Svařovací oprava a technologie znovuúpravy pro lopatky turbín letadlových motorů a vánocové/lomové lopatky

Lopatky letadlových motorů působí v komplexním a přísném pracovním prostředí po dlouhou dobu a jsou náchylné k různým typům poškození. Nahrazení lopatek je nákladné, a proto výzkum technologií opravy a remanufaktury lopatek má obrovské ekonomické výhody. Lopatky letadlových motorů se dělí hlavně do dvou kategorií: turbínové lopatky a ventilátorové/kompresorové lopatky. Turbínové lopatky obvykle používají niklové vysokoteplotné slitiny, zatímco ventilátorové/kompresorové lopatky hlavně titanové slitiny, přičemž některé používají také niklové vysokoteplotné slitiny. Rozdíly v materiálech a pracovním prostředí mezi turbínovými lopatkami a ventilátorovými/kompresorovými lopatkami vedou k různým běžným typům poškození, což má za následek různé metody opravy a výkonnostní ukazatele, které je třeba dosáhnout po opravě. Tento článek analyzuje a diskutuje o metodách opravy a klíčových technologiích aktuálně používaných pro dva běžné typy poškození lopatek letadlových motorů, s cílem poskytnout teoretickou základnu pro dosažení kvalitních oprav a remanufaktury lopatek letadlových motorů.

V letadlových autech jsou turbinové a ventilátorové/motorní listy vystaveny dlouhodobě tvrdým podmínkám, jako jsou středivé zátěže, tepelné napjatí a koroze, a mají extrémně vysoké požadavky na výkon. Jsou uvedeny jako jedny z nejdůležitějších součástí při výrobě letadlových motorů, a jejich výroba představuje více než 30 % celkové práce při výrobě motoru [1 –3]. Vzhledem k tomu, že se nacházejí v tvrdém a komplexním pracovním prostředí po delší dobu, jsou motorní listy často náchylné ke vadám, jako jsou trhliny, opotřebení špiček lopatek a úlomkové poškození. Náklady na opravu lopatek činí pouze 20 % nákladů na výrobu celé lopatky. Proto je výzkum technologií opravy lopatek letadlových motorů prospěšný pro prodloužení životnosti lopatek, snížení výrobních nákladů a má obrovské ekonomické výhody.

Oprava a regenerace lopatek letadlových motorů převážně zahrnuje následující čtyři kroky [4]: předzpracování lopatek (včetně čištění lopatek [5], trojrozměrné kontroly a geometrické rekonstrukce [6 –7] atd.); nanesení materiálu (včetně použití pokročilých technologií svařování a spojování pro doplnění a akumulaci chybějících materiálů [8 –10], tepelné zpracování obnovy vlastností [11 –13] atd.); obnova lopatek (včetně frézovacích metod, jako je šlechta a leštění [14]); pozdní úpravy po opravě (včetně povrchového nanesení [15] –jako ukázka na obrázku 1. Mezi nimi je deponování materiálu klíčem k zajištění mechanických vlastností lopatky po opravě. Hlavní součásti a materiály letadlovoducích lopatek jsou znázorněny na obrázku 2. Pro různé materiály a různé formy vad je studium odpovídajících metod opravy základem pro dosažení kvalitní opravy a remanufaktury poškozených lopatek. Tento článek zkoumá lopatky turbín z niklových vysokootevřených slitin a titanových slitin ventilátorů/tlačnic jako objekty, diskutuje a analyzuje metody opravy a klíčové technologie používané pro různé typy poškození lopatek letadlových motorů v současnosti a vysvětluje jejich výhody a nevýhody.

