항공기 엔진 터빈 블레이드 및 팬/압축기 블레이드의 용접 수리 및 재제조 기술

항공기 엔진 블레이드는 오랫동안 복잡하고 혹독한 작업 환경에 노출되어 있으며, 다양한 유형의 손상 결함이 발생하기 쉽습니다. 블레이드를 교체하는 데 비용이 많이 들고, 블레이드 수리 및 재제조 기술에 대한 연구는 엄청난 경제적 이익이 있습니다. 항공기 엔진 블레이드는 주로 터빈 블레이드와 팬/압축기 블레이드의 두 가지 범주로 나뉩니다. 터빈 블레이드는 일반적으로 니켈 기반 고온 합금을 사용하는 반면, 팬/압축기 블레이드는 주로 티타늄 합금을 사용하고 일부는 니켈 기반 고온 합금을 사용합니다. 터빈 블레이드와 팬/압축기 블레이드의 재료와 작업 환경의 차이로 인해 일반적인 손상 유형이 다르고, 수리 후 달성해야 할 수리 방법과 성능 지표가 다릅니다. 이 논문은 항공기 엔진 블레이드의 두 가지 일반적인 손상 결함에 현재 사용되는 수리 방법과 핵심 기술을 분석하고 논의하여 항공기 엔진 블레이드의 고품질 수리 및 재제조를 달성하기 위한 이론적 기반을 제공하는 것을 목표로 합니다.

항공기 엔진에서 터빈 및 팬/압축기 로터 블레이드는 원심력, 열응력, 부식과 같은 장기간의 혹독한 환경에 노출되며, 매우 높은 성능 요구 사항을 가지고 있습니다. 이들은 항공기 엔진 제조에서 가장 핵심적인 구성 요소 중 하나로 나열되어 있으며, 이들의 제조는 전체 엔진 제조 작업 부하의 30% 이상을 차지합니다[1-3]. 로터 블레이드는 오랫동안 혹독하고 복잡한 작업 환경에 노출되어 균열, 블레이드 팁 마모, 파단 손상과 같은 결함이 발생하기 쉽습니다. 블레이드를 수리하는 데 드는 비용은 전체 블레이드 제조 비용의 20%에 불과합니다. 따라서 항공기 엔진 블레이드 수리 기술에 대한 연구는 블레이드의 서비스 수명을 연장하고 제조 비용을 절감하는 데 도움이 되며 경제적 이익이 큽니다.

항공기 엔진 블레이드의 수리 및 재제조는 주로 다음의 4단계로 구성됩니다[5]: 블레이드 전처리(블레이드 세척[6], XNUMX차원 검사 및 기하학적 재구성[XNUMX] 포함)-7] 등); 재료 증착(고급 용접 및 연결 기술을 사용하여 누락된 재료의 채우기 및 축적을 완료하는 것을 포함[8]-10], 성능회복 열처리[11]-13] 등); 블레이드 재생(연삭 및 연마와 같은 가공 방법 포함[14]); 수리 후 처리(표면 코팅 포함[15]-16] 및 강화 처리 [17] 등)가 그림 1에 나와 있습니다. 그 중 재료 증착은 수리 후 블레이드의 기계적 특성을 보장하는 데 핵심입니다. 항공기 엔진 블레이드의 주요 구성 요소 및 재료는 그림 2에 나와 있습니다. 다른 재료와 다른 결함 형태의 경우 해당 수리 방법 연구는 손상된 블레이드의 고품질 수리 및 재제조를 달성하기 위한 기초입니다. 이 논문은 니켈 기반 고온 합금 터빈 블레이드와 티타늄 합금 팬/압축기 블레이드를 대상으로 이 단계에서 다양한 항공기 엔진 블레이드 손상 유형에 사용되는 수리 방법과 핵심 기술을 논의 및 분석하고 장단점을 설명합니다.

