Tecnología de reparación por soldadura y remanufactura para las palas de la turbina y las palas del ventilador/compresor del motor aeronáutico

Las palas de los motores aeronáuticos trabajan durante mucho tiempo en un entorno complejo y severo, siendo propensas a diversos tipos de daños o defectos. Reemplazar las palas es costoso, y la investigación sobre tecnología de reparación y remanufactura de palas tiene enormes beneficios económicos. Las palas de los motores aeronáuticos se dividen principalmente en dos categorías: palas de turbina y palas de ventilador/compresor. Las palas de turbina suelen utilizar aleaciones de alto temperatura a base de níquel, mientras que las palas de ventilador/compresor utilizan principalmente aleaciones de titanio, y algunas también emplean aleaciones de alto temperatura a base de níquel. Las diferencias en materiales y entornos de trabajo entre las palas de turbina y las de ventilador/compresor resultan en tipos comunes de daño diferentes, lo que lleva a métodos de reparación distintos y a los indicadores de rendimiento que deben alcanzarse después de la reparación. Este artículo analiza y discute los métodos de reparación y tecnologías clave actualmente utilizados para los dos tipos comunes de defectos de daño en las palas de los motores aeronáuticos, con el objetivo de proporcionar una base teórica para lograr una reparación y remanufactura de alta calidad de las palas de los motores aeronáuticos.

En los motores de avión, las palas de la turbina y del rotor del ventilador/compresor están expuestas a entornos adversos a largo plazo, como cargas centrífugas, estrés térmico y corrosión, y tienen requisitos de rendimiento extremadamente altos. Se enumeran como una de las componentes más nucleares en la fabricación de motores de avión, y su fabricación representa más del 30% de la carga de trabajo de toda la fabricación del motor [1 –3]. Al estar en un entorno de trabajo adverso y complejo durante mucho tiempo, las palas de los rotores son propensas a defectos como grietas, desgaste en la punta de la pala y daños por fractura. El costo de reparar las palas es solo el 20% del costo de fabricar toda la pala. Por lo tanto, la investigación sobre la tecnología de reparación de palas de motores de avión contribuye a extender la vida útil de las palas, reducir los costos de fabricación y tiene enormes beneficios económicos.

La reparación y remanufacturación de las palas del motor de avión incluye principalmente los siguientes cuatro pasos [4]: pretratamiento de la pala (incluyendo limpieza de la pala [5], inspección tridimensional y reconstrucción geométrica [6 –7], etc.); deposición de material (incluyendo el uso de tecnología avanzada de soldadura y unión para completar el llenado y acumulación de materiales perdidos [8 –10], tratamiento térmico para recuperación de rendimiento [11 –13], etc.); restauración de la pala (incluyendo métodos de mecanizado como pulido y lijado [14]); tratamiento post-reparación (incluyendo recubrimiento superficial [15] –16] y tratamiento de refuerzo [17], etc.), como se muestra en la Figura 1. Entre ellos, la deposición de material es clave para garantizar las propiedades mecánicas de la hoja después de la reparación. Los componentes principales y materiales de las palas del motor aeronáutico se muestran en la Figura 2. Para diferentes materiales y diferentes formas de defectos, la investigación de los métodos de reparación correspondientes es la base para lograr una reparación y re fabricación de alta calidad de las palas dañadas. Este artículo toma como objeto las palas de turbina de aleación de alto temperatura basada en níquel y las palas de ventilador/compresor de aleación de titanio, discute y analiza los métodos de reparación y tecnologías clave utilizados para diferentes tipos de daños en las palas de motores aeronáuticos en esta etapa, y explica sus ventajas y desventajas.

1. Método de reparación de pala de turbina de aleación de alto temperatura basada en níquel

Las turbinas de aleación de níquel resistente a altas temperaturas trabajan durante mucho tiempo en un entorno de gases de combustión a alta temperatura y bajo estrés complejo, y las palas a menudo presentan defectos como grietas térmicas por fatiga, daños superficiales de pequeño área (desgaste de la punta de la pala y daño por corrosión) y fracturas por fatiga. Dado que la seguridad de la reparación de fracturas por fatiga de las palas de turbina es relativamente baja, generalmente se reemplazan directamente después de que ocurre la fractura por fatiga, sin reparación por soldadura. Los dos tipos comunes de defectos y métodos de reparación de las palas de turbina se muestran en la Figura 3 [4]. A continuación, se introducirán los métodos de reparación de estos dos tipos de defectos de las palas de turbina de aleación de níquel resistente a altas temperaturas.

