Sveisereparasjons- og reproduksjonsteknologi for turbinblader for flymotorer og vifte/kompressorblader

Flymotorblader befinner seg i et komplekst og tøft arbeidsmiljø i lang tid, og er utsatt for ulike typer skadedefekter. Det er dyrt å erstatte blader, og forskning på bladreparasjon og reproduksjonsteknologi har store økonomiske fordeler. Flymotorblader er hovedsakelig delt inn i to kategorier: turbinblader og vifte/kompressorblader. Turbinblader bruker vanligvis nikkelbaserte høytemperaturlegeringer, mens vifte/kompressorblader hovedsakelig bruker titanlegeringer, og noen bruker nikkelbaserte høytemperaturlegeringer. Forskjellene i materialer og arbeidsmiljøer til turbinblader og vifte/kompressorblader resulterer i forskjellige vanlige typer skader, noe som resulterer i forskjellige reparasjonsmetoder og ytelsesindikatorer som må oppnås etter reparasjon. Denne artikkelen analyserer og diskuterer reparasjonsmetodene og nøkkelteknologiene som for tiden brukes for de to typene vanlige skadedefekter i flymotorblader, med sikte på å gi et teoretisk grunnlag for å oppnå høykvalitets reparasjon og reproduksjon av flymotorblader.

I flymotorer er turbin- og vifte/kompressorrotorblader utsatt for langsiktige tøffe miljøer som sentrifugalbelastninger, termisk stress og korrosjon, og har ekstremt høye ytelseskrav. De er oppført som en av de mest sentrale komponentene i produksjon av flymotorer, og produksjonen deres står for mer enn 30 % av arbeidsmengden til hele motorproduksjonen [1-3]. Siden de har vært i et tøft og komplekst arbeidsmiljø over lang tid, er rotorbladene utsatt for defekter som sprekker, slitasje på bladspissen og bruddskader. Kostnaden for å reparere bladene er bare 20 % av kostnadene ved å produsere hele bladet. Derfor bidrar forskning på teknologi for reparasjon av flymotorblader til å forlenge levetiden til bladene, redusere produksjonskostnadene og har store økonomiske fordeler.

Reparasjon og reproduksjon av flymotorblader inkluderer hovedsakelig følgende fire trinn [4]: ​​bladforbehandling (inkludert bladrensing [5], tredimensjonal inspeksjon og geometrisk rekonstruksjon [6-7], osv.); materialavsetning (inkludert bruk av avansert sveise- og koblingsteknologi for å fullføre fylling og akkumulering av manglende materialer [8-10], ytelsesgjenvinningsvarmebehandling [11-13], osv.); bladrehabilitering (inkludert maskineringsmetoder som sliping og polering [14]); behandling etter reparasjon (inkludert overflatebelegg [15-16] og forsterkende behandling [17], etc.), som vist i figur 1. Blant dem er materialavsetning nøkkelen til å sikre bladets mekaniske egenskaper etter reparasjon. Hovedkomponentene og materialene til flymotorblader er vist i figur 2. For ulike materialer og ulike defektformer er den tilsvarende reparasjonsmetodeforskningen grunnlaget for å oppnå høykvalitets reparasjon og reproduksjon av skadede blader. Denne artikkelen tar nikkelbaserte høytemperaturlegerte turbinblader og titanlegeringsvifte/kompressorblader som objekter, diskuterer og analyserer reparasjonsmetodene og nøkkelteknologiene som brukes for forskjellige typer av skader på flymotorblader på dette stadiet, og forklarer fordelene og ulempene deres.

1. Nikkelbasert høytemperaturlegert turbinbladreparasjonsmetode

Nikkelbaserte høytemperaturlegerte turbinblader arbeider i et miljø med høytemperaturforbrenningsgass og kompleks stress i lang tid, og bladene har ofte defekter som termiske tretthetssprekker, overflateskader på små arealer (slitasje og korrosjonsskader) og tretthetsbrudd. Siden sikkerheten ved reparasjon av turbinbladutmattingsbrudd er relativt lav, erstattes de vanligvis direkte etter at utmattingsbrudd oppstår uten sveisereparasjon. De to vanlige typene defekter og reparasjonsmetoder for turbinblader er vist i figur 3 [4]. Det følgende vil introdusere reparasjonsmetodene for disse to typene defekter på henholdsvis nikkelbaserte høytemperaturlegerte turbinblader.

