Les pales des moteurs d'avion sont soumises à un environnement de travail complexe et difficile pendant une longue période et sont sujettes à divers types de défauts de dommages. Le remplacement des pales est coûteux et la recherche sur la technologie de réparation et de remise à neuf des pales présente d'énormes avantages économiques. Les pales des moteurs d'avion sont principalement divisées en deux catégories : les pales de turbine et les pales de ventilateur/compresseur. Les pales de turbine utilisent généralement des alliages haute température à base de nickel, tandis que les pales de ventilateur/compresseur utilisent principalement des alliages de titane, et certaines utilisent des alliages haute température à base de nickel. Les différences de matériaux et d'environnements de travail des pales de turbine et des pales de ventilateur/compresseur entraînent différents types de dommages courants, ce qui entraîne différentes méthodes de réparation et indicateurs de performance à atteindre après réparation. Cet article analyse et discute des méthodes de réparation et des technologies clés actuellement utilisées pour les deux types de défauts de dommages courants dans les pales des moteurs d'avion, dans le but de fournir une base théorique pour réaliser une réparation et une remise à neuf de haute qualité des pales des moteurs d'avion.
Dans les moteurs d'avion, les pales de turbine et de rotor de ventilateur/compresseur sont soumises à des environnements difficiles à long terme tels que les charges centrifuges, les contraintes thermiques et la corrosion, et ont des exigences de performances extrêmement élevées. Elles sont répertoriées comme l'un des composants les plus essentiels de la fabrication de moteurs d'avion, et leur fabrication représente plus de 30 % de la charge de travail de l'ensemble de la fabrication du moteur [1-3]. Étant dans un environnement de travail difficile et complexe pendant une longue période, les pales de rotor sont sujettes à des défauts tels que des fissures, une usure des extrémités des pales et des dommages par fracture. Le coût de réparation des pales ne représente que 20 % du coût de fabrication de la pale entière. Par conséquent, la recherche sur la technologie de réparation des pales de moteurs d'avion est propice à prolonger la durée de vie des pales, à réduire les coûts de fabrication et à présenter d'énormes avantages économiques.
La réparation et la remise à neuf des aubes de moteurs d'avions comprennent principalement les quatre étapes suivantes [4] : prétraitement des aubes (y compris le nettoyage des aubes [5], l'inspection tridimensionnelle et la reconstruction géométrique [6-7], etc.); dépôt de matériaux (y compris l'utilisation d'une technologie de soudage et de connexion avancée pour compléter le remplissage et l'accumulation des matériaux manquants [8-10], traitement thermique de récupération des performances [11-13], etc.); remise à neuf des lames (y compris les méthodes d'usinage telles que le meulage et le polissage [14]); traitement après réparation (y compris le revêtement de surface [15-16] et traitement de renforcement [17], etc.), comme le montre la figure 1. Parmi eux, le dépôt de matériau est la clé pour garantir les propriétés mécaniques de la pale après réparation. Les principaux composants et matériaux des pales de moteurs d'avion sont présentés dans la figure 2. Pour différents matériaux et différentes formes de défauts, la recherche de méthodes de réparation correspondantes est la base pour obtenir une réparation et une remise à neuf de haute qualité des pales endommagées. Cet article prend comme objets les pales de turbine en alliage haute température à base de nickel et les pales de ventilateur/compresseur en alliage de titane, discute et analyse les méthodes de réparation et les technologies clés utilisées pour différents types de dommages aux pales de moteurs d'avion à ce stade, et explique leurs avantages et leurs inconvénients.
Les aubes de turbine en alliage haute température à base de nickel fonctionnent dans un environnement de gaz de combustion à haute température et de contraintes complexes pendant une longue période, et les aubes présentent souvent des défauts tels que des fissures thermiques de fatigue, des dommages de surface de petite surface (usure de l'extrémité de l'aube et dommages par corrosion) et des fractures de fatigue. Étant donné que la sécurité de la réparation des fractures de fatigue des aubes de turbine est relativement faible, elles sont généralement remplacées directement après l'apparition d'une fracture de fatigue sans réparation par soudage. Les deux types courants de défauts et les méthodes de réparation des aubes de turbine sont illustrés à la figure 3 [4]. Ce qui suit présentera respectivement les méthodes de réparation de ces deux types de défauts des aubes de turbine en alliage haute température à base de nickel.