1.1 Reparación de grietas en palas de turbina de superaleación de níquel

Los métodos de reparación por soldadura y unión en fase sólida se utilizan generalmente para reparar defectos de fisuras en las palas de la turbina, incluyendo principalmente: soldadura al vacío, unión por difusión de fase líquida transitoria, soldadura por difusión activada y métodos de reparación por remanufactura de metalurgia en polvo.

Shan et al. [18] utilizaron el método de brasado al vacío para reparar grietas en las palas de la aleación de níquel ChS88 utilizando rellenos de brasado Ni-Cr-B-Si y Ni-Cr-Zr. Los resultados mostraron que, en comparación con el material de relleno de brasado Ni-Cr-B-Si, el Zr en el material de relleno de brasado Ni-Cr-Zr no se difunde fácilmente, el sustrato no se corroe significativamente y la tenacidad de la unión soldada es mayor. El uso del material de relleno de brasado Ni-Cr-Zr puede lograr la reparación de las grietas en las palas de la aleación de níquel ChS88. Ojo et al. [19] estudiaron los efectos del tamaño de la brecha y los parámetros de proceso en la microestructura y propiedades de las uniones brasadas por difusión de la aleación de níquel Inconel718. A medida que aumenta el tamaño de la brecha, la aparición de fases duras y frágiles, como compuestos intermetálicos basados en Ni3Al y boruros ricos en Ni y Cr, es la principal razón de la disminución de la resistencia y la tenacidad de la unión.

La soldadura por difusión en fase líquida transitoria se solidifica bajo condiciones isotermas y pertenece a la cristalización bajo condiciones de equilibrio, lo cual es propicio para la homogeneización de la composición y la estructura [20]. Pouranvari [21] estudió la soldadura por difusión en fase líquida transitoria del aleación de alta temperatura a base de níquel Inconel718 y encontró que el contenido de Cr en el relleno y el rango de descomposición de la matriz son los factores clave que afectan la resistencia de la zona de solidificación isoterma. Lin et al. [22] investigaron la influencia de los parámetros de proceso de la soldadura por difusión en fase líquida transitoria en la microestructura y las propiedades de las juntas de la aleación de alta temperatura a base de níquel GH99. Los resultados mostraron que con el aumento de la temperatura de conexión o la extensión del tiempo, disminuyó el número de boruros ricos en Ni y Cr en la zona de precipitación, y el tamaño de grano de la zona de precipitación fue más pequeño. La resistencia a la tracción y cizalla a temperatura ambiente y alta temperatura aumentó con la extensión del tiempo de mantenimiento. Actualmente, la soldadura por difusión en fase líquida transitoria ha sido utilizada con éxito para reparar pequeñas grietas en áreas de bajo estrés y reconstruir el daño en la punta de los rotores sin corona [23] –24]. Aunque la soldadura por difusión en fase líquida transitoria se ha aplicado con éxito a una variedad de materiales, está limitada a la reparación de pequeñas grietas (aproximadamente 250 μ m).

