Svarivačka popravka i tehnologija remanufakture za lopaticе avijskih motornih turbine i ventilatora/kompressor lopaticе

Lopatica na letarskom motoru radi dugo vrijeme u složenom i ostru radnoj atmosferi, što ju čini podložnom različitim vrstama štete i defekata. Zamjena lopatica je skupa, a istraživanje o regeneraciji i remanufakturi lopatica donosi ogromne ekonomske prednosti. Lopatice na letarskim motorima dijele se uglavnom na dvije kategorije: turbine lopatice i ventilatorske/skrobijske lopatice. Turbine lopatice obično koriste nikl-bazirane visokotemprature alađe, dok ventilatorske/skrobijske lopatice uglavnom koriste titanove alađe, a neke i nikl-bazirane visokotemprature alađe. Razlike u materijalima i radnim uvjetima između turbine lopatica i ventilatorskih/skrobijskih lopatica uzrokuju različite obične vrste štete, što rezultira različitim popravcima i performansama koje treba postići nakon popravke. Ovaj rad analizira i raspravlja o metodom popravke i ključnim tehnologijama trenutno korištenim za dvije vrste običnih štetnih defekata na lopaticama letarskih motora, s ciljem pružiti teoretsku osnovu za postizanje visokokvalitetne regeneracije i remanufakture lopatica letarskih motora.

U motornim motorima, krovne ploče i rotorske lisice turbine i ventilatora/kompresora podvrgavaju se dugoročnim neugodnim uvjetima poput centrifugalnih opterećenja, topline i korozije, a imaju izuzetno visoke performanse. Navedeni su kao jedan od najjezivijih komponenata u proizvodnji motornih motora, a njihova proizvodnja čini preko 30% posla cijele proizvodnje motora [1 –3]. Budući da se nalaze u teškom i složenom radnom okruženju tijekom duga vremena, rotorske lisice su podložne napastima poput traganja, nošenja na vrhu lisice i lomskoj šteti. Cijena popravke lisica iznosi samo 20% cijene proizvodnje cjelokupne lisice. Stoga, istraživanje tehnologije popravke lisica za motorna zrakoplova dopušta produživanje životnog vijeka lisica, smanjuje troškove proizvodnje i ima ogromne ekonomske prednosti.

Popravak i ponovno proizvodnja lopatica motornog sredstva zrakoplova uglavnom uključuje sljedeće četiri koraka [4]: preliminarna obrada lopatica (uključujući čišćenje lopatica [5], trodimenzionalnu inspekciju i geometrijsku rekonstrukciju [6 –7], itd.); odlaganje materijala (uključujući korištenje naprednih tehnologija za sudarenje i spojivanje kako bi se dovršio popunjavanje i akumulacija nedostajućih materijala [8 –10], toplinska obrada za oporavak performansi [11 –13], itd.); obnova lopatica (uključujući načine obrade kao što su šljifanje i poliranje [14]); poslijedobna obrada (uključujući površinsko oblaganje [15] –16] i poboljšanje obrade [17], itd.), kao što je prikazano na slici 1. Među njima, deposicija materijala ključna je za osiguravanje mehaničkih svojstava lopatica nakon popravke. Glavni sastojci i materijali lopatica letskih motora prikazani su na slici 2. Za različite materijale i različite oblike defekata, proučavanje odgovarajućih metoda popravke je temelj postizanja visokokvalitetne popravke i remanufakture oštećenih lopatica. Ovaj članak uzima nikl-temperaturne alije turbinskih lopatica i titan-alije ventilatorskih/sažimnih lopatica kao objekte, raspravlja i analizira metode popravke i ključne tehnologije koje se koriste za različite vrste oštećenja lopatica letskog motora u ovom trenutku, te objašnjava njihove prednosti i mane.

1. Metoda popravke nikl-temperaturnih alija turbinskih lopatica

Listovi turbine od niklowih visotemperaturnih spojeva rade u okruženju visokotemperaturne gase iz gorjenja i složene napone dugo vrijeme, a listovi često imaju defektnost poput umornih toplinskih traganja, malopovršinske štete (nošnja na vrhu lista i korozija), te umorne lomove. Budući da je sigurnost popravka umornog loma turbinskih listova relativno niska, oni se općenito neposredno zamijene nakon što dođe do umornog loma, bez da se provodi varivački popravak. Dva obična vrsta defekata i metode popravka turbinskih listova prikazana su na slici 3 [4]. U nastavku će se predstaviti metode popravka ovih dvaju vrsta defekata kod listova turbline od niklowih visotemperaturnih spojeva.

