ITCO20130018A1 - Metodo per il trattamento di un componente per prevenire l'erosione di tale componente - Google Patents
Metodo per il trattamento di un componente per prevenire l'erosione di tale componenteInfo
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Description
TITLE / TITOLO
A METHOD FOR TREATING A COMPONENT TO PREVENT EROSION OF SUCH COMPONENT / METODO PER IL TRATTAMENTO DI UN COMPONENTE PER PREVENIRE L’EROSIONE DI TALE COMPONENTE
DESCRIPTION/DESCRIZIONE
CAMPO TECNICO
La presente invenzione si riferisce a un metodo per il trattamento della superficie di un componente soggetto a erosione a causa dei liquidi o dei fenomeni di cavitazione. La presente invenzione si riferisce inoltre a un componente comprendente una superficie trattata con tale metodo e a un apparato che esegue detto metodo.
ARTE NOTA
È risaputo che è necessario applicare un rivestimento antiusura in lega sulla superficie di un substrato per poterne migliorare la resistenza all'erosione. Per i componenti di macchine rotanti, come turbine a vapore, compressori centrifughi e assiali, pompe e altre macchine rotanti, è particolarmente importante opporre un grado sufficiente di resistenza all'erosione causata da gocce di liquido o da fenomeni di cavitazione. Ad esempio, nelle turbine a vapore, l'erosione da gocce di liquido si verifica generalmente lungo il bordo d'attacco delle pale (Figura 1).
I metodi noti per l'applicazione del rivestimento resistente all'erosione su tali superfici comprendono:
- indurimento superficiale,
- placcatura a laser,
- brasatura,
- saldatura.
Le suddette tecnologie prevedono generalmente la trasmissione di calore al substrato, che determina di solito i seguenti inconvenienti:
- presenza di una zona alterata termicamente, che potrebbe determinare la non conformità del componente agli standard NACE,
- deformazione del componente rivestito,
- necessità di trattamenti post-riscaldamento,
- rotture,
- diluizione di ferro nel rivestimento,
- microstruttura non omogenea.
Inoltre le suddette tecnologie non possono essere utilizzate per depositare un rivestimento comprendente materiali non saldabili.
Sarebbe pertanto auspicabile fornire un metodo migliorato per il trattamento della superficie di un componente, mediante il quale sia possibile evitare i suddetti inconvenienti.
RIEPILOGO
Secondo una prima forma di realizzazione, la presente invenzione raggiunge tale obiettivo, offrendo un metodo per il trattamento della superficie di un componente composto dalle seguenti fasi:
- riscaldamento di una prima porzione di un gas inerte fino a una temperatura di applicazione (T3) compresa tra 550 e 800 °C;
- preparazione del materiale in polvere avente una composizione comprendente Co a una percentuale in massa compresa tra il 15 e il 70%; - preparazione di una miscela contenente detto materiale in polvere e una seconda porzione di gas inerte;
- mescolatura di detta prima porzione di gas inerte e detta miscela in una pistola ad aria fredda per la creazione di un getto nebulizzato;
- diffusione di detto getto nebulizzato verso detta superficie ai fini della posatura di un rivestimento di detto materiale.
La soluzione della presente invenzione consente di depositare un rivestimento su una superficie di substrato al fine di migliorarne la resistenza all'erosione. Nel rivestimento così creato, possono essere ottenute le seguenti proprietà meccaniche:
- durezza (Vickers): 400<HV<1000,
- porosità: < 2%.