Cuando el ancho de la grieta es mayor a 0.5 mm y la capilaridad no es suficiente para llenar la grieta, la reparación de la hoja puede lograrse utilizando la soldadura por difusión activada [24]. Su et al. [25] utilizaron el método de brasado por difusión activada para reparar la pala de la aleación de alta temperatura a base de níquel In738 usando material de brasado DF4B, y obtuvieron una junta de brasado de alta resistencia y resistente a la oxidación. El γ′ la fase precipitada en la junta tiene un efecto de refuerzo, y la resistencia a la tracción alcanza el 85% del material base. La junta se rompe en la posición del boruro rico en Cr. Hawk et al. [26] también utilizaron soldadura por difusión activada para reparar la grieta ancha de la hoja de aleación de alta temperatura René 108 de base nickélica. La remanufactura por metalurgia del polvo, como un método recientemente desarrollado para la reconstrucción original de superficies de materiales avanzados, ha sido ampliamente utilizada en la reparación de hojas de aleaciones de alta temperatura. Puede restaurar y reconstruir la resistencia casi isotrópica en tres dimensiones de defectos de grandes brechas (más de 5 mm), como grietas, ablación, desgaste y agujeros en las hojas [27]. Liburdi, una empresa canadiense, desarrolló el método LPM (Liburdi powder metallurgy) para reparar hojas de aleaciones nickélicas con altos contenidos de Al y Ti que tienen un rendimiento pobre en soldadura. El proceso se muestra en la Figura 4 [28]. En los últimos años, el método de metalurgia del polvo por estratificación vertical basado en este método puede realizar una reparación de bronceado en una sola vez de defectos tan anchos como 25 mm [29].

1.2 El reparador  de daño superficial en las palas de la turbina de aleación de níquel de alta temperatura

Cuando ocurren arañazos y daños por corrosión en pequeñas áreas en la superficie de las palas de aleación de níquel de alta temperatura, generalmente se puede eliminar el área dañada mediante mecanizado, creando una ranura, y luego rellenarla y repararla utilizando un método de soldadura adecuado. La investigación actual se centra principalmente en la deposición por fusión láser y la reparación por soldadura de arco argón.

Kim et al. [30] de la Universidad de Delaware en los Estados Unidos realizaron un recubrimiento láser y una reparación por soldadura manual en hojas de aleación de níquel Rene80 con altos contenidos de Al y Ti, y compararon las piezas que habían pasado por un tratamiento térmico post-soldadura con aquellas que habían pasado por un tratamiento térmico post-soldadura y prensado isostático caliente (HIP), y encontraron que HIP puede reducir eficazmente defectos porosos de pequeño tamaño. Liu et al. [31] de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong utilizaron la tecnología de recubrimiento láser para reparar defectos de surco y agujero en componentes de turbina de aleación de níquel 718, y exploraron los efectos de la densidad de potencia del láser, la velocidad de barrido láser y la forma de recubrimiento en el proceso de reparación, como se muestra en la Figura 5.

En términos de reparación por soldadura con arco argón, Qu Sheng et al. [32] de China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. utilizaron el método de soldadura con electrodo de tungsteno y gas argón para reparar los problemas de desgaste y grietas en la punta de las palas de turbina de la aleación de alta temperatura DZ125. Los resultados muestran que después de la reparación con materiales de soldadura a base de cobalto tradicionales, la zona afectada por el calor es propensa a grietas térmicas y la dureza de la soldadura disminuye. Sin embargo, utilizando los nuevos materiales de soldadura a base de níquel MGS-1, combinados con procesos de soldadura y tratamiento térmico adecuados, se puede evitar eficazmente que ocurran grietas en la zona afectada por el calor, y la resistencia a la tracción a 1000 ° C alcanza el 90% del material base. Song Wenqing et al. [33] realizaron un estudio sobre el proceso de soldadura de reparación de defectos de fundición de las paletas guía de turbinas de la aleación de alta temperatura K4104. Los resultados mostraron que utilizar los cables de soldadura HGH3113 y HGH3533 como metales de relleno tiene una excelente formación de la soldadura, buena plasticidad y una fuerte resistencia a grietas, mientras que al usar el cable de soldar K4104 con un contenido de Zr aumentado, la fluidez del metal líquido es pobre, la superficie de la soldadura no se forma bien y ocurren defectos de fisuras y falta de fusión. Se puede ver que en el proceso de reparación de las paletas, la selección de materiales de relleno juega un papel vital.