1.1 Popravak traga na listovima turbline od niklowih superalija

Metode spajanja i repariranja čvrstofaznog spajanja općenito se koriste za popravak naprijeda na lopaticama turbine, glavno uključujući: vakuumsko spajanje, difuzno spajanje prijelazne tekuće faze, aktivirano difuzno spajanje i metode remanufakturiranja prašinske metalurgije.

Shan et al. [18] su koristili metodu zrakoplovne vakuumske lejeve za popravak šupljina u čepljima iz nikl-baziranog spoja ChS88, koristeći lejeve Ni-Cr-B-Si i Ni-Cr-Zr kao punjenje. Rezultati su pokazali da se u usporedbi s lejom Ni-Cr-B-Si, Zr u leji Ni-Cr-Zr teško difundira, podložak se značajno ne korodira, a otrgivost spojnog stupca je viša. Korištenjem leje Ni-Cr-Zr moguće je postići popravak šupljina u čepljima iz nikl-baziranog spoja ChS88. Ojo et al. [19] su proučavali utjecaje veličine razmaka i procesnih parametara na mikrostrukturu i svojstva difuznih ležbenih spojeva Inconel718 nikl-baziranog spoja. S povećanjem veličine razmaka, pojava tvrdih i hrupevastih faza poput međuspojeva temeljenih na Ni3Al-u i Ni- i Cr-boridima bogatih niklom je glavni razlog smanjenja jačine i otrgivosti spoja.

Tranzientna tekuća faza difuzijskog spajanja zavarivanjem se zakrpeva pod izotermičnim uvjetima i pripada krstarenju pod ravnotežnim uvjetima, što je korisno za homogenizaciju sastava i strukture [20]. Pouranvari [21] je istraživao tranzientnu tekuću fazu difuzijskog spajanja zavarivanjem Inconel718 nikloviselog visokotemperaturnog spoja i otkrio da je Cr sadržaj u punjenjaku i raspon raspada matrice ključni faktori koji utječu na čvrstoću izotermičke zone zakrpavanja. Lin i suradnici [22] su istraživali utjecaj parametara procesa tranzientne tekuće faze difuzijskog spajanja na mikrostrukturu i svojstva spojeva GH99 nikloviselog visokotemperaturnog spoja. Rezultati su pokazali da s porastom spajne temperature ili produženjem vremena smanjuje se broj Ni-bogatih i Cr-bogatih borida u zone osedanja, a veličina zrnbaca u zoni osedanja manja je. S obzirom na sobnu temperaturu i visokotemperaturnu traku presjeka, čvrstoća raste s produženjem vremena zadržavanja. Trenutno se tranzientna tekuća faza difuzijskog spajanja uspješno koristi za popravak malih šuplji u područjima s niskim naprezanjima i za obnovu štete na vrhovima nekrunjenih lopatica [23] –iako je difuzijsko spajanje s prijelaznom tekućom fazom uspješno primijenjeno na različite materijale, ograničeno je na popravak malih šuplji (oko 250 μ m).