1. 니켈계 고온합금 터빈 블레이드 수리 방법

니켈계 고온 합금 터빈 블레이드는 고온 연소 가스와 복잡한 응력 환경에서 장시간 작동하며, 블레이드에는 피로 열 균열, 소면적 표면 손상(블레이드 팁 마모 및 부식 손상), 피로 파괴와 같은 결함이 종종 있습니다. 터빈 블레이드 피로 파괴 수리의 안전성은 비교적 낮기 때문에 일반적으로 용접 수리 없이 피로 파괴가 발생한 직후 교체합니다. 터빈 블레이드의 두 가지 일반적인 결함 유형과 수리 방법은 그림 3[4]에 나와 있습니다. 다음은 니켈계 고온 합금 터빈 블레이드의 이 두 가지 유형의 결함에 대한 수리 방법을 각각 소개합니다.

1.1 니켈계 초합금 터빈 블레이드 균열 수리

브레이징 및 고상용접 수리 방법은 일반적으로 터빈 블레이드 균열 결함을 수리하는 데 사용되며, 주로 진공 브레이징, 과도 액상 확산 접합, 활성 확산 용접 및 분말 야금 재제조 수리 방법이 포함됩니다.

Shan et al. [18]은 Ni-Cr-B-Si 및 Ni-Cr-Zr 브레이징 필러를 사용하여 ChS88 니켈 기반 합금 블레이드의 균열을 수리하기 위해 빔 진공 브레이징 방법을 사용했습니다. 결과에 따르면 Ni-Cr-B-Si 브레이징 필러 금속과 비교할 때 Ni-Cr-Zr 브레이징 필러 금속의 Zr은 확산하기 쉽지 않고 기판이 크게 부식되지 않으며 용접 조인트의 인성이 더 높습니다. Ni-Cr-Zr 브레이징 필러 금속을 사용하면 ChS88 니켈 기반 합금 블레이드의 균열을 수리할 수 있습니다. Ojo et al. [19]는 틈새 크기와 공정 매개 변수가 Inconel718 니켈 기반 합금의 확산 브레이징 조인트의 미세 구조와 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. 틈새 크기가 증가함에 따라 Ni3Al 기반 금속간 화합물 및 Ni가 풍부하고 Cr이 풍부한 붕소화물과 같은 단단하고 취성 있는 상이 나타나는 것이 조인트 강도와 인성이 감소하는 주요 원인입니다.

과도 액상 확산 용접은 등온 조건에서 응고되고 평형 조건에서 결정화에 속하며 이는 조성 및 구조의 균질화에 도움이 됩니다[20]. Pouranvari[21]는 Inconel718 니켈 기반 고온 합금의 과도 액상 확산 용접을 연구했으며 필러의 Cr 함량과 매트릭스의 분해 범위가 등온 응고 구역의 강도에 영향을 미치는 주요 요인임을 발견했습니다. Lin et al.[22]은 과도 액상 확산 용접 공정 매개 변수가 GH99 니켈 기반 고온 합금 조인트의 미세 구조 및 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. 결과에 따르면 연결 온도가 증가하거나 시간이 연장됨에 따라 침전 구역의 Ni가 풍부한 및 Cr이 풍부한 붕소화물 수가 감소하고 침전 구역의 입자 크기가 더 작았습니다. 실온 및 고온 인장 전단 강도는 유지 시간이 길어짐에 따라 증가했습니다. 현재, 과도 액상 확산 용접은 낮은 응력 영역의 작은 균열을 수리하고 크라운이 없는 블레이드의 팁 손상을 재건하는 데 성공적으로 사용되었습니다[23-24]. 과도 액상 확산 용접은 다양한 재료에 성공적으로 적용되었지만 작은 균열(약 250)의 수리에 국한됩니다.μ엠).

