Технология за заваръчен ремонт и повторно производство на турбинни лопатки на самолетни двигатели и лопатки на вентилатори/компресори

Лопатките на авиационни двигатели са в сложна и тежка работна среда за дълго време и са склонни към различни видове повреди. Скъпо е да се заменят остриета, а изследванията върху технологията за ремонт и преработка на остриета имат огромни икономически ползи. Лопатките на самолетните двигатели се разделят основно на две категории: турбинни перки и перки на вентилатор/компресор. Турбинните лопатки обикновено използват високотемпературни сплави на основата на никел, докато лопатките на вентилатора/компресора използват главно титанови сплави, а някои използват високотемпературни сплави на основата на никел. Разликите в материалите и работната среда на лопатките на турбината и лопатките на вентилатора/компресора водят до различни общи видове повреди, което води до различни методи за ремонт и показатели за ефективност, които трябва да бъдат постигнати след ремонта. Този документ анализира и обсъжда методите за ремонт и ключовите технологии, използвани понастоящем за двата типа често срещани дефекти в лопатките на авиационни двигатели, с цел да осигури теоретична основа за постигане на висококачествен ремонт и повторно производство на лопатки на авиационни двигатели.

В самолетните двигатели турбините и роторните лопатки на вентилатора/компресора са обект на дълготрайни тежки среди като центробежни натоварвания, топлинен стрес и корозия и имат изключително високи изисквания за производителност. Те са изброени като един от най-важните компоненти в производството на авиационни двигатели и тяхното производство представлява повече от 30% от натоварването на цялото производство на двигатели [1].-3]. Тъй като са в тежка и сложна работна среда за дълго време, роторните лопатки са склонни към дефекти като пукнатини, износване на върховете на лопатките и повреди от счупване. Разходите за ремонт на остриета са само 20% от разходите за производство на цялото острие. Следователно, изследванията върху технологията за ремонт на лопатки на авиационни двигатели са благоприятни за удължаване на експлоатационния живот на лопатките, намаляване на производствените разходи и имат огромни икономически ползи.

Ремонтът и повторното производство на лопатки на самолетни двигатели включва главно следните четири стъпки [4]: ​​предварителна обработка на лопатките (включително почистване на лопатките [5], триизмерна проверка и геометрична реконструкция [6]-7] и др.); отлагане на материал (включително използването на усъвършенствана технология за заваряване и свързване за завършване на запълването и натрупването на липсващи материали [8]-10], термична обработка за възстановяване на производителността [11-13] и др.); обновяване на острието (включително методи на обработка като шлайфане и полиране [14]); обработка след ремонт (включително повърхностно покритие [15-16] и укрепване [17] и т.н.), както е показано на фигура 1. Сред тях отлагането на материала е ключът към осигуряване на механичните свойства на острието след ремонт. Основните компоненти и материали на лопатките на авиационни двигатели са показани на фигура 2. За различни материали и различни форми на дефекти, съответните изследвания на метода за ремонт са в основата за постигане на висококачествен ремонт и повторно производство на повредени лопатки. Този документ разглежда лопатките на турбините от високотемпературна сплав на базата на никел и лопатките на вентилатора/компресора от титаниева сплав като обекти, обсъжда и анализира методите за ремонт и ключовите технологии, използвани за различни видове повреди на лопатките на авиационни двигатели на този етап, и обяснява техните предимства и недостатъци.

1. Метод за ремонт на турбинни лопатки от високотемпературна сплав на базата на никел

Турбинните лопатки от високотемпературна сплав на базата на никел работят в среда на високотемпературен горивен газ и комплексен стрес за дълго време и лопатките често имат дефекти като термични пукнатини от умора, увреждане на повърхността на малка площ (износване на върха на лопатката и увреждане от корозия) и счупвания от умора. Тъй като безопасността на ремонта на счупване от умора на турбинните лопатки е относително ниска, те обикновено се сменят директно след настъпване на счупване от умора без ремонт чрез заваряване. Двата често срещани вида дефекти и методи за ремонт на турбинни лопатки са показани на фигура 3 [4]. По-долу ще бъдат представени методите за ремонт на тези два вида дефекти съответно на турбинни лопатки от високотемпературна сплав на базата на никел.

