Las palas de los motores de las aeronaves se encuentran en un entorno de trabajo complejo y duro durante mucho tiempo y son propensas a diversos tipos de defectos de daños. Es costoso reemplazar las palas, y la investigación sobre la tecnología de reparación y remanufactura de las palas tiene enormes beneficios económicos. Las palas de los motores de las aeronaves se dividen principalmente en dos categorías: palas de turbina y palas de ventilador/compresor. Las palas de turbina suelen utilizar aleaciones de alta temperatura a base de níquel, mientras que las palas de ventilador/compresor utilizan principalmente aleaciones de titanio, y algunas utilizan aleaciones de alta temperatura a base de níquel. Las diferencias en los materiales y entornos de trabajo de las palas de turbina y las palas de ventilador/compresor dan lugar a diferentes tipos comunes de daños, lo que da lugar a diferentes métodos de reparación e indicadores de rendimiento que deben lograrse después de la reparación. Este documento analiza y analiza los métodos de reparación y las tecnologías clave que se utilizan actualmente para los dos tipos de defectos de daños comunes en las palas de los motores de las aeronaves, con el objetivo de proporcionar una base teórica para lograr una reparación y remanufactura de alta calidad de las palas de los motores de las aeronaves.
En los motores de aeronaves, las palas de las turbinas y de los rotores de los ventiladores y compresores están sujetas a entornos hostiles a largo plazo, como cargas centrífugas, estrés térmico y corrosión, y tienen requisitos de rendimiento extremadamente altos. Se las considera uno de los componentes más importantes en la fabricación de motores de aeronaves, y su fabricación representa más del 30 % de la carga de trabajo de toda la fabricación de motores [1–3] Al estar en un entorno de trabajo duro y complejo durante mucho tiempo, las palas de rotor son propensas a defectos como grietas, desgaste de las puntas de las palas y daños por fractura. El costo de reparación de las palas es solo el 20% del costo de fabricación de la pala completa. Por lo tanto, la investigación sobre la tecnología de reparación de palas de motores de aeronaves favorece la prolongación de la vida útil de las palas, la reducción de los costos de fabricación y tiene enormes beneficios económicos.
La reparación y remanufactura de álabes de motores de aeronaves incluye principalmente los siguientes cuatro pasos [4]: pretratamiento de álabes (incluida la limpieza de álabes [5], inspección tridimensional y reconstrucción geométrica [6].–7], etc.); deposición de material (incluido el uso de tecnología avanzada de soldadura y conexión para completar el relleno y la acumulación de materiales faltantes [8–10], tratamiento térmico de recuperación del rendimiento [11–13], etc.); reacondicionamiento de cuchillas (incluidos métodos de mecanizado como rectificado y pulido [14]); tratamiento posterior a la reparación (incluido el recubrimiento de la superficie [15]).–16] y tratamiento de refuerzo [17], etc.), como se muestra en la Figura 1. Entre ellos, la deposición de material es la clave para garantizar las propiedades mecánicas de la pala después de la reparación. Los principales componentes y materiales de las palas de motor de avión se muestran en la Figura 2. Para diferentes materiales y diferentes formas de defecto, la investigación del método de reparación correspondiente es la base para lograr una reparación y remanufactura de alta calidad de las palas dañadas. Este documento toma como objetos las palas de turbina de aleación de alta temperatura a base de níquel y las palas de ventilador/compresor de aleación de titanio, discute y analiza los métodos de reparación y las tecnologías clave utilizadas para diferentes tipos de daños en las palas de motores de avión en esta etapa, y explica sus ventajas y desventajas.
Las palas de turbina de aleación de alta temperatura a base de níquel funcionan en un entorno de gas de combustión a alta temperatura y estrés complejo durante mucho tiempo, y las palas a menudo tienen defectos como grietas térmicas por fatiga, daños superficiales de área pequeña (desgaste de la punta de la pala y daños por corrosión) y fracturas por fatiga. Dado que la seguridad de la reparación de la fractura por fatiga de las palas de turbina es relativamente baja, generalmente se reemplazan directamente después de que se produce 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 presentarán los métodos de reparación de estos dos tipos de defectos de las palas de turbina de aleación de alta temperatura a base de níquel respectivamente.