In una seconda realizzazione esemplificativa, i suddetti vantaggi vengono ottenuti mediante l'impiego di un apparato comprendente:
- un primo riscaldatore per il pre-riscaldamento di una prima porzione di gas inerte fino a una temperatura di pre-riscaldamento (Ti) compresa tra 400 e 500 °C;
- una pistola a spruzzo comprendente un riscaldatore finale per il riscaldamento di detta prima porzione di gas inerte fino a una temperatura di applicazione (T3) compresa tra 550 e 800 °C nonché un ugello supersonico per la creazione un getto nebulizzato che includa detto gas inerte e un materiale in polvere avente una composizione comprendente Co a una percentuale in massa compresa tra il 15 e il 70%;
- un dosatore di polveri per la preparazione di una miscela contenente detto materiale in polvere e una seconda porzione di gas inerte;
- almeno un primo condotto per collegare detto primo riscaldatore a detto riscaldatore finale;
- almeno un secondo condotto per collegare detto dosatore di polveri a detto ugello supersonico.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'oggetto della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione delle forme di realizzazione dell'invenzione associate ai seguenti disegni, in cui:
- le Figure 1a-b mostrano due viste diverse di un componente soggetto, secondo l'arte nota precedente, a erosione da gocce;
- la Figura 2 rappresenta un diagramma schematico che mostra un apparato per l'esecuzione del metodo previsto dalla presente invenzione.
- la Figura 3 mostra una vista schematica di un componente dell'apparato rappresentato nella Figura 2.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI ALCUNE FORME DI REALIZZAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
La presente invenzione fornisce un metodo per il trattamento della superficie di un componente finalizzato al miglioramento della sua resistenza all'usura, in particolare all'erosione dovuta alle gocce o ai fenomeni di cavitazione. Nello specifico, sebbene non in via esclusiva, la presente invenzione viene applicata ai componenti delle macchine rotanti, quali ad esempio turbine a vapore, compressori centrifughi e assiali e pompe.
Il metodo utilizza una tecnica di nebulizzazione ad alta velocità per l'applicazione di un rivestimento di materiale duttile sulla superficie di un componente.
Nella Figura 2, l'apparato per l'esecuzione del metodo descritto dalla presente invenzione è contrassegnato nel complesso con il numero di riferimento 1. L'apparato 1 comprende un condotto a monte 10 per il collegamento di una fonte 15 di gas di trasporto pressurizzato con un primo riscaldatore di gas 20 e un dosatore di polveri 30, entrambi di tipologia nota e convenzionale e pertanto non descritti in dettaglio. Come gas di trasporto si possono utilizzare azoto (N2), elio (He2) o un altro gas inerte adatto. Il gas di trasporto circola nell'apparato a una pressione compresa tra 20 e 50 bar. La velocità di flusso del gas di trasporto è compresa tra 2 e 6 m<3>/ora.
Il condotto a monte 10 comprende un primo raccordo principale 11 che collega la fonte di gas 15 al primo riscaldatore di gas 20 e un raccordo secondario 12 che parte dal primo raccordo principale 11 per il collegamento della fonte di gas 15 al dosatore di polveri 30. A valle dell'intersezione i due raccordi 11, 12 del condotto a monte 10, rispettivamente il raccordo principale 11 e il raccordo secondario 12 comprendono una prima e una seconda valvola 13, 14 per la regolazione o l'interruzione del flusso di gas di trasporto rispettivamente nel raccordo principale 11 e nel raccordo secondario 12.
Nel primo riscaldatore di gas 20 una prima porzione del gas di trasporto viene preriscaldata fino a una temperatura di pre-riscaldamento T-i compresa tra 400 e 500 °C. A valle del primo riscaldatore di gas 20 il gas di trasporto pre-riscaldato circola in un primo condotto a valle 40 che collega il riscaldatore di gas 20 a una pistola a spruzzo 60. Lungo il primo condotto a valle 40 la temperatura del gas di trasporto si riduce fino a raggiungere la temperatura di rilascio T2, nella sezione immediatamente a monte della pistola a spruzzo 60. La temperatura di rilascio T2è inferiore rispetto alla temperatura di pre-riscaldamento Ti ed è compresa tra 350 e 450 °C.