Les méthodes de réparation par brasage et soudage en phase solide sont généralement utilisées pour réparer les défauts de fissures des aubes de turbine, notamment : le brasage sous vide, le collage par diffusion en phase liquide transitoire, le soudage par diffusion activée et les méthodes de réparation par reconditionnement par métallurgie des poudres.
Shan et al. [18] ont utilisé la méthode de brasage sous vide par faisceau pour réparer les fissures dans les pales en alliage à base de nickel ChS88 en utilisant des charges de brasage Ni-Cr-B-Si et Ni-Cr-Zr. Les résultats ont montré que par rapport au métal d'apport de brasage Ni-Cr-B-Si, le Zr dans le métal d'apport de brasage Ni-Cr-Zr n'est pas facile à diffuser, le substrat n'est pas significativement corrodé et la ténacité du joint soudé est plus élevée. L'utilisation de métal d'apport de brasage Ni-Cr-Zr peut permettre la réparation des fissures dans les pales en alliage à base de nickel ChS88. Ojo et al. [19] ont étudié les effets de la taille de l'espace et des paramètres de processus sur la microstructure et les propriétés des joints brasés par diffusion de l'alliage à base de nickel Inconel718. À mesure que la taille de l'espace augmente, l'apparition de phases dures et cassantes telles que les composés intermétalliques à base de Ni3Al et les borures riches en Ni et en Cr est la principale raison de la diminution de la résistance et de la ténacité des joints.
Français Le soudage par diffusion en phase liquide transitoire est solidifié dans des conditions isothermes et appartient à la cristallisation dans des conditions d'équilibre, ce qui est propice à l'homogénéisation de la composition et de la structure [20]. Pouranvari [21] a étudié le soudage par diffusion en phase liquide transitoire de l'alliage haute température à base de nickel Inconel718 et a constaté que la teneur en Cr dans la charge et la plage de décomposition de la matrice sont les facteurs clés affectant la résistance de la zone de solidification isotherme. Lin et al. [22] ont étudié l'influence des paramètres du processus de soudage par diffusion en phase liquide transitoire sur la microstructure et les propriétés des joints en alliage haute température à base de nickel GH99. Les résultats ont montré qu'avec l'augmentation de la température de connexion ou l'extension du temps, le nombre de borures riches en Ni et en Cr dans la zone de précipitation diminuait et la taille des grains de la zone de précipitation était plus petite. La résistance au cisaillement à la traction à température ambiante et à haute température augmentait avec l'extension du temps de maintien. À l'heure actuelle, le soudage par diffusion en phase liquide transitoire a été utilisé avec succès pour réparer de petites fissures dans les zones à faible contrainte et reconstruire les dommages causés à la pointe des pales non courbées [23-24]. Bien que le soudage par diffusion en phase liquide transitoire ait été appliqué avec succès à une variété de matériaux, il est limité à la réparation de petites fissures (environ 250μM).
