Сварване и технология за ремонтиране на турбинни лопasti и вентилаторски/компресорни лопasti на самолетни двигатели

Лопатките на авиационния двигател работят дълго време в сложна и жестока среда, което ги прави уязвими към различни видове повреди. Замяната на лопатките е скъпа, а изследването на технологии за ремонт и рефабрициране им има огромни икономически предимства. Лопатките на авиационен двигател се делят главно на две категории: турбинни лопатки и лопатки за вентилатор/компресор. Турбинните лопатки обикновено се fabricат от никелови високотемпературни сплавове, докато лопатките за вентилатор/компресор главно се fabricат от титанови сплавове, а някои са от никелови високотемпературни сплавове. Разликите в материалите и работната среда между турбинните лопатки и лопатките за вентилатор/компресор водят до различни често срещани видове повреди, което предопределя различните методи за ремонт и показатели за производителност, които трябва да бъдат постигнати след ремонта. В настоящата статия се анализират и разглеждат методите и ключовите технологии, използвани в момента за ремонт на двете най-често срещани вида повреди при лопатките на авиационен двигател, с цел да се предостави теоретична основа за постигане на висококачествен ремонт и рефабрициране на лопатките на авиационен двигател.

В авиационните двигатели турбинните и лопатките на вентилатора/компресора са подложени на дълготрайни стресови условия като центробежни натоварвания, термичен стрес и корозия, и имат изключително високи изисквания към производителността. Те са описани като един от най-основните компоненти при производството на авиационни двигатели, а техният производствен процес съставлява повече от 30% от общата работна нагрузка за производството на целия двигател [1 –3]. Намиращи се в жестоки и сложни условия за работа през продължителен период, роторните лопатки лесно могат да получат дефекти като тресетини, износ на върха на лопатката и разрушителни повреди. Стоимостта на ремонтиране на лопатките е само 20% от цената за производство на цялата лопатка. Поради това изследването на технологии за ремонт на лопатки в авиационни двигатели допринася за удължаване на срока им на служба, намалява производствените разходи и предлага огромни икономически предимства.

Подреждането и повторното производство на лопатките на авиационния двигател включва главно следните четири стъпки [4]: предварителна обработка на лопатката (включително промивка на лопатките [5], тримерен инспекция и геометрична реконструкция [6 –7] и т.н.); депозитиране на материал (включително използване на напреднали сварливи и свързващи технологии за попълване и натрупване на липсващи материали [8 –10], термична обработка за възстановяване на характеристиките [11 –13] и т.н.); обновяване на лопатките (включително методи за обработване като шлифуване и полиринг [14]); пост-ремонтни процедури (включително повърхностни покрития [15 –16] и укрепващо лечение [17], и т.н.), както е показано на фигура 1. Сред тях, депозирането на материал е ключът за гарантиране на механичните свойства на лопатката след ремонта. Основните компоненти и материали на лопатките на авиационния двигател са показани на фигура 2. За различни материали и различни форми на дефектите, съответните методи на ремонт са основата за постигане на висококачествен ремонт и рефабрициране на повредените лопатки. В тази статия се вземат под внимание никеловите високотемпературни алойсови турбинни лопатки и титановите алойсови вентилаторни/компресорни лопатки, обсъжда и анализира методите и ключовите технологии, използвани за ремонт на различните видове повреждения на авиационните двигателни лопатки в момента, и обяснява техните предимства и недостатъци.

1. Метод за ремонт на турбинни лопатки от никелов високотемпературен алойс

Лопатките от никелови високотемпературни сплави работят в среда на високотемпературен горивен газ и сложен напреженият режим през продължителен период. Често лопатките имат дефекти като уморни топлинни тресове, малкос площни повърхностни повреди (износ на върха на лопатката и корозионни повреди) и уморни разломи. Тъй като сигурността при ремонта на уморните разломи на турбинните лопатки е относително ниска, те обикновено се заменят директно след настъпването на уморния разлом, без да се извършва сваряване за ремонт. Двете най-чести вида дефекти и методи за ремонт на турбинните лопатки са показани на рисунка 3 [4]. Подробно ще бъдат представени методите за ремонт на тези два вида дефекти на лопатките от никелови високотемпературни сплави.

1.1 Поправка на тресовете на лопатките от никелови свръхсплави

Методите за варове и ремонт на твърд фаза се използват обикновено за поправка на дефектите от трески на турбинните лопатки, които включват предимно: вакуумно варове, транзитен течна фаза дифузно свързване, активирано дифузно сварване и методи за ремонт чрез порошкова металиргия.