1.1 Ремонт на пукнатини на турбинни лопатки от суперсплав на базата на никел

Методите за ремонт с твърдо спояване и заваряване в твърда фаза обикновено се използват за ремонт на дефекти на пукнатини на лопатките на турбината, като основно включват: вакуумно спояване, преходно дифузионно свързване в течна фаза, активирано дифузионно заваряване и методи за ремонт при повторно производство на прахова металургия.

Шан и др. [18] използваха метода на вакуумно спояване с лъч, за да поправят пукнатини в остриета от никелова сплав ChS88, използвайки Ni-Cr-B-Si и Ni-Cr-Zr спояващи пълнители. Резултатите показват, че в сравнение с Ni-Cr-B-Si спояващ добавъчен метал, Zr в Ni-Cr-Zr спояващ добавъчен метал не се дифузира лесно, субстратът не е значително корозирал и якостта на заварената връзка е по-висока. Използването на Ni-Cr-Zr спояващ добавъчен метал може да постигне ремонт на пукнатини в остриета от никелова сплав ChS88. Ojo и др. [19] изследва ефектите от размера на междината и параметрите на процеса върху микроструктурата и свойствата на дифузионно запоени съединения на сплав на базата на никел Inconel718. С увеличаването на размера на междината, появата на твърди и крехки фази като интерметални съединения на основата на Ni3Al и богати на Ni и Cr бориди е основната причина за намаляване на здравината и издръжливостта на съединението.

Преходното течнофазово дифузионно заваряване се втвърдява при изотермични условия и принадлежи към кристализация при равновесни условия, което води до хомогенизиране на състава и структурата [20]. Pouranvari [21] изследва преходното дифузионно заваряване в течна фаза на високотемпературна сплав на базата на никел Inconel718 и установи, че съдържанието на Cr в пълнителя и диапазонът на разлагане на матрицата са ключовите фактори, влияещи върху якостта на зоната на изотермично втвърдяване. Lin и др. [22] изследват влиянието на параметрите на процеса на дифузионно заваряване с преходна течна фаза върху микроструктурата и свойствата на съединения от високотемпературна сплав на основата на GH99. Резултатите показват, че с повишаването на температурата на свързване или удължаването на времето, броят на богатите на Ni и Cr богати бориди в зоната на утаяване намалява и размерът на зърното в зоната на утаяване е по-малък. Стайната температура и якостта на срязване при висока температура се увеличават с удължаването на времето на задържане. Понастоящем дифузионното заваряване с преходна течна фаза се използва успешно за поправка на малки пукнатини в зони с ниско напрежение и възстановяване на повредата на върха на некоронирани остриета [23].-24]. Въпреки че преходното дифузионно заваряване в течна фаза е успешно приложено към различни материали, то е ограничено до ремонт на малки пукнатини (около 250μт).