Los métodos de reparación de soldadura fuerte y soldadura en fase sólida se utilizan generalmente para reparar defectos de grietas en álabes de turbinas, incluyendo principalmente: soldadura fuerte al vacío, unión por difusión en fase líquida transitoria, soldadura por difusión activada y métodos de reparación de remanufactura por pulvimetalurgia.
Shan et al. [18] utilizaron el método de soldadura fuerte al vacío con haz para reparar grietas en hojas de aleación a base de níquel ChS88 utilizando rellenos de soldadura fuerte Ni-Cr-B-Si y Ni-Cr-Zr. Los resultados mostraron que, en comparación con el metal de relleno de soldadura fuerte Ni-Cr-B-Si, el Zr en el metal de relleno de soldadura fuerte Ni-Cr-Zr no es fácil de difundir, el sustrato no se corroe significativamente y la tenacidad de la junta soldada es mayor. El uso de metal de relleno de soldadura fuerte Ni-Cr-Zr puede lograr la reparación de grietas en hojas de aleación a base de níquel ChS88. Ojo et al. [19] estudiaron los efectos del tamaño del espacio y los parámetros del proceso en la microestructura y las propiedades de las juntas soldadas por difusión de la aleación a base de níquel Inconel718. A medida que aumenta el tamaño del espacio, la aparición de fases duras y frágiles, como compuestos intermetálicos a base de Ni3Al y boruros ricos en Ni y Cr, es la principal razón de la disminución de la resistencia y tenacidad de la unión.
La soldadura por difusión en fase líquida transitoria se solidifica en condiciones isotérmicas y pertenece a la cristalización en condiciones de equilibrio, lo que favorece la homogeneización de la composición y la estructura [20]. Pouranvari [21] estudió la soldadura por difusión en fase líquida transitoria de la aleación de alta temperatura a base de níquel Inconel718 y descubrió 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 isotérmica. Lin et al. [22] estudiaron la influencia de los parámetros del proceso de soldadura por difusión en fase líquida transitoria en la microestructura y las propiedades de las juntas de 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, el número de boruros ricos en Ni y ricos en Cr en la zona de precipitación disminuyó y el tamaño de grano de la zona de precipitación fue menor. La resistencia al corte por tracción a temperatura ambiente y a alta temperatura aumentó con la extensión del tiempo de retención. En la actualidad, la soldadura por difusión transitoria en fase líquida se ha utilizado con éxito para reparar pequeñas grietas en áreas de baja tensión y reconstruir el daño en la punta de las palas sin corona [23–24]. Aunque la soldadura por difusión transitoria en fase líquida se ha aplicado con éxito a una variedad de materiales, se limita a la reparación de pequeñas grietas (aproximadamente 250μmetro).
Cuando el ancho de la grieta es mayor a 0.5 mm y la acción capilar es insuficiente para llenar la grieta, la reparación de la pala se puede lograr mediante el uso de soldadura por difusión activada [24]. Su et al. [25] utilizaron el método de soldadura fuerte por difusión activada para reparar la pala de aleación de alta temperatura a base de níquel In738 utilizando material de soldadura fuerte DF4B y obtuvieron una unión soldada resistente a la oxidación y de alta resistencia. γ′ La fase precipitada en la junta tiene un efecto de fortalecimiento y la resistencia a la tracción alcanza el 85% del material original. 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 pala de aleación de alta temperatura a base de níquel René 108. La remanufactura de metalurgia de polvos, como un método recientemente desarrollado para la reconstrucción original de superficies de materiales avanzados, se ha utilizado ampliamente en la reparación de palas de aleación de alta temperatura. Puede restaurar y reconstruir la resistencia casi isotrópica tridimensional de grandes defectos de espacio (más de 5 mm) como grietas, ablación, desgaste y agujeros en las palas [27]. Liburdi, una empresa canadiense, desarrolló el método LPM (metalurgia de polvos Liburdi) para reparar palas de aleación a base de níquel con altos contenidos de Al y Ti que tienen un rendimiento de soldadura deficiente. El proceso se muestra en la Figura 4 [28]. En los últimos años, el método de pulvimetalurgia de laminación vertical basado en este método puede realizar reparaciones de soldadura fuerte de una sola vez de defectos de hasta 25 mm de ancho [29].
Cuando se producen rayones y daños por corrosión en áreas pequeñas en la superficie de las hojas de aleación de alta temperatura a base de níquel, el área dañada generalmente se puede eliminar y ranurar mediante mecanizado, y luego rellenar y reparar utilizando un método de soldadura adecuado. La investigación actual se centra principalmente en la deposición de fusión por láser y la reparación con soldadura por arco de argón.
