DESARROLLO E IMPLEMENTACIN DEL PROCESO DE

SOLDADURA POR BRAZING PARA LA MANUFACTURA Y

REHABILITACIN DE COMPONENTES DE TURBINAS

INDUSTRIALES

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SUPERALEACIONES BASE NQUEL

Son aleaciones metlicas las cuales presentanexcelentes propiedades cuando son expuestas a

elevadas temperaturas.

Las superaleaciones se destacan principalmente por suresistencia a la corrosin y por la resistencia a cambiar

sus propiedades a altas temperaturas.

Las superaleaciones pueden ser base nquel o cobalto eincluso combinaciones de estos elementos.

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Propiedades de las superaleaciones

Resistencia a la termofluencia.

Resistencia a la tensin.

Resistencia a la fractura.

Ductilidad.

Resistencia a la oxidacin.

Resistencia a la corrosin.

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Aplicaciones

Las Superaleaciones base Ni son

ampliamente utilizadas en la

manufactura de turbinas de gas,

especficamente para cubrir las

necesidades requeridas en los

componentes expuestos a altas

temperaturas y presiones.

Turbinas de gas

Una turbina es un dispositivo que

genera potencia mecnica en rotacin

a partir de la energa que extrae de un

flujo de combustin de gas.

Aeronaves

Industriales4

Partes de la turbina de gas

Las turbinas de gas tienen tres principales secciones:

El compresor, el sistema de combustin y las turbinas.

En el rea de las turbinas cada una de ellas consiste de

varias etapas alternadas de labes estacionarios y mviles.

Difusor de salidaCmara de

combustin

Entrada

Turbinas: rotor

y estator

Compresor: rotor y estator

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Turbina de Gas Ruston TB5000

6

Componentes de turbinas

Aleaciones IN 738 e IN 939

7

Condiciones de operacin de los componentes de

turbinas

A pesar de las excelentes propiedades que tienen las

superaleaciones INCONEL los componentes de las turbinas

sufren daos (agrietamientos) causados por la operacin en un

medio ambiente con condiciones extremadamente hostiles

como es la zona de alta presin y temperatura.

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/Animation/turbtyp/etth.html 8

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/Animation/turbtyp/etth.html

Daos ocasionados por las condiciones extremas de

operacin

Corrosin en caliente. Oxidacin. Reducciones en el espesor. Daos por objetos extraos. Degradacin microestructural. Fracturas. Ftiga termomecnica.

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Grietas microestructurales

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SOLUCION:

PROCEDIMIENTO DE REPARACION POR SOLDADURA

OBJETIVO

Desarrollar e implementar un proceso de soldadura por

brazing en vaco de componentes de superaleaciones

endurecidas por precipitacin base Nquel IN738 e IN939,

que permita la rehabilitacin de componentes de turbinas

industriales usados y agrietados por efectos de operacin.

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OBJETIVOS ESPECFICOS

Incrementar la vida til de los componentes.

Reducir el costo de produccin asociado con elreemplazo.

Disminuir tiempos de disponibilidad de componentesrequeridos.

Evitar la fuga de divisas por la adquisicin de este tipode componentes en el extranjero.

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Es necesario considerar la difcil soldabilidad de las

aleaciones de Inconel.

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Composicin qumica de aleaciones del metal base

Formacin de xidos complejos estables (Al2O3, Cr2O3 y TiO2)

que promueven una alta susceptibilidad al agrietamiento post-

soldadura en las zonas afectadas trmicamente.

PROCESO DE REPARACION POR BRAZING

Tcnica alternativa para la reparacin de componentes de

turbinas que satisface los requerimientos de diseo e ingeniera

de manufactura.

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REQUERIMIENTOS GENERALES DEL PROCESO

Procedimiento de inspeccin y evaluacin previaPermite determinar la posibilidad o no de ser reparados

mediante el proceso Brazing.

Se relaciona directamente con el tamao y las caractersticas

de las grietas que presenta la pieza, as como las

caractersticas fsicas y tcnicas del material base.

Proceso de limpieza mecnicaConsiste en someter las piezas a un proceso de limpieza a

travs de soplado de arena con la finalidad de remover

cuidadosamente de la superficie de los componentes

partculas, xidos, suciedad, grasa, aceite, etc.

