Laser cladding for epitaxial nickel base superalloys turbine blades

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014.A prosperidade e larga utilização da aviação como meio de transporte civil, nacional e internacional, exige seriedade no condicionamento das aeronaves. A manutenção preventiva é um ponto fundamental para que sejam evitados desastres aéreos. A verificação dos motores é indispensável e, devido ao alto valor agregado, corresponde aos custos mais elevados de recondicionamento. As turbinas, por estarem sujeitas a elevada temperatura e pressão, geralmente apresentam o maior número de componentes danificados. Por esta razão há o interesse no desenvolvimento de técnicas para o reparo eficaz de pás de turbina. Erosão e formação de trincas são danos comuns que necessitam de recondicionamento. A recente aplicação de pás monocristalinas (SX), no lugar de policristalinas, apresenta vantagens por suportar melhor as elevadas temperaturas e com isto aumentar a eficiência dos motores [1, 2]. No entanto, não há um método reconhecido para o reparo das pás monocristalinas. A proposta deste trabalho consiste na aplicação de laser cladding com injeção de pó, devido a características como o tratamento localizado e controle de material fornecido. Este processo é apropriado devido principalmente à flexibilidade e baixo nível de diluição. Foram desenvolvidos dois métodos para promover o reparo de tais defeitos. Um método consiste na remoção completa de camadas de material onde estão situadas as trincas. O outro prevê a remoção de apenas um pequeno volume da estrutura afetada, através de um entalhe que retira o volume danificado. Com isto, a perda de material, o tempo de trabalho e os custos de manutenção podem ser drasticamente reduzidos. O entalhe tem de ser soldável e também permitir a solidificação de material no mesmo plano orientado como a microestrutura inicial. Para isto, um gradiente de temperatura deve ser introduzido a fim de orientar o crescimento de grão. No entanto, existem desafios para alcançar uma estrutura de cristal único sem rachaduras e poros, devido à distribuição de energia no interior do entalhe. Progressos atingidos e novos desafios são apresentados neste trabalho.<br>Abstract : The prosperity and widespread use of aviation as a civil national and international transport requires seriousness in the aircraft conditioning. Preventive maintenance is the key to avoid disasters. For that, is essential the check of engines, which corresponds to the higher reconditioning costs. The turbines, due to elevated temperature and pressure, usually have the highest number of damaged parts. For this reason, there is an interest in developing techniques for the efficient repair of turbine blades. Erosion and crack formation are common damages that require refurbishing. The recent application of single crystal (SX) turbine blades, instead of polycrystalline, present better withstands in high temperatures and thus increases the efficiency of the engines [1, 2]. However, a recognized method for the repair of SX turbine blades has to be developed. The proposal of this work involves the application of laser cladding with powder injection, due to characteristics such as localized treatment and control of the material injected. This process is particularly suitable due to flexibility and low dilution levels. There are two techniques developed to promote the repair of such defects. One way is by the removal of complete layers in which the cracks are located. Another possibility is to remove just a small volume of the affected microstructure. Therewith the loss of material and working time may be drastically reduced as well as the maintenance costs. The notch must be weldable and permit the material solidification in the same oriented plane as the original structure. For that, a temperature gradient has to be introduced in order to guide the grain growth. However, there are challenges to achieve a SX structure without cracks and pores due to energy distribution inside the notch. Current achievements and further challenges are presented in this work