Vedvarende vaskingsreparation og teknologi for flymotor turbinblader og ventilator/compressor blader

Flymotorblader befinner sig i en kompleks og streng arbejdsomgivelse i lang tid og er underlagt forskellige typer skade- og defekter. Det er dyrt at erstatte blader, og forskning inden for reparation og genproduktionsteknologi af blader har kolossale økonomiske fordele. Flymotorblader er hovedsageligt indelt i to kategorier: turbineblader og ventilator/kompressorblader. Turbineblader bruger typisk nikkelbaserede højtemperaturlegemer, mens ventilator/kompressorblader hovedsageligt bruger titanlegemer, og nogle bruger nikkelbaserede højtemperaturlegemer. Materialets og arbejdsomgivelsernes forskelle mellem turbineblader og ventilator/kompressorblader fører til forskellige almindelige skadetyper, hvilket resulterer i forskellige reparationmetoder og de ydelsesmål, der skal opnås efter reparation. Denne artikel analyserer og diskuterer de reparationmetoder og nøgleteknologier, der i øjeblikket anvendes på de to typer almindelige skade- og defekter hos flymotorblader, med det formål at levere en teoretisk grundlag for at opnå høj-kvalitetsreparation og genproduktion af flymotorblader.

I flyvehøjrejne er turbine- og fan/kompressorrotorbladene udsat for strenge miljøer på længere sigt, såsom centrifugalkraft, termisk spænding og korrosion, og har ekstrem høj ydeevne. De opføres som en af de mest kernekomponenter i produktionen af flyvehøjre og deres fremstilling udgør mere end 30% af arbejdsbyrden for hele højrefremstillingen [1]. På grund af et strengt og komplekst arbejdsmiljø over en lang periode er rotorbladene følsomme overfor fejl som sprækker, bladeafslidning og fraktdamager. Kostnaden for at reparere bladet svarer kun til 20% af omkostningerne ved at fremstille hele bladet. Derfor bidrager forskning inden for reparationsteknologi for flyvehøjreblad til at forlænge brugslivet af bladene, reducere produktionsomkostninger og har store økonomiske fordele. –værende i et strengt og komplekst arbejdsmiljø i lang tid, er rotorbladene nogenlunde underlagt defekter såsom sprækker, bladeafslidning og fraktdamager. Omkostningen for at reparere bladet er kun 20% af omkostningerne ved at fremstille hele bladet. Derfor er forskning inden for reparationsteknologi for flyvehøjreblad vigtig for at forlænge brugslivet af bladene, mindske produktionsomkostninger og har store økonomiske fordele.

Reparationen og genopbygningen af flyvedrejbestykker omfatter hovedsagelig følgende fire trin [4]: forbehandling af bladet (inklusiv rensning af bladet [5], tre-dimensionel inspektion og geometrisk genopbygning [6, –7] osv.); materialedeposition (inklusiv anvendelse af avancerede velding- og forbindelses teknikker til at udfylde og akkumulere manglende materialer [8, –10], ydelsesgenskabsgenvinding ved varmebehandling [11, –13] osv.); bladegenopfriskning (inklusiv bearbejdningsteknikker såsom polering og slipning [14]); efterreparationsbehandling (inklusiv overfladebeklædning [15] –16] og forstærkningsbehandling [17], osv.), som vist i figur 1. blandt dem er materialdeposition nøglen til at sikre mekaniske egenskaber af bladet efter reparation. De hovedsaglige komponenter og materialer for flymotorblader vises i figur 2. For forskellige materialer og forskellige defektformer er den tilsvarende reparationmetodeforskning grundlaget for at opnå høj kvalitet i reparation og genbrug af skadede blader. Denne artikel tager nickelbaserede højtemperaturlegerings turbineblader og titanlegerings fan/kompressorblader som objekter, diskuterer og analyserer de reparationmetoder og nøgleteknologier, der bruges til forskellige typer af skade på flymotorbladet på nuværende tidspunkt, og forklarer deres fordele og ulemper.

