A causa degli elevati costi realizzativi dei componenti in cristallo singolo per parti calde di turbine a gas industriali delle ultime generazioni, la messa a punto di metodologie di riparazione che garantiscano una struttura a cristallo singolo anche della zona riparata possono essere interessanti da un punto di vista economico oltre che tecnico. Le tecniche di riparazione che impiegano sorgenti laser d’elevata potenza sono sicuramente tra le migliori candidate in virtù della possibilità di controllare e variare accuratamente i diversi parametri di processo. Così, partendo da queste analisi, nel corso delle attività del primo triennio di RdS fu avviata un’attività volta alla messa a punto di un processo di riparazione con materiale omologo di una superlega monocristallina (CMSX-4) della seconda generazione mediante laser cladding [1-4]. In particolare, per lo svolgimento di quest’attività, in una prima fase ci si focalizzò sull’impiego della stazione Nd:YAG da 1kW ottenendo (dopo una laboriosa fase di messa a punto basata anche sull’impiego di un programma di simulazione sviluppato ad hoc) riporti con struttura mono-cristallina per circa il 65-75% dell’altezza complessiva del riporto stesso costituiti da un’unica passata e da più piani sovrapposti. Nei migliori riporti così ottenuti, seppur privi di cricche interne, si evidenziarono sempre uno o due piccoli strappi in prossimità del colletto. Per giungere a questo risultato fu necessario sacrificare le dimensioni (principalmente la larghezza) d’ogni singola passata. A conclusione del triennio, al fine di rimuovere, almeno parzialmente, questa limitazione furono individuati i parametri di processo idonei a potere affiancare due passate. Questo risultato, il primo a nostra conoscenza, consentì di ottenere un riporto integro con una struttura monocristallina per circa il 75% dell’altezza e dimensioni complessive pari a 1.55 mm di larghezza per 2.9 mm d’altezza. Al fine di realizzare riporti di dimensioni superiori, si decise di valutare le potenzialità della stazione laser CO 2 dotata di un integratore di fascio in grado di ottenere un profilo del fascio pressoché uniforme su un’area pari a circa 2 mm x 6 mm. Anche in questo caso si riuscì ad identificare dei parametri di processo in grado di produrre riporti integri, con una struttura epitassiale per un’altezza superiore al 80% dell’altezza complessiva del riporto e dimensioni pari a 4.4 mm di larghezza e 1.8 mm d’altezza. Infine, sulla base delle misure termofisiche eseguite su campioni di CMSX-4 ed utilizzando opportuni modelli di conduzione del calore, è stato possibile determinare le minime dimensioni dei substrati in grado di simulare termicamente durante il processo di deposizione il caso “full frame” minimizzando così l’impiego di materiale base a cristallo singolo. Nel corso del periodo Luglio 2003 – Marzo 2004, le attività sono proseguite lungo le linee delineate nel corso del precedente periodo. In particolare, nell’ottica di realizzare riporti di dimensioni sempre più significative, è stato

determinato sperimentalmente il massimo numero di passate affiancabili per la realizzazione di riporti integri e con crescita epitassiale superiore al 65% utilizzando la stazione laser Nd:YAG. Sono stati ottenuti riporti integri (a parte i piccoli strappi in prossimità del colletto) e con una crescita epitassiale per un’altezza pari a 90% affiancando sino ad un massimo di tre passate per una dimensione complessiva del riporto pari a 1.87 x 3.2 mm come indicato in Tabella 1. Sopra questo numero si riscontrano, con una certa frequenza, delle criccature interne al riporto. È importante segnalare che in letteratura non sono riportati analoghi esempi a conferma della bontà dei risultati conseguiti. Con il medesimo scopo di realizzare riporti più grossi, utilizzando la stazione CO 2 , sono proseguite le prove per determinare i parametri ottimali di deposizione per realizzare riporti costituiti da due passate affiancate. Purtroppo si è costatata l’impossibilità di affiancare due passate senza generare criccature macroscopiche nel riporto realizzato. Al fine di confermare le indicazioni fornite dalle osservazioni microstrutturali mediante microscopia ottica circa l’effettiva monocristallinità dei riporti con struttura dendritica colonnare orientata direzionalmente, su una selezione di riporti realizzati con entrambe le stazioni laser sono state eseguite delle mappe diffrattometriche d’elettroni retrodiffusi nel microscopio elettronico a scansione. A conclusione di quest’attività di caratterizzazione della monocristallinità, si evince che i riporti realizzati con la stazione CO 2 risultano effettivamente monocristallini per tutta l’altezza del riporto e il loro disallineamento rispetto al materiale base risulta contenuto entro i 15°. Una situazione simile è stata riscontrata anche per i campioni (realizzati con la stazione Nd:YAG) a basso apporto termico ad una o più passate affiancate anche se per questi campioni la percentuale dell’area a crescita equiassica risulta sicuramente superiore ai campioni realizzati con il laser CO 2 . I campioni FS4 e FS4H (anch’essi realizzati con la stazione Nd:YAG) sono quelli che mostrano le condizioni più critiche e con minore allineamento, perché l’apporto termico è eccessivo. Nell’ottica di ridurre le limitazioni sulle dimensioni dei riporti causate dalla presenza di cricche quando i volumi in gioco iniziano sono superiori ad un certo valore, su un limitato numero di riporti contenenti alcune cricche interne, è stata avviata una prima sperimentazione volta a valutare l’efficacia di un trattamento termico ad alta temperatura ed alta pressione (HIP). I principali risultati dell’analisi microstrutturale sui campioni sui quali è stato eseguito il trattamento di HIP possono riassumersi come segue: – Si osserva solo una parziale sigillatura delle cricche interne al riporto laser in tutti campioni. – Le cricche esterne non mostrano alcuna tendenza a ridursi, com’era peraltro prevedibile. – Il trattamento di HIP con i parametri utilizzati dalla ditta Bodycote hanno prodotto la ricristallizzazione sia nel riporto laser sia nella zona termicamente alterata del materiale base rendendo quindi inutilizzabile di fatto in queste condizioni tale trattamento. – Al fine di valutare le cause di questi fenomeni indesiderati di ricristallizzazione si è verificato che questi sono limitati alla sola zona termicamente alterata. Dal punto di vista della composizione chimica non sono state inoltre rilevate differenze tra il riporto laser e il materiale base nella zona termicamente alterata e no. Una possibile spiegazione a questo fenomeno potrebbe essere legata alla presenza di tensioni residue indotte nel corso della realizzazione del riporto.

Tabella 1 – Dati salienti del migliore riporto realizzato in termini dimensionali, d’integrità e crescita epitassiale con la stazione laser Nd:YAG. Nome campione Stazione laser utilizzata Dimensioni riporto (lxh) Percentuale stimata crescita epitassiale Massimo disallineamento rispetto i materiale base Note FS4 LP 0.6 mm 3 passate Nd:YAG 1.87 mm/3.2 mm 90% 12°±5 Strappi in prossimità del colletto.