Svejsereparations- og genfremstillingsteknologi til turbineblade til flymotorer og blæser/kompressorvinger

Flymotorblade befinder sig i et komplekst og barskt arbejdsmiljø i lang tid og er tilbøjelige til forskellige typer skader. Det er dyrt at udskifte knive, og forskning i knivreparation og genfremstillingsteknologi har store økonomiske fordele. Flymotorvinger er hovedsageligt opdelt i to kategorier: turbinevinger og ventilator/kompressorvinger. Turbinevinger bruger normalt nikkelbaserede højtemperaturlegeringer, mens ventilator/kompressorvinger hovedsageligt bruger titanlegeringer, og nogle bruger nikkelbaserede højtemperaturlegeringer. Forskellene i materialer og arbejdsmiljøer for turbinevinger og ventilator/kompressorvinger resulterer i forskellige almindelige typer skader, hvilket resulterer i forskellige reparationsmetoder og ydeevneindikatorer, der skal opnås efter reparation. Dette papir analyserer og diskuterer de reparationsmetoder og nøgleteknologier, der i øjeblikket anvendes til de to typer almindelige skadedefekter i flymotorblade, med det formål at give et teoretisk grundlag for at opnå højkvalitetsreparation og genfremstilling af flymotorvinger.

I flymotorer er turbine- og ventilator-/kompressorrotorblade udsat for langsigtede barske miljøer såsom centrifugalbelastninger, termisk belastning og korrosion og har ekstremt høje ydeevnekrav. De er opført som en af ​​de mest centrale komponenter i fremstilling af flymotorer, og deres fremstilling tegner sig for mere end 30 % af arbejdsbyrden for hele motorfremstillingen [1-3]. Da rotorbladene har været i et barskt og komplekst arbejdsmiljø i lang tid, er de tilbøjelige til defekter såsom revner, slid på knivspidserne og brudskader. Omkostningerne ved at reparere klinger er kun 20% af omkostningerne ved at fremstille hele klingen. Derfor er forskning i teknologi til reparation af vinger til flymotorer befordrende for at forlænge levetiden af ​​vinger, reducere fremstillingsomkostninger og har enorme økonomiske fordele.

Reparation og genfremstilling af vinger til flymotorer omfatter hovedsageligt følgende fire trin [4]: ​​knivforbehandling (inklusive knivrensning [5], tredimensionel inspektion og geometrisk rekonstruktion [6-7], osv.); materialeaflejring (herunder brug af avanceret svejse- og forbindelsesteknologi for at fuldføre påfyldning og akkumulering af manglende materialer [8-10], ydeevnegenvindende varmebehandling [11-13], osv.); klingerenovering (herunder bearbejdningsmetoder såsom slibning og polering [14]); behandling efter reparation (herunder overfladebelægning [15-16] og forstærkende behandling [17] osv.), som vist i figur 1. Blandt dem er materialeaflejring nøglen til at sikre bladets mekaniske egenskaber efter reparation. Hovedkomponenterne og materialerne i flymotorblade er vist i figur 2. For forskellige materialer og forskellige defektformer er den tilsvarende forskning i reparationsmetode grundlaget for at opnå højkvalitets reparation og genfremstilling af beskadigede vinger. Dette papir tager nikkel-baserede højtemperaturlegerede turbineblade og titaniumlegering blæser/kompressorvinger som objekter, diskuterer og analyserer reparationsmetoder og nøgleteknologier, der bruges til forskellige typer af skader på flymotorblade på dette stadium, og forklarer deres fordele og ulemper.

1. Nikkelbaseret højtemperaturlegeret turbinebladreparationsmetode

Nikkelbaserede højtemperaturlegerede turbineblade arbejder i et miljø med højtemperaturforbrændingsgas og kompleks stress i lang tid, og vingerne har ofte defekter som termiske træthedsrevner, overfladeskader på små arealer (slidslid og korrosionsskader) og træthedsbrud. Da sikkerheden ved reparation af turbinebladstræthedsbrud er relativt lav, udskiftes de generelt direkte efter træthedsbrud uden svejsereparation. De to almindelige typer af defekter og reparationsmetoder for turbinevinger er vist i figur 3 [4]. Det følgende vil introducere reparationsmetoderne for disse to typer defekter af henholdsvis nikkelbaserede højtemperaturlegerede turbineblade.