균열 폭이 0.5mm보다 크고 모세관 작용이 균열을 채우기에 불충분할 경우 활성 확산 용접을 사용하여 블레이드 수리를 달성할 수 있습니다[24]. Su et al.[25]은 활성 확산 브레이징 방법을 사용하여 DF738B 브레이징 재료를 사용하여 In4 니켈 기반 고온 합금 블레이드를 수리하고 고강도, 산화 방지 브레이징 접합부를 얻었습니다. 감마′ 접합부에 침전된 상은 강화 효과가 있으며 인장 강도는 모재의 85%에 이릅니다. 접합부는 Cr이 풍부한 붕소화물 위치에서 파손됩니다. Hawk et al. [26]은 또한 활성화 확산 용접을 사용하여 René 108 니켈 기반 고온 합금 블레이드의 넓은 균열을 수리했습니다. 고급 소재 표면의 원래 재구성을 위한 새롭게 개발된 방법으로서 분말 야금 재제조는 고온 합금 블레이드의 수리에 널리 사용되었습니다. 블레이드의 균열, 삭마, 마모 및 구멍과 같은 큰 갭 결함(5mm 이상)의 27차원 근등방성 강도를 복원하고 재구성할 수 있습니다 [4]. 캐나다 회사인 Liburdi는 용접 성능이 좋지 않은 Al 및 Ti 함량이 높은 니켈 기반 합금 블레이드를 수리하기 위해 LPM(Liburdi powder metallurgy) 방법을 개발했습니다. 이 프로세스는 그림 28에 나와 있습니다 [25]. 최근, 이 방법을 기반으로 하는 수직적층분말야금법은 29mm 폭의 결함에 대한 일회성 브레이징 수리를 수행할 수 있다[XNUMX].

1.2 수리 니켈계 고온합금 터빈 블레이드의 표면 손상에 관하여

니켈 기반 고온 합금 블레이드 표면에 작은 면적의 스크래치와 부식 손상이 발생하면 일반적으로 손상된 부분을 기계 가공하여 제거하고 홈을 만든 다음 적절한 용접 방법을 사용하여 채우고 수리할 수 있습니다. 현재 연구는 주로 레이저 용융 증착 및 아르곤 아크 용접 수리에 중점을 두고 있습니다.

미국 델라웨어 대학의 Kim et al.[30]은 Al과 Ti 함량이 높은 Rene80 니켈 기반 합금 블레이드에 레이저 클래딩과 수동 용접 수리를 수행했고, 용접 후 열처리를 거친 작업물과 용접 후 열처리와 열간 등압 가압(HIP)을 거친 작업물을 비교하여 HIP가 소형 기공 결함을 효과적으로 줄일 수 있음을 발견했습니다. 화중과학기술대학의 Liu et al.[31]은 레이저 클래딩 기술을 사용하여 718 니켈 기반 합금 터빈 구성 요소의 홈 및 구멍 결함을 수리하고, 그림 5와 같이 수리 공정에 대한 레이저 출력 밀도, 레이저 스캐닝 속도 및 클래딩 형태가 미치는 영향을 탐구했습니다.

아르곤 아크 용접 수리 측면에서, 중국 항공 개발 선양 리밍 항공 엔진(그룹) 유한회사의 Qu Sheng 등[32]은 텅스텐 아르곤 아크 용접 방법을 사용하여 DZ125 고온 합금 터빈 블레이드 끝부분의 마모 및 균열 문제를 수리했습니다. 결과에 따르면 기존 코발트 기반 용접 재료로 수리한 후 열 영향부에 열 균열이 발생하기 쉽고 용접부의 경도가 감소했습니다. 그러나 새로 개발된 MGS-1 니켈 기반 용접 재료를 적절한 용접 및 열처리 공정과 결합하면 열 영향부에 균열이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며 1000℃에서의 인장 강도°C는 기본 재료의 90%에 도달합니다. Song Wenqing 등[33]은 K4104 고온 합금 터빈 가이드 블레이드의 주조 결함에 대한 수리 용접 공정에 대한 연구를 수행했습니다. 결과에 따르면 HGH3113 및 HGH3533 용접 와이어를 필러 금속으로 사용하면 용접 형성이 우수하고 가소성이 좋으며 균열 저항성이 강한 반면 Zr 함량이 증가한 K4104 용접 와이어를 사용하여 용접하면 액체 금속의 유동성이 좋지 않고 용접 표면이 잘 형성되지 않으며 균열 및 비융착 결함이 발생합니다. 블레이드 수리 공정에서 충전재 선택이 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있습니다.