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Horno para soldadura por brazingSe requiere de un horno al vaco con atmsfera controlable,

apropiado en temperatura y presin para las condiciones de

proceso establecidas.

Estas variables se determinarn en funcin del material que

esta siendo reparado y del tipo de material de aporte utilizado

para la reparacin.

En esta etapa se incluye tambin la etapa de los tratamientos

trmicos de los componentes de turbinas reparados, la cual

es un requisito indispensable para recuperar las propiedades

mecnicas del metal base.

Tratamientos trmicos16

Procedimiento de inspeccin y evaluacin postsoldadura.

Se requiere un procedimiento que establezca los parmetros

de evaluacin de la calidad de las piezas que fueron

reparadas mediante el proceso de brazing el cual estar

basado principalmente en que todas las grietas hayan sido

llenadas y todas las superficies muestren buen mojado por el

metal de llenado.

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ETAPAS DEL PROCESO BRAZING AL

VACO

Componentes

a reparar

Inspeccin y

evaluacin

previa

Reemplazo

No aceptableProceso de limpieza mecnica

Identificacin de

grietas a reparar

Abertura de

grietas con disco

Preparacin de

materiales de aporte

Colocacin de materiales

de aporte en componentes

Brazing Tratamiento trmico (solubilizado)

Tratamiento trmico

post-brazing

(envejecido)

Inspeccin y

evaluacin post-

brazing

Aceptable

Recubrimiento

(si es requerido)18

MTODO DE INSPECCIN Y EVALUACIN PREVIA

Con frecuencia, la primera evidencia de una falla puede

identificarse fcilmente por el dao en la superficie del

componente.

Determinar si el componente es apropiado en sucondicin actual.

Si existe la posibilidad de ser reparado medianteBrazing.

Si el componente debe ser reemplazado.

19

MTODO DE INSPECCIN Y EVALUACIN PREVIA

20

MTODO DE INSPECCIN Y EVALUACIN PREVIA

Clasificacin de acuerdo a los diferentes tipos de defectos

Grietas o fracturas:

A consecuencia de los esfuerzos termomecnicos durante la operacin

en los bordes de entrada y salida de los gases.

Deformacin geomtrica mecnica:

Modificacin del perfil de diseo por deformaciones y desgastes de

origen trmico.

Corrosin:

Degradacin superficial o del recubrimiento a consecuencia de la alta

temperatura y el ambiente agresivo

Falta de material:

Dao por corrosin, erosin, objetos extraos, etc. pero principalmente

localizado en el lmite de la entrada de los gases. 21

MTODO DE INSPECCIN Y EVALUACIN PREVIA

Ejemplos de los diferentes tipos de defectos encontrados en

componentes de turbinas industriales

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MTODO DE INSPECCIN Y EVALUACIN PREVIA

El proceso de reparacin por soldadura brazing generalmente se usa

para reparar grietas angostas de componentes de turbinas fabricados

de superaleaciones base Ni.

Tamao de las grietas (en promedio) que se podran reparar por la

tcnica de brazing convencional (por accin de capilaridad)

Entre 0.001 a 0.02 de abertura,

Entre 0.001 a 0.02 de profundidad y

Entre 0.001 a 0.4 de longitud

Tamao de las grietas que se encontraron en componentes de turbinas

de Comimsa

Toberas del 1er y 2do paso:

Bordes de salida de los gases: Grietas de 0.75 de longitud y 0.02 de

abertura. Bordes de entrada de los gases: Material faltante de 0.060

bajo relieve.23

MICROSCOPIO ESTEREOGRFICO

Es un instrumento ptico que contiene una o varias lentes que

permiten obtener una imagen aumentada del objeto que se est

observando. En este caso particular se utiliza para poder

observar y medir grietas o fracturas en la superficie de los

componentes.

Tobera del 1er paso Tobera del 2. paso

mmmm

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ENSAYO POR LQUIDOS PENETRANTES

El objetivo de llevar a cabo este ensayo es:

Detectar grietas superficiales que no son posibles identificar a

simple vista.