1.1 Nikkel-baseret superlegeret turbineblad revnereparation

Lodning og fastfase svejsereparationsmetoder bruges generelt til at reparere turbinebladsrevnefejl, hovedsageligt inklusive: vakuumlodning, forbigående væskefasediffusionsbinding, aktiveret diffusionssvejsning og pulvermetallurgiske reparationsmetoder.

Shan et al. [18] brugte strålevakuum-loddemetoden til at reparere revner i ChS88 nikkel-baserede legeringsblade ved hjælp af Ni-Cr-B-Si og Ni-Cr-Zr lodning fyldstoffer. Resultaterne viste, at sammenlignet med Ni-Cr-B-Si lodde fyldmetal, er Zr i Ni-Cr-Zr lodde fyldmetal ikke let at sprede, substratet er ikke væsentligt korroderet, og sejheden af ​​den svejste samling er højere. Brugen af ​​Ni-Cr-Zr lodning fyldmetal kan opnå reparation af revner i ChS88 nikkel-baserede legeringsblade. Ojo et al. [19] undersøgte virkningerne af spaltestørrelse og procesparametre på mikrostrukturen og egenskaberne af diffusionsloddede samlinger af Inconel718 nikkel-baseret legering. Efterhånden som spaltestørrelsen øges, er udseendet af hårde og sprøde faser, såsom Ni3Al-baserede intermetalliske forbindelser og Ni-rige og Cr-rige borider, hovedårsagen til faldet i fugestyrke og sejhed.

Transient væskefase diffusionssvejsning er størknet under isotermiske forhold og hører til krystallisation under ligevægtsbetingelser, hvilket er befordrende for homogenisering af sammensætning og struktur [20]. Pouranvari [21] undersøgte den forbigående væskefasediffusionssvejsning af Inconel718 nikkelbaseret højtemperaturlegering og fandt ud af, at Cr-indholdet i fyldstoffet og nedbrydningsområdet for matrixen er nøglefaktorerne, der påvirker styrken af ​​den isotermiske størkningszone. Lin et al. [22] undersøgte indflydelsen af ​​transiente væskefase diffusionssvejseprocesparametre på mikrostrukturen og egenskaberne af GH99 nikkel-baserede højtemperatur legeringssamlinger. Resultaterne viste, at med stigningen af ​​tilslutningstemperaturen eller forlængelsen af ​​tiden, faldt antallet af Ni-rige og Cr-rige borider i nedbørszonen, og kornstørrelsen af ​​nedbørszonen blev mindre. Stuetemperaturen og højtemperaturtrækstyrken steg med forlængelsen af ​​holdetiden. På nuværende tidspunkt er transient væskefase diffusionssvejsning blevet brugt med succes til at reparere små revner i områder med lav belastning og genopbygge spidsskaden på ukronede klinger [23-24]. Selvom transient væskefase diffusionssvejsning er blevet anvendt med succes på en række forskellige materialer, er den begrænset til reparation af små revner (ca. 250μm).