Nel dosatore di polveri 30 una seconda porzione del gas di trasporto, che circola dal secondo raccordo 12 del condotto a monte 10, viene mescolata con una polvere nebulizzata di un materiale duttile avente una composizione comprendente una percentuale in massa di Co compresa tra il 15 e il 70%. Ad esempio, i materiali duttili che possono essere utilizzati nella polvere nebulizzata secondo la presente invenzione comprendono:
- stellite® 6,
- stellite® 12,
- stellite® 21,
- materiali definiti nel brevetto US6986951.
A valle del dosatore di polveri 30 la miscela di gas di trasporto e polvere nebulizzata circola in un secondo condotto a valle 50, che collega il dosatore di polveri 30 alla pistola a spruzzo 60.
La pistola a spruzzo 60 si estende lungo l'asse longitudinale X e comprende un riscaldatore finale 60 e un ugello supersonico 61, che è collegato a valle del riscaldatore finale 60. Durante il funzionamento, la pistola a spruzzo 60 è alloggiata all'interno di una cabina di nebulizzazione 70 insieme alla superficie del componente C sul quale deve essere nebulizzato il rivestimento S di materiale. La superficie da nebulizzare viene posizionata nella cabina 70 in direzione perpendicolare all'asse X.
Nella Figura 3, il riscaldatore finale 60 comprende un alloggiamento esterno 67 e una camera di riscaldamento 66, che si estende lungo l'asse longitudinale X da una sezione di ingresso 63 collegata al primo condotto a valle 40 fino a una sezione di uscita 64, immediatamente a monte dell'ugello supersonico 61. Il gas di trasporto fluisce, dal primo condotto a valle 40, attraverso la camera di riscaldamento 66 dalla sezione di ingresso 63 alla sezione di uscita 64. Nella camera di riscaldamento 66, il gas di trasporto viene nuovamente riscaldato per raggiungere una temperatura di applicazione T3superiore alla temperatura di rilascio T2e compresa tra 550 e 800 °C. La porzione finale a valle del secondo condotto a valle 50 è coassiale rispetto all'asse longitudinale X e attraversa la camera di riscaldamento 66 fino alla sezione finale 65, immediatamente a monte dell'ugello supersonico 61. La sezione di uscita 64 della camera di riscaldamento 66 circonda anularmente la sezione finale 65 del secondo condotto a valle 50. Al momento dell'uscita, rispettivamente, dal riscaldatore finale 60, dalla camera di riscaldamento 66 e dall'ultima porzione a valle del secondo condotto a valle 50, la prima porzione di gas di trasporto nuovamente riscaldato e la miscela composta dalla polvere e dalla seconda porzione di gas di trasporto si mescolano per formare un getto nebulizzato 80 ed entrano nell'ugello supersonico 61.
Nell'ugello supersonico 61 lo spruzzo nebulizzato 80 si espande e le particelle di polvere raggiungono una velocità v. Mediante l'ugello supersonico 61 il getto nebulizzato 80 viene diretto verso la superficie del componente C al fine di creare il rivestimento S. I valori della velocità v sono in genere:
- superiori a 300 m/s, quando il gas di trasporto è l'azoto,
- superiori a 1000 m/s, quando il gas di trasporto è l'elio,
L'efficienza del deposito è generalmente superiore all'80%.
Nel rivestimento depositato S, si possono ottenere le seguenti proprietà meccaniche:
- durezza (Vickers): 400<HV<1000,
- porosità: < 2%.