Kim et al. [30] de la Universidad de Delaware en los Estados Unidos realizaron un revestimiento láser y una reparación de soldadura manual en palas de aleación a base de níquel Rene80 con altos contenidos de Al y Ti, y compararon las piezas de trabajo que se habían sometido a un tratamiento térmico posterior a la soldadura con aquellas que se habían sometido a un tratamiento térmico posterior a la soldadura y prensado isostático en caliente (HIP), y descubrieron que el HIP puede reducir eficazmente los defectos de poros de tamaño pequeño. Liu et al. [31] de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong utilizaron la tecnología de revestimiento láser para reparar defectos de ranuras y orificios en componentes de turbinas de aleación a base de níquel 718, y exploraron los efectos de la densidad de potencia del láser, la velocidad de escaneo láser y la forma del revestimiento en el proceso de reparación, como se muestra en la Figura 5.
En términos de reparación con soldadura por arco de argón, Qu Sheng et al. [32] de China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. utilizaron el método de soldadura por arco de argón de tungsteno para reparar los problemas de desgaste y grietas en la punta de las palas de turbina de aleación de alta temperatura DZ125. Los resultados muestran que después de la reparación con materiales de soldadura tradicionales a base de cobalto, la zona afectada por el calor es propensa a grietas térmicas y se reduce la dureza de la soldadura. Sin embargo, el uso de los materiales de soldadura a base de níquel MGS-1 recientemente desarrollados, combinados con procesos de soldadura y tratamiento térmico adecuados, puede evitar eficazmente que se produzcan grietas en la zona afectada por el calor y la resistencia a la tracción a 1000°El 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 álabes guía de turbina de aleación de alta temperatura K4104. Los resultados mostraron que el uso de alambres de soldadura HGH3113 y HGH3533 como metales de relleno tiene una excelente formación de soldadura, buena plasticidad y fuerte resistencia al agrietamiento, mientras que cuando se usa el alambre de soldadura K4104 con mayor contenido de Zr se suelda, la fluidez del metal líquido es pobre, la superficie de la soldadura no se forma bien y ocurren grietas y defectos de no fusión. Se puede ver que en el proceso de reparación de álabes, la selección de materiales de relleno juega un papel vital.
Las investigaciones actuales sobre la reparación de álabes de turbinas a base de níquel han demostrado que las aleaciones de alta temperatura a base de níquel contienen elementos de refuerzo en solución sólida como Cr, Mo, Al y oligoelementos como P, S y B, que las hacen más sensibles a las grietas durante el proceso de reparación. Después de la soldadura, son propensas a la segregación estructural y a la formación de defectos frágiles de fase de Laves. Por lo tanto, las investigaciones posteriores sobre la reparación de aleaciones de alta temperatura a base de níquel requieren la regulación de la estructura y las propiedades mecánicas de dichos defectos.
Durante el funcionamiento, las palas de los ventiladores/compresores de aleación de titanio se someten principalmente a la fuerza centrífuga, la fuerza aerodinámica y la carga de vibración. Durante el uso, a menudo se producen defectos de daños superficiales (grietas, desgaste de la punta de las palas, etc.), defectos de rotura local de las palas de aleación de titanio y daños en áreas extensas (fractura por fatiga, daños y corrosión en áreas extensas, etc.), lo que requiere el reemplazo general de las palas. En la Figura 6 se muestran diferentes tipos de defectos y métodos de reparación comunes. A continuación, se presentará el estado de la investigación sobre la reparación de estos tres tipos de defectos.
Durante el funcionamiento, las palas de aleación de titanio suelen presentar defectos como grietas superficiales, pequeñas raspaduras y desgaste de las palas. La reparación de estos defectos es similar a la de las palas de turbinas a base de níquel. Se utiliza el mecanizado para eliminar el área defectuosa y se utiliza la deposición por fusión láser o la soldadura por arco de argón para rellenarlas y repararlas.