Kada je širina šupljine veća od 0,5 mm i kapilarna akcija nije dovoljna za ispunjavanje šupljine, popravak lopatica može se postići koristeći aktivirano difuzijsko spajanje [24]. Su i suradnici [25] su koristili aktivirano difuzijsko lojalizno spajanje za popravak lopice od In738 niklovske visetemperaturne legure pomoću DF4B spojnog materijala i dobili su spojnu točku visoke snage i otpornosti na oksidaciju. γ′ faza koja se odsijeva u spoju ima utvrđujući učinak, a otpornost na tegao postiže 85% od materijala osnove. Spoj se lomi na poziciji Cr-bogatog borida. Hawk i suradnici [26] su također koristili aktivirano difuzno zavarivanje za popravak širokog traganja na listu od nikl-temeljnog visokotemperaturnog alija René 108. Prašno metalurgska remanufaktura, kao novorazvijena metoda za izvorno obnove naprednih materijalnih površina, upotrebljava se za popravak visokotemperaturnih alijanskih listova. Može obnoviti i rekonstruirati trodimenzionalnu blizu-izotropsku jakost velikih propastnih defekata (više od 5 mm), poput traganja, abliraja, nošenja i ruža na listovima [27]. Kanadska tvrtka Liburdi je razvila LPM metodu (Liburdi prašna metalurgija) za popravak nikl-temeljnih alijansa s visokim sadržajem Al i Ti koji imaju lošu varivačku sposobnost. Proces je prikazan na slici 4 [28]. U posljednjih godina, vertikalna slojeva prašna metalurgska metoda temeljena na ovoj metodi može izvršiti jednosmjernu brazing popravak defekata širokih do 25 mm [29].

1.2 Popravak  površinske štete lopatica iz niklowe-aluminijanske visokotempraturne legure

Kada se male površinske cjevotine i korozivne štete pojavljuju na površini lopatica od niklowe-aluminijanske visokotempraturne legure, oštećeno područje se obično može ukloniti i izrezati obradom, a zatim ispuniti i popraviti pomoću odgovarajuće metode suvarenja. Trenutačna istraživanja uglavnom se fokusiraju na lasersku toplinsku depoziciju i popravak argonskim lukom.

Kim et al. [30] s Univerziteta u Delawaru u Sjedinjenim Državama izvršili su laser slojevitost i ručno varivo za popravak lopatica od nikl-baziranog spoja Rene80 s visokim sadržajem Al i Ti, te su usporedili radnje koje su prodjele poslijedohotnim toplinskim tretiranjem s onima koje su prodjele poslijedohotnim toplinskim tretiranjem i toplinskim izostatnim pritiskom (HIP), i pronašli su da HIP učinkovito smanjuje male porne defektnosti. Liu et al. [31] s Tehnološkog univerziteta Huazhong primijenili su tehnologiju laser slojevitosti za popravak jama i rupastih defekata u turbinskim komponentama od nikl-baziranog spoja 718, istražujući utjecaje gustoće laser snage, brzine lasernog skeniranja i oblika slojevitosti na proces popravke, kao što je prikazano na slici 5.

U smislu popravka varjenjem argonim lukom, Qu Sheng i suradnici [32] iz Kineskog avijskog razvojnog poduzeća Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. koristili su metodu varjenja tungstenovim elektrodama s argonom za popravak nošivosti i problema traganja na vrhu lopatica visokotemperaturne legure DZ125. Rezultati pokazuju da se nakon popravka pomoću tradicionalnih kobalt-baziranih varivih materijala u zone utjecaja topline često pojavljuju toplinske crte i smanjuje se tvrdost spoja. Međutim, koristeći novorazvijene MGS-1 nikl-bazirane varive materijale, kombinirajući ih s odgovarajućim postupcima varjenja i toplinske obrade, može se učinkovito izbjegnuti pojava crte u zoni utjecaja topline, a traku na temperaturi od 1000 ° C dostiže 90% baze materijala. Song Wenqing i suradnici [33] su proveduli istraživanje o procesu popravke svarivanjem castarskih defekata visokotemperaturne legure K4104 turbinskih vodena krilaca. Rezultati su pokazali da korištenje svarkivih žica HGH3113 i HGH3533 kao punjenja imaju odlično oblikovanje svarka, dobru plastičnost i jaku otpornost na trsaje, dok pri korištenju svarkive žice K4104 s povećanim sadržajem Zr, loše je tečnost metala, površina svarka nije dobro oblikovana, a javljaju se trsaje i defekti nepunjenja. Može se zaključiti da u procesu popravke krila izbor punjenja igra ključnu ulogu.

Trenutna istraživanja o popravci nickel-baziranih turbinskih lopatica pokazuju da nickel-bazirane visokotemperaturne alije sadrže elemente čvrstosne disperzije poput Cr, Mo, Al i stopy elemenata poput P, S i B, što ih čini osjetljivijima na prolome tijekom procesa popravka. Nakon svarenja, one su podložne strukturnoj segregaciji i nastanku hrušćaljastih defekata Laves faze. Stoga, nadalje se istražuje regulacija strukture i mehaničkih svojstava ovakvih defekata u popravku nickel-baziranih visokotemperaturnih alija.

