Technologie svařování a opravy lopatek turbín leteckých motorů a lopatek ventilátorů/kompresorů

Lopatky leteckých motorů jsou dlouhou dobu ve složitém a drsném pracovním prostředí a jsou náchylné k různým typům poškození. Výměna břitů je nákladná a výzkum technologie oprav a renovace břitů má obrovské ekonomické výhody. Lopatky leteckých motorů se dělí hlavně do dvou kategorií: lopatky turbíny a lopatky ventilátoru/kompresoru. Lopatky turbíny obvykle používají vysokoteplotní slitiny na bázi niklu, zatímco lopatky ventilátoru/kompresoru používají hlavně slitiny titanu a některé používají vysokoteplotní slitiny na bázi niklu. Rozdíly v materiálech a pracovních prostředích lopatek turbíny a lopatek ventilátoru/kompresoru mají za následek různé běžné typy poškození, což má za následek různé metody oprav a ukazatele výkonu, kterých je třeba po opravě dosáhnout. Tento článek analyzuje a pojednává o metodách oprav a klíčových technologiích používaných v současnosti pro dva typy běžných poškození lopatek leteckých motorů s cílem poskytnout teoretický základ pro dosažení vysoce kvalitní opravy a repasování lopatek leteckých motorů.

V leteckých motorech jsou lopatky turbíny a rotoru ventilátoru/kompresoru vystaveny dlouhodobému drsnému prostředí, jako je odstředivé zatížení, tepelné namáhání a koroze, a mají extrémně vysoké požadavky na výkon. Jsou uvedeny jako jedna z nejdůležitějších součástí výroby leteckých motorů a jejich výroba představuje více než 30 % pracovní zátěže celé výroby motorů [1-3]. Vzhledem k tomu, že jsou listy rotoru dlouhou dobu v drsném a složitém pracovním prostředí, jsou náchylné k defektům, jako jsou praskliny, opotřebení špičky lopatek a poškození lomem. Náklady na opravu čepelí jsou pouze 20 % nákladů na výrobu celé čepele. Proto výzkum technologie opravy lopatek leteckých motorů vede k prodloužení životnosti lopatek, snížení výrobních nákladů a má obrovské ekonomické výhody.

Oprava a renovace lopatek leteckých motorů zahrnuje především tyto čtyři kroky [4]:předúprava lopatek (včetně čištění lopatek [5], trojrozměrné kontroly a geometrické rekonstrukce [6]-7] atd.); ukládání materiálu (včetně použití pokročilé technologie svařování a spojování pro dokončení zaplnění a akumulace chybějících materiálů [8-10], rekuperační tepelné zpracování [11-13] atd.); renovace čepele (včetně metod obrábění, jako je broušení a leštění [14]); úprava po opravě (včetně povrchové úpravy [15-16] a zpevnění [17] atd.), jak je znázorněno na obrázku 1. Mezi nimi je depozice materiálu klíčem k zajištění mechanických vlastností čepele po opravě. Hlavní součásti a materiály lopatek leteckých motorů jsou znázorněny na obrázku 2. Pro různé materiály a různé formy defektů je základem pro dosažení vysoce kvalitní opravy a repasování poškozených lopatek odpovídající výzkum metody opravy. Tento článek bere jako objekty lopatky turbín z vysokoteplotní slitiny na bázi niklu a lopatky ventilátoru/kompresoru z titanové slitiny, diskutuje a analyzuje metody opravy a klíčové technologie používané pro různé typy poškození lopatek leteckých motorů v této fázi a vysvětluje jejich výhody a nevýhody.