En trminos generales, esta prueba consiste en aplicar un

lquido coloreado o fluorescente a la superficie a examinar, el

cual penetra en las discontinuidades del material debido al

fenmeno de capilaridad. Despus de cierto tiempo, se remueve

el exceso de penetrante y se aplica un revelador, el cual

generalmente es un polvo blanco, que absorbe el lquido que ha

penetrado en las discontinuidades y sobre la capa de revelador

se delinea el contorno de stas.

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ENSAYO POR LQUIDOS PENETRANTES

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PROCESOS DE LIMPIEZA

La limpieza de los componentes es un parte crtica del

proceso de soldadura por brazing porque de esta etapa

depende de lograr que los componentes sean

metalrgicamente limpios para lograr una reparacin por

soldadura de alta integridad.

Limpieza mecnica. Limpieza por ultrasonido. Limpieza qumica.

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PROCESO MECNICO DE LIMPIEZA

El proceso mecnico de limpieza a travs de soplado de arena,

es usado para remover impurezas, partculas, xidos, suciedad,

grasa, aceite, etc. sin causar deformacin del material base.

El equipo utilizado es una mquina que est compuesta por:

El generador de presin: es usado para incrementar la presin del

portador con la ayuda de una bomba.

El gabinete: se usa para sostener las piezas de trabajo pequeas,

mientras que las piezas grandes son colocadas en cuartos de soplado.

El abrasivo: que se encuentra en una tolva o tanque es liberado

directamente a una pistola, boquilla o lanza por los inyectores

abrasivos.

Medio separador / recuperador: para eliminar los abrasivos de

insuficiente tamao, partculas gruesas y basura.

Sistema de eliminacin / filtracin de polvo: Para remover las partculas

de abrasivo y la basura del aire. 28

PROCESO MECNICO DE LIMPIEZA

29

PROCEDIMIENTO PARA LA LIMPIEZA MECNICA

PROCEDIMIENTO

1. Colocar el metal a limpiar en el contenedor de suministro de

arena.

2. Conectar el compresor o suministro de gas.

3. Accionar la pistola para liberar el aire en el equipo.

4. Iniciar la presin del aire.

5. Liberar la mezcla arena/aire.

El tiempo de operacin de la limpieza de un componente vara

entre 1 y 60 minutos dependiendo de la calidad de acabado

superficial que tenga la pieza.

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LQUIDOS PENETRANTES Y LIMPIEZA POR ULTRASONIDO

El tipo de penetrante es fluorescente removible con agua y el tipo

de revelador es acuoso.

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Consiste en la aplicacin de ondas de sonido de alta frecuencia las

cuales generan una intensa vibracin en un medio acuoso donde se

encuentran sumergidos materiales que requieren de limpieza de alta

precisin. Se logra la extraccin completa de los desechos mediante el

fenmeno de cavitacin controlada a travs del rango de frecuencias

del generador de ultrasonido.

LIMPIEZA POR ULTRASONIDO

32

LOS MATERIALES DE APORTE

Pueden ser introducidos en una variedad de formas y por diferentes

tcnicas. La seleccin depende del material base de la pieza que se

vaya a reparar y la magnitud de la fractura.

Los requerimientos se proveen por composicin qumica, propiedades

fsicas, certificacin, rangos de temperatura de solidus y liquidus para

Brazing, propiedades mecnicas que se pueden obtener despus de la

aplicacin, la estabilidad trmica, la mojabilidad y su dependencia en

la atmsfera y la preparacin de la preforma.

Adems, una de las principales caractersticas de los materiales de

aporte es que deben fundirse casi instantneamente.

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LOS MATERIALES DE APORTE

Los materiales de aporte utilizados dependen de la magnitud de

la grieta de acuerdo a los siguientes dos mtodos.

Mtodo 1. Reparacin por brazing convencional. Para llevar a

cabo este mtodo el material de aporte ser en forma de polvo o

pasta. Este material depende del metal base, y estn

disponibles comercialmente para cada aleacin en especfico y

listos para la aplicacin.

Mtodo 2. Reparacin por brazing de amplio claro. El material

de aporte para llevar a cabo este mtodo es un compuesto

fabricado por mezclado de polvo del metal base (disponible

comercialmente).

