Welding Journal en Español

Desde el desarrollo de los motores de turbina de gas, la demanda de menores costos y mayor rendimiento ha requerido componentes que puedan soportar temperaturas más altas y vidas útiles más largas.

Los componentes de las turbinas modernas, como las paletas guía de las toberas (NGV), que son responsables de dirigir y aprovechar los gases que se expanden violentamente durante la combustión del combustible, están hechos de superaleaciones avanzadas a base de níquel fundidas mediante técnicas de solidificación, como la cristalización simple, e incluyen complejas funciones de enfriamiento. Estos componentes son costosos de producir y se retiran o reparan cuando están dañados o después de exceder sus límites de servicio.

Soldadura fuerte con espacio amplio

Las grietas y superficies desgastadas en áreas de bajo esfuerzo se han reparado mediante soldadura fuerte con espacios amplios (WGB). Se trata de una tecnología derivada de la difusión del níquel y la unión transitoria de fases líquidas, pero las limitaciones de las tecnologías WGB han impedido que se reparen muchos componentes de las turbinas. Debido a los altos costos de los componentes, éstos a menudo se almacenan mientras se espera a que se desarrolle una reparación adecuada, lo que genera una gran cantidad de material existente y deja a los operadores y fabricantes de equipos originales con el costo de almacenarlo y reemplazarlo.

Una nueva técnica WGB desarrollada a través de una asociación entre Rolls-Royce, Indianápolis, Indiana, y AIM MRO, Miamiville, Ohio, ha dado nueva vida a componentes de turbinas que antes no se podían reparar, ahorrando costos y recursos.

La WGB se utiliza comúnmente para el mantenimiento, reparación y revisión de componentes de la sección caliente en motores de turbina de gas tanto aeroespaciales como terrestres. Los materiales de relleno WGB constan de dos componentes principales: un polvo de superaleación y un polvo de soldadura fuerte de bajo punto de fusión. Durante un ciclo de soldadura fuerte en horno de vacío, el componente del polvo de soldadura fuerte se fundirá y los supresores del punto de fusión, como el boro y el silicio, comenzarán a esparcirse tanto en el componente como en el polvo de superaleación, provocando una solidificación isotérmica, creando efectivamente una población de micro soldaduras entre las partículas de polvo de superaleación y el componente. A medida que continúa el ciclo de soldadura fuerte, el esparcimiento de los supresores del punto de fusión garantiza que se deje en su lugar una reparación fuerte y térmicamente resistente sin fases intermetálicas eutécticas quebradizas.

Los métodos de la WGB pueden reparar grietas con anchos de hasta 0.080 pulgadas (2 mm), un aumento significativo en comparación con las holguras tradicionales para juntas soldadas. Los métodos WGB también se pueden utilizar para restaurar áreas desgastadas por fricción, erosión y fatiga mecánica térmica.

Los materiales y procesos de la WGB se coordinan para controlar el flujo de la aleación de relleno y garantizar la compatibilidad química. La WGB equilibra las mezclas de polvos constituyentes y el tiempo/temperatura del horno para lograr las propiedades requeridas del material y un flujo de relleno suficiente para lograr controles dimensionales. Esta composición de la mezcla de polvo se define por qué tanto necesita fluir la aleación para completar la reparación; una grieta necesitará más fluidez y un mayor porcentaje de soldadura fuerte, mientras que una reparación de restauración dimensional deberá permanecer en su lugar y tener un mayor porcentaje de polvo de superaleación. Los fabricantes de motores aeroespaciales y las instalaciones de reparación a nivel internacional utilizan materiales de relleno WGB con composiciones patentadas y disponibles comercialmente. Los materiales de relleno WGB vienen en numerosas formas, incluyendo lechadas, pastas, pinturas, polvos, láminas flexibles y láminas rígidas (sinterizadas), para facilitar la aplicación.

Las láminas sinterizadas rígidas se cortan en preformas conocidas como preformas sinterizadas con soldadura fuerte (BSP) o preformas presinterizadas (PSP). Hasta ahora, los límites de reparación han restringido este tipo de reparación a pequeñas grietas y daños menores por desgaste, dejando a gran parte de la población de álabes de turbina con daños irreparables.

Daños irreparables en el perfil aerodinámico

Para mejorar la eficiencia operativa, los operadores comerciales y militares continúan superando los límites y llevando las temperaturas de la cámara de combustión al extremo superior de sus límites especificados. Si bien esto puede optimizar el desempeño de la misión, también resulta en vidas operativas más cortas para las paletas de las turbinas. El daño puede comenzar como una pequeña grieta que rompe el lado de presión del perfil aerodinámico y permite que los productos calientes de la combustión ingresen al conducto de enfriamiento interno e interrumpan el aire de enfriamiento lo que resulta en oxidación, fusión y daño físico al perfil aerodinámico y a la estructura del enfriamiento interno. Este tipo de daño anteriormente no era reparable, pero los desarrollos de PSP realizados por AIM MRO y Rolls-Royce han presentado una nueva oportunidad.

