航空機エンジンタービンブレードおよびファン/コンプレッサーブレードの溶接修理および再生技術

航空機エンジンブレードは、長期間にわたり複雑で過酷な作業環境下に置かれ、さまざまな損傷欠陥が発生しやすい。ブレードの交換には費用がかかり、ブレードの修理および再製造技術の研究には莫大な経済的メリットがある。航空機エンジンブレードは、主にタービンブレードとファン/コンプレッサーブレードの2種類に分けられる。タービンブレードは通常、ニッケルベースの高温合金を使用するのに対し、ファン/コンプレッサーブレードは主にチタン合金を使用し、一部はニッケルベースの高温合金を使用している。タービンブレードとファン/コンプレッサーブレードの材質と作業環境の違いにより、一般的な損傷の種類が異なり、修理方法と修理後に達成する必要がある性能指標も異なります。本稿では、航空機エンジンブレードの2種類の一般的な損傷欠陥に対して現在使用されている修理方法と主要な技術を分析・検討し、航空機エンジンブレードの高品質な修理と再製造を実現するための理論的根拠を提供する。

航空機エンジンにおいて、タービンとファン/コンプレッサーのローターブレードは、遠心荷重、熱応力、腐食などの長期にわたる過酷な環境にさらされ、極めて高い性能が要求されます。これらは、航空機エンジン製造において最も重要な部品の30つとして挙げられており、その製造はエンジン製造全体の作業量の1％以上を占めています[XNUMX–3] ローターブレードは、長期間にわたり過酷で複雑な作業環境にさらされているため、亀裂、ブレード先端の摩耗、破損などの欠陥が発生しやすい。ブレードの修理コストは、ブレード全体の製造コストのわずか20％です。そのため、航空機エンジンブレードの修理技術の研究は、ブレードの耐用年数の延長、製造コストの削減に役立ち、大きな経済的利益をもたらします。

航空機エンジンブレードの修理と再生には、主に次の4つのステップが含まれます[5]：ブレードの前処理（ブレードの洗浄を含む[6]、XNUMX次元検査と幾何学的再構築[XNUMX–7]など）、材料堆積（高度な溶接および接続技術を使用して、不足している材料の充填と蓄積を完了することを含む[8–10]、性能回復熱処理[11–13]など）、ブレードの改修（研削や研磨などの機械加工方法を含む[14]）、修理後の処理（表面コーティングを含む[15]）–航空機エンジンブレードの修復には、図16に示すように、[17]および強化処理[1]など、さまざまな方法があります。その中でも、材料の堆積は、修復後のブレードの機械的特性を確保するための鍵となります。航空機エンジンブレードの主な構成部品と材料を図2に示します。異なる材料と異なる欠陥形態について、対応する修復方法の研究は、損傷したブレードの高品質な修復と再生を実現するための基礎となります。本稿では、ニッケル基高温合金タービンブレードとチタン合金ファン/コンプレッサーブレードを対象に、現段階でさまざまな航空機エンジンブレードの損傷タイプに使用されている修復方法と主要な技術について議論および分析し、それらの長所と短所を説明します。

1. ニッケル基高温合金タービンブレードの補修方法

ニッケル基高温合金タービンブレードは、高温の燃焼ガスと複雑な応力の環境で長時間稼働するため、疲労熱亀裂、小面積の表面損傷（ブレード先端の摩耗や腐食損傷）、疲労破壊などの欠陥が発生することが多い。タービンブレードの疲労破壊修復の安全性は比較的低いため、疲労破壊が発生した後、溶接修復を行わずにすぐに交換することが一般的である。タービンブレードの一般的な3種類の欠陥と修復方法を図4に示します[XNUMX]。以下では、ニッケル基高温合金タービンブレードのこれらXNUMX種類の欠陥の修復方法をそれぞれ紹介します。