En el campo de la deposición por fusión láser, Zhao Zhuang et al. [34] de la Universidad Politécnica del Noroeste realizaron un estudio de reparación láser en defectos superficiales de tamaño pequeño (diámetro de superficie de 2 mm, defectos hemisféricos con una profundidad de 0.5 mm) de piezas forjadas de aleación de titanio TC17. Los resultados mostraron que β Los cristales columnares en la zona de deposición láser crecieron epitaxialmente desde la interfaz y los límites de grano se difuminaron. La forma de aguja original α listones y secundarios α Las fases en la zona afectada por el calor crecieron y se volvieron más gruesas. 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 el alargamiento disminuyó del 17.4 % al 11.7 %. Pan Bo et al. [35] utilizaron la tecnología de revestimiento láser con alimentación de polvo coaxial para reparar los defectos prefabricados con forma de orificio circular de la aleación de titanio ZTC4 muchas veces. Los resultados mostraron que el proceso de cambio de microestructura desde el material original hasta el área reparada fue laminar. α fase e intergranular β fase → estructura de tejido de canasta → martensita → Estructura de 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 original y de la capa de revestimiento no se modificó mucho.
Los resultados muestran que la zona de reparación y la zona afectada por el calor antes del tratamiento térmico son ultrafinas como agujas. α fase distribuida en el β La matriz de fases y la zona de material base es una estructura de canasta fina. Después del tratamiento térmico, la microestructura de cada área es primaria tipo listón. α fase + β estructura de transformación de fase y la longitud de la primaria α La fase en el área de reparación es significativamente mayor que en otras áreas. El límite de fatiga de ciclo alto de la pieza de reparación es de 490 MPa, que es más alto que el límite de fatiga del material base. La caída extrema es de aproximadamente el 7.1 %. La soldadura manual con arco de argón también se usa comúnmente para reparar grietas en la superficie de la hoja y desgaste de la punta. Su desventaja es que la entrada de calor es grande y las reparaciones de áreas grandes son propensas a una gran tensión térmica y deformación de soldadura [37].
Las investigaciones actuales muestran que, independientemente de si se utiliza la deposición de fusión por láser o la soldadura por arco de argón para la reparación, el área de reparación tiene las características de alta resistencia y baja plasticidad, y el rendimiento de fatiga de la cuchilla se reduce fácilmente después de la reparación. El siguiente paso de la investigación debe centrarse en cómo controlar la composición de la aleación, ajustar los parámetros del proceso de soldadura y optimizar los métodos de control del proceso para regular la microestructura del área de reparación, lograr una combinación de resistencia y plasticidad en el área de reparación y garantizar su excelente rendimiento de fatiga.
No existe una diferencia esencial entre la reparación de los defectos de daños 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 por deposición secundaria en la sección de fractura y la superficie local con las piezas dañadas como matriz, como se muestra en la Figura 7. Según las diferentes fuentes de calor, se divide principalmente en reparación aditiva por láser y reparación aditiva por arco. Vale la pena señalar que en los últimos años, el Centro de Investigación Colaborativa 871 de Alemania ha hecho de la tecnología de reparación aditiva por arco un foco de investigación para la reparación de palas integrales de aleación de titanio[38], y ha mejorado el rendimiento de la reparación añadiendo agentes nucleantes y otros medios[39].
En el campo de la reparación aditiva por láser, Gong Xinyong et al. [40] utilizaron polvo de aleación TC11 para estudiar el proceso de reparación por deposición por fusión por láser de la aleación de titanio TC11. Después de la reparación, el área de deposición de La muestra de pared delgada y el área de refundición de la interfaz tenían características típicas de estructura de Widmanstatten, y la estructura de la zona afectada por el calor de la matriz pasó de la estructura de Widmanstatten a la estructura de estado dual. La resistencia a la tracción del área de deposición fue de aproximadamente 1200 MPa, que fue mayor que la de la zona de transición de la interfaz y la matriz, mientras que la plasticidad fue ligeramente menor que la de la matriz. Todas las muestras de tracción se rompieron dentro de la matriz. Finalmente, el impulsor real se reparó mediante el método de deposición de fusión punto por punto, pasó la evaluación de prueba de súper velocidad y realizó la aplicación de instalación. Bian Hongyou et al. [41] utilizaron polvo TA15 para estudiar la reparación aditiva por láser de la aleación de titanio TC17 y exploraron los efectos de diferentes temperaturas de tratamiento térmico de recocido (610℃de 630℃ y séptima℃) sobre su microestructura y propiedades. Los resultados mostraron que la resistencia a la tracción de la aleación TA15/TC17 depositada reparada por deposición láser puede alcanzar 1029 MPa, pero la plasticidad es relativamente baja, solo 4.3%, alcanzando 90.2% y 61.4% de las piezas forjadas TC17, respectivamente. Después del tratamiento térmico a diferentes temperaturas, la resistencia a la tracción y la plasticidad mejoran significativamente. Cuando la temperatura de recocido es de 650℃, la resistencia a la tracción más alta es de 1102 MPa, alcanzando el 98.4% de las piezas forjadas TC17, y el alargamiento después de la fractura es del 13.5%, lo que mejora significativamente en comparación con el estado depositado.
