Tehnologija popravka i ponovne proizvodnje za lopatice turbina zrakoplovnih motora i lopatice ventilatora/kompresora

Lopatice motora zrakoplova dugo su u složenom i teškom radnom okruženju i sklone su raznim vrstama oštećenja. Skupo je zamijeniti oštrice, a istraživanje o tehnologiji popravka i ponovne proizvodnje oštrica ima golemu ekonomsku korist. Lopatice motora zrakoplova uglavnom se dijele u dvije kategorije: lopatice turbine i lopatice ventilatora/kompresora. Lopatice turbine obično koriste visokotemperaturne legure na bazi nikla, dok lopatice ventilatora/kompresora uglavnom koriste legure titana, a neke koriste visokotemperaturne legure na bazi nikla. Razlike u materijalima i radnom okruženju lopatica turbine i lopatica ventilatora/kompresora rezultiraju različitim uobičajenim vrstama oštećenja, što rezultira različitim metodama popravka i pokazateljima učinka koje je potrebno postići nakon popravka. Ovaj rad analizira i raspravlja o metodama popravka i ključnim tehnologijama koje se trenutno koriste za dvije vrste uobičajenih oštećenja na lopaticama motora zrakoplova, s ciljem pružanja teorijske osnove za postizanje visokokvalitetnog popravka i ponovne proizvodnje lopatica motora zrakoplova.

U zrakoplovnim motorima, lopatice rotora turbine i ventilatora/kompresora izložene su dugotrajnim teškim uvjetima kao što su centrifugalna opterećenja, toplinski stres i korozija, te imaju iznimno visoke zahtjeve za performansama. Navedeni su kao jedna od najvažnijih komponenti u proizvodnji zrakoplovnih motora, a njihova proizvodnja čini više od 30% posla cjelokupne proizvodnje motora [1-3]. Budući da su dulje vrijeme u teškom i složenom radnom okruženju, lopatice rotora su sklone kvarovima kao što su pukotine, trošenje vrhova lopatica i oštećenja od loma. Trošak popravka oštrica je samo 20% cijene proizvodnje cijele oštrice. Stoga istraživanje o tehnologiji popravka lopatica motora zrakoplova pogoduje produljenju radnog vijeka lopatica, smanjenju troškova proizvodnje i ima velike ekonomske koristi.

Popravak i ponovna proizvodnja lopatica motora zrakoplova uglavnom uključuje sljedeća četiri koraka [4]: ​​prethodnu obradu lopatica (uključujući čišćenje lopatica [5], trodimenzionalni pregled i geometrijsku rekonstrukciju [6]-7], itd.); taloženje materijala (uključujući korištenje napredne tehnologije zavarivanja i spajanja za dovršetak punjenja i nakupljanja materijala koji nedostaju [8]-10], toplinska obrada oporavka performansi [11-13], itd.); obnavljanje oštrice (uključujući metode strojne obrade kao što su brušenje i poliranje [14]); tretman nakon popravka (uključujući površinski premaz [15-16] i tretman ojačanja [17], itd.), kao što je prikazano na slici 1. Među njima, taloženje materijala je ključno za osiguranje mehaničkih svojstava oštrice nakon popravka. Glavne komponente i materijali lopatica motora zrakoplova prikazani su na slici 2. Za različite materijale i različite oblike grešaka, odgovarajuće istraživanje metode popravka je osnova za postizanje visokokvalitetnog popravka i ponovne izrade oštećenih lopatica. Ovaj rad kao objekte uzima turbinske lopatice od visokotemperaturne legure na bazi nikla i lopatice ventilatora/kompresora od legure titana, raspravlja i analizira metode popravka i ključne tehnologije koje se koriste za različite vrste oštećenja lopatica motora zrakoplova u ovoj fazi, te objašnjava njihove prednosti i nedostatke.