1. Reparationmetode for nickelbaserede højtemperaturlegerings turbineblad

Nikkelbaserede højtemperaturspændingslegeme turbineblader arbejder i et miljø af højtemperatur-kombustionsgas og kompleks spænding i længere tid, og bladene har ofte defekter såsom trætningstermiske sprækker, småfladede overfladebeskadigelser (bladspids udslidning og korrosionsbeskadigelse) og trætningsfracturer. Da sikkerheden ved reparation af turbinebladetrætningsfracturer er relativt lav, erstattes de normalt direkte efter at en trætningsfracture opstår uden koldfejsning. De to almindelige typer af defekter og reparationmetoder for turbineblader vises på figur 3 [4]. Følgende vil introducere reparationmetoderne for disse to typer af defekter hos nikkelbaserede højtemperaturspændingslegeme turbineblader henholdsvis.

1.1 Reparation af nikkelbaserede superalloy turbinebladescracks

Brazing og fast fase veldingsreparationsmetoder anvendes generelt til reparation af turbinebladets kraksdefekter, hvilket hovedsageligt omfatter: vakuum-brazing, midlertidlig væskemæssig diffusionssammenføjning, aktiveret diffusionsvelding og pulvermetallurgisk remanufacturereparationsmetoder.

Shan et al. [18] brugte strålever vacuum brazing-metoden til at reparere kræfter i ChS88 nickelbaserede alloy-blade ved hjælp af Ni-Cr-B-Si og Ni-Cr-Zr brazing fyllestoffer. Resultaterne viste, at i forhold til Ni-Cr-B-Si brazing fyllestof er Zr i Ni-Cr-Zr brazing fyllestof ikke let at spredes, substratet bliver ikke markant korrodere, og tøgheden af veldningen er højere. Ved at bruge Ni-Cr-Zr brazing fyllestof kan kræfter i ChS88 nickelbaserede alloy-blade blive repareret. Ojo et al. [19] undersøgte virkningen af klafsstorrelse og procesparametre på mikrostrukturen og egenskaberne af diffusion brazed ledninger af Inconel718 nickelbaserede alloy. Med stigende klafsstorrelse er optrinelsen af hårde og skrøbelige faser såsom Ni3Al-baserede intermetalliske forbindelser og Ni-rige og Cr-rige boride den primære årsag til faldet i ledningsstyrke og tøghed.

Transient liquid phase diffusion welding solidificeres under isoterme forhold og hører til krystallisation under ligevægtsforhold, hvilket er fordelagtigt for homogenisering af sammensætning og struktur [20]. Pouranvari [21] undersøgte transient liquid phase diffusion welding af Inconel718 nickelbaseret højtemperaturlegering og fandt, at Cr-indholdet i fyldematerialet og opdelingsområdet af matricen er de nøglefaktorer, der påvirker styrken af det isoterme solidifikationsområde. Lin et al. [22] undersøgte indvirkningen af procesparametre ved transient liquid phase diffusion welding på mikrostrukturen og egenskaberne af ledninger af GH99 nickelbaseret højtemperaturlegering. Resultaterne viste, at med stigningen i forbundetstemperaturen eller udvidelsen af tiden, antallet af Ni-rige og Cr-rige boride i沉淀området blev mindre, og kornstørrelsen i沉淀området blev mindre. Væksten i træk-skyve-styrke ved rumtemperatur og høj temperatur øgede med udvidelsen af holdetiden. I øjeblikket har transient liquid phase diffusion welding allerede været anvendt med succes til at reparere små sprækker i områder med lav stress og genopbygge spidsbeskadigelse af ikke-kronede bladspids [23] –24]. Selv om diffusionsvedering i flydende fase har været vellykket anvendt på en række materialer, er det begrænset til reparation af små sprækker (omkring 250 μ m).

