Réparation de précision des aubes monocristallines de turbines à gaz : la clé d'une performance et d'une fiabilité améliorées

Les progrès de la technologie des pales de turbine ont augmenté le coût des nouveaux composants. Le coût d’une lame monocristalline est deux à trois fois supérieur à celui d’une lame moulée conventionnelle de taille et de complexité similaires. Le coût élevé d’un composant monocristallin peut inciter le propriétaire à maximiser la durée de vie du composant.

Afin de réduire le coût de remplacement des composants, notre entreprise a créé des processus conçus pour prolonger la durée de vie des composants. L’un de ces processus est le traitement thermique régénératif en solution complète (FSR). FSR restaure la microstructure et les propriétés mécaniques de l'alliage à un nouvel état. Le principal problème du traitement thermique de l’alliage monocristallin FSR est la formation de grains recristallisés en surface avec contrainte résiduelle. Il s’agit d’un risque étant donné la faible teneur en additifs d’alliage renforçant les joints de grains dans les alliages monocristallins. La recristallisation et/ou les grains parasites dans les alliages monocristallins entraînent une réduction de la durée de vie en fatigue et de la résistance à la rupture sous contrainte à haute température. En conséquence, ils sont inspectés par le fabricant d’origine et rejetés. C’est l’un des facteurs de la hausse des prix des pièces moulées monocristallines !

Notre société a effectué un essai de réparation pour évaluer plus en détail la faisabilité du traitement thermique FSR des aubes de turbine monocristallines, au cours duquel il était crucial de s'assurer que les surfaces critiques des aubes ne subissaient pas de déformation plastique pour éviter une recristallisation ultérieure. De plus, il est nécessaire d’utiliser des méthodes de contrôle non destructives efficaces pour vérifier la recristallisation des surfaces critiques. Des réparations de démonstration et des analyses destructives ont été effectuées à l'aide d'une aube de turbine Siemens SGT-100 HP à la retraite composée d'un alliage monocristallin CMSX-4, comme le montre la figure 2. Les aubes ont fonctionné pendant 28,{{5} } heures. Après une réparation, il a fonctionné pendant encore 12 000 heures. La durée totale du service est de 36,000 heures et l'OEM informe l'opérateur que la pièce a expiré !

Une aube représentative du groupe a été soumise à une inspection destructive dans l'état « à la réception » afin d'établir une base de référence des conditions métallurgiques. Les cinq pales restantes ont besoin d’être réparées, notamment :

Enlèvement du revêtement

Détection de taille et de pénétration

Traitement thermique de rajeunissement en solution complète

Remplacer le revêtement externe en platine-aluminate

Une aube représentative du groupe a été soumise à une inspection destructive dans l'état « à la réception » afin d'établir une base de référence des conditions métallurgiques. Les cinq pales restantes ont besoin d’être réparées, notamment :

Microscopie électronique à balayage des alliages de base (forme gamma)

Tests de rupture de contrainte sur des échantillons de microplaques prélevés sur des profils aérodynamiques

Examen microscopique des surfaces internes et externes.

La surface extérieure du profil aérodynamique contient un revêtement de platine aluminisé, comme le montre la figure . Bien que le revêtement ait été partiellement consommé, il a fourni une protection efficace pour les intervalles d'entretien précédents, car aucun dommage à l'alliage de base sous-jacent n'a été observé.

Surface interne du profil aérodynamique non revêtue, Figure 3 à droite. Une légère oxydation de l'alliage de base a été observée sur la surface intérieure avec une profondeur de pénétration de<25 microns (0.001 in).

Une fois le revêtement retiré, les feuilles sont vérifiées pour détecter les fissures ou les défauts exposés en surface par un test de pénétration fluorescente (FPI). Aucun signe n'a été trouvé.

L'examen a déterminé que ces feuilles étaient de bons objets à réparer. La technologie ultrasonique est utilisée pour mesurer l’épaisseur de la paroi.

Après traitement thermique FSR, les grains recristallisés dans les zones clés des aubes ont été examinés de manière non destructive par gravure chimique. Dans quatre des cinq lames, des grains recristallisés apparaissent dans des régions clés (exemple illustré à la figure 4).

L'inspection destructive a confirmé que la profondeur de recristallisation d'au moins une aube dépassait la limite utilisable (toutes les zones de recristallisation n'étaient pas détruites).

Sur la base de ces résultats, 12 autres pales en fin de vie ont été soumises pour une analyse plus approfondie. Le groupe se compose de sept lames provenant du même groupe de test initial de six lames et de cinq lames provenant de différents groupes de lames. Toutes les pales ont été réparées, y compris le retrait du revêtement et un processus de traitement thermique FSR, suivi d'une inspection par gravure macroscopique des grains recristallisés.

Toutes les feuilles présentaient initialement des grains recristallisés à des degrés divers dans les régions clés. La lame subit un cycle d'élimination mécanique des grains et de réinspection jusqu'à ce que les grains recristallisés soient éliminés de toutes les zones critiques. Enfin, une inspection destructive des huit pales (cinq dans un groupe de sept et trois dans un groupe de cinq) a été réalisée afin de vérifier les résultats de l'inspection et d'évaluer l'épaisseur de paroi restante. Les sept pales du premier groupe se sont révélées respecter les limites de maintenance, et les quatre cinquièmes des pales du deuxième groupe se sont révélées respecter les limites de maintenance.