Når revnebredden er større end 0.5 mm, og kapillærvirkningen er utilstrækkelig til at udfylde revnen, kan klingereparationen opnås ved at bruge aktiveret diffusionssvejsning [24]. Su et al. [25] brugte den aktiverede diffusionsloddemetode til at reparere den In738 nikkelbaserede højtemperaturlegeringsklinge ved hjælp af DF4B loddemateriale og opnåede en højstyrke, oxidationsbestandig loddet samling. De γ′ fase udfældet i fugen har en styrkende effekt, og trækstyrken når op på 85 % af modermaterialet. Fugen knækker ved positionen af ​​Cr-rig borid. Hawk et al. [26] brugte også aktiveret diffusionssvejsning til at reparere den brede revne i René 108 nikkel-baseret højtemperaturlegeringsklinge. Genfremstilling af pulvermetallurgi, som en nyudviklet metode til den oprindelige rekonstruktion af avancerede materialeoverflader, er blevet brugt i vid udstrækning til reparation af højtemperaturlegeringsblade. Den kan genoprette og rekonstruere den tredimensionelle nær-isotropiske styrke af store spaltedefekter (mere end 5 mm) såsom revner, ablation, slid og huller i blade [27]. Liburdi, et canadisk firma, udviklede LPM-metoden (Liburdi pulvermetallurgi) til at reparere nikkel-baserede legeringsklinger med højt Al- og Ti-indhold, der har dårlig svejseydelse. Processen er vist i figur 4 [28]. I de senere år kan den vertikale lamineringspulvermetallurgimetode baseret på denne metode udføre engangsloddereparation af defekter så brede som 25 mm [29].

1.2 Reparation  af overfladeskader på nikkelbaserede højtemperaturlegerede turbineblade

Når små areal-ridser og korrosionsskader opstår på overfladen af ​​nikkel-baserede højtemperaturlegeringsblade, kan det beskadigede område normalt fjernes og rilles ved bearbejdning og derefter fyldes og repareres ved hjælp af en passende svejsemetode. Aktuel forskning fokuserer hovedsageligt på lasersmelteaflejring og reparation af argonbuesvejsning.

Kim et al. [30] fra University of Delaware i USA udførte laserbeklædning og manuel svejsereparation på Rene80 nikkel-baserede legeringsklinger med højt Al- og Ti-indhold, og sammenlignede de emner, der havde gennemgået post-svejsevarmebehandling med dem, der havde gennemgået post-svejsevarmebehandling og varm isostatisk presning (HIP), og fandt ud af, at små defekter effektivt kan reducere defekter. Liu et al. [31] fra Huazhong University of Science and Technology brugte laserbeklædningsteknologi til at reparere riller og huldefekter i 718 nikkel-baserede legerede turbinekomponenter og udforskede virkningerne af lasereffekttæthed, laserscanningshastighed og beklædningsform på reparationsprocessen, som vist i figur 5.

Med hensyn til reparation af argonbuesvejsning, Qu Sheng et al. [32] fra China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. brugte wolfram-argonbuesvejsemetode til at reparere slitage- og revneproblemer i spidsen af ​​DZ125 højtemperaturlegerede turbineblade. . Resultaterne viser, at efter reparation med traditionelle koboltbaserede svejsematerialer er den varmepåvirkede zone tilbøjelig til termiske revner, og svejsningens hårdhed reduceres. Men ved at bruge de nyudviklede MGS-1 nikkel-baserede svejsematerialer kombineret med passende svejse- og varmebehandlingsprocesser kan der effektivt undgås, at der opstår revner i den varmepåvirkede zone, og trækstyrken ved 1000°C når 90% af grundmaterialet. Song Wenqing et al. [33] gennemførte en undersøgelse af reparationssvejseprocessen af ​​støbefejl af K4104 højtemperaturlegerede turbinestyreblade. Resultaterne viste, at brugen af ​​HGH3113 og HGH3533 svejsetråde som tilsætningsmetaller har fremragende svejsedannelse, god plasticitet og stærk revnemodstand, mens der bruges Når K4104 svejsetråden med øget Zr indhold svejses, er flydende metals flydende overflade dårlig, svejseoverfladen dannes ikke godt, og der opstår revner og ikke-fusionsdefekter. Det kan ses, at valget af fyldmaterialer spiller en afgørende rolle i klingereparationsprocessen.

Aktuel forskning i reparation af nikkelbaserede turbinevinger har vist, at nikkelbaserede højtemperaturlegeringer indeholder faste opløsningsforstærkende elementer som Cr, Mo, Al og sporstoffer som P, S og B, som gør dem mere revnefølsomme under reparationsprocessen. Efter svejsning er de tilbøjelige til strukturel adskillelse og dannelse af skøre Laves-fasedefekter. Derfor kræver efterfølgende forskning i reparation af nikkelbaserede højtemperaturlegeringer regulering af strukturen og de mekaniske egenskaber af sådanne defekter.