Lorsque la largeur de la fissure est supérieure à 0.5 mm et que l'action capillaire est insuffisante pour combler la fissure, la réparation de la lame peut être réalisée en utilisant le soudage par diffusion activée [24]. Su et al. [25] ont utilisé la méthode de brasage par diffusion activée pour réparer la lame en alliage haute température à base de nickel In738 à l'aide du matériau de brasage DF4B et ont obtenu un joint brasé à haute résistance et résistant à l'oxydation. γ′ La phase précipitée dans le joint a un effet de renforcement et la résistance à la traction atteint 85 % du matériau parent. Le joint se brise à la position du borure riche en Cr. Hawk et al. [26] ont également utilisé le soudage par diffusion activée pour réparer la large fissure de la lame en alliage haute température à base de nickel René 108. La remise à neuf par métallurgie des poudres, en tant que méthode nouvellement développée pour la reconstruction originale de surfaces de matériaux avancés, a été largement utilisée dans la réparation des lames en alliage haute température. Elle peut restaurer et reconstruire la résistance tridimensionnelle quasi isotrope des défauts à grand écart (plus de 5 mm) tels que les fissures, l'ablation, l'usure et les trous dans les lames [27]. Liburdi, une société canadienne, a développé la méthode LPM (Liburdi powder metallurgy) pour réparer les lames en alliage à base de nickel à haute teneur en Al et Ti qui ont de faibles performances de soudage. Le processus est illustré à la figure 4 [28]. Ces dernières années, la méthode de métallurgie des poudres par laminage vertical basée sur cette méthode peut effectuer une réparation par brasage unique de défauts aussi larges que 25 mm [29].
Lorsque des rayures et des dommages dus à la corrosion se produisent sur la surface des lames en alliage haute température à base de nickel, la zone endommagée peut généralement être éliminée et rainurée par usinage, puis comblée et réparée à l'aide d'une méthode de soudage appropriée. Les recherches actuelles se concentrent principalement sur le dépôt par fusion laser et la réparation par soudage à l'arc sous argon.
Français Kim et al. [30] de l'Université du Delaware aux États-Unis ont effectué un placage au laser et une réparation par soudage manuel sur des pales en alliage à base de nickel Rene80 à haute teneur en Al et en Ti, et ont comparé les pièces ayant subi un traitement thermique après soudage avec celles ayant subi un traitement thermique après soudage et un pressage isostatique à chaud (HIP), et ont découvert que le HIP peut réduire efficacement les défauts de pores de petite taille. Liu et al. [31] de l'Université des sciences et technologies de Huazhong ont utilisé la technologie de placage au laser pour réparer les défauts de rainure et de trou dans les composants de turbine en alliage à base de nickel 718, et ont exploré les effets de la densité de puissance laser, de la vitesse de balayage laser et de la forme du placage sur le processus de réparation, comme le montre la Figure 5.
En termes de réparation par soudage à l'arc sous argon, Qu Sheng et al. [32] de China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. ont utilisé la méthode de soudage à l'arc sous argon au tungstène pour réparer les problèmes d'usure et de fissures à la pointe des aubes de turbine en alliage haute température DZ125. Les résultats montrent qu'après réparation avec des matériaux de soudage traditionnels à base de cobalt, la zone affectée par la chaleur est sujette aux fissures thermiques et la dureté de la soudure est réduite. Cependant, l'utilisation des matériaux de soudage à base de nickel MGS-1 nouvellement développés, combinés à des processus de soudage et de traitement thermique appropriés, peut éviter efficacement l'apparition de fissures dans la zone affectée par la chaleur et la résistance à la traction à 1000°Français C atteint 90 % du matériau de base. Song Wenqing et al. [33] ont mené une étude sur le processus de soudage de réparation des défauts de coulée des aubes de guidage de turbine en alliage haute température K4104. Les résultats ont montré que l'utilisation de fils de soudage HGH3113 et HGH3533 comme métaux d'apport présente une excellente formation de soudure, une bonne plasticité et une forte résistance aux fissures, tandis que lorsque le fil de soudage K4104 à teneur accrue en Zr est soudé, la fluidité du métal liquide est médiocre, la surface de soudure n'est pas bien formée et des fissures et des défauts de non-fusion se produisent. On peut voir que dans le processus de réparation des aubes, la sélection des matériaux de remplissage joue un rôle essentiel.