니켈 기반 터빈 블레이드 수리에 대한 현재 연구에 따르면 니켈 기반 고온 합금에는 Cr, Mo, Al과 같은 고용체 강화 원소와 P, S, B와 같은 미량 원소가 포함되어 있어 수리 공정 중에 균열에 더 민감합니다. 용접 후 구조적 분리와 취성 라베스상 결함이 형성되기 쉽습니다. 따라서 니켈 기반 고온 합금 수리에 대한 후속 연구에서는 이러한 결함의 구조 및 기계적 특성을 조절해야 합니다.

2 티타늄 합금 팬/압축기 블레이드 수리 방법

티타늄 합금 팬/압축기 블레이드는 작동 중에 주로 원심력, 공기 역학적 힘, 진동 하중을 받습니다. 사용 중에 표면 손상 결함(균열, 블레이드 팁 마모 등), 티타늄 합금 블레이드의 국부적 파손 결함, 대면적 손상(피로 파괴, 대면적 손상 및 부식 등)이 자주 발생하여 블레이드를 전체적으로 교체해야 합니다. 다양한 결함 유형과 일반적인 수리 방법은 그림 6에 나와 있습니다. 다음은 이 세 가지 유형의 결함 수리에 대한 연구 현황을 소개합니다.

2.1 티타늄 합금 블레이드 표면 손상 결함의 수리

작동 중에 티타늄 합금 블레이드는 표면 균열, 작은 영역 스크래치 및 블레이드 마모와 같은 결함이 종종 있습니다. 이러한 결함의 수리는 니켈 기반 터빈 블레이드의 수리와 유사합니다. 기계 가공은 결함 영역을 제거하는 데 사용되고 레이저 용융 증착 또는 아르곤 아크 용접은 충전 및 수리에 사용됩니다.

레이저 용융 증착 분야에서, Northwestern Polytechnical University의 Zhao Zhuang et al. [34]은 TC2 티타늄 합금 단조품의 소형 표면 결함(표면 직경 0.5mm, 깊이 17mm의 반구형 결함)에 대한 레이저 수리 연구를 수행했습니다. 그 결과는 다음과 같습니다. β 레이저 증착 구역의 기둥형 결정은 계면에서 에피택셜하게 성장했고 결정립 경계는 흐릿해졌습니다. 원래 바늘 모양 α 래스와 보조 α 열영향부의 상이 성장하고 조대화되었다. 단조 샘플과 비교했을 때, 레이저로 수리된 샘플은 고강도와 저소성이라는 특성을 가졌다. 인장 강도는 1077.7MPa에서 1146.6MPa로 증가했고, 신장률은 17.4%에서 11.7%로 감소했다. Pan Bo et al. [35]은 동축 분말 공급 레이저 클래딩 기술을 사용하여 ZTC4 티타늄 합금의 원형 구멍 모양의 조립식 결함을 여러 번 수리했다. 결과에 따르면 모재에서 수리된 영역으로의 미세 구조 변화 과정은 층상이었다. α 상과 입자간 β 상 → 바구니 짜기 구조 → 마르텐사이트 → Widmanstatten 구조. 열영향부의 경도는 수리 횟수가 증가함에 따라 약간 증가한 반면, 모재와 클래딩 층의 경도는 크게 변하지 않았다.

실험 결과 열처리 전 수리영역과 열영향영역은 초미세침상인 것으로 나타났다. α 위상은 분포되어 있습니다 β 상 매트릭스이고, 기본 재료 구역은 미세한 바구니 구조입니다. 열처리 후, 각 구역의 미세 구조는 라스와 같은 기본 α 단계 + β 상변환 구조 및 1차 회로의 길이 α 수리 영역의 위상은 다른 영역보다 상당히 큽니다. 수리 부분의 고주기 피로 한계는 490MPa로 모재의 피로 한계보다 높습니다. 극한 강하는 약 7.1%입니다. 수동 아르곤 아크 용접도 블레이드 표면 균열과 팁 마모를 수리하는 데 일반적으로 사용됩니다. 단점은 열 입력이 크고 대면적 수리는 큰 열 응력과 용접 변형이 발생하기 쉽다는 것입니다[37].