Når sprækkebredden er større end 0,5 mm og kapillærvirksomheden ikke er tilstrækkelig til at udfylde sprækken, kan bladreparation opnås ved hjælp af aktiveret diffusionsvedering [24]. Su et al. [25] brugte metoden for aktiveret diffusionssvejsning til at reparere In738-nikkelbaserede højtemperatursporblade ved hjælp af DF4B svejsningsmateriale og opnåede en højstærk, oxidationmodstandsdygtig svejsningsforbindelse. Den γ′ fase, der dannes i ledet, har en forstærkende effekt, og trækstyrken når 85% af modermaterialet. Ledet brydes ved positionen af Cr-rig borid. Hawk et al. [26] brugte også aktiveret diffusionssvejsning til at reparere den brede spalt på bladet af René 108 nickelbaserede højtemperaturlegeringsblade. Pulvermetallurgisk remanufacturing, som en nyligt udviklet metode til genopbygning af avancerede materialeoverflader, er blevet vidt udbredt i reparationen af højtemperaturlegeringsblade. Den kan genskabe og genopbygge den tredimensionelle nær-isotrope styrke af store kløftedefekter (mere end 5 mm) såsom sprækker, abrasion, skade og huller i blade [27]. Liburdi, et canadisk firma, udviklede LPM-metoden (Liburdi pulvermetallurgi) til reparation af nickelbaserede legeringsblade med høj indhold af Al og Ti, der har dårlig svejsningsegnethed. Processen vises på figur 4 [28]. I de seneste år kan denne metode baseret på vertikal lagpulvermetallurgi udføre en-gang-brazing-reparation af defekter op til 25 mm bredt [29].

1.2 Reparation  af overfladedskader på nikelbaserede højtemperatursagle for turbineblad

Når der opstår småarene skraber og korrosionskader på overfladen af nikelbaserede højtemperatursagle, kan den skadede område normalt fjernes og indhugges ved maskineringsmiddel, og derefter udfyldes og repareres ved hjælp af en passende veldningsmetode. Nuværende forskning fokuserer hovedsagelig på laser smeltindsætning og argonuevelding reparation.

Kim et al. [30] fra University of Delaware i USA udførte lasercladding og manuel veldingsreparation på Rene80 nikelbaserede alloy blade med høj indhold af Al og Ti, og sammenlignede arbejdsstykkerne, der havde gennemgået efter-veld varmebehandling med dem, der havde gennemgået efter-veld varmebehandling og hot isostatic pressing (HIP), og fandt at HIP effektivt kan reducere små-por defekter. Liu et al. [31] fra Huazhong University of Science and Technology brugte lasercladding teknologi til reparation af grob og huller defekter i 718 nikelbaserede alloy turbinekomponenter, og undersøgte virkningen af laserstyrke tæthed, laserscan hastighed, og cladding form på reparationen, som vist i figur 5.

Hvad angår argonbuevidenskabslige reparationer, brugte Qu Sheng et al. [32] fra Kina Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. tungsteargonbuesvejsmetode til at reparere udslitnings- og sprækkeproblemer ved spidsen af DZ125 højtemperaturskarpturbinblader. Resultaterne viser, at efter reparation med traditionelle kobberbaserede svejsematerialer er varmeindflydningssonen underlagt termiske sprækker, og svejsens hårdhed reduceres. Imidlertid ved at bruge de nyligt udviklede MGS-1 nikkelbaserede svejsematerialer i kombination med passende svejs- og varmebehandlingsprocesser kan man effektivt undgå, at sprækker opstår i varmeindflydningssonen, og trækstyrken på 1000 ° C når 90% af basismaterialet. Song Wenqing et al. [33] udførte en studie om reparationssværgeprocessen for kastningsdefekter i K4104 højtemperatursletteguideblader. Resultaterne viste, at ved brug af HGH3113 og HGH3533 sværgeledninger som fyldestættende metal har det fremragende sværgning, god plasticitet og stærk sprække modstand, mens ved brug af K4104 sværgeledning med øget Zr-indhold, er væskemetallets flydning dårlig, sværgeoverfladen er ikke godt dannet, og der opstår sprækker og ikke-fusioneringsdefekter. Det kan ses, at i bladreparationsprocessen spiller valget af fyldestættende materialer en afgørende rolle.