1. Metoda opravy lopatek turbíny z vysokoteplotní slitiny na bázi niklu

Lopatky turbíny z vysokoteplotní slitiny na bázi niklu pracují v prostředí vysokoteplotních spalin a komplexního namáhání po dlouhou dobu a na lopatkách se často vyskytují vady jako únavové tepelné trhliny, maloplošné poškození povrchu (opotřebení hrotu lopatek a poškození korozí) a únavové lomy. Vzhledem k tomu, že bezpečnost opravy únavových lomů turbínových lopatek je relativně nízká, jsou obecně vyměňovány ihned poté, co dojde k únavovému lomu, bez opravy svařováním. Dva běžné typy vad a způsoby oprav turbínových lopatek jsou znázorněny na obrázku 3 [4]. Dále budou představeny způsoby opravy těchto dvou typů defektů turbínových lopatek z vysokoteplotní slitiny na bázi niklu.

1.1 Oprava prasklin v lopatkách turbíny ze superslitiny na bázi niklu

Metody opravy pájení natvrdo a svařování v pevné fázi se obecně používají k opravě defektů prasklin v lopatkách turbíny, zejména zahrnují: vakuové pájení, přechodné difúzní spojování v kapalné fázi, aktivované difúzní svařování a metody renovace práškové metalurgie.

Shan a kol. [18] použili metodu vakuového pájení paprskem k opravě trhlin v čepelích ze slitiny niklu ChS88 pomocí pájecích plniv Ni-Cr-B-Si a Ni-Cr-Zr. Výsledky ukázaly, že ve srovnání s přídavným kovem pro pájení Ni-Cr-B-Si není Zr v přídavném kovu pro tvrdé pájení Ni-Cr-Zr snadno difundovatelný, substrát není výrazně zkorodován a houževnatost svarového spoje je vyšší. Použitím Ni-Cr-Zr pájecího přídavného kovu lze dosáhnout opravy prasklin na čepelích ze slitiny niklu ChS88. Ojo a kol. [19] studovali vliv velikosti mezery a procesních parametrů na mikrostrukturu a vlastnosti difúzně pájených spojů slitiny na bázi niklu Inconel718. S rostoucí velikostí mezery je hlavním důvodem poklesu pevnosti a houževnatosti spoje výskyt tvrdých a křehkých fází, jako jsou intermetalické sloučeniny na bázi Ni3Al a boridy bohaté na Ni a Cr.

Přechodné difúzní svařování v kapalné fázi tuhne za izotermických podmínek a patří ke krystalizaci za rovnovážných podmínek, což vede k homogenizaci složení a struktury [20]. Pouranvari [21] studoval přechodné difúzní svařování v kapalné fázi vysokoteplotní slitiny na bázi niklu Inconel718 a zjistil, že obsah Cr v plnivu a rozsah rozkladu matrice jsou klíčové faktory ovlivňující pevnost zóny izotermického tuhnutí. Lin a kol. [22] studovali vliv parametrů přechodného procesu difúzního svařování v kapalné fázi na mikrostrukturu a vlastnosti spojů vysokoteplotních slitin na bázi niklu GH99. Výsledky ukázaly, že s nárůstem teploty spojení nebo prodloužením času se počet boridů bohatých na Ni a bohatých na Cr ve srážkové zóně snižoval a zrnitost srážkové zóny byla menší. Teplota místnosti a pevnost ve smyku při vysoké teplotě se zvyšovaly s prodloužením doby výdrže. V současné době se přechodné svařování kapalnou fází úspěšně používá k opravě malých trhlin v oblastech s nízkým napětím a obnově poškození hrotu nekorunovaných čepelí [23-24]. Přestože přechodné svařování kapalnou fází bylo úspěšně aplikováno na různé materiály, je omezeno na opravy malých trhlin (asi 250μm).