Когато ширината на пукнатината е по-голяма от 0.5 mm и капилярното действие е недостатъчно за запълване на пукнатината, ремонтът на острието може да се постигне чрез използване на активирано дифузионно заваряване [24]. Su и др. [25] използваха метода на активирано дифузионно спояване, за да поправят острието от високотемпературна сплав In738 на основата на никел, използвайки спояващ материал DF4B, и получиха високоякостно, устойчиво на окисление споено съединение. The γ′ фазата, утаена във връзката, има укрепващ ефект, а якостта на опън достига 85% от основния материал. Съединението се счупва на мястото на богат на Cr борид. Хоук и др. [26] също използва активирано дифузионно заваряване, за да поправи широката пукнатина на острието от високотемпературна сплав на базата на никел René 108. Възстановяването чрез прахова металургия, като новоразработен метод за оригинална реконструкция на усъвършенствани материални повърхности, се използва широко при ремонта на остриета от високотемпературна сплав. Той може да възстанови и реконструира триизмерната почти изотропна якост на дефекти с големи междини (повече от 5 mm), като пукнатини, аблация, износване и дупки в лопатките [27]. Liburdi, канадска компания, разработи метода LPM (прахова металургия на Liburdi) за ремонт на остриета от никелова сплав с високо съдържание на Al и Ti, които имат лоша производителност при заваряване. Процесът е показан на фигура 4 [28]. През последните години методът на праховата металургия с вертикално ламиниране, базиран на този метод, може да извърши еднократно поправяне с твърд припой на дефекти с ширина до 25 mm [29].

1.2 Ремонт на повърхностно увреждане на турбинни лопатки от високотемпературна сплав на базата на никел

Когато на повърхността на остриетата от високотемпературна сплав на основата на никел се появят малки драскотини и корозионни повреди, повредената зона обикновено може да бъде отстранена и набраздена чрез машинна обработка и след това запълнена и поправена с помощта на подходящ метод на заваряване. Настоящите изследвания се фокусират главно върху лазерно отлагане чрез топене и ремонт с аргонова дъга.

Ким и др. [30] от Университета на Делауеър в Съединените щати извърши лазерно облицоване и ремонт чрез ръчно заваряване на остриета от никелова сплав Rene80 с високо съдържание на Al и Ti и сравни детайлите, които са били подложени на термична обработка след заваряване с тези, които са били подложени на термична обработка след заваряване и горещо изостатично пресоване (HIP), и установи, че HIP може ефективно да намали дефектите на порите с малък размер. Liu и др. [31] от Университета за наука и технологии Huazhong използва технология за лазерно облицоване, за да поправи дефекти на жлебове и дупки в 718 компонента на турбина от сплав на базата на никел и изследва ефектите от плътността на мощността на лазера, скоростта на лазерно сканиране и формата на облицовката върху процеса на ремонт, както е показано на фигура 5.

По отношение на ремонта с аргонова дъга, Qu Sheng et al. [32] от China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. използва метод за заваряване с волфрамова аргонова дъга, за да поправи проблемите с износването и пукнатините на върха на турбинните лопатки от високотемпературна сплав DZ125. . Резултатите показват, че след ремонт с традиционни заваръчни материали на основата на кобалт, зоната, засегната от топлина, е склонна към термични пукнатини и твърдостта на заваръчния шев е намалена. Въпреки това, използването на новоразработените заваръчни материали на базата на никел MGS-1, комбинирано с подходящи процеси на заваряване и топлинна обработка, може ефективно да избегне появата на пукнатини в засегнатата от топлина зона и якостта на опън при 1000°C достига 90% от основния материал. Song Wenqing и др. [33] проведе проучване на процеса на ремонтно заваряване на леярски дефекти на водещи лопатки на турбината от високотемпературна сплав K4104. Резултатите показаха, че използването на заваръчни телове HGH3113 и HGH3533 като добавъчни метали има отлично образуване на заваръчен шев, добра пластичност и силна устойчивост на пукнатини, докато се използва Когато се заварява заваръчна тел K4104 с повишено съдържание на Zr, течливостта на течния метал е лоша, повърхността на заваръчния шев не е оформена добре и се появяват пукнатини и дефекти, несвързани със сливането. Може да се види, че в процеса на ремонт на острието изборът на пълнежни материали играе жизненоважна роля.