1.1 Reparasjon av sprekker i nikkelbasert superlegert turbinblad

Lodding og fastfase sveisereparasjonsmetoder brukes vanligvis til å reparere turbinbladsprekkedefekter, hovedsakelig inkludert: vakuumlodding, transient væskefasediffusjonsbinding, aktivert diffusjonssveising og reparasjonsmetoder for pulvermetallurgisk reproduksjon.

Shan et al. [18] brukte bjelkevakuumloddemetoden for å reparere sprekker i ChS88 nikkelbaserte legeringsblader ved bruk av Ni-Cr-B-Si og Ni-Cr-Zr loddefyllstoffer. Resultatene viste at sammenlignet med Ni-Cr-B-Si loddefyllmetall, er Zr i Ni-Cr-Zr loddefyllmetall ikke lett å spre, underlaget er ikke nevneverdig korrodert, og seigheten til sveiseskjøten er høyere. Bruk av Ni-Cr-Zr loddefyllmetall kan oppnå reparasjon av sprekker i ChS88 nikkelbaserte legeringsblader. Ojo et al. [19] studerte effekten av gapstørrelse og prosessparametere på mikrostrukturen og egenskapene til diffusjonsloddede skjøter av Inconel718 nikkelbasert legering. Når gapet øker, er utseendet til harde og sprø faser som Ni3Al-baserte intermetalliske forbindelser og Ni-rike og Cr-rike borider hovedårsaken til reduksjonen i leddstyrke og seighet.

Transient væskefasediffusjonssveising størknes under isotermiske forhold og tilhører krystallisering under likevektsforhold, noe som bidrar til homogenisering av sammensetning og struktur [20]. Pouranvari [21] studerte den forbigående væskefasediffusjonssveisingen av Inconel718 nikkelbasert høytemperaturlegering og fant at Cr-innholdet i fyllstoffet og dekomponeringsområdet til matrisen er nøkkelfaktorene som påvirker styrken til den isotermiske størkningssonen. Lin et al. [22] studerte påvirkningen av forbigående væskefasediffusjonssveiseprosessparametere på mikrostrukturen og egenskapene til GH99 nikkelbaserte høytemperaturlegeringsskjøter. Resultatene viste at med økningen av koblingstemperaturen eller forlengelsen av tiden, ble antallet Ni-rike og Cr-rike borider i nedbørsonen redusert, og kornstørrelsen i nedbørsonen ble mindre. Romtemperaturen og høytemperaturstrekkskjærstyrken økte med forlengelsen av holdetiden. For tiden har forbigående væskefase-diffusjonssveising vært vellykket brukt til å reparere små sprekker i områder med lav belastning og gjenoppbygge spissskaden til ukronede blader [23-24]. Selv om transient væskefasediffusjonssveising har blitt brukt på en rekke materialer, er den begrenset til reparasjon av små sprekker (ca. 250μm).