Když je šířka trhliny větší než 0.5 mm a kapilární účinek je nedostatečný k vyplnění trhliny, opravy čepele lze dosáhnout použitím aktivovaného difúzního svařování [24]. Su a kol. [25] použili metodu pájení aktivovanou difúzí k opravě čepele In738 z vysokoteplotní slitiny na bázi niklu pomocí pájecího materiálu DF4B a získali pájený spoj s vysokou pevností a odolností proti oxidaci. The γ′ fáze vysrážená ve spoji má zpevňující účinek a pevnost v tahu dosahuje 85 % základního materiálu. Kloub se láme v poloze boridu bohatého na Cr. Hawk a kol. [26] také použili aktivované difúzní svařování k opravě široké trhliny čepele z vysokoteplotní slitiny na bázi niklu René 108. Renovace práškovou metalurgií, jako nově vyvinutá metoda pro původní rekonstrukci povrchů pokročilých materiálů, je široce používána při opravách čepelí z vysokoteplotních slitin. Dokáže obnovit a rekonstruovat trojrozměrnou téměř izotropní pevnost velkých defektů mezer (více než 5 mm), jako jsou praskliny, ablace, opotřebení a díry v čepelích [27]. Liburdi, kanadská společnost, vyvinula metodu LPM (Liburdi powder metalurgy) pro opravu čepelí ze slitiny na bázi niklu s vysokým obsahem Al a Ti, které mají špatný svařovací výkon. Proces je znázorněn na obrázku 4 [28]. V posledních letech metoda vertikální laminace práškové metalurgie založená na této metodě může provádět jednorázové pájení opravy defektů o šířce až 25 mm [29].

1.2 Opravy poškození povrchu lopatek turbín z vysokoteplotní slitiny na bázi niklu

Když se na povrchu čepelí z vysokoteplotní slitiny na bázi niklu objeví drobné škrábance a korozní poškození, poškozená oblast může být obvykle odstraněna a rýhována obráběním a poté vyplněna a opravena pomocí vhodné metody svařování. Současný výzkum se zaměřuje především na laserové nanášení tavením a opravy svařováním argonovým obloukem.

Kim a kol. [30] z University of Delaware ve Spojených státech provedli laserové opláštění a ruční opravu svařováním čepelí ze slitiny Rene80 na bázi niklu s vysokým obsahem Al a Ti a porovnali obrobky, které prošly tepelným zpracováním po svařování s těmi, které prošly tepelným zpracováním po svařování a izostatickým lisováním za tepla (HIP), a zjistili, že HIP může účinně redukovat defekty malých pórů. Liu a kol. [31] z Huazhong University of Science and Technology použili technologii laserového opláštění k opravě defektů drážek a otvorů v 718 součástech turbín ze slitiny na bázi niklu a zkoumali účinky hustoty výkonu laseru, rychlosti laserového skenování a formy plátování na proces opravy, jak je znázorněno na obrázku 5.

Pokud jde o opravy svařování argonovým obloukem, Qu Sheng a kol. [32] společnosti China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. použila metodu svařování wolframem a argonem k opravě problémů s opotřebením a prasklinami na špičce lopatek turbíny z vysokoteplotní slitiny DZ125. . Výsledky ukazují, že po opravě tradičními svařovacími materiály na bázi kobaltu je tepelně ovlivněná zóna náchylná k tepelným trhlinám a dochází ke snížení tvrdosti svaru. Použití nově vyvinutých svařovacích materiálů na bázi niklu MGS-1 v kombinaci s vhodnými procesy svařování a tepelného zpracování však může účinně zabránit vzniku trhlin v tepelně ovlivněné zóně a pevnosti v tahu při 1000°C dosahuje 90 % základního materiálu. Song Wenqing a spol. [33] provedli studii procesu opravného svařování vad odlitků vodicích lopatek turbín z vysokoteplotní slitiny K4104. Výsledky ukázaly, že použití svařovacích drátů HGH3113 a HGH3533 jako přídavných kovů má vynikající tvorbu svaru, dobrou plasticitu a silnou odolnost proti prasklinám, při použití Když je svařován svařovací drát K4104 se zvýšeným obsahem Zr, je tekutost tekutého kovu špatná, povrch svaru není dobře tvarován a dochází k prasklinám a nestavitelným defektům. Je vidět, že v procesu opravy čepele hraje výběr výplňových materiálů zásadní roli.