Настоящите изследвания върху ремонта на турбинни лопатки на базата на никел показват, че високотемпературните сплави на базата на никел съдържат укрепващи елементи в твърд разтвор като Cr, Mo, Al и микроелементи като P, S и B, които ги правят по-чувствителни към пукнатини по време на процеса на ремонт. След заваряване те са склонни към структурна сегрегация и образуване на крехки фазови дефекти на Laves. Следователно последващите изследвания върху ремонта на високотемпературни сплави на основата на никел изискват регулиране на структурата и механичните свойства на такива дефекти.

2 Метод за ремонт на лопатки на вентилатор/компресор от титаниева сплав

По време на работа лопатките на вентилатора/компресора от титаниева сплав са подложени главно на центробежна сила, аеродинамична сила и вибрационно натоварване. По време на употреба често възникват дефекти на повърхностни повреди (пукнатини, износване на върха на острието и т.н.), локални дефекти при счупване на остриетата от титаниева сплав и повреди с голяма площ (счупване от умора, повреда на голяма площ и корозия и т.н.), което изисква цялостна подмяна на остриетата. Различни типове дефекти и общи методи за ремонт са показани на Фигура 6. По-долу ще бъде представен състоянието на изследването на ремонта на тези три вида дефекти.

2.1 Ремонт на дефекти по повърхността на острието от титаниева сплав

По време на работа остриетата от титаниева сплав често имат дефекти като повърхностни пукнатини, малки драскотини и износване на острието. Ремонтът на такива дефекти е подобен на този на турбинните лопатки на никелова основа. Машинната обработка се използва за отстраняване на дефектната зона и лазерно нанасяне чрез топене или заваряване с аргонова дъга за запълване и ремонт.

В областта на лазерното отлагане чрез топене, Zhao Zhuang et al. [34] от Северозападния политехнически университет проведе проучване за лазерен ремонт на повърхностни дефекти с малък размер (диаметър на повърхността 2 mm, полусферични дефекти с дълбочина 0.5 mm) на изковки от титаниева сплав TC17. Резултатите показаха това β колоновидни кристали в зоната на лазерно отлагане растат епитаксиално от интерфейса и границите на зърната са замъглени. Оригиналната форма на игла α летви и вторични α фазите в зоната на топлинно влияние нарастват и загрубяват. В сравнение с кованите проби, ремонтираните с лазер проби имат характеристиките на висока якост и ниска пластичност. Якостта на опън се увеличи от 1077.7 MPa на 1146.6 MPa, а удължението намаля от 17.4% на 11.7%. Пан Бо и др. [35] използва коаксиална технология за лазерно облицоване с прахообразно подаване, за да поправи много пъти сглобяемите дефекти с форма на кръгъл отвор на титанова сплав ZTC4. Резултатите показват, че процесът на промяна на микроструктурата от основния материал до ремонтираната област е ламеларен α фазови и междузърнести β фаза → basketweave структура → мартензит → Структура на Видманщатен. Твърдостта на зоната на топлинно въздействие леко се увеличава с увеличаването на броя на ремонтите, докато твърдостта на основния материал и облицовъчния слой не се променя много.

Резултатите показват, че ремонтната зона и засегнатата от топлината зона преди топлинна обработка са подобни на ултра фина игла α фаза, разпределена в β фазова матрица, а зоната на основния материал е фина структура на кошница. След термична обработка микроструктурата на всяка област е първична като летва α фаза + β фазова трансформационна структура и дължината на първичната α фаза в района на ремонта е значително по-голям от този в други зони. Границата на умора при висок цикъл на ремонтната част е 490MPa, което е по-високо от границата на умора на основния материал. Екстремният спад е около 7.1%. Ръчното заваряване с аргонова дъга също се използва често за ремонт на пукнатини по повърхността на острието и износване на върха. Недостатъкът му е, че вложената топлина е голяма и ремонтите на големи площи са предразположени към голям термичен стрес и заваръчна деформация [37].