Шан и др. [18] използваха метода на лъчево вакуумно спайване за поправка на треските в лопастите от никеловия сплав ChS88, използвайки спаящи материални състави Ni-Cr-B-Si и Ni-Cr-Zr. Резултатите показваха, че в сравнение с металния спаящ материал Ni-Cr-B-Si, Zr в спаящия материал Ni-Cr-Zr не се дифундира лесно, основната маса не се корозира значително, а твърдостта на свареното съединение е по-висока. Използването на спаящ материал Ni-Cr-Zr може да постигне поправката на треските в лопастите от никеловия сплав ChS88. Оджо и др. [19] проучиха влиянието на размера на зазорите и процесните параметри върху микроструктурата и свойствата на дифузно спаяните съединения на никеловия сплав Inconel718. При увеличаване на размера на зазора появата на твърди и хрупки фази като междуетални сполуци на базата Ni3Al и богати по Ni и Cr бориди е основната причина за намаляване на силата и твърдостта на съединението.

Транзиентното топлофазово дифузионно сварване се консолидира при изотермични условия и принадлежи на кристализацията при равновесни условия, което способства за хомогенизиране на състава и структурата [20]. Пуранвари [21] проучва транзиентното топлофазово дифузионно сварване на никеловия високотемпературен сплав Inconel718 и открива, че съдържанието на Cr в напълнителя и разлагането на матрицата са ключовите фактори, които влияят върху силата на изотермичната консолидационна зона. Лин и колеги [22] проучват влиянието на параметрите на процеса при транзиентното топлофазово дифузионно сварване върху микроструктурата и свойствата на сварните връзки от никеловия високотемпературен сплав GH99. Резултатите показват, че с увеличаването на температурата или продължителността на времето, броят на Ni-богатите и Cr-богатите бориди в зоната на преципитация намалява, а размерът на зърната в зоната на преципитация е по-малък. Издръжливостта при стаяна температура и високотемпературната тегловна изсечена сила се увеличават с продължаването на времето на задържане. В момента транзиентното топлофазово дифузионно сварване е успешно приложено за поправка на малки трески в области с ниско напрежение и за възстановяване на повредите на върха на безкроните лопатки [23] –24]. Въпреки че дифузионната сварка в транзитен течен фазов режим е била успешно приложена за различни материали, тя се ограничава до поправка на малки треските (около 250 μ м).

Когато ширината на треската е по-голяма от 0,5 мм и капиларното действие не е достатъчно да я запълни, поправката на лопастта може да се осъществи чрез активирана дифузионна сварка [24]. Su и колеги [25] използваха метода на активирано дифузионно паяне за поправка на лопаст от инейската базова високотемпературна сплав In738, като използват паящ материал DF4B, и получиха силно съединение с висока твърдост и устойчивост към окисляването. γ′ фазата, която се образува в става, има укрепващ ефект, а издръжливостта на растегване достига 85% от материята на родителя. Ставът се разбива при позицията на хромобогат борид. Hawk и др. [26] също използваха активирана дифузна сварка за поправка на широките тресове на лопатката от никелова високотемпературна ал oy René 108. Праховата металургия като метод за реконструкция на повърхнините на напреднали материали е получила широко приложение в ремонта на високотемпературни алойни лопатки. Той може да възстанови и да реконструира тримерната близка до изотропната сила на големи дефекти с празнини (повече от 5 мм), като тресове, абляция, износ и дупки в лопатките [27]. Канадската фирма Liburdi разработи метода LPM (Liburdi powder metallurgy) за ремонт на никелови алойни лопатки с високо съдържание на Al и Ti, които имат лошо сварване. Процесът е показан на фигура 4 [28]. През последните години вертикалната слоевидна методика на праховата металургия, базирана на този метод, позволява единовременно бразирен ремонт на дефекти широки до 25 мм [29].

1.2 Поправка  на повърхностни повреди на лопатките от никелов високотемпературен сплав

Когато има малки повърхностни цапки и корозионни повреди на лопатките от никелов високотемпературен сплав, обикновено повреденият участък може да бъде премахнат и изгробен чрез обработка, след това може да се поправи чрез подходящ метод на сваряване. Текущите проучвания главно се фокусират върху лазерното плавене с депозиране и сварване по аргонов дъг.