2 Reparationsmetode for blæser/kompressorblade i titaniumlegering

Under drift udsættes titaniumlegeringsventilator/kompressorblade hovedsageligt for centrifugalkraft, aerodynamisk kraft og vibrationsbelastning. Under brug opstår der ofte overfladeskadedefekter (revner, slid på knivspidsen osv.), lokale bruddefekter af titanlegeringsvinger og store skader (træthedsbrud, beskadigelse af store arealer og korrosion osv.), hvilket kræver en samlet udskiftning af knive. Forskellige defekttyper og almindelige reparationsmetoder er vist i figur 6. Det følgende vil introducere forskningsstatus for reparationen af ​​disse tre typer defekter.

2.1 Reparation af skader på overfladen af ​​titanlegeringsblade

Under drift har titanlegeringsblade ofte defekter såsom overfladerevner, små ridser og knivslid. Reparationen af ​​sådanne defekter svarer til den for nikkelbaserede turbinevinger. Bearbejdning bruges til at fjerne det defekte område, og lasersmelteaflejring eller argonbuesvejsning bruges til påfyldning og reparation.

Inden for lasersmeltende deposition, Zhao Zhuang et al. [34] fra Northwestern Polytechnical University udførte en laserreparationsundersøgelse af små overfladedefekter (overfladediameter 2 mm, halvkugleformede defekter med en dybde på 0.5 mm) af TC17 titanlegeringssmedninger. Det viste resultaterne β søjleformede krystaller i laseraflejringszonen voksede epitaksielt fra grænsefladen, og korngrænserne var slørede. Den originale nåleformet α lægter og sekundære α faser i den varmepåvirkede zone voksede og groft til. Sammenlignet med de smedede prøver havde de laserreparerede prøver karakteristikaene høj styrke og lav plasticitet. Trækstyrken steg fra 1077.7 MPa til 1146.6 MPa, og forlængelsen faldt fra 17.4% til 11.7%. Pan Bo et al. [35] brugte koaksial pulverfødende laserbeklædningsteknologi til at reparere de cirkulære hulformede præfabrikerede defekter af ZTC4 titanlegering i mange gange. Resultaterne viste, at mikrostrukturændringsprocessen fra udgangsmaterialet til det reparerede område var lamelformet α fase og intergranulær β fase → kurveflet struktur → martensit → Widmanstatten struktur. Hårdheden af ​​den varmepåvirkede zone steg lidt med stigningen i antallet af reparationer, mens hårdheden af ​​modermaterialet og beklædningslaget ikke ændrede sig meget.

Resultaterne viser, at reparationszonen og den varmepåvirkede zone før varmebehandling er ultrafin nålelignende α fase fordelt i β fasematrix, og grundmaterialezonen er en fin kurvstruktur. Efter varmebehandling er mikrostrukturen af ​​hvert område lægtelignende primær α fase + β fasetransformationsstruktur, og længden af ​​den primære α fase i reparationsområdet er væsentligt større end i andre områder. Den høje cyklustræthedsgrænse for reparationsdelen er 490 MPa, hvilket er højere end udmattelsesgrænsen for basismaterialet. Det ekstreme fald er omkring 7.1%. Manuel argonbuesvejsning er også almindeligt anvendt til at reparere klingeoverfladerevner og spidsslid. Dens ulempe er, at varmetilførslen er stor, og store reparationer er tilbøjelige til store termiske belastninger og svejsedeformationer [37].

Nuværende forskning viser, at uanset om lasersmelteaflejring eller argonbuesvejsning anvendes til reparation, har reparationsområdet karakteristika af høj styrke og lav plasticitet, og klingens træthedsydelse reduceres let efter reparation. Det næste trin i forskningen bør fokusere på, hvordan man kontrollerer legeringssammensætningen, justerer svejseprocesparametrene og optimerer processtyringsmetoderne for at regulere reparationsområdets mikrostruktur, opnå styrke- og plasticitetstilpasning i reparationsområdet og sikre dets fremragende træthedsydelse.