Når sprekkvidden er større enn 0.5 mm og kapillærvirkningen er utilstrekkelig til å fylle sprekken, kan bladreparasjonen oppnås ved å bruke aktivert diffusjonssveising [24]. Su et al. [25] brukte den aktiverte diffusjonsloddemetoden for å reparere det In738 nikkelbaserte høytemperaturlegeringsbladet ved bruk av DF4B-loddemateriale, og oppnådde en høystyrke, oksidasjonsbestandig lodding. De γ′ fase utfelt i fugen har en styrkende effekt, og strekkfastheten når 85 % av grunnmaterialet. Fugen brytes ved posisjonen til Cr-rik borid. Hawk et al. [26] brukte også aktivert diffusjonssveising for å reparere den brede sprekken til René 108 nikkelbasert høytemperaturlegeringsblad. Reprodusering av pulvermetallurgi, som en nyutviklet metode for den opprinnelige rekonstruksjonen av avanserte materialoverflater, har blitt mye brukt i reparasjon av legeringsblader med høy temperatur. Den kan gjenopprette og rekonstruere den tredimensjonale nær-isotropiske styrken til store gap-defekter (mer enn 5 mm) som sprekker, ablasjon, slitasje og hull i blader [27]. Liburdi, et kanadisk selskap, utviklet LPM-metoden (Liburdi pulvermetallurgi) for å reparere nikkelbaserte legeringsblader med høyt Al- og Ti-innhold som har dårlig sveiseytelse. Prosessen er vist i figur 4 [28]. I de senere årene har den vertikale lamineringspulvermetallurgiske metoden basert på denne metoden utføre engangsloddereparasjon av defekter så brede som 25 mm [29].

1.2 reparasjon av overflateskader på nikkelbaserte høytemperaturlegerte turbinblader

Når det oppstår små riper og korrosjonsskader på overflaten av nikkelbaserte høytemperaturlegeringsblader, kan det skadede området vanligvis fjernes og spores ved maskinering, og deretter fylles og repareres ved hjelp av en passende sveisemetode. Nåværende forskning fokuserer hovedsakelig på lasersmelteavsetning og argonbuesveising.

Kim et al. [30] fra University of Delaware i USA utførte laserkledning og manuell sveisereparasjon på Rene80 nikkelbaserte legeringsblader med høyt Al- og Ti-innhold, og sammenlignet arbeidsstykkene som hadde gjennomgått varmebehandling etter sveising med de som hadde gjennomgått varmebehandling etter sveising og varm isostatisk pressing (HIP), og fant ut at små defekter effektivt kan redusere defekter. Liu et al. [31] fra Huazhong University of Science and Technology brukte laserkledningsteknologi for å reparere spor- og hulldefekter i 718 nikkelbaserte legeringsturbinkomponenter, og utforsket effekten av laserkrafttetthet, laserskannehastighet og kledningsform på reparasjonsprosessen, som vist i figur 5.

Når det gjelder argon buesveising reparasjon, Qu Sheng et al. [32] fra China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. brukte wolfram argon buesveisemetode for å reparere slitasje- og sprekkproblemene på tuppen av DZ125 høytemperaturlegerte turbinblader. . Resultatene viser at etter reparasjon med tradisjonelle koboltbaserte sveisematerialer er den varmepåvirkede sonen utsatt for termiske sprekker og sveisens hardhet reduseres. Ved å bruke de nyutviklede MGS-1 nikkelbaserte sveisematerialene, kombinert med passende sveise- og varmebehandlingsprosesser, kan man effektivt unngå sprekker i den varmepåvirkede sonen, og strekkstyrken ved 1000°C når 90 % av grunnmaterialet. Song Wenqing et al. [33] utførte en studie på reparasjonssveiseprosessen for støpefeil på K4104 høytemperaturlegerte turbinstyreblader. Resultatene viste at bruk av HGH3113 og HGH3533 sveisetråder som fyllmetaller har utmerket sveisedannelse, god plastisitet og sterk sprekkmotstand, mens bruk Når K4104 sveisetråd med økt Zr-innhold sveises, er flytbarheten til det flytende metallet dårlig, sveiseoverflaten dannes dårlig, og det oppstår sprekker og ikke-fusjonsdefekter. Det kan sees at i bladreparasjonsprosessen spiller valg av fyllmaterialer en viktig rolle.

Aktuell forskning på reparasjon av nikkelbaserte turbinblader har vist at nikkelbaserte høytemperaturlegeringer inneholder solid løsningsforsterkende elementer som Cr, Mo, Al, og sporelementer som P, S og B, som gjør dem mer sprekkfølsomme under reparasjonsprosessen. Etter sveising er de utsatt for strukturell segregering og dannelse av sprø Laves-fasedefekter. Derfor krever påfølgende forskning på reparasjon av nikkelbaserte høytemperaturlegeringer regulering av strukturen og de mekaniske egenskapene til slike defekter.

