Technical feasibility of recovering degraded GTD 111 blades in service through heat treatment and additive manufacturing

Abstract

Repair components of the hot gas path is crucial for economic reasons in gas turbine engines. In this work, a characterization of deposits applied by Laser Powder Bed Fusion (LPBF) and Laser Powder Directed Energized Deposition (LP-DED) on a 1st stage blade made of GTD 111 DS superalloy were carried out. The 1st stage blades are damaged in operation due to collision of external objects, development of thermal fatigue cracks and hightemperature erosion, which drastically reduces their lifetime. The process parameters for LDED and L-PBF were established as a function of the integrity and geometry of the deposits. René 65 powder was used for both processes without preheating. Visual inspection and macro etching were used to evaluate the weld metal deposits soundness. Optical microscopy and scanning electron microscopy were used to examine the microstructure of the deposited layers in the cross-section and EBSD allowed studying the crystallographic texture. Compared to conventional processes, L-PBF and LP-DED provide crack-free deposits and better control of shape and dimensions, reducing machining time. In particular, the L-PBF process has greater precision, which makes it ideal for replicating the blade’s cooling holes. The study demonstrates the feasibility to restore dimensions of a tip blades and illustrates the significant potential of Additive Manufacturing (AM) utilizing powders of high γ' avoiding hot cracking.

La reparación de los componentes de la ruta del gas caliente es crucial por razones económicas en las turbinas a gas. En este trabajo se realizó una caracterización de los depósitos aplicados por Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) y Laser Powder Directed Energized Deposition (LP-DED) sobre un álabe de primera etapa fabricado con la superaleación GTD 111 DS. Al deteriorarse en funcionamiento debido a la colisión de objetos externos, el crecimiento de grietas por fatiga térmica y la erosión por alta temperatura, se reduce drásticamente su vida útil. Los parámetros del proceso para L-DED y L-PBF se establecieron en función de la integridad y la geometría de los depósitos. Para ambos procesos se utilizó polvo René 65 sin precalentamiento. Se utilizó inspección visual y análisis metalográfico para evaluar la solidez de los depósitos de manufactura aditiva. Se usó microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido para examinar la microestructura de las capas depositadas en la sección transversal y el análisis de EBSD permitió estudiar la textura cristalográfica. En comparación con los procesos convencionales, L-PBF y LP-DED proporcionan depósitos sin grietas y un mejor control de la forma y las dimensiones, lo que reduce el tiempo de mecanizado. En particular, el proceso L-PBF tiene una mayor precisión, lo que lo hace ideal para replicar los orificios de enfriamiento de la hoja. El estudio demuestra la viabilidad de restaurar las dimensiones de los álabes en el borde chirriante e ilustra el importante potencial de la fabricación aditiva (FA) que utiliza polvos de alto contenido de γ' evitando el agrietamiento en caliente. (Texto tomado de la fuente)