Nuværende forskning om reparation af nikkelbaserede turbineblader har vist, at nikkelbaserede højtemperaturs koblinger indeholder fastløsningsforstærkende elementer såsom Cr, Mo, Al og sporelementer såsom P, S og B, hvilket gør dem mere kracksensible under reparation. Efter velding er de udset for strukturel segregering og opståen af knaglemske Laves fase fejl. Derfor kræver efterforskning af reparation af nikkelbaserede højtemperaturs koblinger regulering af strukturen og mekaniske egenskaber af sådanne fejl.

2 Titanium alloy fan/compressor blade repareringsmetode

Under drift er titaniumligasken blad i fanen/kompressor hovedsagelig udsat for centrifugalkraft, aerodynamisk kraft og vibrationsbelastning. Under brugen opstår der ofte overfladedskader (kræfter, spids udslitning osv.), lokale brutdefekter af titaniumbladene og stordriftsskader (uståelighedsbrud, storfladedskader og korrosion osv.), hvilket kræver helhedsombytning af bladene. Forskellige defekttyper og almindelige repareringsmetoder vises på figur 6. Følgende vil introducere forskningens status vedrørende reparation af disse tre typer af defekter.

2.1 Reparation af overfladedefekter på titaniumblad

Under drift har titaniumbladene ofte defekter såsom overfladekræfter, små arealer med skrammer og blad udslitning. Reparationen af sådanne defekter ligner den af nikkelbaserede turbineblad. Maskinering bruges til at fjerne defekte områder, og laser smeltning eller argonuelektraarklæbrig bruges til udfyldning og reparation.

Inden for feltet laserfusionsdeposition udførte Zhao Zhuang et al. [34] fra Northwestern Polytechnical University en laserreparationsstudie på småoverflade-defekter (overfladediameter 2 mm, halvkuldefekter med en dybde på 0,5 mm) i TC17-titaniumlegeringsformninger. Resultaterne viste at β søjleformede krystaller i laserdepositionsområdet voksede epitaksialt fra grænsefladen og korngrænserne blev suddede ud. De oprindelige nålformede α laths og sekundære α faser i varmeberørte område voksede og blev grovere. I forhold til de støbtte prøver havde lasereparerede prøver karakteristika af høj styrke og lav plasticitet. Trækstyrken øgede fra 1077,7 MPa til 1146,6 MPa, og udstrækningen nedgik fra 17,4% til 11,7%. Pan Bo et al. [35] brugte coaxial pudsvarerings laseroverflade teknologi til at reparere cirkulære hullformede foruddefinerede defekter af ZTC4 titaniumalloy flere gange. Resultaterne viste, at mikrostrukturens ændringsproces fra modermaterial til repareret område var bladformet α fase og interkristallin β fase - Hvad? kurvemønstrestruktur - Hvad? martensit - Hvad? Widmanstätten-struktur. Hårdheden i varmeberørte områder øgede let med antallet af reparationer, mens hårdheden af modermaterial og overflade lag ikke ændrede sig meget.

Resultaterne viser, at repareringsområdet og varmeberørte område før varmetreatment er ultra-fine nålformede α fase fordelt i β fase matrix, og basismaterialområdet er en fin kurvestructur. Efter varmebehandling er mikrostrukturen i hvert område ladeformet primaer α fase + β fasetransformationsstruktur, og længden af den primaer α fase i repareringsområdet er betydeligt større end i andre områder. Den højcyklusfattighedsgrænse for det reparerede område er 490MPa, hvilket er højere end fattighedsgrænsen for basismaterialet. Den ekstreme nedgang er omkring 7,1%. Manuelt argonbuevedning bruges også hyppigt til reparation af bladoverfladekræmninger og spidsudslidning. Dets ulempe er, at varmeindskud er stort, og storeareareparationer er følsomme overfor stor termisk spænding og vedningsdeformation [37].