현재 연구에 따르면 수리에 레이저 용융 증착 또는 아르곤 아크 용접을 사용하든 수리 영역은 고강도 및 저소성 특성을 가지고 있으며 블레이드의 피로 성능은 수리 후 쉽게 감소합니다. 다음 단계의 연구는 합금 구성을 제어하고 용접 공정 매개 변수를 조정하고 공정 제어 방법을 최적화하여 수리 영역의 미세 구조를 조절하고 수리 영역에서 강도와 소성 일치를 달성하고 우수한 피로 성능을 보장하는 방법에 중점을 두어야 합니다.

2.2 티타늄 합금 블레이드의 국부 손상 수리

티타늄 합금 로터 블레이드 손상 결함의 수리와 티타늄 합금 7차원 고체 부품의 적층 제조 기술 사이에는 공정 측면에서 본질적인 차이가 없습니다. 수리는 그림 871과 같이 손상된 부품을 매트릭스로 하여 파단부와 국부 표면에 38차 증착 적층 제조를 하는 공정으로 볼 수 있습니다. 열원의 차이에 따라 주로 레이저 적층 수리와 아크 적층 수리로 나뉩니다. 최근 몇 년 동안 독일 39 협력 연구 센터는 아크 적층 수리 기술을 티타늄 합금 일체형 블레이드 수리의 연구 초점으로 삼았으며[XNUMX] 핵제와 기타 수단을 추가하여 수리 성능을 개선했습니다[XNUMX].

레이저 적층 수리 분야에서 Gong Xinyong et al. [40]은 TC11 합금 분말을 사용하여 TC11 티타늄 합금의 레이저 용융 증착 수리 공정을 연구했습니다. 수리 후 증착 영역 얇은 벽 샘플과 계면 재용융 영역은 전형적인 Widmanstatten 구조 특성을 가지고 있었고, 매트릭스 열 영향부 구조는 Widmanstatten 구조에서 이중 상태 구조로 전이되었습니다. 증착 영역의 인장 강도는 약 1200MPa로 계면 전이 영역과 매트릭스보다 높았지만 가소성은 매트릭스보다 약간 낮았습니다. 인장 시편은 모두 매트릭스 내부에서 파손되었습니다. 마지막으로 실제 임펠러는 점대점 용융 증착 방법으로 수리되어 초고속 시험 평가를 통과하고 설치 응용 프로그램을 실현했습니다. Bian Hongyou 등[41]은 TA15 분말을 사용하여 TC17 티타늄 합금의 레이저 첨가 수리를 연구하고 다양한 어닐링 열처리 온도(610℃, 630℃ 및 650℃)의 미세구조와 특성에 대해 연구했습니다. 레이저 증착으로 수리한 증착된 TA15/TC17 합금의 인장 강도는 1029MPa에 도달할 수 있지만 가소성은 상대적으로 낮아 4.3%에 불과하여 TC90.2 단조품의 각각 61.4%와 17%에 도달했습니다. 다양한 온도에서 열처리한 후 인장 강도와 가소성이 크게 향상되었습니다. 어닐링 온도가 650일 때℃, 가장 높은 인장강도는 1102MPa로 TC98.4 단조품의 17%에 도달하며, 파단 후 신장률은 13.5%로 증착 상태에 비해 현저히 향상되었습니다.

아크 첨가 수리 분야에서 Liu et al.[42]은 결손된 TC4 티타늄 합금 블레이드의 시뮬레이션 시편에 대한 수리 연구를 수행했습니다. 등축 결정과 원주형 결정의 혼합된 입자 형태가 증착 층에서 얻어졌으며, 최대 인장 강도는 991MPa이고 신장률은 10%였습니다. Zhuo et al.[43]은 TC11 용접 와이어를 사용하여 TC17 티타늄 합금에 대한 아크 첨가 수리 연구를 수행하고 증착 층과 열 영향부의 미세 구조적 진화를 분석했습니다. 인장 강도는 비가열 조건에서 1015.9MPa였고 신장률은 14.8%였으며 종합적인 성능이 우수했습니다. Chen et al.[44]은 다양한 어닐링 온도가 TC11/TC17 티타늄 합금 수리 시편의 미세 구조와 기계적 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. 결과는 더 높은 어닐링 온도가 수리된 시편의 신장을 개선하는 데 유익하다는 것을 보여주었습니다.