2 Reparasjonsmetode for vifte/kompressorblad i titanlegering

Under drift utsettes titanlegeringsvifte/kompressorblader hovedsakelig for sentrifugalkraft, aerodynamisk kraft og vibrasjonsbelastning. Under bruk oppstår ofte overflateskadedefekter (sprekker, slitasje på bladspissen, etc.), lokale brudddefekter på blader av titanlegering og skader på store områder (utmattelsesbrudd, skader på store områder og korrosjon, etc.), som krever total utskifting av blader. Ulike defekttyper og vanlige reparasjonsmetoder er vist i figur 6. Det følgende vil introdusere forskningsstatusen for reparasjonen av disse tre typene defekter.

2.1 Reparasjon av skader på overflaten av titanlegeringsblad

Under drift har blader av titanlegering ofte defekter som overflatesprekker, små riper og bladslitasje. Reparasjonen av slike defekter ligner på nikkelbaserte turbinblader. Maskinering brukes til å fjerne det defekte området og lasersmelteavsetning eller argonbuesveising brukes til fylling og reparasjon.

Innen lasersmeltende avsetning, Zhao Zhuang et al. [34] ved Northwestern Polytechnical University utførte en laserreparasjonsstudie på overflatedefekter i små størrelser (overflatediameter 2 mm, halvkuleformede defekter med en dybde på 0.5 mm) av TC17 titanlegeringssmiinger. Resultatene viste det β søyleformede krystaller i laseravsetningssonen vokste epitaksialt fra grensesnittet og korngrensene ble uskarpe. Den originale nåleformet α lekter og sekundær α faser i den varmepåvirkede sonen vokste og grodde til. Sammenlignet med de smidde prøvene hadde de laserreparerte prøvene egenskapene høy styrke og lav plastisitet. Strekkfastheten økte fra 1077.7 MPa til 1146.6 MPa, og forlengelsen ble redusert fra 17.4 % til 11.7 %. Pan Bo et al. [35] brukte koaksial pulvermatende laserkledningsteknologi for å reparere de sirkulære hullformede prefabrikkerte defektene til ZTC4 titanlegering i mange ganger. Resultatene viste at mikrostrukturendringsprosessen fra utgangsmaterialet til det reparerte området var lamellært α fase og intergranulær β fase → kurvvev struktur → martensitt → Widmanstatten struktur. Hardheten i den varmepåvirkede sonen økte noe med økningen i antall reparasjoner, mens hardheten til grunnmaterialet og kledningslaget ikke endret seg mye.

Resultatene viser at reparasjonssonen og varmepåvirket sone før varmebehandling er ultrafinnållignende α fase fordelt i β fasematrise, og grunnmaterialsonen er en fin kurvstruktur. Etter varmebehandling er mikrostrukturen til hvert område laftelignende primær α fase + β fasetransformasjonsstruktur, og lengden på primæren α fase i reparasjonsområdet er betydelig større enn i andre områder. Den høye syklustretthetsgrensen for reparasjonsdelen er 490 MPa, som er høyere enn utmattelsesgrensen for basismaterialet. Det ekstreme fallet er rundt 7.1 %. Manuell argonbuesveising er også ofte brukt for å reparere sprekker på bladoverflaten og spissslitasje. Ulempen er at varmetilførselen er stor, og store reparasjoner er utsatt for store termiske spenninger og sveisedeformasjoner [37].

Nåværende forskning viser at uavhengig av om lasersmelteavsetning eller argonbuesveising brukes til reparasjon, har reparasjonsområdet egenskapene til høy styrke og lav plastisitet, og utmattelsesytelsen til bladet reduseres lett etter reparasjon. Det neste forskningstrinnet bør fokusere på hvordan man kontrollerer legeringssammensetningen, justerer sveiseprosessparametrene og optimaliserer prosesskontrollmetodene for å regulere mikrostrukturen til reparasjonsområdet, oppnå styrke- og plastisitetsmatching i reparasjonsområdet og sikre dens utmerkede utmattelsesytelse.