1.1 ニッケル基超合金タービンブレードの亀裂修復

タービンブレードの亀裂欠陥の修復には、一般にろう付けと固相溶接による修復方法が使用され、主に真空ろう付け、過渡的液相拡散接合、活性拡散溶接、粉末冶金再製造修復方法が含まれます。

Shan et al. [18]は、ビーム真空ろう付け法を用いて、Ni-Cr-B-SiおよびNi-Cr-Zrろう付けフィラーを使用してChS88ニッケル基合金ブレードの亀裂を修復しました。結果によると、Ni-Cr-B-Siろう付けフィラー金属と比較して、Ni-Cr-Zrろう付けフィラー金属のZrは拡散しにくく、基材は著しく腐食せず、溶接継手の靭性は高いことが示されました。Ni-Cr-Zrろう付けフィラー金属の使用により、ChS88ニッケル基合金ブレードの亀裂の修復を実現できます。Ojo et al. [19]は、ギャップサイズとプロセスパラメータがInconel718ニッケル基合金の拡散ろう付け継手の微細構造と特性に及ぼす影響を研究しました。ギャップサイズが大きくなるにつれて、Ni3Alベースの金属間化合物やNiに富むホウ化物、Crに富むホウ化物などの硬くて脆い相の出現が、継手の強度と靭性の低下の主な原因です。

液相拡散溶接は等温条件下で凝固し、平衡条件下での結晶化に属し、組成と構造の均質化に役立ちます[20]。 Pouranvari[21]は、インコネル718ニッケル基高温合金の液相拡散溶接を研究し、フィラーのCr含有量とマトリックスの分解範囲が等温凝固ゾーンの強度に影響を与える重要な要因であることを発見しました。 Linら[22]は、液相拡散溶接プロセスパラメータがGH99ニッケル基高温合金ジョイントの微細構造と特性に及ぼす影響を研究しました。 結果は、接続温度の上昇または時間の延長に伴い、析出ゾーンのNiに富むホウ化物とCrに富むホウ化物の数が減少し、析出ゾーンの粒径が小さくなることを示しました。 室温および高温引張せん断強度は、保持時間の延長に伴い増加しました。現在、液相拡散溶接は、低応力部の小さな亀裂の修復や、クラウンのないブレードの先端損傷の修復に効果的に使用されている[23–24]。液相拡散溶接はさまざまな材料に適用され成功を収めているが、小さな亀裂（約250μm）の修復に限られている。μM）。

亀裂幅が0.5mm以上で毛細管現象が亀裂を埋めるのに不十分な場合、活性拡散溶接法を用いてブレードの修復を行うことができる[24]。Suら[25]は、DF738Bろう材を用いてIn4ニッケル基高温合金ブレードを活性拡散ろう付け法で修復し、高強度で耐酸化性に優れたろう付け接合部を得た。 γ′ 接合部に析出したCr-Hb相は強化効果があり、引張強度は母材の85％に達します。接合部は、Crに富むホウ化物の位置で破断します。 Hawkら[26]も活性化拡散溶接を使用して、René 108ニッケル基高温合金ブレードの広い亀裂を修復しました。粉末冶金による再製造は、先端材料表面の元の再構築のために新たに開発された方法として、高温合金ブレードの修復に広く使用されています。ブレードの亀裂、アブレーション、摩耗、穴などの大きなギャップ欠陥（5mm以上）の27次元近似等方性強度を復元および再構築できます[4]。 カナダの企業Liburdiは、溶接性能が悪い、AlおよびTi含有量の高いニッケル基合金ブレードを修復するためのLPM（Liburdi粉末冶金）法を開発しました。プロセスを図28に示します[25]。近年、この方法に基づく垂直積層粉末冶金法は、最大29mm幅の欠陥を一回のろう付け修復が可能になった[XNUMX]。

1.2 修理 ニッケル基高温合金タービンブレードの表面損傷

ニッケル基高温合金ブレードの表面に小面積の傷や腐食損傷が発生した場合、通常は機械加工により損傷部分を除去し、溝を彫り、適切な溶接方法を使用して充填して修復することができます。現在の研究は主にレーザー溶融堆積とアルゴンアーク溶接による修復に焦点を当てています。