1. Metoda opravy lopatek z niklové vysokootevřené slitiny

Listvy z niklových vysokoteplotných slitin pracují dlouhodobě ve středisku vysokoteplotního spalovacího plynu a komplexního stresu, často mají defekty jako jsou únavné teplé trhliny, poškození malé plochy na povrchu (opoždání hrotu lopatky a korozi poškození) a únavné trhliny. Protože je bezpečnost opravy únavných trhlin turbinových lopatek poměrně nízká, nahrazují se obvykle přímo poté, co dojde k únavné trhlině, aniž by se prováděla svarová oprava. Dva běžné typy defektů a metod oprav turbinových lopatek jsou znázorněny na obrázku 3 [4]. Následující část představí metody opravy těchto dvou typů defektů u liství z niklových vysokoteplotných slitin.

1.1 Oprava trhlin u lopatek z niklových nadslitin

Metody svařování a reparace pevné fáze jsou obecně používány pro opravu trhlinových defektů ve vějířových lopatkách, zahrnují především: vakuumové spojování, difúzní spojování přechodnou kapalnou fází, aktivované difúzní svařování a metody remanufaktury práškové metalurgie.

Shan et al. [18] použili metodu vákuového lepidla paprskem pro opravu trhlin v čepelích z niklové slitiny ChS88 pomocí lepidelních materiálů Ni-Cr-B-Si a Ni-Cr-Zr. Výsledky ukázaly, že ve srovnání s lepidelním materiálem Ni-Cr-B-Si se prvek Zr v lepidle Ni-Cr-Zr méně snadno difunduje, podklad není významně korozičen a výdrž spoje je vyšší. Použití lepidelního materiálu Ni-Cr-Zr umožňuje opravit trhliny v čepelech z niklové slitiny ChS88. Ojo et al. [19] zkoumali vliv velikosti mezer a procesních parametrů na mikrostrukturu a vlastnosti difuzně lepených spojů slitiny Inconel718. S rostoucí velikostí mezery je objevení tvrdých a kruchých fází, jako jsou mezikovové sloučeniny založené na Ni3Al a niklové a chromové boridy, hlavní příčinou úbytku síly a výdrže spoje.

Difúzní svařování v přechodné kapalné fázi se solidifikuje za izotermických podmínek a spadá pod krystalizaci v rovnovážných podmínkách, což je prospěšné pro homogenizaci složení a struktury [20]. Pouranvari [21] zkoumal difúzní svařování v přechodné kapalné fázi niklové vysokoteplotní slitiny Inconel718 a zjistil, že obsah Cr v náplni a rozsah dekompozice matrice jsou klíčovými faktory ovlivňujícími sílu izotermicky solidifikované oblasti. Lin s kolegy [22] studovali vliv parametrů procesu difúzního svařování v přechodné kapalné fázi na mikrostrukturu a vlastnosti spojů niklové slitiny GH99. Výsledky ukázaly, že s nárůstem propojovací teploty nebo prodloužením času klesá počet Ni-bohatých a Cr-bohatých boridů v oblasti sedimentace a zmenšuje se velikost vloček v oblasti sedimentace. Síla při stahování při pokojové teplotě a vysoké teplotě roste s prodlužováním držacího času. V současnosti bylo difúzní svařování v přechodné kapalné fázi úspěšně použito k opravě malých trhlin v oblastech nízkého napětí a k rekonstrukci špičkového poškození nekorunovaných listů [23] –24]. I když byla difúzní svařování přechodnou kapalnou fází úspěšně aplikována na různé materiály, omezuje se na opravu malých trhlin (asi 250 μ m).

