Reparación de precisión de álabes monocristalinos de turbinas de gas: la clave para mejorar el rendimiento y la confiabilidad
Los avances en la tecnología de las palas de las turbinas han aumentado el coste de los nuevos componentes. El coste de una hoja de cristal único es de dos a tres veces mayor que el de una hoja de fundición convencional de tamaño y complejidad similares. El alto costo de un componente de cristal único puede incentivar al propietario a maximizar la vida útil del componente.
Como solución para reducir el costo de reemplazo de componentes, nuestra empresa ha creado procesos diseñados para extender la vida útil de los componentes. Uno de esos procesos es el tratamiento térmico regenerativo de solución completa (FSR). FSR restaura la microestructura y las propiedades mecánicas de la aleación a un nuevo estado. El principal problema del tratamiento térmico de la aleación monocristalina FSR es la formación de granos recristalizados en la superficie con tensión residual. Este es un riesgo dado el bajo contenido de aditivos de aleación que fortalecen los límites de grano en las aleaciones monocristalinas. La recristalización y/o los granos perdidos en aleaciones monocristalinas dan como resultado una vida útil reducida y una resistencia a la rotura por tensión a altas temperaturas. Como resultado, son inspeccionados por el fabricante original y rechazados. ¡Este es uno de los factores del aumento de precio de las piezas fundidas monocristalinas!
Nuestra empresa llevó a cabo una reparación de prueba para evaluar más a fondo la viabilidad del tratamiento térmico FSR de álabes de turbina monocristalina, durante la cual fue crucial garantizar que las superficies críticas de los álabes no sufrieran deformación plástica para evitar la recristalización posterior. Además, es necesario utilizar métodos de ensayo no destructivos eficaces para comprobar la recristalización de superficies críticas. La reparación de demostración y el análisis destructivo se realizaron utilizando un álabe de turbina Siemens SGT-100 HP retirado compuesto de una aleación monocristalina CMSX-4, como se muestra en la Figura 2. Los álabes estuvieron en funcionamiento durante 28,{{5} } horas. Después de una reparación, funcionó durante otras 12,000 horas. El tiempo total de servicio es de 36,000 horas y el OEM notifica al operador que la pieza ha caducado.
Una pala representativa del grupo fue sometida a una inspección destructiva en el estado "cuando se recibió" para establecer una base de referencia de las condiciones metalúrgicas. Las cinco palas restantes necesitan reparación, entre ellas:
Eliminación del revestimiento
Detección de tamaño y penetración.
Tratamiento térmico de rejuvenecimiento de solución completa.
Reemplazar el revestimiento externo de aluminato de platino.
Una pala representativa del grupo fue sometida a una inspección destructiva en el estado "cuando se recibió" para establecer una base de referencia de las condiciones metalúrgicas. Las cinco palas restantes necesitan reparación, entre ellas:
Microscopía electrónica de barrido de aleaciones base (forma gamma)
Pruebas de fractura por tensión de muestras de microplacas tomadas de perfiles aerodinámicos
Examen microscópico de superficies internas y externas.
La superficie exterior del perfil aerodinámico contiene un revestimiento de platino aluminizado, como se muestra en la Figura . Aunque el recubrimiento se consumió parcialmente, proporcionó una protección eficaz durante los intervalos de servicio anteriores, ya que no se observaron daños en la aleación base subyacente.
Superficie interna del perfil aerodinámico sin recubrimiento, Figura 3 a la derecha. Se observó una ligera oxidación de la aleación base en la superficie interior con una profundidad de penetración de<25 microns (0.001 in).
Después de quitar el recubrimiento, se verifican las hojas para detectar grietas o defectos en la superficie expuesta mediante una prueba de penetración fluorescente (FPI). No se encontraron señales.
El examen determinó que estas hojas eran buenos objetos para reparar. Para medir el espesor de la pared se utiliza tecnología ultrasónica.
Después del tratamiento térmico FSR, los granos recristalizados en las áreas clave de las palas se examinaron de forma no destructiva mediante grabado químico. En cuatro de las cinco hojas, aparecen granos recristalizados en regiones clave (el ejemplo se muestra en la Figura 4).
La inspección destructiva confirmó que la profundidad de recristalización de al menos una pala excedía el límite utilizable (no todas las áreas de recristalización fueron destruidas).
A partir de este hallazgo, se enviaron otras 12 palas al final de su vida útil para su posterior análisis. El grupo consta de siete palas del mismo grupo de prueba inicial de seis palas y cinco palas de diferentes grupos de palas. Se repararon todas las palas, incluida la eliminación del revestimiento y un proceso de tratamiento térmico FSR, seguido de una inspección macroscópica del grabado de los granos recristalizados.
Todas las hojas inicialmente tenían algunos granos recristalizados en diversos grados en las regiones clave. La hoja pasa por un ciclo de remoción mecánica de granos y reinspección hasta que los granos recristalizados se eliminan de todas las áreas críticas. Finalmente, se realizó una inspección destructiva de las ocho palas (cinco en un grupo de siete y tres en un grupo de cinco) para verificar los resultados de la inspección y evaluar el espesor de pared restante. Se encontró que las siete palas del primer grupo estaban dentro de los límites de mantenimiento, y cuatro quintas partes de las palas del segundo grupo estaban dentro de los límites de mantenimiento.