La investigación actual sobre la reparación de palas de turbina a base de níquel ha demostrado que las aleaciones a base de níquel de alta temperatura contienen elementos de refuerzo en solución sólida como Cr, Mo, Al y trazas de elementos como P, S y B, lo que las hace más sensibles a grietas durante el proceso de reparación. Después de la soldadura, son propensas a la segregación estructural y a la formación de defectos de fase Laves frágil. Por lo tanto, la investigación posterior sobre la reparación de aleaciones a base de níquel de alta temperatura requiere la regulación de la estructura y las propiedades mecánicas de dichos defectos.

método de reparación de palas de ventilador/compresor de aleación de titanio

Durante el funcionamiento, las palas de ventilador/compresor de aleación de titanio están principalmente sometidas a la fuerza centrífuga, la fuerza aerodinámica y la carga vibratoria. Durante el uso, a menudo ocurren defectos de daño superficial (grietas, desgaste en la punta de la pala, etc.), defectos de rotura local de las palas de aleación de titanio y daños a gran escala (fractura por fatiga, daños extensos y corrosión, etc.), lo que requiere la sustitución total de las palas. Los diferentes tipos de defectos y los métodos de reparación comunes se muestran en la Figura 6. A continuación, se presentará el estado de investigación de la reparación de estos tres tipos de defectos.

2.1 Reparación de defectos de daño superficial en las palas de aleación de titanio

Durante el funcionamiento, las palas de aleación de titanio a menudo tienen defectos como grietas superficiales, rasguños en pequeñas áreas y desgaste de las palas. La reparación de este tipo de defectos es similar a la de las palas de turbina de base nickeliada. Se utiliza mecanizado para eliminar el área defectuosa y se emplea deposición por fusión láser o soldadura por arco argónico para el relleno y reparación.

En el campo de la deposición por fusión láser, Zhao Zhuang et al. [34] de la Universidad Politécnica del Noroeste llevaron a cabo un estudio de reparación láser en pequeños defectos superficiales (diámetro de la superficie 2 mm, defectos hemisféricos con una profundidad de 0,5 mm) de piezas forjadas de aleación de titanio TC17. Los resultados mostraron que β cristales columnares en la zona de deposición láser crecieron epitaxialmente desde la interfaz y los límites de grano se volvieron borrosos. La estructura original en forma de aguja α laminillas y secundarias α las fases en la zona afectada por el calor crecieron y se agrandaron. En comparación con las muestras forjadas, las muestras reparadas con láser tenían las características de alta resistencia y baja plasticidad. La resistencia a la tracción aumentó de 1077,7 MPa a 1146,6 MPa, y la elongación disminuyó del 17,4% al 11,7%. Pan Bo et al. [35] utilizaron la tecnología de recubrimiento por láser con alimentación coaxial de polvo para reparar múltiples veces los defectos prefabricados en forma de agujero circular de la aleación de titanio ZTC4. Los resultados mostraron que el proceso de cambio de microestructura desde el material base hasta la zona reparada fue lamelar α fase y entre granos β fase → estructura de tejido → martensita → Estructura Widmanstätten. La dureza de la zona afectada por el calor aumentó ligeramente con el aumento del número de reparaciones, mientras que la dureza del material base y la capa de recubrimiento no varió mucho.

Los resultados muestran que la zona de reparación y la zona afectada por el calor antes del tratamiento térmico son ultrafinas y en forma de aguja α fase distribuida en β la matriz de fase, y la zona de material base es una estructura fina de la canasta. Después del tratamiento térmico, la microestructura de cada área es primaria similar a la trituración α fase + β la estructura de transformación de fase y la longitud de la α la fase de la zona de reparación es significativamente mayor que la de otras zonas. El límite de fatiga del ciclo alto de la pieza de reparación es de 490 MPa, que es superior al límite de fatiga del material base. La caída extrema es de alrededor del 7,1%. La soldadura manual con arco de argón también se usa comúnmente para reparar grietas en la superficie de la cuchilla y el desgaste de la punta. Su desventaja es que el calor es muy grande y las reparaciones de gran superficie son propensas a grandes tensiones térmicas y deformaciones de soldadura [37].