2 Metoda popravka titan-alijanskih lopatica ventilatora/kompresora

Tijekom rada, lisice ventilatora/kompresora od titanovog splještilja glavno su pod utjecajem centrifugalne sile, aerodinamičke sile i vibracijskog opterećenja. Tijekom uporabe često dođe do površinskih šteta (crjepova, oštećenja vrha lisice itd.), lokalnih sloma lisica od titanovog splještilja i širokoprocentnih šteta (umornog loma, širokoprocentnih šteta i korozije itd.), što zahtjeva zamjenu cijelih lisica. Različiti tipovi šteta i uobičajene metode popravka prikazani su na slici 6. U nastavku će se predstati stanje istraživanja popravaka ovih triju vrsta šteta.

2.1 Popravak površinskih šteta lisica od titanovog splještilja

Tijekom rada, lisice od titanovog splještilja često imaju štete poput površinskih crjepova, malopovršinskih škrinji i oštećenja lisice. Popravak takvih šteta sličan je onome kod nikloziranih turbinskih lisica. Koristi se obrada da bi se uklonila oštećena područja, a laserino taljenje s depozicijom ili varivo pod argonim se koristi za ispunjavanje i popravak.

U području laserne toplinske depozicije, Zhao Zhuang i suradnici [34] sa Sjeverozapadnog politehnološkog univerziteta provedbili su laserno oporavljajuće istraživanje malih površinskih defekata (površni promjer 2 mm, polukuglasti defekti dubine 0,5 mm) TC17 titanijevih štampa. Rezultati su pokazali da β stupasti kristali u zoni laserne depozicije rastu epitaksijski s interfejsa, a granice čestica postale su neizraženije. Originalni iglasto oblikovani α žari i sekundarni α faze u zone utjecaja topline su rastle i oštrile. U usporedbi s uzorcima dobivenim forgeanjem, uzorci napravljeni laser skim popravkom imali su karakteristike visoke jačine i niske plastičnosti. Trakasta jačina je povećala se sa 1077,7 MPa na 1146,6 MPa, a produženje se smanjilo s 17,4% na 11,7%. Pan Bo i suradnici [35] su koristili tehnologiju laser skog klada s coaxijalnim prašinom da više puta poprave cirkularno šuplje predložene defektnosti ZTC4 titan alija. Rezultati su pokazali da je proces promjene mikrostrukture od materijala do popravljene zone bio listovit α faza i međuzrnica β fazna -Ne, ne, ne, ne! pleterastična struktura -Ne, ne, ne, ne! martenzit -Ne, ne, ne, ne! Widmanstattenova struktura. Tvrdost zone utjecaja topline malo je povećala s povećanjem broja popravaka, dok se tvrdost materijala i sloja klada nije mnogo promijenila.

Rezultati pokazuju da je zona popravka i zona utjecaja topline prije toplinske obrade ultra-fina igljava α faza distribuirana u β fazna matrica, a zona osnovnog materijala je fino košara strukture. Nakon toplinske obrade, mikrostruktura svake zone je poput štapa primarne α faza + β fazna transformacijska struktura, a duljina primarne α faze u popravnoj zoni je značajno veća od one u drugim zonama. Gornja granica visokofrekvencijske umora popravnih dijelova iznosi 490MPa, što je više od granice umora osnovnog materijala. Ekstremni spad iznosi oko 7,1%. Ručno argonsko arkovno suđenje također se često koristi za popravak rupa na površini lopatica i nošnje na vrhu. Njegova je mane da je ulaz topline velik, a pri velikopovršnim popravcima mogu nastati veliki toplinski napori i suđenska deformacija [37].