Když je šířka trhliny větší než 0,5 mm a kapilární působení nestačí na zaplnění trhliny, může být oprava listvy dosažena pomocí aktivovaného difúzního svařování [24]. Su et al. [25] použili metodu aktivovaného difúzního spojování k opravě listvy z niklové vysokoteplotné slitiny In738 pomocí spojovacího materiálu DF4B a získali pevné, oxidací odolné spojovací spojení. γ′ fáze vykristalizovaná v kloubové spoji má posilující účinek a pevnost na trhání dosahuje 85 % mateřského materiálu. Spoje se lámou na pozici chromového boridu. Hawk et al. [26] také použili aktivované difúzní svařování k opravě široké trhliny v listovém prvků z niklové vysokoteplotné slitiny René 108. Prášková metalurgie jako nově vyvinutá metoda pro obnovení ploch pokročilých materiálů je široce používána při opravách vysokoteplotných slitinových listů. Dokáže obnovit a rekonstruovat třídimenzionální blízkou izotropní sílu velkých defektů (více než 5 mm), jako jsou trhliny, ablace, macka a díry v listech [27]. Kanadská společnost Liburdi vyvinula metodu LPM (Liburdi powder metallurgy) pro opravu niklových slitinových listů s vysokým obsahem Al a Ti, které mají špatné svařovací vlastnosti. Proces je znázorněn na obrázku 4 [28]. V posledních letech umožňuje tento postup vertikální vrstvené práškové metalurgie jednorázovou brasovací opravu defektů širokých až 25 mm [29].

1.2 Oprava  poškození povrchu turbinových listů z niklových vysokoteplotných slitin

Když na povrchu listů z niklových vysokoteplotných slitin vzniknou malé škrty nebo koroziní poškození, může být poškozená oblast obvykle odebrána a vyřezána obráběním, následně je pak vyplněna a opravena pomocí příslušné soudební metody. Současné výzkumy se především zaměřují na laserovou tolikovou deponaci a sváření argonovým obloukem.

Kim et al. [30] z Univerzity v Delawareu ve Spojených státech provedli laserové nanesení a ruční svářecí opravu listů z niklového slitku Rene80 s vysokým obsahem Al a Ti, a porovnali díly, které prošly tepelnou úpravou po sváření s těmi, které prošly tepelnou úpravou po sváření a teplou izostatickou tlačenicí (HIP), a zjistili, že HIP může účinně snížit malé porové defekty. Liu et al. [31] z Huazhongské univerzity vědy a techniky použili technologii laserového nanesení k opravě brázdnatých a otvorových defektů v turbinových součástech ze slitku 718 založeného na niklu a zkoumali vliv hustoty laserového výkonu, rychlosti laserového skenování a formy nanesení na proces opravy, jak je znázorněno na obrázku 5.

V oblasti oprav spálením argonovým obloukem použili Qu Sheng a kol. [32] z Čínského vývojového letectví, konkrétně z Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd., metodu spálení s wolframovým elektrodou k opravě problémů s opotřením a trhlinami na špičce listů turbín z vysokoteplotné slitiny DZ125. Výsledky ukazují, že po opravě pomocí tradičních kobaltových spájecích materiálů je místně ovlivněná zóna náchylná k vzniku tepelných trhlin a tvrdost spojů se snižuje. Nicméně použitím nově vyvinutých MGS-1 niklových spájecích materiálů, kombinovaných s přiměřenými procesy spájení a tepelné úpravy, lze účinně zabránit vzniku trhlin v místně ovlivněné zóně a dosáhnout tahové pevnosti 1000 ° C dosahuje 90 % základního materiálu. Song Wenqing a kol. [33] provedli studii o opravném svařování chyb v odlouvání K4104 vysokoteplotného slitinového turbinového vodítka. Výsledky ukázaly, že použitím svařovacích drátů HGH3113 a HGH3533 jako náplňových kovů má svark excellenty formovací vlastnosti, dobré plastické vlastnosti a silnou odolnost proti trhlinám, zatímco při použití drátu K4104 se zvýšeným obsahem Zr je špatná tekutnost tekutého kovu, povrch svarku není dobře tvarovaný a vznikají trhliny a nedostatečné slévání. Je vidět, že ve procesu opravy listů hraje výběr náplňového materiálu klíčovou roli.

Současné výzkumy o opravě lopatek z niklových slitin pro turbíny ukázaly, že niklové vysokoteplotné slitiny obsahují pevnostní prvky rozpouštěné v pevném článku, jako jsou Cr, Mo, Al, a stopy prvků, jako jsou P, S a B, které je činí více citlivými na trhliny během procesu opravy. Po svařování je snadno k strukturní segregaci a tvorbě chyb britelné Laves fáze. Proto je nutná další studie o opravě niklových vysokoteplotných slitin se zaměřením na regulaci struktury a mechanických vlastností těchto chyb.