Nuværende forskning viser, at uanset om laserfusjon eller argonbue-sværge bruges til reparation, har repareringsområdet karakteristika som høj styrke og lav plasticitet, og bladets træthedsevne nedsættes let efter reparation. Næste forskningssteg bør fokusere på, hvordan man kan kontrollere alleymiddelede, justere sværgeprocessens parametre og optimere processkontrolmetoder for at regulere mikrostrukturen i repareringsområdet, opnå en balance mellem styrke og plasticitet i repareringsområdet og sikre dets fremragende træthedsevne.

2.2 Reparation af lokal skade på titanblader

Der findes ingen væsentlig forskel mellem reparation af skader på titaniumlegeringsrotorblad og additiv fremstillingsteknologi for tre-dimensionelle massive dele af titaniumlegering i forhold til proces. Reparationen kan ses som en proces med sekundær deposition additiv fremstilling på frakturen og lokalt overflade, hvor de skadede dele fungerer som matrix, som vist på figur 7. Ifølge de forskellige varmekilder er den primært indkapslet i laseradditiv reparation og bueadditiv reparation. Det er værd at bemærke, at i de senere år har det tyske Forskningscenter 871 gjort bueadditiv reparationsteknologi til en forskningsfokus for reparation af integrerede titaniumlegeringsblad[38], og har forbedret reparationsevnen ved at tilføje kerneningsmidler og andre metoder[39].

Inden for feltet laseradditiv reparation har Gong Xinyong og kolleger [40] brugt TC11 legeringspulver for at undersøge laser smeltning deposition reparation af TC11 titaniumlegering. Efter reparation var depositområdet  den tynvejsede prøve og interfaceopvarmningsområdet havde typiske Widmanstatten-strukturkarakteristika, og matricen overgik fra en Widmanstatten-struktur til en dual-tilstand-struktur i varmeindvirkningsområdet. Trækstyrken i aflejringsområdet var omkring 1200 MPa, hvilket var højere end for interfaceovergangsområdet og matricen, mens plasticiteten var lidt lavere end for matricen. Trækprøverne blev alle brudt inden for matricen. Til sidst blev den faktiske rørhjul repareret ved punktvise smeltning og aflejring, gik igennem overspeed-testvurderingen og blev installeret og anvendt. Bian Hongyou et al. [41] brugte TA15-pulver til at undersøge laseradditiv reparation af TC17 titanlegeme og udforske virkningen af forskellige annealeringsbehandlingstemperature (610 ℃ , 630 ℃ og 650 ℃ ) på dets mikrostruktur og egenskaber. Resultaterne viste, at trækstyrken af den aflejret TA15/TC17合金, der er repareret ved laserdeposition, kan nå 1029MPa, men plasticiteten er relativt lav, kun 4,3%, hvilket svarer til 90,2% og 61,4% af TC17-slagteringsegenskaberne henholdsvis. Efter varmebehandling ved forskellige temperaturer forbedres trækstyrken og plasticiteten betydeligt. Når ædringstemperaturen er 650 ℃ , er den højeste trækstyrke 1102MPa, hvilket svarer til 98,4% af TC17-slagteringsegenskaberne, og udslængningen efter fraktur er 13,5%, hvilket er betydeligt forbedret i forhold til den aflejrede tilstand.

Inden for feltet arkadditiv reparation udførte Liu et al. [42] en reparationssøgning på et simulateret prøveeksempel af en manglende TC4 titaniumligefarvets blad. En blandet kornmorfologi af ækvaksede krystaller og søjleformede krystaller blev opnået i den aflejret lag, med en maksimal trækstyrke på 991 MPa og en udstrækning på 10%. Zhuo et al. [43] brugte TC11-sværgeledning til at foretage en arkadditiv reparation på TC17 titaniumligefarvet, og analyserede mikrostrukturel evolution af det aflejrede lag og varmeindsatte område. Trækstyrken var 1015,9 MPa under ikke-hegnede forhold, og udstrækningen var 14,8%, med gode generelle egenskaber. Chen et al. [44] undersøgte effekterne af forskellige annealeringstemperature på mikrostrukturen og mekaniske egenskaber af TC11/TC17 titaniumligefarvet reparationsspecimener. Resultaterne viste, at en højere annealerings temperatur var fordelagtig for at forbedre udstrækningen af de reparerede specimener.