2.2 Reparation af lokal skade på titanlegeringsvinger

Der er ingen væsentlig forskel mellem reparationen af ​​beskadigede rotorblade i titanlegeringer og den additive fremstillingsteknologi af tredimensionelle solide dele af titanlegering med hensyn til proces. Reparationen kan betragtes som en proces med sekundær deposition additiv fremstilling på brudsektionen og lokal overflade med de beskadigede dele som matrix, som vist i figur 7. Ifølge de forskellige varmekilder er det hovedsageligt opdelt i laser additiv reparation og lysbue additiv reparation. Det er værd at bemærke, at det tyske 871 Collaborative Research Center i de senere år har gjort lysbueadditiv reparationsteknologi til et forskningsfokus for reparation af integralblade af titanlegering[38], og har forbedret reparationsydelsen ved at tilføje kernedannende midler og andre midler[39].

Inden for laseradditiv reparation, Gong Xinyong et al. [40] brugte TC11-legeringspulver til at studere lasersmelteaflejringsprocessen for TC11-titaniumlegering. Efter reparation vil deponeringsområdet af den tyndvæggede prøve og grænsefladeomsmeltningsområdet havde typiske Widmanstatten-strukturkarakteristika, og den matrixvarmepåvirkede zonestruktur overgik fra Widmanstatten-struktur til dobbelttilstandsstruktur. Trækstyrken af ​​aflejringsområdet var ca. 1200 MPa, hvilket var højere end grænsefladeovergangszonen og matrixen, mens plasticiteten var lidt lavere end matrixens. Trækprøverne var alle knækket inde i matrixen. Til sidst blev det faktiske pumpehjul repareret ved punkt-for-punkt smelteaflejringsmetoden, bestod superhastighedstestvurderingen og realiserede installationsapplikationen. Bian Hongyou et al. [41] brugte TA15 pulver til at studere laseradditiv reparation af TC17 titanlegering og udforskede virkningerne af forskellige udglødningsvarmebehandlingstemperaturer (610℃, 630℃ og 650℃) på dets mikrostruktur og egenskaber. Resultaterne viste, at trækstyrken af ​​den aflejrede TA15/TC17-legering repareret ved laseraflejring kan nå 1029MPa, men plasticiteten er relativt lav, kun 4.3%, og når henholdsvis 90.2% og 61.4% af TC17-smedningen. Efter varmebehandling ved forskellige temperaturer er trækstyrken og plasticiteten væsentligt forbedret. Når udglødningstemperaturen er 650℃, den højeste trækstyrke er 1102 MPa, når 98.4% af TC17 smedegods, og forlængelsen efter brud er 13.5%, hvilket er væsentligt forbedret sammenlignet med den aflejrede tilstand.

Inden for lysbueadditiv reparation, Liu et al. [42] udførte en reparationsundersøgelse på et simuleret eksemplar af en manglende TC4 titanlegeringsklinge. En blandet kornmorfologi af ligeaksede krystaller og søjleformede krystaller blev opnået i det aflejrede lag med en maksimal trækstyrke på 991 MPa og en forlængelse på 10 %. Zhuo et al. [43] brugte TC11 svejsetråd til at udføre en lysbueadditiv reparationsundersøgelse på TC17 titanlegering og analyserede den mikrostrukturelle udvikling af det aflejrede lag og den varmepåvirkede zone. Trækstyrken var 1015.9 MPa under uopvarmede forhold, og forlængelsen var 14.8%, med god omfattende ydeevne. Chen et al. [44] undersøgte virkningerne af forskellige udglødningstemperaturer på mikrostrukturen og de mekaniske egenskaber af TC11/TC17 titanlegeringsreparationsprøver. Resultaterne viste, at en højere udglødningstemperatur var gavnlig til at forbedre forlængelsen af ​​de reparerede prøver.