Současný výzkum oprav lopatek turbín na bázi niklu ukázal, že vysokoteplotní slitiny na bázi niklu obsahují prvky zpevňující tuhé roztoky, jako je Cr, Mo, Al, a stopové prvky, jako je P, S a B, díky nimž jsou během procesu opravy citlivější na trhliny. Po svaření jsou náchylné ke strukturální segregaci a tvorbě křehkých Lavesových fázových defektů. Proto následný výzkum oprav vysokoteplotních slitin na bázi niklu vyžaduje regulaci struktury a mechanických vlastností takových defektů.

2 Způsob opravy ventilátoru/lopatky kompresoru z titanové slitiny

Během provozu jsou lopatky ventilátoru/kompresoru z titanové slitiny vystaveny hlavně odstředivé síle, aerodynamické síle a vibračnímu zatížení. Při používání se často objevují defekty povrchového poškození (praskliny, opotřebení hrotu čepele apod.), lokální defekty lomu čepelí z titanové slitiny a velkoplošná poškození (únavový lom, velkoplošné poškození a koroze atd.) vyžadující celkovou výměnu čepelí. Různé typy defektů a běžné metody opravy jsou znázorněny na obrázku 6. Následující text představí výzkumný stav opravy těchto tří typů defektů.

2.1 Oprava poškození povrchu čepele z titanové slitiny

Během provozu mají čepele z titanové slitiny často vady, jako jsou povrchové praskliny, malé škrábance a opotřebení čepele. Oprava takových defektů je podobná jako u lopatek turbín na bázi niklu. K odstranění vadné oblasti se používá strojní obrábění a k vyplnění a opravě se používá laserové natavení nebo svařování argonem.

V oblasti depozice laserovým tavením Zhao Zhuang et al. [34] z Northwestern Polytechnical University provedli studii laserových oprav malých povrchových defektů (průměr povrchu 2 mm, polokulovité defekty s hloubkou 0.5 mm) výkovků z titanové slitiny TC17. Výsledky to ukázaly β sloupcové krystaly v zóně depozice laseru rostly epitaxně z rozhraní a hranice zrn byly rozmazané. Původní jehlovitý α lišty a sekundární α fáze v tepelně ovlivněné zóně rostly a zhrubly. Ve srovnání s kovanými vzorky měly laserem opravené vzorky vlastnosti vysoké pevnosti a nízké plasticity. Pevnost v tahu se zvýšila z 1077.7 MPa na 1146.6 MPa a prodloužení se snížilo ze 17.4 % na 11.7 %. Pan Bo a kol. [35] mnohokrát použili technologii laserového plátování s koaxiálním práškovým podáváním k opravě prefabrikovaných defektů ve tvaru kruhových otvorů titanové slitiny ZTC4. Výsledky ukázaly, že proces změny mikrostruktury ze základního materiálu na opravenou oblast byl lamelární α fázový a intergranulární β fáze → košíková struktura → martenzit → Widmanstatten struktura. Tvrdost tepelně ovlivněné zóny se s nárůstem počtu oprav mírně zvýšila, zatímco tvrdost základního materiálu a obkladové vrstvy se příliš nezměnila.

Výsledky ukazují, že opravná zóna a tepelně ovlivněná zóna před tepelným zpracováním jsou ultrajemné jehlovité α fáze distribuovaná v β fázovou matricí a zónou základního materiálu je jemná košíčková struktura. Po tepelném zpracování je mikrostruktura každé oblasti lištovitá primární α fáze + β struktura fázové transformace a délka primární α fáze v oblasti oprav je výrazně větší než v jiných oblastech. Vysoká mez únavy cyklu opravovaného dílu je 490 MPa, což je více než mez únavy základního materiálu. Extrémní pokles je asi 7.1 %. Ruční argonové obloukové svařování se také běžně používá k opravě povrchových prasklin čepele a opotřebení hrotu. Jeho nevýhodou je velký příkon tepla a velkoplošné opravy jsou náchylné k velkému tepelnému namáhání a deformaci svařování [37].