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MATERIALES DE APORTE PARA LA ALEACION IN738

35

MATERIALES DE APORTE PARA LA ALEACION IN939

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PROCESO BRAZING AL VACO

Uniones metalrgicas con buenas propiedades mecnicas. Se adapta para unir metales diferentes. Mantiene la integridad del metal base. La apariencia de la unin es muy buena. Altamente adaptable a la automatizacin.

Una gran variedad de tcnicas pueden ser empleadas en el

proceso Brazing, pero cada tcnica incluye 3 pasos principales:

Colocacin de

los materiales

de aporte

Colocacin de

las piezas en

el horno

Tratamientos

Trmicos

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COLOCACION DE LOS MATERIALES DE APORTE

Mtodo 1. Se aplica un material de aporte en forma de polvo

dentro de la grieta hasta llenarse completamente. A continuacin

se aplica la aleacin sobre toda la superficie de la fractura. Esta

aleacin puede ser en forma de:

1. Pasta previamente mezclada.

2. Cemento y polvo

3. Aglomerante y polvo (Pasta)

Mtodo 2. Reparacin por brazing de amplio claro. El material

de aporte tipo plastilina se coloca manualmente sobre las

grietas o fracturas amplias y/o material faltante.

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APLICACIN DE CALOR Y ATMSFERAS

La seleccin de un mtodo de calentamiento es

determinada por muchos factores, incluyendo la naturaleza

de las piezas, los materiales de aporte que se estn

aplicando, la temperatura alcanzable.

Las atmsferas controladas en el horno al vaco mantienen

las piezas de trabajo en condiciones limpias sin oxidar. Los

gases ms usados son el argn y el nitrgeno. Estos gases

deben de ser de alta pureza: 99.99 %.

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PROCEDIMIENTO PARA EL BRAZING AL VACO

Ciclo propuesto para superaleaciones base nquel

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TRATAMIENTOS TRMICOS

Tratamiento de Solubilizado

La aleacin es calentada a una temperatura adecuada y

sostenida a esta temperatura por un perodo de tiempo

para permitir que las fases Ni3(Al,Ti) y carburos entren en

solucin slida, generalmente es seguido por un

enfriamiento rpido para sostener los constituyentes en

solucin.

Tratamiento de Envejecido

Tiene la funcin de precipitar las fases y carburos de tal

manera que precipiten en menor cantidad de fraccin de

volumen total y partculas de tamao ms pequeo

uniformemente distribuidas. 41

TRATAMIENTOS TRMICOS PARA SUPERALEACIONES

42

CICLO COMBINADO BRAZING-TRATAMIENTO TRMICO

PARA SUPERALEACIONES IN738

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MTODO DE INSPECCIN Y EVALUACIN POST BRAZING

El mtodo de evaluacin e inspeccin final est enfocado

principalmente en evaluar la calidad de la pieza reparada de acuerdo a

las siguientes etapas:

1. Inspeccin visual. Determinar si los defectos fueron completamente

reparados. La superficie de cada componente debe estar libre de

cualquier defecto, es decir sin fracturas, huecos, inclusiones, etc.

2. Inspeccin por lquidos penetrantes. Este ensayo permitir asegurar

que la pieza reparada no tenga fugas o soldadura incompleta.

3. Verificacin de las dimensiones. Determinar si la pieza se encuentra

dentro de las mediciones estndar de la pieza original.

4. Rectificado mecnico. En el caso que la pieza no coincida con las

mediciones estndar.

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EVALUACIN DEL PROCESO

Se debe llevar a cabo una etapa de pruebas de evaluacin y

eficiencia del proceso que involucra:

Evaluacin de ciclos de limpieza. Evaluacin de los materiales de aporte. Evaluacin de tratamientos trmicos. Evaluacin de ciclos de Brazing. Pruebas mecnicas y dureza. Evaluacin microestructural.

Basados en estos estudios se establecern las condiciones

ptimas de operacin del proceso lo cual ayudar a tener un

proceso 100% confiable y se establecern los procedimientos

tcnicos correspondientes.

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EVALUACIN DEL PROCESO

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