Les recherches actuelles sur la réparation des aubes de turbine à base de nickel ont montré que les alliages haute température à base de nickel contiennent des éléments de renforcement en solution solide tels que Cr, Mo, Al et des oligo-éléments tels que P, S et B, ce qui les rend plus sensibles aux fissures pendant le processus de réparation. Après le soudage, ils sont sujets à une ségrégation structurelle et à la formation de défauts de phase de Laves cassants. Par conséquent, les recherches ultérieures sur la réparation des alliages haute température à base de nickel nécessitent la régulation de la structure et des propriétés mécaniques de ces défauts.
Pendant le fonctionnement, les pales de ventilateur/compresseur en alliage de titane sont principalement soumises à la force centrifuge, à la force aérodynamique et à la charge vibratoire. Pendant l'utilisation, des défauts de dommages de surface (fissures, usure de l'extrémité des pales, etc.), des défauts de rupture locaux des pales en alliage de titane et des dommages de grande surface (fracture de fatigue, dommages de grande surface et corrosion, etc.) se produisent souvent, nécessitant le remplacement global des pales. Différents types de défauts et méthodes de réparation courantes sont présentés dans la figure 6. Ce qui suit présentera l'état d'avancement des recherches sur la réparation de ces trois types de défauts.
En cours de fonctionnement, les pales en alliage de titane présentent souvent des défauts tels que des fissures de surface, des rayures sur de petites surfaces et une usure des pales. La réparation de ces défauts est similaire à celle des pales de turbine à base de nickel. L'usinage est utilisé pour éliminer la zone défectueuse et le dépôt par fusion laser ou le soudage à l'arc sous argon sont utilisés pour le remplissage et la réparation.
Dans le domaine du dépôt par fusion laser, Zhao Zhuang et al. [34] de la Northwestern Polytechnical University ont mené une étude de réparation laser sur des défauts de surface de petite taille (diamètre de surface de 2 mm, défauts hémisphériques d'une profondeur de 0.5 mm) de pièces forgées en alliage de titane TC17. Les résultats ont montré que β Les cristaux en forme de colonne dans la zone de dépôt laser se sont développés par épitaxie à partir de l'interface et les limites des grains étaient floues. La forme d'aiguille d'origine α lattes et secondaires α Les phases dans la zone affectée par la chaleur ont grandi et grossi. Comparés aux échantillons forgés, les échantillons réparés au laser présentaient les caractéristiques d'une résistance élevée et d'une faible plasticité. La résistance à la traction est passée de 1077.7 MPa à 1146.6 MPa et l'allongement a diminué de 17.4 % à 11.7 %. Pan Bo et al. [35] ont utilisé la technologie de revêtement laser à alimentation coaxiale de poudre pour réparer à plusieurs reprises les défauts préfabriqués en forme de trou circulaire de l'alliage de titane ZTC4. Les résultats ont montré que le processus de changement de microstructure du matériau parent à la zone réparée était lamellaire α phase et intergranulaire β phase → structure en panier → martensite → Structure de Widmanstätten. La dureté de la zone affectée par la chaleur a légèrement augmenté avec l'augmentation du nombre de réparations, tandis que la dureté du matériau de base et de la couche de revêtement n'a pas beaucoup changé.
Les résultats montrent que la zone de réparation et la zone affectée par la chaleur avant le traitement thermique sont en forme d'aiguilles ultrafines α phase distribuée dans le β matrice de phase et la zone du matériau de base est une structure de panier fine. Après traitement thermique, la microstructure de chaque zone est primaire en forme de latte α phase + β structure de transformation de phase et la longueur du primaire α La phase de réparation est nettement plus importante que dans les autres zones. La limite de fatigue à cycle élevé de la pièce à réparer est de 490 MPa, ce qui est supérieur à la limite de fatigue du matériau de base. La chute extrême est d'environ 7.1 %. Le soudage manuel à l'arc sous argon est également couramment utilisé pour réparer les fissures de surface des pales et l'usure des pointes. Son inconvénient est que l'apport de chaleur est important et que les réparations sur de grandes surfaces sont sujettes à des contraintes thermiques importantes et à des déformations de soudage [37].