En el campo de la reparación aditiva por arco, Liu et al. [42] realizaron un estudio de reparación en una muestra simulada de una cuchilla de aleación de titanio TC4 faltante. Se obtuvo una morfología de grano mixto de cristales equiaxiales y cristales columnares en la capa depositada, con una resistencia a la tracción máxima de 991 MPa y un alargamiento del 10%. Zhuo et al. [43] utilizaron alambre de soldadura TC11 para realizar un estudio de reparación aditiva por arco en 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 en condiciones sin calefacción, y el alargamiento 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 las muestras de reparación de aleación de titanio TC11/TC17. Los resultados mostraron que una temperatura de recocido más alta fue beneficiosa para mejorar el alargamiento de las muestras reparadas.
La investigación sobre el uso de la tecnología de fabricación aditiva de metales para reparar defectos de daños locales en palas de aleación de titanio está apenas en sus inicios. Las palas reparadas no solo deben prestar atención a las propiedades mecánicas de la capa depositada, sino que también es igualmente crucial la evaluación de las propiedades mecánicas en la interfaz de las palas reparadas.
Para simplificar la estructura del rotor del compresor y reducir el peso, las palas de los motores de las aeronaves modernas suelen adoptar una estructura de disco de pala integral, que es una estructura de una sola pieza que convierte las palas de trabajo y los discos de pala en una estructura integral, eliminando la espiga y la mortaja. Si bien se logra el propósito de reducción de peso, también se puede evitar el desgaste y la pérdida aerodinámica de la espiga y la mortaja en la estructura convencional. La reparación de los daños superficiales y los defectos de daños locales del disco de pala integral del compresor es similar al método de reparación de palas separadas mencionado anteriormente. Para la reparación de las piezas rotas o faltantes del disco de pala integral, la soldadura por fricción lineal se usa ampliamente debido a su método de procesamiento único y sus ventajas. Su proceso se muestra en la Figura 8 [45].
Mateo et al. [46] utilizaron 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 afectada por el calor más estrecha y una estructura de grano 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 las muestras de tracción como las de fatiga se rompieron en el área del material base alejada del área de soldadura.
Ma et al. [47] estudiaron los efectos de diferentes temperaturas de tratamiento térmico (530°C + 4h refrigeración por aire, 610°C + 4h refrigeración por aire, 670°C + 4h de refrigeración por aire) encendido La microestructura y las propiedades mecánicas de las uniones soldadas por fricción lineal de aleación de titanio TC17. Los resultados muestran que a medida que aumenta la temperatura del tratamiento térmico, el grado de recristalización de α fase y β La fase de fractura aumenta significativamente. El comportamiento de fractura de las muestras de tracción e impacto cambió 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 1262 MPa, pero el alargamiento fue solo del 81.1 % del material base.
En la actualidad, las investigaciones nacionales y extranjeras muestran que la tecnología de reparación de soldadura por fricción lineal tiene la función de autolimpieza de óxidos, que puede eliminar eficazmente los óxidos en la superficie de unión sin defectos metalúrgicos causados por la fusión. Al mismo tiempo, puede realizar la conexión de materiales heterogéneos para obtener discos de cuchillas integrales de doble aleación/doble rendimiento, y puede completar la reparación rápida de fracturas del cuerpo de la cuchilla o piezas faltantes de discos de cuchillas integrales hechos de diferentes materiales [38]. Sin embargo, todavía hay muchos problemas por resolver en el uso de la tecnología de soldadura por fricción lineal para reparar discos de cuchillas integrales, como una gran tensión residual en las juntas y la dificultad para controlar la calidad de las conexiones de materiales heterogéneos. Al mismo tiempo, el proceso de soldadura por fricción lineal para nuevos materiales necesita una mayor exploración.
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