La investigación actual muestra que, independientemente de si se utiliza la deposición por fusión láser o el soldado al arco argón para la reparación, la zona de reparación tiene las características de alta resistencia y baja plasticidad, y el rendimiento a la fatiga de la hoja se reduce fácilmente después de la reparación. El siguiente paso de la investigación debe centrarse en cómo controlar la composición del aleación, ajustar los parámetros del proceso de soldadura y optimizar los métodos de control del proceso para regular la microestructura de la zona de reparación, lograr un equilibrio entre resistencia y plasticidad en la zona de reparación y asegurar su excelente rendimiento a la fatiga.

2.2 Reparación del daño local de las palas de aleación de titanio

No hay diferencia esencial entre la reparación de defectos de daño en las palas de rotor de aleación de titanio y la tecnología de fabricación aditiva de piezas sólidas tridimensionales de aleación de titanio en términos de proceso. La reparación puede considerarse como un proceso de fabricación aditiva secundaria por deposición en la sección fracturada y la superficie local, con las partes dañadas como matriz, como se muestra en la Figura 7. Según las diferentes fuentes de calor, se divide principalmente en reparación aditiva láser y reparación aditiva por arco. Es importante destacar que en los últimos años, el Centro Colaborativo de Investigación 871 de Alemania ha hecho de la tecnología de reparación aditiva por arco un enfoque de investigación para la reparación de palas integrales de aleación de titanio [38], y ha mejorado el rendimiento de la reparación mediante la adición de agentes nucleadores y otros medios [39].

En el campo de la reparación aditiva láser, Gong Xinyong et al. [40] utilizaron polvo de aleación TC11 para estudiar el proceso de reparación por deposición de fusión láser de la aleación de titanio TC11. Después de la reparación, el área de depósito de  la muestra de pared delgada y la zona de remelting de la interfaz presentaban características típicas de la estructura Widmanstätten, y la transición de la estructura de la zona térmica afectada de la matriz pasaba de la estructura Widmanstätten a una estructura bicapa. La resistencia a la tracción de la zona de deposición era de aproximadamente 1200 MPa, lo cual es mayor que la de la zona de transición de la interfaz y la matriz, mientras que la plasticidad era ligeramente inferior a la de la matriz. Los especímenes de tracción se rompieron todos dentro de la matriz. Finalmente, el verdadero impulsor fue reparado mediante el método de deposición por fusión punto a punto, pasó la evaluación de la prueba supersónica y se realizó la instalación y aplicación. Bian Hongyou et al. [41] utilizaron polvo de TA15 para estudiar la reparación aditiva láser del titanio TC17, explorando los efectos de diferentes temperaturas de tratamiento térmico de recocido (610 ℃ , 630 ℃ y 650 ℃ ) sobre su microestructura y propiedades. Los resultados mostraron que la resistencia a la tracción del aleación TA15/TC17 depositada por láser puede alcanzar 1029MPa, pero la plasticidad es relativamente baja, solo 4.3%, alcanzando el 90.2% y el 61.4% de los forjados TC17, respectivamente. Después del tratamiento térmico a diferentes temperaturas, la resistencia a la tracción y la plasticidad mejoran significativamente. Cuando la temperatura de homogeneización es 650 ℃ , la máxima resistencia a la tracción es de 1102MPa, alcanzando el 98.4% de los forjados TC17, y la elongación después de la fractura es del 13.5%, lo cual mejora significativamente en comparación con el estado depositado.

En el campo de la reparación aditiva por arco, Liu et al. [42] llevaron a cabo un estudio de reparación en un espécimen simulado de una hoja de aleación de titanio TC4 con sección perdida. Se obtuvo una morfología de grano mixta de cristales equiaxiales y cristales columnares en la capa depositada, con una resistencia a la tracción máxima de 991 MPa y una elongación del 10%. Zhuo et al. [43] utilizaron alambre de soldadura TC11 para realizar un estudio de reparación aditiva por arco en una aleación de titanio TC17, y analizaron la evolución microestructural de la capa depositada y la zona afectada por el calor. La resistencia a la tracción fue de 1015,9 MPa bajo condiciones no calentadas, y la elongación fue del 14,8%, con un buen rendimiento integral. Chen et al. [44] estudiaron los efectos de diferentes temperaturas de recocido en la microestructura y las propiedades mecánicas de los especímenes de reparación de la aleación de titanio TC11/TC17. Los resultados mostraron que una temperatura de recocido más alta era beneficiosa para mejorar la elongación de los especímenes reparados.