Současný výzkum ukazuje, že bez ohledu na to, zda se k opravě použije nanášení laserem nebo argonové obloukové svařování, oblast opravy má vlastnosti vysoké pevnosti a nízké plasticity a únavový výkon čepele se po opravě snadno sníží. Další krok výzkumu by se měl zaměřit na to, jak řídit složení slitiny, upravovat parametry svařovacího procesu a optimalizovat metody řízení procesu pro regulaci mikrostruktury opravované oblasti, dosažení pevnosti a shody plasticity v oblasti opravy a zajištění její vynikající únavové výkonnosti.

2.2 Oprava místního poškození čepelí z titanové slitiny

Mezi opravou poškození lopatek rotoru z titanové slitiny a aditivní technologií výroby trojrozměrných pevných dílů z titanové slitiny není z hlediska procesu žádný podstatný rozdíl. Opravu lze považovat za proces výroby aditiva sekundárního nanášení na lomový úsek a místní povrch s poškozenými částmi jako matricí, jak je znázorněno na obrázku 7. Podle různých zdrojů tepla se dělí hlavně na opravy laserem aditiv a obloukové aditivní opravy. Stojí za zmínku, že v posledních letech německé 871 Collaborative Research Center učinilo z technologie aditivní opravy oblouku výzkumné zaměření na opravy integrálních lopatek z titanové slitiny[38] a zlepšilo výkon opravy přidáním nukleačních činidel a dalších prostředků[39].

V oblasti laserové aditivní opravy Gong Xinyong et al. [40] použili prášek slitiny TC11 ke studiu procesu opravy nanášení titanové slitiny TC11 tavením laserem. Po opravě depozitní plocha o tenkostěnný vzorek a oblast přetavení rozhraní měly typické charakteristiky Widmanstattenovy struktury a struktura matrice tepelně ovlivněné zóny přešla z Widmanstattenovy struktury na dvoustavovou strukturu. Pevnost v tahu nanášecí plochy byla asi 1200 MPa, což byla vyšší pevnost než u přechodové zóny rozhraní a matrice, zatímco plasticita byla mírně nižší než u matrice. Všechny tahové vzorky byly uvnitř matrice rozbité. Nakonec bylo skutečné oběžné kolo opraveno metodou nanášení bod po bodu tavením, prošlo testem superrychlosti a realizovala se aplikace instalace. Bian Hongyou a kol. [41] použili prášek TA15 ke studiu laserové aditivní opravy titanové slitiny TC17 a zkoumali účinky různých teplot tepelného zpracování žíháním (610℃, 630℃ a 650℃) na jeho mikrostruktuře a vlastnostech. Výsledky ukázaly, že pevnost v tahu nanesené slitiny TA15/TC17 opravené laserovým nanášením může dosáhnout 1029 MPa, ale plasticita je relativně nízká, pouze 4.3 %, dosahuje 90.2 % a 61.4 % výkovků TC17. Po tepelném zpracování při různých teplotách se výrazně zlepší pevnost v tahu a plasticita. Když je teplota žíhání 650℃, nejvyšší pevnost v tahu je 1102 MPa, dosahující 98.4 % výkovků TC17, a tažnost po přetržení je 13.5 %, což je výrazně lepší ve srovnání s deponovaným stavem.

V oblasti aditivní opravy oblouku Liu a kol. [42] provedli studii opravy na simulovaném vzorku chybějící čepele z titanové slitiny TC4. V nanesené vrstvě byla získána smíšená morfologie zrna rovnoosých krystalů a sloupcových krystalů s maximální pevností v tahu 991 MPa a prodloužením 10 %. Zhuo a kol. [43] použili svařovací drát TC11 k provedení studie aditivní opravy oblouku na titanové slitině TC17 a analyzovali vývoj mikrostruktury nanesené vrstvy a tepelně ovlivněné zóny. Pevnost v tahu byla 1015.9 MPa za nezahřátých podmínek a prodloužení bylo 14.8 %, s dobrým komplexním výkonem. Chen a kol. [44] studovali vliv různých teplot žíhání na mikrostrukturu a mechanické vlastnosti opravných vzorků z titanové slitiny TC11/TC17. Výsledky ukázaly, že vyšší teplota žíhání byla prospěšná pro zlepšení prodloužení opravených vzorků.