1. Metoda popravka lopatica turbine od visokotemperaturne legure na bazi nikla

Lopatice turbine od visokotemperaturne legure na bazi nikla rade u okruženju visokotemperaturnog plina izgaranja i složenog naprezanja dugo vremena, a lopatice često imaju nedostatke kao što su toplinske pukotine nastale zamorom, oštećenje površine male površine (istrošenost vrha lopatice i oštećenje od korozije) i lomovi uslijed zamora. Budući da je sigurnost popravka loma uslijed zamora turbinskih lopatica relativno niska, one se općenito zamjenjuju neposredno nakon što dođe do loma uslijed zamora bez popravka zavarivanjem. Dvije uobičajene vrste kvarova i metode popravka turbinskih lopatica prikazane su na slici 3 [4]. U nastavku će biti predstavljene metode popravka ove dvije vrste defekata turbinskih lopatica od visokotemperaturne legure na bazi nikla.

1.1 Popravak pukotina lopatica turbine od superlegure na bazi nikla

Metode popravka lemljenjem i zavarivanjem u čvrstoj fazi općenito se koriste za popravak defekata napuknuća lopatica turbine, uglavnom uključujući: lemljenje u vakuumu, prolazno spajanje difuzijom tekuće faze, zavarivanje aktiviranom difuzijom i metode popravka metalurgije praha.

Shan i sur. [18] koristio je metodu vakuumskog lemljenja snopom za popravak pukotina u oštricama od legure na bazi nikla ChS88 koristeći Ni-Cr-B-Si i Ni-Cr-Zr punila za lemljenje. Rezultati su pokazali da u usporedbi s Ni-Cr-B-Si dodatnim metalom za tvrdo lemljenje, Zr u Ni-Cr-Zr tvrdom dodatnom metalu nije lako difuzirati, podloga nije značajno korodirana, a žilavost zavarenog spoja je veća. Upotrebom Ni-Cr-Zr tvrdog tvrdog dodatka može se postići popravak pukotina u ChS88 noževima od legure na bazi nikla. Ojo i sur. [19] proučavali su učinke veličine raspora i procesnih parametara na mikrostrukturu i svojstva difuzijski lemljenih spojeva Inconel718 legure na bazi nikla. Kako se veličina raspora povećava, pojava tvrdih i krhkih faza kao što su intermetalni spojevi na bazi Ni3Al i boridi bogati Ni i Cr glavni su razlog za smanjenje čvrstoće i žilavosti spojeva.

Prijelazno zavarivanje difuzijom tekuće faze skrućuje se u izotermnim uvjetima i pripada kristalizaciji u ravnotežnim uvjetima, što pogoduje homogenizaciji sastava i strukture [20]. Pouranvari [21] proučavao je tranzijentno zavarivanje difuzijom tekuće faze visokotemperaturne legure na bazi nikla Inconel718 i otkrio da su sadržaj Cr u punilu i raspon razgradnje matrice ključni čimbenici koji utječu na čvrstoću izotermne zone skrućivanja. Lin i sur. [22] proučavali su utjecaj parametara procesa difuzijskog zavarivanja prijelazne tekuće faze na mikrostrukturu i svojstva spojeva visokotemperaturnih legura na bazi nikla GH99. Rezultati su pokazali da se s porastom temperature veze ili produljenjem vremena smanjuje broj borida bogatih Ni i Cr u taložnoj zoni, a veličina zrna taložne zone je manja. Sobna temperatura i vlačna smična čvrstoća na visokoj temperaturi porasle su s produljenjem vremena držanja. Trenutačno se prijelazno zavarivanje difuzijom tekuće faze uspješno koristi za popravak malih pukotina u područjima niskog naprezanja i obnovu oštećenja vrha neokrunjenih lopatica [23].-24]. Iako je prolazno zavarivanje difuzijom tekuće faze uspješno primijenjeno na razne materijale, ograničeno je na popravak malih pukotina (oko 250μm).