Ким и кол. [30] от Университета на Делавер в САЩ извършиха лазерно окачване и ръчно сваряване за ремонт на лопатки от никеловия сплав Rene80 с високи съдържания на Al и Ti, и сравнили са работните образци, които са преминали през термична обработка след сварката с тези, които са преминавали през термична обработка след сварката и горещо изостатично притискане (HIP), и установили, че HIP може да намали ефективно малко порови дефекти. Лيو и кол. [31] от Университета за наука и технология „Хуачунг“ използвали са лазерна технология за окачване за ремонтиране на канавкови и дупчинни дефекти в турбинни компоненти от 718 никелов сплав, и разгледали са влиянието на лазерната мощност, скоростта на сканиране при лазера и формата на окачването върху процеса на ремонт, както е показано на фигура 5.

Във връзка с ремонт чрез аргонов дугов сварване, Ку Шенг и други [32] от Китайско авиационно развитие, firma Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd., използваха метод на тунгsten-аргоново дугово сварване за ремонт на износа и проблемите с треските на върха на турбинните лопатки от високотемпературния сплав DZ125. Резултатите показват, че след ремонт с традиционни кобальтови сварливи материали, термично засегнатата зона е склонна да образува термични треските и твърдостта на сварката намалява. Всеки път, използвайки новоизработените MGS-1 никелови сварливи материали, комбинирани с подходящи процеси на сваряване и термична обработка, може успешно да се избегнат треските в термично засегнатата зона, а издръжливостта при 1000 ° C достига 90% от базовия материал. Сунг Венчинг и др. [33] провеждат изследване относно процеса на ремонтно сварване при дефектите на отливките на високотемпературния сплав за турбинни ръководни лопasti K4104. Резултатите показват, че използването на сварвани материали HGH3113 и HGH3533 има отлична сварваща се форма, добра пластичност и силна устойчивост към тръщението, докато при използването на сварващата нишка K4104 с увеличен Zr съдържание, текучестта на топлата метална маса е лоша, повърхността на сварката не е добре формирана и възникват тръщи и недостатъци като неразтворение. От това става ясно, че в процеса на ремонт на лопастите изборът на пълнителни материали играе ключова роля.

Текущите изследвания относно ремонта на турбинни лопатки от никелови сплави показват, че никеловите високотемпературни сплави съдържат елементи за усилване на твърдостта в твърдо решение, като Cr, Mo, Al, и следове от елементи като P, S и B, които ги правят по-чутливи към тресене по време на процеса на ремонт. След сварването те са склонни да има структурна сегрегация и образуване на хрупки дефекти на фазата Laves. Затова последните изследвания относно ремонта на никеловите високотемпературни сплави изискват регулиране на структурата и механичните свойства на такива дефекти.

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

При експлоатацията титановите сплавени вентилаторни/компресорни лопатки са подложени предимно на центробежна сила, аеродинамична сила и вибрационна тегловина. При използването често се появяват повържения на повърхността (трещини, износ на края на лопатката и др.), местни разрушенски дефекти на титановите сплавени лопатки и голямообхватни повреди (усталостен прелом, голяма обхвъртна повреда и корозия и др.), което изисква замяната на цялата лопатка. Различните видове дефекти и най-често използваните методи за ремонт са показани на фигура 6. Подходящо ще бъде представено състоянието на изследванията за ремонта на тези три вида дефекти.

2.1 Ремонт на повърхностни повреди при титановите сплавени лопатки

При експлоатацията титановите сплавени лопатки често имат дефекти като повърхностни трещини, малкообхватни цапки и износ на лопатките. Ремонтът на такива дефекти е подобен на този при никеловите турбинни лопатки. Използва се обработка, за да се премахне дефектната област, и лазерно плавен депозит или аргонова дъгова сварка за запълване и ремонт.

В областта на лазерното топене с отлагане, Чжао Чуанг и др. [34] от Северозападния политехнически университет провели изследване за лазерно възстановяване на малко размерни повърхностни дефекти (повърхностен диаметър 2 мм, полусферични дефекти с дълбочина 0,5 мм) на оттиска от сплава TC17. Резултатите показваха, че β стълбовидните кристали в зоната на лазерното отлагане растеха епитаксиално от интерфейса и граничните линии между зърна бяха размити. Изворните иглоподобни α лажи и вторичните α фазите в зоната, повлияна от топлината, се разрастваха и грубееха. В сравнение с изкованите образциите, лазерно-възстановените образции имаха характеристики на висока твърдост и ниска пластичност. Теглената твърдост се увеличава от 1077,7 МПа до 1146,6 МПа, а удължението намалява от 17,4% до 11,7%. Пан Бо и др. [35] използваха коаксиална технология за лазерно напояване с прахове за възстановяване на кръглите предварително дефинирани дефекти на титановия сплав ZTC4 много пъти. Резултатите показваха, че процесът на промяна на микроструктурата от материнския материал към възстановената област беше пластиновиден α фаза и междугранена β фаза → плетена структура → мартенсит → Структура на Видманштетен. Твърдостта на зоната, повлияна от топлината, леко се увеличава с увеличаването на броя на възстановленията, докато твърдостта на материнския материал и напояващия слой почти не се променя.