米国デラウェア大学のKimら[30]は、AlとTiの含有量が多いRene80ニッケル基合金ブレードのレーザークラッディングと手動溶接修復を行い、溶接後熱処理を行ったワークピースと溶接後熱処理および熱間静水圧プレス（HIP）を行ったワークピースを比較し、HIPが小さな気孔欠陥を効果的に減らすことができることを発見しました。華中科技大学のLiuら[31]は、レーザークラッディング技術を使用して718ニッケル基合金タービン部品の溝と穴の欠陥を修復し、図5に示すように、レーザー出力密度、レーザースキャン速度、およびクラッディング形状が修復プロセスに及ぼす影響を調査しました。

アルゴンアーク溶接による補修では、中国航空開発瀋陽黎明航空エンジン（グループ）有限公司のQu Shengら[32]が、タングステンアルゴンアーク溶接法を用いて、DZ125高温合金タービンブレードの先端の摩耗と亀裂の問題を修復した。その結果、従来のコバルト系溶接材料で補修した後、熱影響部が熱亀裂を起こしやすく、溶接部の硬度が低下することがわかった。しかし、新開発のMGS-1ニッケル系溶接材料を使用し、適切な溶接および熱処理プロセスを組み合わせることで、熱影響部に亀裂が発生するのを効果的に回避でき、1000での引張強度は低下した。°Cは母材の90％に達する。Song Wenqingら[33]は、K4104高温合金タービンガイドブレードの鋳造欠陥の補修溶接プロセスに関する研究を行った。結果によると、HGH3113とHGH3533溶接ワイヤをフィラーメタルとして使用すると、優れた溶接形成、良好な可塑性と強力な亀裂抵抗が得られるのに対し、Zr含有量を増やしたK4104溶接ワイヤを溶接すると、液体金属の流動性が悪く、溶接面がうまく形成されず、亀裂や未融合欠陥が発生することが示されました。ブレードの補修プロセスでは、充填材料の選択が重要な役割を果たしていることがわかります。

ニッケル基タービンブレードの修理に関する現在の研究では、ニッケル基高温合金にはCr、Mo、Alなどの固溶強化元素とP、S、Bなどの微量元素が含まれており、修理プロセス中に亀裂が生じやすくなっていることがわかっています。溶接後、構造偏析や脆いラーベス相欠陥の形成が起こりやすくなります。そのため、ニッケル基高温合金の修理に関するその後の研究では、このような欠陥の構造と機械的特性を制御する必要があります。

2 チタン合金ファン/コンプレッサーブレードの修理方法

運転中、チタン合金製ファン/コンプレッサーブレードは主に遠心力、空気力、振動荷重を受けます。使用中、表面損傷欠陥（亀裂、ブレード先端の摩耗など）、チタン合金ブレードの局所的な破損欠陥、および大面積損傷（疲労破壊、大面積損傷および腐食など）が頻繁に発生し、ブレード全体の交換が必要になります。さまざまな欠陥タイプと一般的な修復方法を図6に示します。以下では、これらXNUMX種類の欠陥の修復の研究状況を紹介します。

2.1 チタン合金ブレード表面損傷欠陥の修復

運転中、チタン合金ブレードには表面の亀裂、小さな領域の傷、ブレードの摩耗などの欠陥がよく発生します。このような欠陥の修復は、ニッケルベースのタービンブレードの場合と同様です。機械加工を使用して欠陥領域を除去し、レーザー溶融堆積またはアルゴンアーク溶接を使用して充填および修復します。