티타늄 합금 블레이드의 국소적 손상 결함을 수리하기 위해 금속 적층 제조 기술을 사용하는 연구는 아직 초기 단계에 있습니다. 수리된 블레이드는 증착된 층의 기계적 특성에 주의를 기울여야 할 뿐만 아니라 수리된 블레이드의 계면에서 기계적 특성을 평가하는 것도 마찬가지로 중요합니다.

3 티타늄 합금 블레이드 면적이 큰 손상 블레이드 교체 및 수리

압축기 로터 구조를 단순화하고 무게를 줄이기 위해 현대 항공기 엔진 블레이드는 종종 일체형 블레이드 디스크 구조를 채택하는데, 이는 작업 블레이드와 블레이드 디스크를 일체형 구조로 만들어 테넌과 모티스를 제거하는 일체형 구조입니다. 중량 감소의 목적을 달성하는 동시에 기존 구조의 테넌과 모티스의 마모 및 공기역학적 손실을 피할 수도 있습니다. 압축기 일체형 블레이드 디스크의 표면 손상 및 국부 손상 결함의 수리는 위에서 언급한 별도의 블레이드 수리 방법과 유사합니다. 일체형 블레이드 디스크의 파손 또는 누락된 조각을 수리하기 위해 고유한 가공 방법과 장점으로 인해 선형 마찰 용접이 널리 사용됩니다. 그 공정은 그림 8에 나와 있습니다[45].

Mateo et al. [46]은 선형 마찰 용접을 사용하여 Ti-6246 티타늄 합금의 수리를 시뮬레이션했습니다. 결과에 따르면 최대 1048번 수리된 동일한 손상은 열 영향 영역이 좁고 용접 입자 구조가 더 미세했습니다. 인장 강도는 수리 횟수가 증가함에 따라 1013MPa에서 XNUMXMPa로 감소했습니다. 그러나 인장 및 피로 시편 모두 용접 영역에서 떨어진 모재 영역에서 파손되었습니다.

Ma et al. [47]은 다양한 열처리 온도(530)의 효과를 연구했습니다.°C + 4h 공냉, 610°C + 4h 공냉, 670°C + 4h 공냉) 켜짐 ​​TC17 티타늄 합금 선형 마찰 용접 조인트의 미세 구조 및 기계적 특성. 결과는 열처리 온도가 증가함에 따라 재결정도가 α 단계와 β 위상이 상당히 증가합니다. 인장 및 충격 시편의 파괴 거동은 취성 파괴에서 연성 파괴로 바뀌었습니다. 670에서 열처리 후°C, 인장 시편은 기본 재료에서 파단되었습니다. 인장 강도는 1262MPa였지만 신장은 기본 재료의 81.1%에 불과했습니다.

현재 국내외 연구에 따르면 선형 마찰 용접 수리 기술은 자체 세척 산화물 기능이 있어 용융으로 인한 야금 결함 없이 접합 표면의 산화물을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 동시에 이종 재료의 연결을 실현하여 이중 합금/이중 성능 일체형 블레이드 디스크를 얻을 수 있으며, 다양한 재료로 만들어진 일체형 블레이드 디스크의 블레이드 본체 균열 또는 누락된 조각의 빠른 수리를 완료할 수 있습니다[38]. 그러나 선형 마찰 용접 기술을 사용하여 일체형 블레이드 디스크를 수리하는 데는 여전히 많은 문제가 있습니다. 예를 들어 접합부의 잔류 응력이 크고 이종 재료 연결부의 품질을 제어하기 어렵습니다. 동시에 새로운 재료에 대한 선형 마찰 용접 공정은 추가 탐색이 필요합니다.

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