiento de la turbina a la aparición de grietas no deseadas en el material, de manera que tales componentes dañados o bien deben ser sustituidos por piezas nuevas o, en cambio, deben repararse.

Pero, como ya se ha mencionado anteriormente, puesto que la fabricación de componentes de turbinas nuevos monocristalinos o bien solidificados dirigidos es extremadamente costosa y en el caso de piezas grandes es complicada con relación a una calidad suficiente del material (estructura monocristalina o bien solidificada dirigida continua) , la mayoría de las veces se intenta reparar el componente dañado presente, es decir, que debe restablecerse la capacidad funcional del componente a través de la reparación y el componente reparado debe emplearse entonces de nuevo durante otro periodo de revisión en la turbina.

Pero la reparación de componentes de turbinas de gas monocristalinos o solidificados dirigidos dañados es esencialmente más difícil en comparación con la reparación de componentes dañados, que presentan una textura policristalina convencional, puesto que también las zonas reparadas de los componentes monocristalinos o bien solidificados dirigidos deberían presentar una microestructura monocristalina o bien solidificada dirigida correspondiente, en otro caso se produce un empeoramiento no deseado de las propiedades en la zona reparada.

Se conoce en el estado de la técnica (ver, por ejemplo, EP 1 258 545 B1) que para la reparación de componentes de turbinas de gas dañados se emplea un proceso de soldadura. En este caso, se aplica una soldadura en la zona del daño del material del componente, por ejemplo en la zona de una grieta, sobre el material de base y se rellena la grieta así como a continuación se funde por medio de una actuación de calor (la temperatura de tratamiento debe ser mayor que la temperatura de fundición de la soldadura, pero menor que la temperatura de fundición del material de base) y se une con el material de base en unión positiva. Para la reducción de la temperatura de fundición de la soldadura se añaden a ésta la mayoría de las veces elementos reductores del punto de fusión, en el caso del documento EP 1 258 545 B1, se añaden de 1 a 3 % en peso de B.

El procedimiento de soldadura tiene frente a los procedimientos de soldadura igualmente conocidos, pero no descritos aquí en detalle, para la reparación de componentes de turbinas de gas dañados la ventaja de que durante la soldadura el material de base no se funde y, por lo tanto, se puede mantener la estructura monocristalina del material de base.

Durante el tratamiento en caliente durante la soldadura tienen lugar procesos de difusión en el material, que conducen, entre otras cosas, a que los reductores del punto de fusión, como boro, se difundan desde la soldadura en el material de base circundante. La soldadura se solidifica como consecuencia de la reducción de la concentración de boro, mientras que el material de base en la zona que rodea la soldadura presenta una concentración elevada de boro, lo que puede conducir de manera desfavorable a la separación de boruros frágiles.

Además, también de manera desfavorable el material de soldadura en oposición al material de base en muchos casos después de la soldadura, en virtud de la actuación térmica grande, no puede presentar una estructura monocristalina o bien solidificada dirigida. Esto es atribuible, entre otras cosas, a que las superaleaciones resistentes a altas temperaturas utilizadas para componentes de turbinas de gas, deben soldarse también a temperaturas muy altas. En función de la altura de las tensiones propias dentro de la zona a reparar, por ejemplo de una grieta,

entonces la probabilidad de recristalización a lo largo de la superficie de la grieta es muy alta. Esto afecta especialmente a las superficies, que están expuestas durante el proceso de preparación antes del ciclo de soldadura a un procesamiento mecánico, como por ejemplo una rectificación, chorreado con arena o chorreado con bolas.

A través de la recristalización se produce una nueva formación de granos en el material de base, es decir, que, por una parte, no se puede garantizar ya una estructura monocristalina o bien solidificada dirigida en el material de base y, por otra parte, los límites de los granos formados nuevos no son estables. De la misma manera, el material de soldadura se solidifica en estructura policristalina desordenada y, por lo tanto, presenta propiedades más empeoradas de manera desfavorable que el material de base monocristalino o bien solidificado dirigido.

Una estructura policristalina en el material de soldadura y una recristalización en el material de base solamente se pueden impedir cuando se consigue mantener la temperatura de soldadura suficientemente baja por debajo de un valor crítico.

Se conoce a partir del documento EP 1 759 806 A1 y a partir del documento US 2004/0050913 A1 reducir el punto de fusión de la soldadura a través de la reducción del tamaño de las partículas (a valores en la zona de nanómetros) de una aleación de soldadura, que está suspendida en un líquido portador, pero esto se realiza con el objetivo de reducir la porción de elementos reductores del punto de fusión, por ejemplo B y Si, en la aleación de soldadura o bien con la finalidad de eliminar estos elementos totalmente desde la aleación de soldadura, puesto que son responsables de manera desfavorable de la formación de fases frágiles, que provocan, entre otras cosas, una pérdida no deseada de la ductilidad del material.

El efecto, que se consigue con la utilización de polvo de soldadura en la zona de tamaños de nanómetros, se aprovecha aquí, por lo tanto, para sustituir los reductores del punto de fusión en el material. La reducción del punto de fusión de las partículas en la zona de tamaños de nanómetros se explica con la energía de activación baja para la liberación de átomos sobre la superficie de una partícula del tamaño de nanómetros en comparación con una partícula mayor. Además, las partículas nanométricas se funden más rápidamente que las partículas de polvo en la zona de nanómetros, puesto que presentan una relación muy grande entre superficie y volumen. En esta solución técnica es desfavorable que en virtud de la utilización exclusiva de partículas nanométricas como componente de soldadura sólido de la suspensión se produce una merma de retracción fuerte después de la soldadura y de esta manera a calidad del lugar de la soldadura necesita mejora.