Резултатите показват, че възстановената зона и зоната, повлияна от топлината, пред термообработката са свръх微针овидни α фаза разпределена в β фазова матрица, а зоната на базовия материал е тънка кошикова структура. След термичното обработване микроструктурата на всяка област е пластинеста първична α фаза + β трансформационна фаза, а дължината на първичната α фаза в ремонтната зона е значително по-голяма от тази в другите области. Вероятността за високочестотна умора на ремонтната част е 490МПа, която е по-висока от уморния лимит на базовия материал. Екстремалното намаление е около 7,1%. Ръчната аргонова дугова сварка се използва и често за ремонт на повърхностни трески и износ на върха на лопатките. Нейният недостатък е, че термичният вход е голям, а при големи ремонти се получава голямо термично напрежение и сварващо деформиране [37].

Текущите изследвания показват, че независимо дали се използва лазерно топене с депозиция или сварване с аргонов дъг за ремонт, областта на ремонта има характеристики на висока твърдост и ниска пластичност, а уморната производителност на лопастта лесно намалява след ремонта. Следващата стъпка на изследването трябва да се фокусира върху това как да се контролира сплавеният състав, да се регулират параметрите на сварването и да се оптимизират методите на процесното управление, за да се регулира микроструктурата на областта за ремонт, да се постигне съответствие между твърдостта и пластичността в областта за ремонт и да се гарантира отлична уморна производителност.

2.2 Ремонт на локални повреди на титановите лопasti

Няма съществена разлика между подравняването на повреди в лопастите от титанова сплав и добавяното производство на триизмерни твърди части от титанов сплав относно технологичния процес. Подравняването може да бъде разглеждано като процес на вторично депозитиране с добавяне при секцията на разлома и локалната повърхност, използвайки повредените части като матрица, както е показано на фигура 7. Според различните топлинни източници, това се дели главно на лазерно добавяне при подравняване и дугово добавяне при подравняване. Заслужава внимание, че през последните години Немският съвместен научен център 871 е направил дуговото добавяне при подравняване основна тема на проучването за подравняване на интегрални лопasti от титанов сплав [38] и е подобрено подравняващото се свойство чрез добавяне на нуклеатори и други методи [39].

В областта на лазерното добавяне при подравняване, Гонг Синьонг и колеги [40] използваха порошков сплав TC11, за да проучат процеса на лазерно плавен депозит при подравняване на сплава от титан TC11. След подравняването, депозитната зона  тонкостенният пробен материал и зоната на повторно плавење на интерфейса имаха типични характеристики на структурата на Видманштатен, а матричната термозона премина от структура на Видманштатен до двукомпонентна структура. Силата на растягане на депозиционната зона беше около 1200 МПа, което е по-високо в сравнение с тази на интерфейсната переходна зона и матрицата, докато пластичността е малко по-ниска от тази на матрицата. Пробите при растягане се разбиваха изцяло вътре в матрицата. Накрая, реалният вентилатор беше поправен чрез метода на точково плавење и депозиране, минава оценката при надхарест тест и осъществява инсталирането и приложението. Бянь Хонгю и колеги [41] използваха TA15 прах за изследване на лазерното адитивно възстановяване на титановия сплав TC17 и проучиха влиянието на различните температури при анелация (610 ℃ , 630 ℃ и 650 ℃ ) върху микроструктурата и свойствата му. Резултатите показваха, че издръжливостта при растягане на депонираната сплавена смес TA15/TC17, поправена чрез лазерно депониране, може да достигне 1029МПа, но пластичността е относително ниска, само 4,3%, което съответства на 90,2% и 61,4% от показателите на TC17 ковки. След термична обработка при различни температури издръжливостта при растягане и пластичността се подобряват значително. Когато температурата на анелиране е 650 ℃ , най-голямата издръжливост при растягане е 1102МПа, което е 98,4% от показателя на TC17 ковките, а удължението след слом е 13,5%, което представлява значително подобрение в сравнение със състоянието след депониране.