Настоящите изследвания показват, че независимо от това дали за ремонт се използва лазерно отлагане чрез топене или заваряване с аргонова дъга, зоната за ремонт има характеристиките на висока якост и ниска пластичност, а показателите за умора на острието лесно се намаляват след ремонт. Следващата стъпка от изследването трябва да се съсредоточи върху това как да се контролира съставът на сплавта, да се коригират параметрите на процеса на заваряване и да се оптимизират методите за контрол на процеса, за да се регулира микроструктурата на зоната за ремонт, да се постигне съвпадение на якостта и пластичността в областта на ремонта и да се гарантира нейното отлично представяне на умора.

2.2 Ремонт на локални повреди на остриета от титаниева сплав

Няма съществена разлика между ремонта на дефекти от повреда на роторните лопатки от титаниева сплав и технологията за производство на добавки на триизмерни твърди части от титаниева сплав по отношение на процеса. Ремонтът може да се разглежда като процес на производство на добавка за вторично отлагане върху секцията на фрактурата и локалната повърхност с повредените части като матрица, както е показано на фигура 7. Според различните източници на топлина, той се разделя главно на ремонт с лазерна добавка и ремонт с добавка на дъга. Заслужава да се отбележи, че през последните години Германският център за съвместни изследвания 871 превърна технологията за ремонт на дъгова добавка в изследователски фокус за ремонта на интегрални остриета от титаниева сплав [38] и подобри ефективността на ремонта чрез добавяне на нуклеиращи агенти и други средства [39].

В областта на ремонта с лазерни добавки Gong Xinyong et al. [40] използва прах от сплав TC11, за да изследва процеса на възстановяване на лазерно отлагане чрез топене на титаниева сплав TC11. След ремонт зоната на отлагане на тънкостенната проба и зоната на претопяване на интерфейса имаха типични структурни характеристики на Видманщатен, а структурата на зоната на засегнатата от топлина матрица премина от структура на Видманщатен към структура с двойно състояние. Якостта на опън на зоната на отлагане е около 1200 MPa, което е по-високо от това на преходната зона на интерфейса и матрицата, докато пластичността е малко по-ниска от тази на матрицата. Всички образци за опън бяха счупени вътре в матрицата. И накрая, действителното работно колело беше ремонтирано чрез метода на отлагане на топене точка по точка, премина оценката на теста за супер скорост и реализира приложението за инсталиране. Bian Hongyou и др. [41] използваха прах TA15 за изследване на ремонта с лазерна добавка на титаниева сплав TC17 и изследваха ефектите от различни температури на топлинна обработка на отгряване (610℃, 630℃ и 650℃) върху неговата микроструктура и свойства. Резултатите показват, че якостта на опън на отложената сплав TA15/TC17, ремонтирана чрез лазерно отлагане, може да достигне 1029MPa, но пластичността е сравнително ниска, само 4.3%, достигайки съответно 90.2% и 61.4% от изковките TC17. След термична обработка при различни температури якостта на опън и пластичността се подобряват значително. Когато температурата на отгряване е 650℃, най-високата якост на опън е 1102MPa, достигайки 98.4% от изковките TC17, а удължението след счупване е 13.5%, което е значително подобрено в сравнение с отложеното състояние.

В областта на адитивния ремонт на дъгата, Liu et al. [42] проведе проучване за ремонт на симулиран образец на липсващо острие от титаниева сплав TC4. Смесена зърнеста морфология на равноосни кристали и колоновидни кристали се получава в отложения слой с максимална якост на опън от 991 MPa и удължение от 10%. Zhuo и др. [43] използваха заваръчна тел TC11, за да проведат проучване за ремонт на дъгова добавка на титанова сплав TC17 и анализираха микроструктурната еволюция на отложения слой и зоната, засегната от топлина. Якостта на опън е 1015.9 MPa при условия без нагряване, а удължението е 14.8%, с добро цялостно представяне. Чен и др. [44] изследва ефектите от различните температури на отгряване върху микроструктурата и механичните свойства на пробите за ремонт от титаниева сплав TC11/TC17. Резултатите показват, че по-високата температура на отгряване е от полза за подобряване на удължението на ремонтираните образци.