2 Metoda opravy titanových slitinových vějířových/liverních lopatek

Během provozu jsou lopatky ventilátoru/kompresoru z titanové slitiny předmětem především centrifugální síly, aerodynamické síly a vibrační zátěže. Během použití často vznikají poškození na povrchu (trhliny, opotřebení špiček lopatek atd.), místní tržné poškození titanových lopatek a rozsáhlé poškození (únavové trhliny, velká plocha poškození a koroze atd.), což vyžaduje nahrazení celé lopatky. Různé typy vad a běžné metody opravy jsou znázorněny na obrázku 6. Následující část představí stav výzkumu opravy těchto tří typů vad.

2.1 Oprava poškození povrchu titanových lopatek

Během provozu často titanové lopatky mají vady jako povrchové trhliny, drobné škrty a opotřebení lopatek. Oprava těchto vad je podobná jako u niklových turbínových lopatek. Používá se frézování pro odstranění vadné oblasti a laserové tolikování nebo argonová oblouková svařování pro naplnění a opravu.

V oblasti laserového tavení s depositací prováděli Zhao Zhuang a kol. [34] z Severozápadní polytechnické univerzity studii laserového opravování malých povrchových defektů (průměr povrchu 2 mm, hemisférické defekty hluboké 0,5 mm) u kovanců z titanové slitiny TC17. Výsledky ukázaly, že β sloupcovité krystaly v zóně laserové depositace rostly epitaxiálně od rozhraní a hranice zrn byly rozostřeny. Původní jehlovité α laloky a sekundární α fáze v teplotně ovlivněné zóně růstly a zuhelnatěly. Ve srovnání s výtloučnými vzorky měly vzorky po laserové opravě vlastnosti vysoké pevnosti a nízké plastickosti. Tenzilní síla stoupla z 1077,7 MPa na 1146,6 MPa a prodlužovací deformace klesla z 17,4 % na 11,7 %. Pan Bo a kol. [35] použili technologii laserového naplňování při koaxiálním přísunu prášku pro opravu kruhovitých dírkovitých předdefektů slitiny titanu ZTC4 vícekrát. Výsledky ukázaly, že proces změny mikrostruktury od mateřského materiálu k opravené oblasti byl listovitý α fáze a mezerezernatá β fáze → pletenkovitá struktura → martenzit → Widmanstättova struktura. Tvrdost teplotně ovlivněné zóny se mírně zvýšila s rostoucím počtem oprav, zatímco tvrdost mateřského materiálu a vrstvy naplňování se prakticky nezměnila.

Výsledky ukazují, že opravná zóna a teplotně ovlivněná zóna před tepelnou úpravou jsou ultrajemnými jehlovitými α fázemi rozptýlenými v β fázová matice a zóna bázového materiálu je jemná košovitá struktura. Po tepelném zpracování je mikrostruktura v každé oblasti listovitá primární α fáze + β transformační struktura fáze a délka primární α fáze v opravné oblasti je významně delší než v ostatních oblastech. Horní limit vysokofrekvenční unavenostní pevnosti opravené části je 490MPa, což je vyšší než limit unavenostní pevnosti bázového materiálu. Extrémní pokles je asi 7,1 %. Ruční argonová křídová svařování se také často používá pro opravu prasklin na povrchu lopatek a nosného škrábání. Jeho nevýhodou je velká teplotní vstup, a velká opravná plocha je náchylná k vzniku velké tepelné zátěže a svařovací deformace [37].

Současné výzkumy ukazují, že bez ohledu na to, zda je použito laserové tavení nebo sváření argonovým obloukem pro opravu, oblast opravy má vlastnosti vysoké pevnosti a nízké plastickosti a snadno se po opravě snižuje únavový výkon lopatky. Dalším krokem by měl být výzkum zaměřený na to, jak ovlivnit slitovou složku, upravit parametry svářovacího procesu a optimalizovat metody řízení procesu s cílem regulovat mikrostrukturu oblasti opravy, dosáhnout shody pevnosti a plastickosti v oblasti opravy a zajistit její vynikající únavové vlastnosti.