Kada je širina pukotine veća od 0.5 mm, a kapilarno djelovanje nije dovoljno za popunjavanje pukotine, popravak lopatice može se postići korištenjem aktiviranog difuzijskog zavarivanja [24]. Su i sur. [25] koristili su metodu lemljenja s aktiviranom difuzijom za popravak oštrice od visokotemperaturne legure In738 na bazi nikla korištenjem materijala za lemljenje DF4B i dobili lemljeni spoj visoke čvrstoće otporan na oksidaciju. The γ′ faza istaložena u spoju ima učinak ojačavanja, a vlačna čvrstoća doseže 85% osnovnog materijala. Spoj puca na mjestu borida bogatog Crom. Hawk i sur. [26] također su koristili aktivirano difuzijsko zavarivanje za popravak široke pukotine René 108 oštrice od visokotemperaturne legure na bazi nikla. Obnova metalurgije praha, kao novorazvijena metoda za izvornu rekonstrukciju naprednih površina materijala, naširoko se koristi u popravku oštrica visokotemperaturnih legura. Može obnoviti i rekonstruirati trodimenzionalnu gotovo izotropnu čvrstoću defekata velikih razmaka (više od 5 mm) kao što su pukotine, ablacija, istrošenost i rupe u oštricama [27]. Liburdi, kanadska tvrtka, razvila je LPM (Liburdi metalurgija praha) metodu za popravak noževa od legure na bazi nikla s visokim sadržajem Al i Ti koji imaju loše performanse zavarivanja. Proces je prikazan na slici 4 [28]. Posljednjih godina, metoda vertikalne laminacije metalurgije praha koja se temelji na ovoj metodi može izvesti jednokratni popravak lemljenjem defekata širokih do 25 mm [29].

1.2 popravak oštećenja površine lopatica turbine od visokotemperaturne legure na bazi nikla

Kada se na površini oštrica od visokotemperaturne legure na bazi nikla pojave ogrebotine male površine i oštećenja od korozije, oštećeno područje obično se može ukloniti i užlijebiti strojnom obradom, a zatim ispuniti i popraviti odgovarajućom metodom zavarivanja. Trenutno se istraživanje uglavnom usredotočuje na lasersko taloženje i popravak zavarivanjem argonom.

Kim i sur. [30] sa Sveučilišta Delaware u Sjedinjenim Državama izveo je lasersko oblaganje i ručni popravak zavarivanjem na noževima od legure na bazi nikla Rene80 s visokim sadržajem Al i Ti, te usporedio izratke koji su bili podvrgnuti toplinskoj obradi nakon zavarivanja s onima koji su bili podvrgnuti toplinskoj obradi nakon zavarivanja i vrućem izostatičkom prešanju (HIP), te je otkrio da HIP može učinkovito smanjiti defekte malih pora. Liu i sur. [31] sa Sveučilišta za znanost i tehnologiju Huazhong koristio je tehnologiju laserske obloge za popravak defekata utora i rupa u komponentama turbine od legure na bazi nikla 718 i istražio je učinke gustoće snage lasera, brzine laserskog skeniranja i oblika obloge na proces popravka, kao što je prikazano na slici 5.

Što se tiče popravka zavarivanjem argonskim lukom, Qu Sheng et al. [32] iz China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. koristio je metodu zavarivanja volframovim argonskim lukom za popravak problema s trošenjem i pukotinama na vrhu lopatica turbine od visokotemperaturne legure DZ125. . Rezultati pokazuju da je nakon popravka s tradicionalnim materijalima za zavarivanje na bazi kobalta, zona zahvaćena toplinom sklona toplinskim pukotinama, a tvrdoća zavara smanjena. Međutim, upotrebom novorazvijenih materijala za zavarivanje na bazi nikla MGS-1, u kombinaciji s odgovarajućim postupcima zavarivanja i toplinske obrade, može se učinkovito izbjeći pojava pukotina u zoni utjecaja topline, a vlačna čvrstoća na 1000°C doseže 90% osnovnog materijala. Song Wenqing i sur. [33] proveli su studiju o postupku popravka zavarivanja grešaka u lijevanju lopatica turbina od visokotemperaturne legure K4104. Rezultati su pokazali da upotreba žica za zavarivanje HGH3113 i HGH3533 kao metala za punjenje ima izvrsnu formaciju zavara, dobru plastičnost i jaku otpornost na pukotine, dok se korištenjem žice za zavarivanje K4104 s povećanim sadržajem Zr zavariva, tečnost tekućeg metala je loša, površina zavara nije dobro oblikovana, a pojavljuju se pukotine i netaljeni nedostaci. Može se vidjeti da u procesu popravka oštrice izbor materijala za punjenje igra vitalnu ulogu.