2.2 Reparasjon av lokal skade på titanlegeringsblader

Det er ingen vesentlig forskjell mellom reparasjon av skadedefekter i titanlegeringsrotorblad og den additive produksjonsteknologien til tredimensjonale solide deler av titanlegering når det gjelder prosess. Reparasjonen kan betraktes som en prosess med sekundær deponering additiv fremstilling på bruddseksjonen og lokal overflate med de skadede delene som matrisen, som vist i figur 7. I henhold til de ulike varmekildene er den hovedsakelig delt inn i laser additiv reparasjon og lysbue additiv reparasjon. Det er verdt å merke seg at det tyske 871 Collaborative Research Center de siste årene har gjort lysbueadditiv reparasjonsteknologi til et forskningsfokus for reparasjon av integrerte blader av titanlegering[38], og har forbedret reparasjonsytelsen ved å tilsette kjernedannende midler og andre midler[39].

Innen laseradditivreparasjon, Gong Xinyong et al. [40] brukte TC11-legeringspulver for å studere lasersmelteavsetningsreparasjonsprosessen til TC11 titanlegering. Etter reparasjon, deponeringsområdet av den tynnveggede prøven og grensesnittomsmeltingsområdet hadde typiske Widmanstatten-strukturkarakteristikker, og den matrisevarmepåvirkede sonestrukturen gikk over fra Widmanstatten-strukturen til dual-state-strukturen. Strekkfastheten til avsetningsområdet var ca. 1200 MPa, som var høyere enn grensesnittets overgangssone og matrisen, mens plastisiteten var litt lavere enn for matrisen. Strekkprøvene ble alle ødelagt inne i matrisen. Til slutt ble selve løpehjulet reparert ved hjelp av punkt-for-punkt smelteavsetningsmetoden, bestod superhastighetstestvurderingen og realiserte installasjonsapplikasjonen. Bian Hongyou et al. [41] brukte TA15-pulver for å studere laseradditiv-reparasjonen av TC17 titanlegering, og utforsket effekten av forskjellige varmebehandlingstemperaturer (610)℃, 630℃ og 650℃) på dens mikrostruktur og egenskaper. Resultatene viste at strekkstyrken til den avsatte TA15/TC17-legeringen reparert ved laseravsetning kan nå 1029 MPa, men plastisiteten er relativt lav, bare 4.3 %, og når henholdsvis 90.2 % og 61.4 % av TC17-smiing. Etter varmebehandling ved forskjellige temperaturer er strekkfastheten og plastisiteten betydelig forbedret. Når glødetemperaturen er 650℃, er den høyeste strekkfastheten 1102MPa, og når 98.4% av TC17-smiing, og forlengelsen etter brudd er 13.5%, som er betydelig forbedret sammenlignet med den avsatte tilstanden.

Innen lysbueadditiv reparasjon, Liu et al. [42] utførte en reparasjonsstudie på et simulert eksemplar av et manglende blad i TC4 titanlegering. En blandet kornmorfologi av likeaksede krystaller og søylekrystaller ble oppnådd i det avsatte laget, med en maksimal strekkstyrke på 991 MPa og en forlengelse på 10 %. Zhuo et al. [43] brukte TC11 sveisetråd for å utføre en lysbueadditiv reparasjonsstudie på TC17 titanlegering, og analyserte den mikrostrukturelle utviklingen av det avsatte laget og den varmepåvirkede sonen. Strekkfastheten var 1015.9 MPa under uoppvarmede forhold, og forlengelsen var 14.8 %, med god omfattende ytelse. Chen et al. [44] studerte effekten av forskjellige utglødningstemperaturer på mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til reparasjonsprøver av TC11/TC17 titanlegeringer. Resultatene viste at en høyere glødetemperatur var fordelaktig for å forbedre forlengelsen til de reparerte prøvene.