La investigación sobre el uso de la tecnología de fabricación aditiva metálica para reparar defectos de daño local en palas de aleación de titanio está aún en su infancia. Las palas reparadas no solo deben prestar atención a las propiedades mecánicas de la capa depositada, sino que la evaluación de las propiedades mecánicas en la interfaz de las palas reparadas es igualmente crucial.

3 Palas de aleación de titanio con daños de gran área. Reemplazo y reparación de palas

Con el fin de simplificar la estructura del rotor del compresor y reducir el peso, las palas de los motores de avión modernos a menudo adoptan una estructura de disco integral, que es una estructura monopieza que convierte las palas de trabajo y los discos de las palas en una estructura integral, eliminando el tajón y la mortaja. Al lograr la reducción de peso, también se puede evitar el desgaste y la pérdida aerodinámica del tajón y la mortaja de la estructura convencional. La reparación de daños superficiales y defectos de daño local del disco integral de las palas del compresor es similar al método de reparación de palas independientes mencionado anteriormente. Para la reparación de palas rotas o fragmentadas del disco integral, se utiliza ampliamente el soldadura por fricción lineal debido a su método de procesamiento único y sus ventajas. Su proceso se muestra en la Figura 8 [45].

Mateo et al. [46] utilizaron el soldadura por fricción lineal para simular la reparación de la aleación de titanio Ti-6246. Los resultados mostraron que el mismo daño reparado hasta tres veces tenía una zona térmica afectada más estrecha y una estructura granular de soldadura más fina. La resistencia a la tracción disminuyó de 1048 MPa a 1013 MPa con el aumento en el número de reparaciones. Sin embargo, tanto los especímenes de tracción como los de fatiga se rompieron en el área del material base, lejos del área de soldadura.

Ma et al. [47] estudiaron los efectos de diferentes temperaturas de tratamiento térmico (530 ° C + 4h enfriamiento al aire, 610 ° C + 4h enfriamiento al aire, 670 ° C + 4h enfriamiento al aire) sobre ​​ la microestructura y las propiedades mecánicas de las juntas soldadas por fricción lineal de la aleación de titanio TC17. Los resultados muestran que a medida que aumenta la temperatura de tratamiento térmico, el grado de recristalización de la fase α y la fase β aumenta significativamente. El comportamiento de fractura de los especímenes de tracción e impacto cambia de fractura frágil a fractura dúctil. Después del tratamiento térmico a 670 ° C, la muestra de tracción se fracturó en el material base. La resistencia a la tracción fue de 1262MPa, pero la elongación solo fue del 81.1% del material base.

En la actualidad, la investigación nacional e internacional muestra que la tecnología de reparación por fricción lineal tiene la función de autolimpieza de óxidos, lo cual puede eliminar eficazmente los óxidos en la superficie de unión sin causar defectos metalúrgicos derivados del fundido. Al mismo tiempo, permite realizar la conexión de materiales heterogéneos para obtener discos de hojas integrales con doble aleación/doble rendimiento, y puede completar la reparación rápida de fracturas o fragmentos perdidos en discos de hojas integrales hechos de diferentes materiales [38]. Sin embargo, aún quedan muchos problemas por resolver en el uso de la tecnología de fricción lineal para reparar discos de hojas integrales, como el gran esfuerzo residual en las juntas y la dificultad para controlar la calidad de las conexiones de materiales heterogéneos. Al mismo tiempo, el proceso de fricción lineal para nuevos materiales necesita una exploración más profunda.

Contáctenos

¡Gracias por su interés en nuestra empresa! Como empresa de fabricación de piezas de turbinas de gas profesional, seguiremos comprometidos con la innovación tecnológica y la mejora del servicio, para brindar soluciones de mayor calidad a los clientes de todo el mundo. Si tiene alguna pregunta, sugerencia o intención de cooperación, estaremos encantados de ayudarlo. Comuníquese con nosotros de las siguientes maneras:

WhatsApp: +86 135 4409 5201

Correo electrónico ：[email protected]