Изследванията върху използването на технология за производство на метални добавки за поправка на локални дефекти в остриетата от титаниева сплав са в начален стадий. Ремонтираните остриета не само трябва да обърнат внимание на механичните свойства на отложения слой, но и оценката на механичните свойства на интерфейса на ремонтираните остриета е също толкова важна.

3 остриета от титаниева сплав с голяма повреда Замяна и ремонт на остриета

За да се опрости структурата на ротора на компресора и да се намали теглото, лопатките на модерните авиационни двигатели често приемат интегрална дискова структура с лопатки, която е структура от една част, която прави работните лопатки и дисковете с лопатки интегрална структура, елиминирайки шипа и вдлъбнатината. Докато постига целта за намаляване на теглото, може също така да избегне износването и аеродинамичните загуби на шипа и вдлъбнатината в конвенционалната структура. Ремонтът на повърхностните повреди и дефектите на местните повреди на вградения лопатков диск на компресора е подобен на гореспоменатия метод за ремонт на отделни лопатки. За поправка на счупени или липсващи части от диска с интегрално острие, линейното фрикционно заваряване се използва широко поради своя уникален метод на обработка и предимства. Неговият процес е показан на фигура 8 [45].

Матео и др. [46] използва линейно заваряване чрез триене, за да симулира ремонта на титаниева сплав Ti-6246. Резултатите показаха, че една и съща повреда, ремонтирана до три пъти, има по-тясна зона, засегната от топлината, и по-фина зърнеста структура на заваръчния шев. Якостта на опън намалява от 1048 MPa на 1013 MPa с увеличаване на броя на ремонтите. Обаче, както образците за опън, така и за умора бяха счупени в областта на основния материал, далеч от зоната на заваръчния шев.

Ма и др. [47] изследва ефектите от различните температури на термична обработка (530°C + 4h въздушно охлаждане, 610°C + 4h въздушно охлаждане, 670°C + 4h въздушно охлаждане) включено â € <â € <микроструктурата и механичните свойства на линейни триещи заварени съединения от титанова сплав TC17. Резултатите показват, че с повишаване на температурата на топлинна обработка степента на рекристализация на α фаза и β фаза се увеличава значително. Поведението на счупване на образците за опън и удар се промени от крехко счупване към пластично счупване. След термична обработка при 670°C, образецът за опън, счупен в основния материал. Якостта на опън е 1262MPa, но удължението е само 81.1% от основния материал.

Понастоящем местни и чуждестранни изследвания показват, че технологията за ремонт на линейно фрикционно заваряване има функцията на самопочистващи се оксиди, които могат ефективно да отстранят оксидите върху повърхността на свързване без металургични дефекти, причинени от топене. В същото време той може да реализира свързването на хетерогенни материали за получаване на интегрални лопаткови дискове с двойна сплав/двойна производителност и може да завърши бързия ремонт на счупвания на тялото на лопатката или липсващи части от интегрални лопаткови дискове, направени от различни материали [38]. Все още обаче има много проблеми за разрешаване при използването на технологията за линейно фрикционно заваряване за ремонт на интегрални дискове с лопатки, като голямо остатъчно напрежение в ставите и трудност при контролиране на качеството на връзките на хетерогенни материали. В същото време процесът на линейно заваряване чрез триене за нови материали се нуждае от допълнително проучване.

Контакти

Благодарим Ви за проявения интерес към нашата компания! Като професионална компания за производство на части за газови турбини, ние ще продължим да се ангажираме с технологични иновации и подобряване на услугите, за да предоставим по-висококачествени решения за клиенти по целия свят. Ако имате въпроси, предложения или намерения за сътрудничество, ние сме повече от радвам се да ти помогна. Моля, свържете се с нас по следните начини:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

E-mail:[email protected]