Les recherches actuelles montrent que, que la réparation soit effectuée par dépôt par fusion laser ou par soudage à l'arc sous argon, la zone de réparation présente les caractéristiques d'une résistance élevée et d'une faible plasticité, et les performances de fatigue de la lame sont facilement réduites après la réparation. La prochaine étape de la recherche devrait se concentrer sur la manière de contrôler la composition de l'alliage, d'ajuster les paramètres du processus de soudage et d'optimiser les méthodes de contrôle du processus pour réguler la microstructure de la zone de réparation, obtenir une correspondance de résistance et de plasticité dans la zone de réparation et garantir ses excellentes performances de fatigue.
Français Il n'y a pas de différence essentielle entre la réparation des défauts de dommages aux pales de rotor en alliage de titane et la technologie de fabrication additive de pièces solides tridimensionnelles en alliage de titane en termes de processus. La réparation peut être considérée comme un processus de fabrication additive par dépôt secondaire sur la section de fracture et la surface locale avec les pièces endommagées comme matrice, comme le montre la figure 7. Selon les différentes sources de chaleur, elle est principalement divisée en réparation additive au laser et réparation additive à l'arc. Il convient de noter que ces dernières années, le centre de recherche collaborative allemand 871 a fait de la technologie de réparation additive à l'arc un axe de recherche pour la réparation des pales intégrales en alliage de titane[38], et a amélioré les performances de réparation en ajoutant des agents de nucléation et d'autres moyens[39].
Dans le domaine de la réparation additive au laser, Gong Xinyong et al. [40] ont utilisé de la poudre d'alliage TC11 pour étudier le processus de réparation par dépôt par fusion laser de l'alliage de titane TC11. Après réparation, la zone de dépôt de l'échantillon à paroi mince et la zone de refusion de l'interface présentaient des caractéristiques de structure Widmanstatten typiques, et la structure de la zone affectée par la chaleur de la matrice est passée de la structure Widmanstatten à la structure à double état. La résistance à la traction de la zone de dépôt était d'environ 1200 MPa, ce qui était supérieur à celui de la zone de transition de l'interface et de la matrice, tandis que la plasticité était légèrement inférieure à celle de la matrice. Les spécimens de traction étaient tous cassés à l'intérieur de la matrice. Enfin, le rotor réel a été réparé par la méthode de dépôt par fusion point par point, a réussi l'évaluation du test à super vitesse et a réalisé l'application d'installation. Bian Hongyou et al. [41] ont utilisé la poudre TA15 pour étudier la réparation additive au laser de l'alliage de titane TC17 et ont exploré les effets de différentes températures de traitement thermique de recuit (610℃630℃ 650℃) sur sa microstructure et ses propriétés. Les résultats ont montré que la résistance à la traction de l'alliage TA15/TC17 déposé réparé par dépôt laser peut atteindre 1029 MPa, mais la plasticité est relativement faible, seulement 4.3 %, atteignant respectivement 90.2 % et 61.4 % des pièces forgées TC17. Après traitement thermique à différentes températures, la résistance à la traction et la plasticité sont considérablement améliorées. Lorsque la température de recuit est de 650℃, la résistance à la traction la plus élevée est de 1102 MPa, atteignant 98.4 % des pièces forgées TC17, et l'allongement après rupture est de 13.5 %, ce qui est considérablement amélioré par rapport à l'état déposé.
Français Dans le domaine de la réparation additive par arc, Liu et al. [42] ont mené une étude de réparation sur un échantillon simulé d'une lame en alliage de titane TC4 manquante. Une morphologie de grain mixte de cristaux équiaxes et de cristaux colonnaires a été obtenue dans la couche déposée, avec une résistance à la traction maximale de 991 MPa et un allongement de 10 %. Zhuo et al. [43] ont utilisé un fil de soudage TC11 pour mener une étude de réparation additive par arc sur l'alliage de titane TC17 et ont analysé l'évolution microstructurelle de la couche déposée et de la zone affectée par la chaleur. La résistance à la traction était de 1015.9 MPa dans des conditions non chauffées et l'allongement était de 14.8 %, avec de bonnes performances globales. Chen et al. [44] ont étudié les effets de différentes températures de recuit sur la microstructure et les propriétés mécaniques des échantillons de réparation en alliage de titane TC11/TC17. Les résultats ont montré qu’une température de recuit plus élevée était bénéfique pour améliorer l’allongement des échantillons réparés.