В областта на дъговата адитивна ремонтна технология, Лю и колеги [42] провели ремонтно изследване върху симулация на образец с липсваща лопатка от титанов сплав TC4. В депонираният слой е получен смесен зърнов морфолозен вид от екваксни кристали и столбовидни кристали, с максимална теглова сила на 991 МПа и удължаване на 10%. Чжуо и колеги [43] използвали сварваща жила от типа TC11 за дъгово адитивно ремонтиране на сплава от титанов тип TC17 и анализирали микроструктурното развитие на депонирания слой и термично повлияната зона. Тегловата сила е била 1015,9 МПа при неподгревани условия, а удължаването – 14,8%, с добри комплексни характеристики. Чен и колеги [44] проучили влиянието на различни температури при анелсинг върху микроструктурата и механичните свойства на ремонтните образци от титанов сплав TC11/TC17. Резултатите показват, че по-високата температура при анелсинг е полезна за подобряване на удължаването на ремонтните образци.

Исследованията за използването на метална адитивна производствена технология за поправка на локални повреди в титановите лопasti са още само в началния си етап. Поправените лопasti не само трябва да обърнат внимание на механичните свойства на нанесения слой, но и оценката на механичните свойства при интерфейса на поправените лопasti е също толкова важна.

3 Титанови лопasti с големи повреди. Замяна и поправка на лопаст

За да се опрости конструкцията на компресорния ротор и да се намали теглото, лопатките на modenите авиационни двигатели често използват интегрална структура на лопастен диск, която е еднокомпонентна структура, правеща работните лопasti и лопастните дискове в интегрална структура, eliminирайки шпала и гнездото. Докато постига целта за намаляване на теглото, може също така да избягва износa и аеродинамичната загуба на шпалата и гнездото в конвенционалната структура. Ремонтът на повърхностните повреди и местните дефекти на компресорния интегрален лопастен диск е подобен на посочения по-горе метод за ремонт на отделни лопасти. При ремонта на разбитите или липсващи части от интегралния лопастен диск често се използва линейното фрикционно сваряване поради неговите уникални методи на обработка и предимства. Неговият процес е показан на фигура 8 [45].

Матео и др. [46] използваха линейно тривна сварка, за да симулират ремонта на титановата сплава Ti-6246. Резултатите показваха, че същият повреден участък може да бъде поправен до три пъти, като има по-узка термична зона и по-малки кристални частици във сварната област. Теглената прочност намалява от 1048 МПа до 1013 МПа с увеличението на броя на ремонтите. Всички образци за теглене и умора се разбиват в областта на основния материал, далеч от сварната зона.

Ма и др. [47] проучиха влиянието на различни температури при термична обработка (530 ° °C + 4h въздушно охлаждане, 610 ° °C + 4h въздушно охлаждане, 670 ° °C + 4h въздушно охлаждане) върху ​​ микроструктурата и механичните свойства на сварните възли на линейно тривно сварване на титановия сплав TC17. Резултатите показват, че с увеличаването на температурата при термична обработка, степента на рекристализация на α фазата и β фазата се увеличава значително. Поведението при разбиране на образците за теглене и удар се променя от хрупко разбиране до пластично разбиране. След термична обработка при 670 ° C, пробата за растягане се разцепи в базовия материал. Напрежението при растягане беше 1262МПа, но удължението беше само 81.1% от базовия материал.

В момента домашни и чуждестранни изследвания показват, че технологията за ремонтиране с линейно треньовено сварване има функцията за самозачистване на окисли, което може да премахне ефективно окислите от повърхността за сваряване, без метюражни дефекти, причинени от топене. Едновременно това позволява свързването на различни материали, за да се получи двойен сплав/двойна производителност интегрални лопастни дискове и може да завърши бързото възстановяване на разprintStatsите или липсващите части на интегралните лопастни дискове, направени от различни материали [38]. Всъщност все още има много проблеми, които трябва да бъдат решени при използването на линейната треньова сварка за ремонт на интегралните лопастни дискове, като големи остатъчни напрежения в съединенията и трудности при контролирането на качеството на съединенията от различни материали. Едновременно процесът на линейно треньово сварване за нови материали трябва да бъде по-нататъшно изследван.

Свържете се с нас

Благодарим ви за проявения интерес към нашата фирма! Като професионален производител на части за газови турбини, ще продължим да се ангажираме с технологично иновиране и подобряване на услугите, за да предлагаме още повече качествени решения за клиентите си по целия свят. Ако имате някакви въпроси, предложениета или намерения за сътрудничество, ще бъде ни най-голямата радост да ви помогнем. Можете да се свържете с нас по следните начини:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

Имейл ：[email protected]