Estudo da cinética de envelhecimento e metodologia de avaliação da degradação de pás de turbinas a gás de superliga de níquel GTD-111

Abstract

As pás de uma turbina a gás são componentes feitos de superligas de níquel expostos a elevadas temperaturas e tensões de trabalho, portanto estão sujeitas ao fenômeno de degradação microestrutural chamado de envelhecimento. Tratamentos térmicos de rejuvenescimento são periodicamente realizados para reverter o envelhecimento destes componentes. Determinar o estágio de degradação de pás envelhecidas é fundamental para definir o momento correto da realização do tratamento de rejuvenescimento e evitar falhas catastróficas da turbina. No presente trabalho foi realizada uma extensa caracterização microestrutural e avaliação das propriedades mecânicas em alta temperatura, por ensaios de tração a quente, da superliga GTD-111 submetida a um envelhecimento artificial a 1000°C por até 3000 horas. Fundamentada nos resultados obtidos, uma metodologia de avaliação do estágio de degradação de pás de turbina foi proposta. Durante o tratamento de envelhecimento artificial, o tamanho médio dos precipitados ?? intragranulares aumentou de 0,122µm2, como encontrado na microestrutura padrão, para 2,124µm2 após 3000h; a dureza reduziu de 435 para 332HV e o volume percentual da fase ?? ficou constante em aproximadamente 33%. A exposição térmica induziu mudanças na microestrutura: a morfologia do precipitado ?? primário mudou de cúbica para esférica; carbonetos primários MC dissolveram e um filme contínuo de ?? se formou ao longo dos contornos de grão. O envelhecimento artificial resultou em uma pequena redução nos limites de escoamento e de resistência à tração, mas causou uma redução significativa na ductilidade das amostras envelhecidas.

Abstract: The blades of a gas turbine are components made of nickel superalloys exposed to high temperatures and working stresses, therefore, they are subject to the phenomenon of microstructural degradation called aging. Rejuvenation heat treatments are periodically performed to reverse the aging of these components. Determining the degradation stage of aged blades is essential to define the right time to carry out the rejuvenation treatment and avoid the catastrophic failure of the turbine. In the present work, an extensive microstructural characterization and evaluation of mechanical properties at high temperature, by hot tensile tests, of the GTD-111 superalloy during artificial aging at 1000°C for up to 3000 hours was carried out. Based on the results obtained, a methodology for evaluating the degradation stage of turbine blades was proposed. During the artificial aging treatment, the mean size of the intragranular ?? precipitates increased from 0.122µm2, as found in the standard microstructure, to 2.124µm2 after 3000h; the hardness reduced from 435 to 332HV and the volume percent of the ?? phase remained constant at approximately 33%. Thermal exposure induced changes in the microstructure: the morphology of the primary ?? precipitate changed from cubic to spherical; MC primary carbides dissolved and a continuous ?? film formed along the grain boundaries. The artificial aging resulted in small reductions in yield and ultimate tensile strength but caused a significant reduction in the ductility of the aged samples.