La recherche sur l'utilisation de la technologie de fabrication additive métallique pour réparer les défauts de dommages locaux dans les pales en alliage de titane n'en est qu'à ses débuts. Les pales réparées doivent non seulement prêter attention aux propriétés mécaniques de la couche déposée, mais l'évaluation des propriétés mécaniques à l'interface des pales réparées est également cruciale.
Afin de simplifier la structure du rotor du compresseur et de réduire le poids, les aubes de moteurs d'avion modernes adoptent souvent une structure de disque à aubes intégrée, qui est une structure monobloc qui transforme les aubes de travail et les disques à aubes en une structure intégrée, éliminant le tenon et la mortaise. Tout en atteignant l'objectif de réduction de poids, elle peut également éviter l'usure et la perte aérodynamique du tenon et de la mortaise dans la structure conventionnelle. La réparation des dommages de surface et des défauts de dommages locaux du disque à aubes intégré du compresseur est similaire à la méthode de réparation des aubes séparées mentionnée ci-dessus. Pour la réparation des pièces cassées ou manquantes du disque à aubes intégré, le soudage par friction linéaire est largement utilisé en raison de sa méthode de traitement et de ses avantages uniques. Son processus est illustré à la figure 8 [45].
Mateo et al. [46] ont utilisé le soudage par friction linéaire pour simuler la réparation de l'alliage de titane Ti-6246. Les résultats ont montré que le même dommage réparé jusqu'à trois fois présentait une zone affectée par la chaleur plus étroite et une structure de grain de soudure plus fine. La résistance à la traction a diminué de 1048 MPa à 1013 MPa avec l'augmentation du nombre de réparations. Cependant, les échantillons de traction et de fatigue ont été cassés dans la zone du matériau de base éloignée de la zone de soudure.
Ma et al. [47] ont étudié les effets de différentes températures de traitement thermique (530°C + 4h de refroidissement par air, 610°C + 4h de refroidissement par air, 670°C + 4h de refroidissement par air) sur â € <â € <la microstructure et les propriétés mécaniques des joints soudés par friction linéaire en alliage de titane TC17. Les résultats montrent qu'à mesure que la température de traitement thermique augmente, le degré de recristallisation de α phase et β La phase de rupture augmente considérablement. Le comportement à la rupture des éprouvettes de traction et d'impact est passé d'une rupture fragile à une rupture ductile. Après traitement thermique à 670°C, l'échantillon de traction s'est fracturé dans le matériau de base. La résistance à la traction était de 1262 MPa, mais l'allongement n'était que de 81.1 % du matériau de base.
Actuellement, des recherches nationales et étrangères montrent que la technologie de réparation par soudage par friction linéaire a la fonction d'oxydes autonettoyants, qui peuvent éliminer efficacement les oxydes sur la surface de liaison sans défauts métallurgiques causés par la fusion. En même temps, elle peut réaliser la connexion de matériaux hétérogènes pour obtenir des disques de lame intégrés à double alliage/double performance, et peut réaliser la réparation rapide des fractures du corps de lame ou des pièces manquantes de disques de lame intégrés constitués de différents matériaux [38]. Cependant, il reste encore de nombreux problèmes à résoudre dans l'utilisation de la technologie de soudage par friction linéaire pour réparer les disques de lame intégrés, tels que les contraintes résiduelles importantes dans les joints et la difficulté de contrôler la qualité des connexions de matériaux hétérogènes. Dans le même temps, le procédé de soudage par friction linéaire pour les nouveaux matériaux doit être exploré plus avant.
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