レーザー溶融堆積の分野では、西北工科大学の趙荘ら[34]が、TC2チタン合金鍛造品の小さな表面欠陥（表面直径0.5mm、深さ17mmの半球状欠陥）のレーザー修復研究を行った。その結果、 β レーザー堆積ゾーンの柱状結晶は界面からエピタキシャル成長し、粒界はぼやけていました。元の針状結晶は α ラスと二次 α 熱影響部の相は成長して粗大化した。鍛造サンプルと比較して、レーザー修復サンプルは高強度と低塑性の特性を有していた。引張強度は1077.7MPaから1146.6MPaに増加し、伸びは17.4％から11.7％に減少した。 Pan Boら[35]は、同軸粉末供給レーザークラッディング技術を使用して、ZTC4チタン合金の円形穴状のプレファブリケーション欠陥を何度も修復した。結果は、母材から修復領域への微細構造変化プロセスが層状であることを示した。 α 相と粒界 β 相 → バスケット織り構造 → マルテンサイト → ウィドマ​​ンシュテッテン構造。補修回数が増えると熱影響部の硬度はわずかに増加しましたが、母材とクラッド層の硬度はあまり変化しませんでした。

結果は、熱処理前の修復部と熱影響部が極細の針状であることを示している。 α 相分布 β 相マトリックスであり、基材ゾーンは微細バスケット構造である。熱処理後、各領域の微細構造はラス状の一次構造である。 α フェーズ + β 相転移構造と一次相の長さ α 補修部の疲労強度は他の部位に比べて著しく大きい。補修部の高サイクル疲労限度は490MPaで、母材の疲労限度よりも高い。極端に低下する割合は約7.1％である。手動アルゴンアーク溶接は、ブレード表面の亀裂や先端摩耗の修復にもよく使用されます。欠点は、入熱が大きく、大面積の補修では熱応力や溶接変形が大きくなりやすいことです[37]。

現在の研究では、レーザー溶融堆積法とアルゴンアーク溶接法のどちらで補修しても、補修部は高強度、低塑性の特性を持ち、補修後にブレードの疲労性能が低下しやすいことが分かっています。次の研究では、合金組成を制御し、溶接プロセスパラメータを調整し、プロセス制御方法を最適化することで補修部の微細構造を調整し、補修部における強度と塑性のマッチングを実現し、優れた疲労性能を確保することに焦点を当てる必要があります。

2.2 チタン合金ブレードの局所損傷の修復

チタン合金ローターブレードの損傷欠陥の修復とチタン合金三次元固体部品の積層造形技術の間には、プロセスの面で本質的な違いはありません。修復は、図7に示すように、損傷部分を母材として、破断面と局所表面に二次堆積積層造形するプロセスと見なすことができます。熱源の違いにより、主にレーザー積層修復とアーク積層修復に分けられます。近年、ドイツの871共同研究センターは、アーク積層修復技術をチタン合金一体型ブレードの修復の研究重点とし[38]、核剤の添加などの手段で修復性能を向上させていることは注目に値します[39]。

レーザー付加修復の分野では、Gong Xinyongら[40]がTC11合金粉末を使用してTC11チタン合金のレーザー溶融堆積修復プロセスを研究した。修復後、堆積領域は 薄肉サンプルと界面再溶融部は典型的なウィドマンシュテッテン構造特性を示し、マトリックス熱影響部構造はウィドマンシュテッテン構造からデュアルステート構造に遷移した。堆積領域の引張強度は約1200 MPaで、界面遷移部とマトリックスの引張強度よりも高く、可塑性はマトリックスよりもわずかに低かった。引張試験片はすべてマトリックス内で破損した。最終的に、実際のインペラはポイントバイポイント溶融堆積法によって修復され、超高速テスト評価に合格し、設置アプリケーションを実現しました。Bian Hongyouら[41]は、TA15粉末を使用してTC17チタン合金のレーザー付加修復を研究し、異なるアニール熱処理温度（610〜XNUMX℃）の影響を調査しました。℃、630℃ そして、650℃）は、その微細構造と特性に大きく影響します。結果によると、レーザー堆積法で修復された堆積TA15 / TC17合金の引張強度は1029MPaに達しますが、可塑性は比較的低く、わずか4.3％で、それぞれTC90.2鍛造品の61.4％と17％に達します。異なる温度で熱処理した後、引張強度と可塑性が大幅に向上します。アニーリング温度が650℃最高引張強度は1102MPaで、TC98.4鍛造品の17％に達し、破断後の伸びは13.5％で、堆積状態に比べて大幅に向上しています。