Trenutna istraživanja popravka turbinskih lopatica na bazi nikla pokazala su da visokotemperaturne legure na bazi nikla sadrže ojačavajuće elemente u čvrstoj otopini kao što su Cr, Mo, Al i elemente u tragovima kao što su P, S i B, koji ih čine osjetljivijima na pukotine tijekom procesa popravka. Nakon zavarivanja skloni su strukturnoj segregaciji i stvaranju krhkih defekata Lavesove faze. Stoga naknadna istraživanja popravka visokotemperaturnih legura na bazi nikla zahtijevaju reguliranje strukture i mehaničkih svojstava takvih nedostataka.

2 Metoda popravka lopatica ventilatora/kompresora od legure titana

Tijekom rada, lopatice ventilatora/kompresora od legure titana uglavnom su izložene centrifugalnoj sili, aerodinamičkoj sili i opterećenju vibracijama. Tijekom uporabe često se javljaju površinska oštećenja (pukotine, istrošenost vrha noža itd.), lokalni defekti loma noževa od legure titana i oštećenja velikih površina (lom od zamora, oštećenje velikih površina i korozija itd.), što zahtijeva potpunu zamjenu noževa. Različite vrste kvarova i uobičajeni načini popravka prikazani su na slici 6. Sljedeće će predstaviti status istraživanja popravka ove tri vrste kvarova.

2.1 Popravak oštećenja na površini oštrice od legure titana

Tijekom rada, oštrice od legure titana često imaju nedostatke kao što su površinske pukotine, ogrebotine male površine i istrošenost oštrice. Popravak takvih nedostataka sličan je popravljanju turbinskih lopatica na bazi nikla. Strojna obrada koristi se za uklanjanje neispravnog područja, a lasersko taloženje ili zavarivanje argonom za punjenje i popravak.

U području taloženja laserskim taljenjem, Zhao Zhuang et al. [34] sa Northwestern Polytechnical University proveo je studiju laserskog popravka površinskih defekata male veličine (površinski promjer 2 mm, polukuglasti defekti dubine 0.5 mm) otkivaka od legure titana TC17. Rezultati su to pokazali β stupčasti kristali u zoni laserskog taloženja rasli su epitaksijalno od sučelja i granice zrna bile su zamagljene. Izvorni igličasti α letvice i sekundarne α faze u zoni utjecaja topline rasle su i ogrubljele. U usporedbi s kovanim uzorcima, laserski popravljeni uzorci imali su karakteristike visoke čvrstoće i niske plastičnosti. Vlačna čvrstoća se povećala sa 1077.7 MPa na 1146.6 MPa, a istezanje se smanjilo sa 17.4% na 11.7%. Pan Bo i sur. [35] su mnogo puta koristili tehnologiju laserskog oblaganja s koaksijalnim punjenjem praha za popravak montažnih defekata u obliku kružne rupe ZTC4 legure titana. Rezultati su pokazali da je proces promjene mikrostrukture od matičnog materijala do popravljenog područja bio lamelaran α fazni i intergranularni β faza → basketweave struktura → martenzit → Widmanstattenova struktura. Tvrdoća zone utjecaja topline neznatno se povećala s povećanjem broja popravaka, dok se tvrdoća osnovnog materijala i sloja obloge nije bitno promijenila.

Rezultati pokazuju da su zona popravka i zona pod utjecajem topline prije toplinske obrade vrlo tanke igle α faza raspoređena u β fazna matrica, a zona osnovnog materijala je fina košarasta struktura. Nakon toplinske obrade, mikrostruktura svakog područja je primarna letvičasta α faza + β fazna transformacijska struktura, te duljina primarne α faza u području popravka znatno je veća od one u drugim područjima. Visokociklična granica zamora dijela za popravak je 490 MPa, što je više od granice zamora osnovnog materijala. Ekstremni pad je oko 7.1%. Ručno zavarivanje argonom također se često koristi za popravak pukotina na površini oštrice i istrošenosti vrha. Nedostatak mu je što je unos topline velik, a popravci velikih površina podložni su velikom toplinskom naprezanju i deformacijama zavarivanjem [37].