La solución

La primera aplicación de esta novedosa reparación de PSP fue en una turbina monocristalina de NGV del motor Rolls-Royce AE3007™ que impulsa muchas pequeñas estructuras de aviones regionales y corporativos. Este daño se presentó como un pequeño agujero que medía de 0.4 a 1.2 pulgadas (10 a 30 mm) de diámetro con grietas que irradiaban hacia los bordes y plataformas de la paleta; los conductos de refrigeración internos carecían de rasgos distintivos. Para reparar este daño, se utilizó una herramienta de fresado para eliminar una cantidad específica de material correspondiente a una preforma de parche preestablecida. Estos parches, que comprenden una composición específica de monocristal, se fabricaron utilizando una proporción significativamente mayor de superaleación para evitar que se hundieran en las estructuras internas durante la soldadura fuerte. También se usó pasta WGB adyacente al parche y en las grietas radiales antes de agregar una preforma de cobertura. Después de la soldadura fuerte y el tratamiento térmico, el perfil aerodinámico se mezcló para que coincidiera con la geometría requerida. El componente final reparado se volvió a poner en servicio, lo que extendió la vida útil de la mayoría de las piezas que antes no eran reparables.

Otras partes presentaban diferentes desafíos que requerían una solución aún más novedosa. La cavidad interna del componente de turbina NGV AE2100™ que impulsa el USAF C130J es un componente de superaleación de níquel equiaxial y presenta conjuntos de pasadores y rieles submilimétricos para promover un mayor intercambio de calor y turbulencia en el aire de enfriamiento. Los daños en el perfil aerodinámico provocaron un impacto significativo en la geometría de enfriamiento interna, lo que provocó una pérdida de eficiencia de enfriamiento y la posibilidad de que los desechos dañen los componentes posteriores. Para reparar este daño, AIM MRO utilizó un proceso aditivo que produce preformas 3D de alta resolución. Esto implicó agregar capas de polvo metálico y aglutinante una encima de otra para crear la forma deseada. Con esta capacidad, fue posible diseñar parches WGB que incluyeran funciones de refrigeración complejas integradas en un parche para restaurar funciones tanto internas como externas. El parche de preforma 3D se soldó de manera muy similar al método de reparación AE3007 y luego se mezcló según los requisitos de configuración finales. Este método dio como resultado una reparación que cumplió con éxito todas las métricas establecidas por el programa, incluida la geometría interna y externa, la integridad de las juntas y el flujo de aire de refrigeración. La evaluación del componente reparado mostró que un proceso de flujo de soldadura controlado, que da como resultado un paso de aire interno con geometrías complejas, podría repararse utilizando parches sinterizados 3D.

Pensando en el futuro

Aún se está trabajando en el desarrollo de una nueva reparación centrada en la sustitución del borde frontal de un perfil aerodinámico de álabe de turbina dañado. Esta reparación requiere una geometría 3D compleja y orificios de refrigeración integrados con funciones de refrigeración interna. También se continúa trabajando en la cualificación de procesos y lotes en 3D.

Los éxitos de las complejas preformas 3D de WGB brindan oportunidades para el futuro de WGB más allá de las reparaciones actuales. Las posibilidades incluyen el uso de parches para alterar las propiedades de los materiales, reparar o cambiar circuitos de refrigeración y fabricar o restaurar perfiles aerodinámicos complejos. A medida que los motores se calientan y los diseños de patrones de enfriamiento críticos requieren procesos costosos para producir los componentes, las tecnologías de reparación y fabricación deben mantenerse al día. La cooperación entre AIM MRO y Rolls-Royce ha demostrado que el procesamiento 3D proporcionará las soluciones necesarias mediante la utilización de un equilibrio de materiales, procesos y tecnología 3D tanto para la reparación de componentes de turbinas a alta temperatura como para las innovaciones en la fabricación de nuevos componentes.

Agradecimientos

Los autores contaron con la ayuda de Aaron Jones y del Dr. Ray Xu, propietario del proceso global de soldadura fuerte en Rolls-Royce y miembro de AWS, quien contribuyó en gran medida a este trabajo.

SCOTT NELSON (scott.nelson@rolls-royce.com) es especialista técnico en materiales en Rolls-Royce, Indianápolis, Indiana, y miembro del Comité de soldadura fuerte AWS C3. JUSTIN BOREMAN (justin.boreman@aimmro.com) es ingeniero de desarrollo en AIM MRO, Miamiville, Ohio.