アーク添加剤修復の分野では、Liuら[42]が欠損したTC4チタン合金ブレードの模擬試験片の修復研究を行った。堆積層には等軸結晶と柱状結晶の混合粒子形態が得られ、最大引張強度は991MPa、伸びは10％であった。Zhuoら[43]は、TC11溶接ワイヤを使用してTC17チタン合金のアーク添加剤修復研究を行い、堆積層と熱影響部の微細構造の進化を分析した。非加熱条件下での引張強度は1015.9MPa、伸びは14.8％で、総合的な性能は良好であった。Chenら[44]は、異なる焼鈍温度がTC11/TC17チタン合金修復試験片の微細構造と機械的特性に及ぼす影響を研究した。結果は、より高い焼鈍温度が修復された試験片の伸びを改善するのに有益であることを示しました。

金属積層造形技術を使用してチタン合金ブレードの局所的な損傷欠陥を修復する研究はまだ初期段階にあります。修復されたブレードは、堆積層の機械的特性に注意を払う必要があるだけでなく、修復されたブレードの界面の機械的特性の評価も同様に重要です。

3 広範囲に損傷したチタン合金ブレード ブレードの交換と修理

現代の航空機エンジンブレードは、コンプレッサローターの構造を簡素化し、重量を軽減するために、一体型ブレードディスク構造を採用することが多く、これは作業ブレードとブレードディスクを一体構造にし、ほぞとほぞ穴をなくしたワンピース構造です。軽量化の目的を達成すると同時に、従来の構造におけるほぞとほぞ穴の摩耗と空力損失を回避することもできます。コンプレッサ一体型ブレードディスクの表面損傷と局所損傷欠陥の修復は、前述の個別ブレード修復方法と同様です。一体型ブレードディスクの破損または欠損部分の修復には、独自の処理方法と利点があるため、線形摩擦溶接が広く使用されています。そのプロセスを図8に示します[45]。

Mateoら[46]は、直線摩擦溶接を使用してTi-6246チタン合金の修復をシミュレートしました。その結果、同じ損傷を1048回まで修復すると、熱影響部が狭くなり、溶接粒子構造が細かくなることが示されました。引張強度は、修復回数が増えるにつれて1013MPaからXNUMXMPaに低下しました。しかし、引張試験片と疲労試験片の両方が、溶接領域から離れた母材領域で破損しました。

Ma et al. [47]は、異なる熱処理温度（530°C + 4時間空冷、610°C + 4時間空冷、670°C + 4h空冷）オン â€<â€<TC17チタン合金の線形摩擦溶接継手の微細構造と機械的性質。結果は、熱処理温度が上昇するにつれて、 α 位相と β 相が著しく増加した。引張試験片および衝撃試験片の破壊挙動は脆性破壊から延性破壊に変化した。670℃で熱処理後°C、引張試験片は母材で破断しました。引張強度は1262MPaでしたが、伸びは母材の81.1%に過ぎませんでした。

現在、国内外の研究によると、線形摩擦溶接修復技術は酸化物の自己洗浄機能を備えており、溶融による冶金欠陥なしに接合面の酸化物を効果的に除去できる。同時に、異種材料の接続を実現してデュアル合金/デュアル性能の一体型ブレードディスクを得ることができ、異なる材料で作られた一体型ブレードディスクのブレード本体の破損や欠損部分の迅速な修復を完了することができる[38]。しかし、線形摩擦溶接技術を使用して一体型ブレードディスクを修復するには、接合部の残留応力が大きいことや、異種材料の接続品質を制御するのが難しいことなど、解決すべき問題がまだ多くあります。同時に、新材料の線形摩擦溶接プロセスはさらなる探求が必要です。

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