Trenutna istraživanja pokazuju da bez obzira na to koristi li se za popravak lasersko taloženje ili argonsko zavarivanje, područje popravka ima značajke visoke čvrstoće i niske plastičnosti, a učinak zamora oštrice lako se smanjuje nakon popravka. Sljedeći korak istraživanja trebao bi se usredotočiti na to kako kontrolirati sastav legure, prilagoditi parametre procesa zavarivanja i optimizirati metode upravljanja procesom kako bi se regulirala mikrostruktura područja popravka, postigla usklađenost čvrstoće i plastičnosti u području popravka i osigurala njegova izvrsna izvedba zamora.

2.2 Popravak lokalnih oštećenja noževa od legure titana

Ne postoji bitna razlika između popravka oštećenja lopatica rotora od legure titana i tehnologije aditivne proizvodnje trodimenzionalnih čvrstih dijelova od legure titana u smislu procesa. Popravak se može smatrati procesom proizvodnje aditiva sekundarnog taloženja na dijelu loma i lokalnoj površini s oštećenim dijelovima kao matricom, kao što je prikazano na slici 7. Prema različitim izvorima topline, uglavnom se dijeli na popravak aditiva laserom i popravak aditiva za luk. Vrijedno je napomenuti da je posljednjih godina njemački 871 Collaborative Research Center tehnologiju aditivnih popravka luka stavio u središte istraživanja za popravak integralnih lopatica od legure titana[38], te je poboljšao učinak popravka dodavanjem sredstava za nukleaciju i drugih sredstava[39].

U području popravka laserskih aditiva, Gong Xinyong et al. [40] koristili su prah legure TC11 za proučavanje procesa popravka taloženja laserom taljenjem legure titana TC11. Nakon popravka, područje taloženja od uzorak tankih stijenki i područje ponovnog taljenja sučelja imali su tipične karakteristike Widmanstattenove strukture, a struktura zone pod utjecajem topline matrice prešla je iz Widmanstattenove strukture u strukturu dvostrukog stanja. Vlačna čvrstoća područja taloženja iznosila je oko 1200 MPa, što je više od one prijelazne zone sučelja i matrice, dok je plastičnost bila nešto niža od plastičnosti matrice. Svi vlačni uzorci bili su slomljeni unutar matrice. Konačno, stvarni impeler je popravljen metodom taloženja taljenjem od točke do točke, prošao je ocjenu testa super brzine i realizirao primjenu instalacije. Bian Hongyou i sur. [41] koristio je prah TA15 za proučavanje laserskog aditivnog popravka legure titana TC17 i istraživao učinke različitih temperatura toplinske obrade žarenja (610℃, 630℃ i 650℃) na njegovu mikrostrukturu i svojstva. Rezultati su pokazali da vlačna čvrstoća nataložene legure TA15/TC17 popravljene laserskim taloženjem može doseći 1029 MPa, ali je plastičnost relativno niska, samo 4.3%, dosežući 90.2% odnosno 61.4% otkivaka TC17. Nakon toplinske obrade na različitim temperaturama, vlačna čvrstoća i plastičnost se značajno poboljšavaju. Kada je temperatura žarenja 650℃, najveća vlačna čvrstoća je 1102MPa, dostižući 98.4% otkovaka TC17, a istezanje nakon loma je 13.5%, što je značajno poboljšano u usporedbi s taloženim stanjem.

U području aditivnih popravka luka, Liu et al. [42] proveli su studiju popravka na simuliranom primjerku oštrice od legure titana TC4 koja nedostaje. Mješovita morfologija zrna jednakoosnih kristala i stupčastih kristala dobivena je u taloženom sloju, s maksimalnom vlačnom čvrstoćom od 991 MPa i istezanjem od 10%. Zhuo i sur. [43] koristili su žicu za zavarivanje TC11 za provođenje studije popravka aditiva za luk na leguri titana TC17 i analizirali evoluciju mikrostrukture nataloženog sloja i zone pod utjecajem topline. Vlačna čvrstoća bila je 1015.9 MPa u uvjetima bez zagrijavanja, a istezanje je bilo 14.8%, uz dobre sveobuhvatne performanse. Chen i sur. [44] proučavali su učinke različitih temperatura žarenja na mikrostrukturu i mehanička svojstva uzoraka za popravak TC11/TC17 legure titana. Rezultati su pokazali da je viša temperatura žarenja bila korisna za poboljšanje istezanja popravljenih uzoraka.