Como otra posibilidad para la reducción adicional de la temperatura de fundición de las partículas nanométricas durante la reparación de componentes monocristalinos de superaleaciones por medio de soldadura se indica en... [Seguir leyendo]

1. Lámina de soldadura (1) amoría fabricada por medio de procedimientos de hilado por fundición a base de Ni, a base de Co o a base de Ni-Co para la soldadura a alta temperatura, en la que la lámina de soldadura (1) presenta un lado superior y un lado inferior, caracterizada por que el lado superior y el lado inferior de la lámina de soldadura (1) están recubiertas finas con una película de polvo metálico de soldadura (2) a base de Ni, a base de Co o a base de Ni-Co con un tamaño de las partículas en la zona de nanómetros, en la que tanto la lamina de soldadura (1) como también el polvo de soldadura (2) presentan adicionalmente elementos de estabilización de los límites de los granos como elementos de la aleación.

2. Lámina de soldadura (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que como elemento de estabilización de los límites de los granos se selecciona al menos uno del grupo B, C, Hf, Re, Zr.

3. Lámina de soldadura (1) de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada por que la lámina de soldadura (1) y/o el polvo de soldadura (2) presentan al menos un elemento reductor del punto de fusión con un contenido, que es al menos tan alto como en las composiciones de soldadura habituales disponibles en el comercio.

4. Lámina de soldadura (1) de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada por que el contenido de elementos reductores del punto de fusión es hasta el doble de alto que en las composiciones de soldadura habituales disponibles en el comercio.

5. Lámina de soldadura (1) de acuerdo con la reivindicación 3 ó 4, caracterizada por que como elemento reductor del punto de fusión se selecciona al menos uno del grupo B, Si, P o combinaciones de ellos.

6. Lámina de soldadura (1) de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada por que la porción de boro está entre aproximadamente 3 % y 7 % en peso, la porción de Si es hasta 15 % en peso y la porción de P es hasta 15 % en peso.

7. Lámina de soldadura (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que el recubrimiento de la lámina de soldadura (1) presenta adicionalmente partículas de relleno (4) con un tamaño de los granos en la zona de 1 a 30 !m y con una porción de mezcla de polvo de 1 a 40 % en peso.

8. Lámina de soldadura (1) de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada por que el tamaño de los granos de las partículas de relleno (4) está entre 1 y 15 !m.

9. Lámina de soldadura (1) de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada por que la porción de las partículas de relleno (4) en la mezcla de polvo está entre 5 y 20 % en peso.

10. Lámina de soldadura (1) de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada por que las partículas de relleno (4) están recubiertas finas en su superficie con partículas del polvo de soldadura (2) .

11. Lámina de soldadura (1) de acuerdo con la reivindicación 1 ó 10, caracterizada por que el recubrimiento del lado superior y del lado inferior de la lámina de soldadura (1) y el recubrimiento de las partículas de relleno (4) con las partículas del polvo de soldadura (2) comprende solamente una capa hasta máximo 10 capas de las partículas del polvo de soldadura (2) .

12. Procedimiento para la fabricación o para la reparación de un componente (7) , en particular palas de turbinas de gas, que está constituido por al menos dos elementos componentes (7.1; 7.2) de superaleaciones monocristalinas o solidificadas dirigidas a base de níquel, a base de cobalto o a base de níquel y cobalto como material de base (10) , en el que los elementos componentes (7.1; 7.2) presentan superficies (8.1; 8.2) opuestas entre sí a unir, utilizando una lámina de soldadura (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que después de una preparación mecánica precedente habitual de las superficies (8.1; 8.2) a unir, se aplica la lámina de soldadura (1) recubierta sobre al menos una de las superficies (8.1; 8.2) , a continuación se ensamblan en ajuste exacto las superficies (8.1; 8.2) de los elementos componentes (7.1; 7.2) bajo la configuración de un lugar de unión (6) y se comprimen, y luego por medio de un tratamiento térmico sencillo se funde el material de soldadura y se refrigera a temperatura ambiente y de manera que se genera una conexión por unión de la materia del material de soldadura con las superficies (8.1; 8.2) de los elementos componentes (7.1; 7.2) , en el que el material de soldadura solidificado presenta en el lugar de unión (6) la misma microestructura monocristalina o bien solidificada dirigida que el material de base (10) circundante.

13. Procedimiento para la reparación de un componente (7) , en particular palas de turbinas de gas, que está constituido a partir de una superaleación monocristalina o solidificada dirigida a base de níquel, a base de cobalto o a base de níquel y cobalto como material de base (10) , a través de la inserción de una pieza de repuesto (5) en el componente (7) a reparar, en el que la pieza de repuesto (5) está constituida por una superaleación monocristalina o solidificada dirigida a base de níquel, a base de cobalto o a base de níquel y cobalto como material de base (10) , utilizando una lámina de soldadura (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que después de una preparación mecánica precedente habitual de las superficies a unir del componente (7) y de la pieza de inserción (5) , se aplica la lámina de soldadura (1) recubierta sobre al menos una de las superficies a unir, se introduce la pieza de repuesto (5) bajo la configuración de un lugar de unión (6) en el componente 7 y, dado el caso, se introduce a presión, y a continuación se funde el material de soldadura por medio de un tratamiento térmico sencillo y se refrigera a temperatura ambiente, de manera que se genera una conexión por unión de la materia del material de soldadura con las superficies del componente (7) y de la pieza de repuesto (5) , en el que el material de soldadura solidificado presenta en el lugar de unión (6) la misma microestructura monocristalina o bien solidificada dirigida que el material de base (10) circundante.