2.2 Oprava místních poškození titanových lopatek

Mezi opravou poškození lopatek z titanové slitiny a additivní technologií výroby třídimenzionálních pevných dílů z titanové slitiny není v procesu podstatný rozdíl. Oprava může být považována za proces sekundárního additivního výrobního nanesení na část se štítem a lokální povrch, přičemž poškozené části slouží jako matice, jak je znázorněno na obrázku 7. Podle různých tepelných zdrojů je hlavně rozdělena na laserovou additivní opravu a obloukovou additivní opravu. Je nutné upozornit, že v posledních letech se Středisko spolupráce pro výzkum 871 v Německu zaměřilo na obloukovou additivní technologii opravy jako na klíčový výzkumný bod pro opravu titanových integrálních lopatek [38] a zlepšila jejich vlastnosti přidáním jaderných agens a dalšími prostředky [39].

V oboru laserové additivní opravy použil Gong Xinyong a kol. [40] prach slitiny TC11 k studiu procesu laserového topného nasazování pro opravu slitiny titanu TC11. Po opravě...  u tenkostěnného vzorku a oblasti znovutavení na rozhraní byly zaznamenány typické charakteristiky Widmanstättovy struktury, přičemž přechodná struktura v ovlivněné zóně matice přecházela od Widmanstättovy struktury k dvoustavové struktuře. Tahanlivost tavené oblasti byla kolem 1200 MPa, což je vyšší než u přechodné zóny na rozhraní a u matice, zatímco plastickost byla mírně nižší než u matice. Specimény na tahání se všechny lámaly uvnitř matice. Nakonec byl skutečný vrtule opraven metodou bodového mělkého tavení, prošel hodnocením při supertokovém testu a bylo možné jej instalovat a aplikovat. Bian Hongyou a kol. [41] použili prášek TA15 k studiu laserové additivní opravy slitiny titanu TC17 a zkoumali vliv různých teplot stařebního tepelného zpracování (610 ℃ , 630 ℃ a 650 ℃ ) na jeho mikrostrukturu a vlastnosti. Výsledky ukázaly, že pevnost při tahání naplňovaného spojení z TA15/TC17 slitiny opravené laserovou deponcí může dosáhnout 1029 MPa, avšak křehkost je relativně nízká, pouze 4,3 %, což odpovídá 90,2 % a 61,4 % pevnosti litin TC17. Po tepelné úpravě při různých teplotách je výrazně zvýšena jak pevnost při tahání, tak křehkost. Když je teplota zrnitění 650 ℃ , maximální pevnost při tahání je 1102 MPa, což odpovídá 98,4 % pevnosti litin TC17, a prodlužení po lámání je 13,5 %, což je významně lepší ve srovnání s původním stavem po deponci.

V oblasti doplňovacího opravování obloukovou metodou provedli Liu et al. [42] studii opravy na simulovaném vzorku s chybějícím listovým křídlem z titanové slitiny TC4. V nanesené vrstvě byla dosažena smíšená vločková morfologie rovnocenných krystalů a sloupcovitých krystalů, přičemž maximální tahová síla dosahovala 991 MPa a prodlužovatelnost 10 %. Zhuo et al. [43] použili svářecí drát TC11 pro studii obloukového doplňovacího opravování slitiny titanové slitiny TC17 a analyzovali evoluci mikrostruktury v nanesené vrstvě a v teplotně ovlivněné zóně. Tahová síla byla 1015,9 MPa za nezahřátých podmínek a prodlužovatelnost 14,8 %, s dobrými komplexními vlastnostmi. Chen et al. [44] zkoumali vliv různých teploty naměkvoání na mikrostrukturu a mechanické vlastnosti opravených vzorků slitiny titanové slitiny TC11/TC17. Výsledky ukázaly, že vyšší teplota naměkvoání je prospěšná pro zlepšení prodlužovatelnosti opravených vzorků.