Istraživanje o korištenju proizvodne tehnologije s dodacima metala za popravak lokalnih oštećenja na oštricama od legure titana tek je u povojima. Popravljene lopatice ne samo da trebaju obratiti pozornost na mehanička svojstva nanesenog sloja, već je jednako važna i procjena mehaničkih svojstava na sučelju popravljenih lopatica.

3 Oštrice od legure titana s velikim oštećenjima Zamjena i popravak oštrica

Kako bi se pojednostavila struktura rotora kompresora i smanjila težina, lopatice modernih zrakoplovnih motora često imaju integralnu strukturu diska s lopaticama, što je jednodijelna struktura koja čini radne lopatice i diskove s lopaticama integralnom strukturom, eliminirajući klin i utor. Iako postiže svrhu smanjenja težine, također može izbjeći trošenje i aerodinamički gubitak klina i utora u konvencionalnoj strukturi. Popravak oštećenja površine i defekata lokalnog oštećenja integralnog diska lopatica kompresora sličan je gore navedenoj metodi zasebnog popravka lopatica. Za popravak slomljenih ili nedostajućih dijelova integralnog diska s noževima, linearno zavarivanje trenjem široko se koristi zbog svoje jedinstvene metode obrade i prednosti. Njegov proces prikazan je na slici 8 [45].

Mateo i sur. [46] koristili su linearno zavarivanje trenjem za simulaciju popravka Ti-6246 legure titana. Rezultati su pokazali da ista oštećenja popravljana do tri puta imaju užu zonu utjecaja topline i finiju strukturu zrna zavara. Vlačna čvrstoća se smanjila s 1048 MPa na 1013 MPa s povećanjem broja popravaka. Međutim, i vlačni i zamorni uzorci su slomljeni u području osnovnog materijala dalje od područja zavara.

Ma et al. [47] proučavali su učinke različitih temperatura toplinske obrade (530°C + 4h hlađenje zrakom, 610°C + 4h hlađenje zrakom, 670°C + 4h hlađenje zrakom) uključeno ​​mikrostruktura i mehanička svojstva linearnih tarnih zavarenih spojeva od legure titana TC17. Rezultati pokazuju da s povećanjem temperature toplinske obrade, stupanj rekristalizacije α faza i β faza značajno raste. Ponašanje pri lomu vlačnih i udarnih uzoraka promijenilo se od krtog loma do duktilnog loma. Nakon toplinske obrade na 670°C, vlačni uzorak slomljen u osnovnom materijalu. Vlačna čvrstoća bila je 1262 MPa, ali istezanje je bilo samo 81.1% osnovnog materijala.

Trenutačno domaća i strana istraživanja pokazuju da tehnologija popravka linearnog zavarivanja trenjem ima funkciju samočišćenja oksida, koji može učinkovito ukloniti okside na površini za spajanje bez metalurških nedostataka uzrokovanih topljenjem. U isto vrijeme, može ostvariti povezivanje heterogenih materijala za dobivanje integralnih diskova s ​​dvostrukim legurama/dvostrukim performansama i može dovršiti brzi popravak lomova tijela noža ili nedostajućih dijelova integralnih diskova s ​​oštricama izrađenih od različitih materijala [38]. Međutim, još uvijek postoje mnogi problemi koje treba riješiti u korištenju tehnologije linearnog zavarivanja trenjem za popravak integralnih diskova s ​​oštricama, kao što su velika zaostala naprezanja u spojevima i poteškoće u kontroli kvalitete spojeva heterogenih materijala. U isto vrijeme, postupak linearnog zavarivanja trenjem za nove materijale treba dalje istraživati.

Kontaktirajte nas

Zahvaljujemo na interesu za našu tvrtku! Kao profesionalna tvrtka za proizvodnju dijelova plinskih turbina, nastavit ćemo biti predani tehnološkim inovacijama i poboljšanju usluga, kako bismo pružili više kvalitetnih rješenja za kupce širom svijeta. Ako imate bilo kakvih pitanja, prijedloga ili namjera suradnje, mi smo više od rado ću ti pomoći. Molimo kontaktirajte nas na sljedeće načine:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

E-mail:[email protected]