Výzkum využití technologie výroby kovových přísad k opravě místních defektů poškození čepelí z titanové slitiny je teprve v plenkách. U opravovaných lopatek je třeba dbát nejen na mechanické vlastnosti nanesené vrstvy, ale neméně zásadní je i hodnocení mechanických vlastností na rozhraní opravovaných lopatek.

3 čepele z titanové slitiny s poškozením na velké ploše Výměna a oprava čepele

Aby se zjednodušila konstrukce rotoru kompresoru a snížila hmotnost, lopatky moderních leteckých motorů často využívají integrální strukturu lopatkového kotouče, což je jednodílná konstrukce, díky níž jsou pracovní lopatky a lopatkové kotouče integrální konstrukcí, čímž se eliminuje čep a drážka. Při dosažení účelu snížení hmotnosti může také zabránit opotřebení a aerodynamické ztrátě čepu a dlabání v konvenční konstrukci. Oprava povrchového poškození a defektů lokálního poškození integrálního lopatkového kotouče kompresoru je podobná výše uvedené samostatné opravě lopatek. Pro opravu zlomených nebo chybějících kusů integrálního nožového kotouče je lineární třecí svařování široce používáno díky své jedinečné metodě zpracování a výhodám. Jeho průběh je znázorněn na obrázku 8 [45].

Mateo a kol. [46] použil lineární třecí svařování k simulaci opravy titanové slitiny Ti-6246. Výsledky ukázaly, že stejné poškození opravené až třikrát mělo užší tepelně ovlivněnou zónu a jemnější strukturu zrna svaru. Pevnost v tahu se s nárůstem počtu oprav snížila z 1048 MPa na 1013 MPa. Avšak jak tahové, tak únavové vzorky byly porušeny v oblasti základního materiálu mimo oblast svaru.

Ma a kol. [47] studovali účinky různých teplot tepelného zpracování (530°C + 4h chlazení vzduchem, 610°C + 4h chlazení vzduchem, 670°C + 4h chlazení vzduchem) zapnuto â € <â € <mikrostruktura a mechanické vlastnosti lineárních třecích svarových spojů z titanové slitiny TC17. Výsledky ukazují, že při zvýšení teploty tepelného zpracování se stupeň rekrystalizace α fáze a β fáze výrazně narůstá. Lomové chování tahových a rázových vzorků se změnilo z křehkého lomu na tvárný lom. Po tepelném zpracování na 670°C, tahový vzorek praskl v základním materiálu. Pevnost v tahu byla 1262 MPa, ale prodloužení bylo pouze 81.1 % základního materiálu.

V současné době tuzemské i zahraniční výzkumy ukazují, že technologie oprav lineárním třecím svařováním má funkci samočistících oxidů, které dokážou účinně odstraňovat oxidy na lepené ploše bez metalurgických vad způsobených tavením. Současně může realizovat spojení heterogenních materiálů za účelem získání duální slitiny/dvouvýkonných integrálních lopatkových kotoučů a může dokončit rychlou opravu zlomenin těla lopatky nebo chybějících kusů integrálních lopatkových kotoučů vyrobených z různých materiálů [38]. Stále však existuje mnoho problémů, které je třeba vyřešit při použití technologie lineárního třecího svařování k opravě integrálních kotoučů lopatek, jako je velké zbytkové napětí ve spojích a potíže s řízením kvality spojení heterogenních materiálů. Proces lineárního třecího svařování pro nové materiály zároveň vyžaduje další průzkum.

Kontaktujte nás

Děkujeme za váš zájem o naši společnost! Jako profesionální společnost vyrábějící díly pro plynové turbíny se budeme i nadále zavázat k technologickým inovacím a zlepšování služeb, abychom zákazníkům po celém světě poskytovali více vysoce kvalitních řešení. Pokud máte nějaké dotazy, návrhy nebo záměry spolupráce, jsme více než rád vám pomůžu. Kontaktujte nás prosím následujícími způsoby:

WhatsAPP:+86 135 4409 5201

E-mail:[email protected]