Forskning om brugen af metaladditiv fremstillings teknologi til reparation af lokale skadedefekter i titanlegemsskruer er lige i sin barnebage. De reparerede skruer skal ikke kun tage højde for de mekaniske egenskaber af det aflejret lag, men også vurderingen af de mekaniske egenskaber ved grænsefladen af de reparerede skruer er lige så afgørende.

3 Titanlegemsskruer med stort areal skade Skruerudskiftning og reparation

For at forenkle kompressorrotorstrukturen og reducere vægten, anvender moderne flymotorer bladene ofte en integral blade-disc-struktur, som er en én-stykke-struktur, der gør arbejdsbladene og blade-discen til en integral struktur, hvilket eliminerer tønde og mortise. Ved at opnå formålet med vægtreduktion kan det også undgå udslidning og aerodynamisk tab af tønde og mortise i den konventionelle struktur. Reparationen af overfladedamager og lokale skader på kompressorens integral blade-disc ligner ovennævnte metode til separat bladreparation. Ved reparationen af knuste eller savnende dele af integral blade-disc bruges linær friktionssvejsning bredt på grund af dens unikke bearbejdningsskema og fordele. Dets proces vises på figur 8 [45].

Mateo et al. [46] brugte lineær friktionssvejsning til at simulere reparation af Ti-6246 titanieringsalloy. Resultaterne viste, at den samme skade, der blev repareret op til tre gange, havde en smalere varmeberørt zone og en finere svejsningskornstruktur. Trækstyrken faldt fra 1048 MPa til 1013 MPa med stigningen i antallet af reparationer. Dog blev både trækhed- og udstændighedsprøverne brutale i basismaterialet væk fra svejsningsområdet.

Ma et al. [47] undersøgte virkningen af forskellige varmebehandlings temperaturer (530 ° C + 4h luftafkjøling, 610 ° C + 4h luftafkjøling, 670 ° C + 4h luftafkjøling) på ​​ mikrostrukturen og mekaniske egenskaber af TC17 titanieringsalloy lineær friktionssvejsningsforbindelser. Resultaterne viser, at med stigningen i varmebehandlings temperaturen øges graden af omkristalliserings for α fase og β fase betydeligt. Brudadfærdigheden for trækheds- og impaktsprøverne ændrede sig fra sprødt brud til ductil brud. Efter varmebehandling ved 670 ° C, trækprøven brød i basismaterialet. Trækhældigheden var 1262MPa, men udstrækningen var kun 81,1% af basismaterialet.

I øjeblikket viser hjemlige og udenlandske forskningsresultater, at linjefrictionssværge-reparationsteknologien har funktionen af selvrensning af oxider, hvilket effektivt kan fjerne oxider på bindingsoverfladen uden metallurgiske fejl forårsaget af smeltning. Samtidig kan teknologien opnå forbindelsen af heterogene materialer for at få dobbeltalloy/dobbelt-ydelse integral blade diske og kan udføre hurtig reparation af bladbrud eller manglende dele af integral blade diske lavet af forskellige materialer [38]. Dog findes der stadig mange problemer, der skal løses ved brugen af linjefrictionssværgeteknologi til reparation af integral blade diske, såsom store reststress i forbindelserne og vanskeligheder med at kontrollere kvaliteten af forbindelserne mellem heterogene materialer. Samtidig skal processen for linjefrictionssværge af nye materialer undersøges yderligere.

Kontakt os

Tak for din interesse i vores virksomhed! Som en professionel producent af gasturbinekomponenter vil vi fortsat være dedikeret til teknologisk innovation og serviceforbedring, for at levere flere højkvalitets løsninger til kunder over hele verden. Hvis du har nogle spørgsmål, forslag eller samarbejdsvilje, vil vi meget gerne hjælpe dig. Kontakt os venligst på følgende måder:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

E-mail ：[email protected]