Forskning på bruk av produksjonsteknologi for metalladditiv for å reparere lokale skadedefekter i titanlegeringsblad er bare i sin spede begynnelse. De reparerte bladene trenger ikke bare å ta hensyn til de mekaniske egenskapene til det avsatte laget, men også evalueringen av de mekaniske egenskapene ved grensesnittet til de reparerte bladene er like avgjørende.

3 blader i titanlegering med store skader. Skift og reparasjon av blad

For å forenkle kompressorrotorstrukturen og redusere vekten, bruker moderne flymotorblader ofte en integrert bladskivestruktur, som er en struktur i ett stykke som gjør arbeidsbladene og bladskivene til en integrert struktur, og eliminerer tappen og tappen. Samtidig som formålet med vektreduksjon oppnås, kan det også unngå slitasje og aerodynamisk tap av tappen og tappen i den konvensjonelle strukturen. Reparasjonen av overflateskaden og lokale skadedefekter på kompressorens integrerte bladskive ligner på den ovenfor nevnte separate bladreparasjonsmetoden. For reparasjon av de ødelagte eller manglende delene av den integrerte bladskiven, er lineær friksjonssveising mye brukt på grunn av sin unike prosesseringsmetode og fordeler. Prosessen er vist i figur 8 [45].

Mateo et al. [46] brukte lineær friksjonssveising for å simulere reparasjonen av Ti-6246 titanlegering. Resultatene viste at den samme skaden reparert opptil tre ganger hadde en smalere varmepåvirket sone og en finere sveisekornstruktur. Strekkfastheten gikk ned fra 1048 MPa til 1013 MPa med økningen i antall reparasjoner. Imidlertid ble både strekk- og utmattingsprøvene ødelagt i området med basismateriale vekk fra sveiseområdet.

Ma et al. [47] studerte effekten av forskjellige varmebehandlingstemperaturer (530°C + 4 timers luftkjøling, 610°C + 4 timers luftkjøling, 670°C + 4t luftkjøling) på ​​mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til TC17 titanlegering lineær friksjon sveisede ledd. Resultatene viser at med Etter hvert som varmebehandlingstemperaturen øker, vil rekrystalliseringsgraden på α fase og β fase øker betydelig. Bruddoppførselen til strekk- og slagprøvene endret seg fra sprø brudd til duktil brudd. Etter varmebehandling ved 670°C, strekkprøven sprakk i grunnmaterialet. Strekkfastheten var 1262 MPa, men forlengelsen var bare 81.1 % av grunnmaterialet.

For tiden viser innenlandsk og utenlandsk forskning at reparasjonsteknologi for lineær friksjonssveising har funksjonen til selvrensende oksider, som effektivt kan fjerne oksider på bindingsoverflaten uten metallurgiske defekter forårsaket av smelting. Samtidig kan den realisere koblingen av heterogene materialer for å oppnå integrerte bladplater med dobbel legering/dobbel ytelse, og kan fullføre rask reparasjon av brudd på bladkroppen eller manglende deler av integrerte bladskiver laget av forskjellige materialer [38]. Imidlertid er det fortsatt mange problemer som skal løses ved bruk av lineær friksjonssveiseteknologi for å reparere integrerte bladskiver, slik som stor restspenning i leddene og vanskeligheter med å kontrollere kvaliteten på heterogene materialforbindelser. Samtidig trenger den lineære friksjonssveiseprosessen for nye materialer ytterligere utforskning.

Kontakt

Takk for din interesse for selskapet vårt! Som et profesjonelt selskap for produksjon av gassturbindeler, vil vi fortsette å være forpliktet til teknologisk innovasjon og serviceforbedring, for å tilby flere høykvalitetsløsninger for kunder over hele verden. Hvis du har spørsmål, forslag eller samarbeidsintensjoner, er vi mer enn hjelper deg gjerne. Vennligst kontakt oss på følgende måter:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

E-post:[email protected]