Trenutna istraživanja pokazuju da, bez obzira koristi li se laser ljepljenje odlivkom ili varjenje argonskim lukom za popravak, područje popravka ima karakteristike visoke jačine i niske plastičnosti, a umorni performansi lopatica se lako smanjuju nakon popravka. Sljedeći korak u istraživanju treba fokusirati na to kako kontrolirati sastav alija, prilagoditi parametre procesa varjenja i optimizirati metode kontroliranja procesa kako bi se regulirao mikrostruktura područja popravka, postigla se podudarnost između jačine i plastičnosti u području popravka te osigurala njegova odlična umorna svojstva.

2.2 Popravak lokalnog štete lopatica od titanove alije

Nema suštavnih razlika između popravke štete na listovima rotora od titanijevog spoja i tehnologije dodatnog proizvodnjenja trodimenzionalnih čvrstih dijelova od titanijevog spoja s obzirom na postupak. Popravka se može smatrati procesom sekundarnog dodatnog proizvodnjenja na otkucaju i lokalnoj površini, uz oštećene dijelove kao matricu, kao što je prikazano na slici 7. Prema različitim izvorima topline, glavno se dijeli na lasersku dodatnu popravku i lukovitu dodatnu popravku. Vrijedi napomenuti da je u zadnjih godinama Njemački suradni istraživački centar 871 učinio lukovitu dodatnu popravku tehnološkim fokusom za popravku cjelovitih listova od titanijevog spoja [38], a poboljšao je performanse popravke dodavanjem nukleatora i drugih sredstava [39].

U području laserske dodatne popravke, Gong Xinyong i suradnici [40] su koristili TC11 alatni prašinu za proučavanje procesa laserske topivske depozicije popravke TC11 titanijevog spoja. Nakon popravke, zona depozicije  uzorak s tankim zidom i područje ponovnog topljenja sučelja imaju tipične karakteristike Widmanstattenove strukture, a struktura talijanske zone u matrici prelazi od Widmanstattenove strukture do dvostanje strukture. Protna čvrstoća depozicijskog područja iznosi otprilike 1200 MPa, što je više nego kod sučelja prijelazne zone i matrice, dok je plastičnost malo niža od one u matici. Probni uzorci su se svi slomili unutar matrice. Na kraju, stvarni ventilator je popravljen metodom točkastog topljenja i deposicije, prošao je procjenu nadbrzinog testiranja i ostvario je montažnu primjenu. Bian Hongyou i suradnici [41] su koristili TA15 prah za istraživanje laserne aditivne popravke TC17 titanovog splava te su istraživali utjecaje različitih temperature otpaljivane topline (610 ℃ , 630 ℃ i 650 ℃ ) na njegovu mikrostrukturi i svojstvima. Rezultati su pokazali da izdržljivost na povlačenje otpremnog TA15/TC17 alija, popravljene laserovim odljevanjem, može dostići 1029MPa, ali je plastičnost relativno niska, samo 4,3%, što predstavlja 90,2% i 61,4% od TC17 štampaća, redom. Nakon toplinske obrade pri različitim temperaturama, izdržljivost na povlačenje i plastičnost se značajno poboljšaju. Kada je temperatura otapanja 650 ℃ , najveća izdržljivost na povlačenje iznosi 1102MPa, što predstavlja 98,4% od TC17 štampaća, a produženje poslije loma iznosi 13,5%, što je značajno poboljšanje u usporedbi s stanjem nakon odljevanja.

U području dodatnog popravka s lukom, Liu i sur. [42] provedbili su istraživanje popravka na simuliranom uzorku sa nedostajućom TC4 titanijevom lopaticom. U nalijepnom sloju dobivena je mešovita zrnasta morfologija jednakostraničnih kristala i stupastih kristala, s maksimalnom trakcionom jačinom od 991 MPa i produženjem od 10%. Zhuo i sur. [43] koristili su TC11 varivačni žicu za izvođenje istraživanja dodatnog popravka s lukom na TC17 titanijevoj leguri te su analizirali evoluciju mikrostrukture u nalijepnom sloju i zone utjecaja topline. Trakcijska jačina iznosila je 1015,9 MPa u uvjetima bez grijanja, a produženje 14,8%, s dobrim kompleksnim performansama. Chen i sur. [44] istraživali su utjecaj različitih temperatur anealinga na mikrostrukturu i mehaničke svojstva TC11/TC17 titanijevih legura popravljenih uzoraka. Rezultati su pokazali da je viša temperatura anealinga korisna za poboljšanje produženja popravljenih uzoraka.