Claims (7)
- CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. Metodo di nebulizzazione ad alta velocità per il trattamento della superficie di un componente (C), composto dalle seguenti fasi: - riscaldamento di una prima porzione di un gas inerte fino a una temperatura di applicazione (T3) compresa tra 550 e 800 °C; - preparazione del materiale in polvere avente una composizione comprendente Co a una percentuale in massa compresa tra il 15 e il 70%; - preparazione di una miscela contenente detto materiale in polvere e una seconda porzione di gas inerte; - mescolatura di detta prima porzione di gas inerte e detta miscela in una pistola a spruzzo (60) per la creazione di un getto nebulizzato (80); - diffusione di detto getto nebulizzato (80) verso detta superficie ai fini della posatura di un rivestimento (S) di detto materiale. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase di riscaldamento viene preceduta da una fase di pre-riscaldamento in cui detta prima porzione di gas di trasporto viene pre-riscaldata fino a una temperatura di pre-riscaldamento (T-i) inferiore a detta temperatura di applicazione (T3) e compresa tra 400 e 500 °C. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto gas inerte è rappresentato dall'azoto e/o dall'elio. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la pressione di detto gas dì trasporto a monte di detto getto nebulizzato è compresa tra 20 e 50 bar. 5. Apparato per la nebulizzazione della superficie di un componente (C), comprendente: - un primo riscaldatore (20) per il pre-riscaldamento di una prima porzione di gas inerte fino a una temperatura di pre-riscaldamento (T-1) compresa tra 400 e 500 °C; - una pistola a spruzzo (60) comprendente un riscaldatore finale (61) per il riscaldamento di detta prima porzione di gas inerte fino a una temperatura di applicazione (T3) compresa tra 550 e 800 °C, nonché un ugello supersonico (62) per la creazione un getto nebulizzato (80) che includa detto gas inerte e un materiale in polvere avente una composizione comprendente Co a una percentuale in massa compresa tra il 15 e il 70%; - un dosatore di polveri (30) per la preparazione di una miscela contenente detto materiale in polvere e una seconda porzione di gas inerte; - almeno un primo condotto (40) per collegare detto primo riscaldatore (20) a detto riscaldatore finale (61); - almeno un secondo condotto (50) per collegare detto dosatore di polveri (30) a detto ugello supersonico (62). 6. Componente (C) comprendente una superficie trattata secondo il metodo delle rivendicazioni comprese tra la 1 a 4. 7. Componente secondo la rivendicazione 6, laddove detto componente è rappresentato dalla pala di una turbina a vapore. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. A high velocity spray method for treating the surface of a component (C), the method comprising the steps of: - heating a first portion of an inert gas up to a spray temperature (T3) comprised between 550 °C and 800 °C; - preparing a powder material having a composition including Co at a mass percentage comprised between 15% and 70%; - preparing a mixture between said powder material and a second portion of inert gas; - mixing said first portion of inert gas and said mixture in a spray gun (60) in order to create a spray jet (80); - directing said spray jet (80) towards said surface in order to deposit a coating (S) of said material.
- 2. The method according to claim 1 , wherein said step of heating is preceded by a pre-heating step in which said first portion of carrier gas is pre-heated up to a pre-heating temperature (T1) lower than said spray temperature (T3) and comprised between 400 °C and 500 °C.
- 3. The method according to claim 1 , wherein said inert gas is nitrogen and/or helium.
- 4. The method according to claim 1 , wherein the pressure of said carrier gas upstream said spray jet is comprised between 20 bar and 50 bar.
- 5. An apparatus for spraying the surface of a component (C), said apparatus including: - a first heater (20) for pre- heating a first portion of inert gas up to a pre-heating temperature (T-i) comprised between 400 °C and 500 °C; - a spray gun (60) including a final heater (61 ) for heating said first portion of inert gas up to a spray temperature (T3) comprised between 550 °C and 800 °C and a supersonic nozzle (62) for creating a spray jet (80) including said inert gas and a powder material having a composition including Co at a mass percentage comprised between 15% and 70%; - a powder feeder (30) preparing a mixture between said powder material and a second portion of inert gas; - at least a first duct (40) for connecting said first heater (20) to said final heater (61); - at least a second duct (50) for connecting said powder feeder (30) to said supersonic nozzle (62).
- 6. A component (C) including a surface treated according to the method in claims 1 to 4.
- 7. The component according to claim 6, wherein said component is a steam turbine blade.
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