Výzkum použití technologie additivní výroby na opravu místních poškození vad v titanových lopatkách ještě stojí v začátcích. Opravené lopatky musí brát v úvahu nejen mechanické vlastnosti nanesené vrstvy, ale také hodnocení mechanických vlastností v rozhraní opravených lopatek je stejně důležité.

3 Titanové lopatky s velkou plochou poškození Nahrazení a oprava lopatek

Pro zjednodušení konstrukce rotoru kompresoru a snížení hmotnosti se často na moderních letadlových motorech používá integrální struktura listového disku, která spojuje pracovní lopatky a lopatkové disky v jednom kuse, eliminujíc tak klínové spoje. Dosahuje se tak úspory hmotnosti a současně se vyhýbá přetírání a aerodynamickým ztrátám klínových spojů v konvenční struktuře. Oprava povrchových poškození a místních defektů kompresorového integrálního listového disku je podobná uvedené metodě opravy samostatných lopatek. Při opravě prasklých nebo chybějících částí integrálního listového disku se široce uplatňuje lineární třicí svařování díky svému jedinečnému způsobu zpracování a výhodám. Proces je znázorněn na obrázku 8 [45].

Mateo a kol. [46] použili lineární třecí svařování pro simulaci opravy slitiny titanu Ti-6246. Výsledky ukázaly, že stejná poškozená oblast byla opravena až třikrát, přičemž měla úžeji ovlivněnou tepelnou zónu a jemnější strukturu svárcových vloků. S posunem počtu oprav se pevnost při tahání snížila z 1048 MPa na 1013 MPa. Nicméně, jak vzorky na tah, tak na unavení se lámaly v oblasti základního materiálu, daleko od oblasti sváru.

Ma a kol. [47] zkoumali vliv různých teplot tepelného zpracování (530 ° C + 4h vzduchové chlazení, 610 ° C + 4h vzduchové chlazení, 670 ° C + 4h vzduchové chlazení) na ​​ mikrostrukturu a mechanické vlastnosti lineárně třecím svařených spojů slitiny titanu TC17. Výsledky ukazují, že s rostoucími teplotami tepelného zpracování zvyšuje stupeň rekristalizace α fáze a β fáze významně. Chování při lomení u vzorků na tah a náraz se změnilo z křehkého lomu na tvrdnutí. Po tepelném zpracování při 670 ° C, tahový vzorek se zlomil v mateřském materiálu. Tahová pevnost byla 1262 MPa, ale prodloužení dosahovalo pouze 81,1 % mateřského materiálu.

V současnosti ukazuje domácí i zahraniční výzkum, že technologie lineární frakční svařovací opravy má funkci samotočících se oxidů, která může účinně odstranit oxidy na ploše spoje bez kovových vad způsobených tavením. Zároveň umožňuje spojení různorodých materiálů pro získání dvojitého slitku/dvojité vlastnosti integrálních listových disků a dokončení rychlé opravy trhlin nebo chybějících částí integrálních listových disků z různých materiálů [38]. Nicméně při používání technologie lineární frakční svařování pro opravu integrálních listových disků ještě zbývá řešit mnoho problémů, jako jsou velké reziduální napětí v kladech a obtížná kontrola kvality spojů různorodých materiálů. Současně je nutné dále zkoumat lineární frakční svařovací proces pro nové materiály.

Kontaktujte nás

Děkujeme za váš zájem o naši společnost! Jako profesionální výrobce součástek pro plynové turbíny se budeme nadále věnovat inovacím technologií a zlepšování služeb, abychom mohli nabízet více kvalitních řešení pro zákazníky po celém světě. Pokud máte jakékoliv otázky, návrhy nebo záměry spolupráce, rádi vám pomůžeme. Kontaktujte nás prosím následujícím způsobem:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

E-mail ：[email protected]