Istraživanje o upotrebi tehnologije dodatnog proizvodnjenja od metala za popravak lokalnih šteta na lopaticama od titanovog splava još uvijek je u rani fazi. Popravljene lopatice moraju uzeti u obzir mehaničke svojstva sloja odsanja, ali je i procjena mehaničkih svojstava na sučelju popravljenih lopatica jednako ključna.

3 Lopatice od titanovog splava s velikim površinskim štetama - zamjena i popravak

Kako bismo pojednostavili strukturu rotora kompresora i smanjili težinu, lopatica savremenih leteljskih motora često koriste cjelovitu strukturu lopatica s diskom, što je jednopartski sustav koji spaja radne lopatice i lopaticni disk u cjelovitu strukturu, eliminirajući šaku i škup. Dostizajući time cilj smanjenja težine, može se također izbjegnuti oštrica i aerodinamička gubitka šake i škupa u konvencionalnoj strukturi. Popravak površinske štete i lokalnih poštećenja defekata cjelovite lopatice kompresora sličan je navedenoj metodi popravka odvojene lopatice. Za popravak loma ili nedostajućih dijelova cjelovite lopaticne ploče, linearno trenje savijanja široko se koristi zbog svoje jedinstvene obrade i prednosti. Njegov proces prikazan je na slici 8 [45].

Mateo i sur. [46] su koristili linearno trenje za svaranje kako bi simulirali popravak Ti-6246 titanijevog splava. Rezultati su pokazali da je široća topline utjecajne zone i struktura zrnova u sjedru bila usižnja nakon tri ponovljena popravka iste štete. Tragajući snaga se smanjila s 1048 MPa na 1013 MPa s porastom broja popravaka. Međutim, uzorci za tragajući i umorni probni materijal slomili su se u podložnom materijalu daleko od oblasti sjedra.

Ma i sur. [47] su proučavali utjecaje različitih temperaturi toplinske obrade (530 ° C + 4h vazdušno hlađenje, 610 ° C + 4h vazdušno hlađenje, 670 ° C + 4h vazdušno hlađenje) na - Što? mikrostrukturu i mehaničke svojstva linearno trenjem zasvarenih spojeva TC17 titanijevog splava. Rezultati pokazuju da s porastom temperature toplinske obrade, stepen recrystalizacije α faze i β faze značajno raste. Način loma uzoraka za tragajući i udarasti probni materijal promijenio se s krutog loma na ductilni lom. Nakon toplinske obrade pri 670 ° C, probni izrez se razbio u osnovnom materijalu. otpornost na širenje bila je 1262MPa, ali je produženje bilo samo 81.1% od osnovnog materijala.

U trenutku, domaće i inozemne istraživanje pokazuju da tehnologija linearnog trenja za popravak ima funkciju samociscenja oksida, što učinkovito uklanja okside s spojne površine bez metalurgijskih defekata uzrokovanih topljenjem. Isto vrijeme, omogućuje spoj različitih materijala kako bi se dobilo dvojalovni/dvojno performanse cjeloviti lopatici kriva, i može izvršiti brzu popravku lomova ili nedostajućih dijelova cjelovitih lopatica kriva od različitih materijala [38]. Međutim, još uvijek postoje mnogi problemi koji treba riješiti pri korištenju tehnologije linearnog trenja za popravak cjelovitih lopatica kriva, kao što su veliki ostaci napona u spojevima i teškoća u upravljanju kvalitetom spojeva različitih materijala. Isto vrijeme, proces linearnog trenja za nove materijale treba daljnje istraživanje.

Kontaktirajte nas

Hvala vam na interesu za našu tvrtku! Kao profesionalna tvrtka za proizvodnju dijelova plinovite turbine, nastavit ćemo se baviti inovacijama u tehnologiji i poboljšanjima usluga kako bismo pružili još više visokokvalitetnih rješenja našim klijentima širom svijeta. Ako imate bilo kakva pitanja, predloge ili namjeru suradnje, svesno ćemo vam pomoci. Molimo vas da nas kontaktirate na sljedeći način:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

E-mail ：[email protected]