Forskning i brugen af ​​metaladditiv fremstillingsteknologi til at reparere lokale skader i titanlegeringsvinger er kun i sin vorden. De reparerede vinger skal ikke kun være opmærksomme på de mekaniske egenskaber af det aflejrede lag, men også evalueringen af ​​de mekaniske egenskaber ved grænsefladen mellem de reparerede vinger er lige så afgørende.

3 blade i titaniumlegering med store skader. Udskiftning og reparation af knive

For at forenkle kompressorrotorstrukturen og reducere vægten, anvender moderne flymotorblade ofte en integreret klingeskivestruktur, som er en struktur i ét stykke, der gør arbejdsklingerne og klingeskiverne til en integreret struktur, hvilket eliminerer tapen og spidsen. Samtidig med at det opnår formålet med vægtreduktion, kan det også undgå slid og aerodynamisk tab af tapen og tappen i den konventionelle struktur. Reparationen af ​​overfladeskader og lokale skadedefekter på kompressorens integrerede knivskive svarer til den ovenfor nævnte separate knivreparationsmetode. Til reparation af de ødelagte eller manglende stykker af den integrerede klingeskive bruges lineær friktionssvejsning i vid udstrækning på grund af dens unikke behandlingsmetode og fordele. Dens proces er vist i figur 8 [45].

Mateo et al. [46] brugte lineær friktionssvejsning til at simulere reparationen af ​​Ti-6246 titanlegering. Resultaterne viste, at den samme skade repareret op til tre gange havde en smallere varmepåvirket zone og en finere svejsekornstruktur. Trækstyrken faldt fra 1048 MPa til 1013 MPa med stigningen i antallet af reparationer. Imidlertid blev både træk- og udmattelsesprøverne knækket i basismaterialeområdet væk fra svejseområdet.

Ma et al. [47] undersøgte virkningerne af forskellige varmebehandlingstemperaturer (530°C + 4 timers luftkøling, 610°C + 4 timers luftkøling, 670°C + 4 timers luftkøling) tændt â € <â € <mikrostrukturen og de mekaniske egenskaber af TC17 titanlegering lineære friktionssvejsede samlinger. Resultaterne viser, at med Som varmebehandlingstemperaturen stiger, rekrystallisationsgraden på α fase og β fase stiger markant. Brudadfærden af ​​træk- og stødprøverne ændrede sig fra sprød fraktur til duktil fraktur. Efter varmebehandling ved 670°C, trækprøven brækkede i grundmaterialet. Trækstyrken var 1262 MPa, men forlængelsen var kun 81.1 % af basismaterialet.

På nuværende tidspunkt viser indenlandsk og udenlandsk forskning, at lineær friktionssvejsningsreparationsteknologi har funktionen af ​​selvrensende oxider, som effektivt kan fjerne oxider på bindingsoverfladen uden metallurgiske defekter forårsaget af smeltning. Samtidig kan det realisere forbindelsen af ​​heterogene materialer for at opnå dobbelt-legering/dual-performance integrerede bladskiver og kan fuldføre den hurtige reparation af bladkropbrud eller manglende stykker af integrerede bladskiver lavet af forskellige materialer [38]. Der er dog stadig mange problemer, der skal løses ved brugen af ​​lineær friktionssvejseteknologi til at reparere integrerede klingeskiver, såsom stor restspænding i leddene og vanskeligheder med at kontrollere kvaliteten af ​​heterogene materialeforbindelser. Samtidig skal den lineære friktionssvejseproces for nye materialer udforskes yderligere.

Kontakt os

Tak for din interesse i vores virksomhed! Som en professionel virksomhed, der fremstiller gasturbinedele, vil vi fortsat være forpligtet til teknologisk innovation og serviceforbedring for at levere flere højkvalitetsløsninger til kunder over hele verden. Hvis du har spørgsmål, forslag eller samarbejdshensigter, er vi mere end glad for at hjælpe dig. Kontakt os venligst på følgende måder:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

E-mail:[email protected]