Lasereparasjon og gjenoppretningsteknologi for turbineblader og ventil/kompressorblader i flymotor

Flymotorers blader opererer i en kompleks og streng miljø over en lengre periode, og de er sterkt utsatt for ulike typer skade- og defekter. Det er dyrt å bytte ut bladene, og forskning på reparasjon og nyproduksjon av blader gir store økonomiske fordeler. Flymotorblader deles hovedsakelig inn i to kategorier: turbinblader og ventilator/kompressorsblader. Turbinblader bruker vanligvis nikkelbaserte høytemperaturlegemer, mens ventilator/kompressorsblader hovedsakelig bruker titanlegemer, og noen ganger nikkelbaserte høytemperaturlegemer. Materialets og arbeidsmiljøets forskjeller mellom turbinblader og ventilator/kompressorsblader fører til ulike vanlige skadetyper, noe som resulterer i ulike repareringsmetoder og ytelsesindikatorer som må oppnås etter reparasjon. Denne artikkelen analyserer og diskuterer repareringsmetoder og nøkkeltreffender teknologier som brukes i dag for de to vanlige skadetype-defektene ved flymotorblader, med målet å gi en teoretisk grunnlag for å oppnå høykvalitetsreparasjon og nyproduksjon av flymotorblader.

I flymotorer er turbine- og fan/compressor rotorblader utsatt for strenge miljøer over en lengre periode, som avlingsspor, termisk strekk og korrosjon, og de har ekstremt høye ytelseskrav. De er oppført som en av de mest kjernedelene i produksjonen av flymotorer, og deres fremstilling utgjør mer enn 30% av arbeidslasten for hele motoren [1]. –ved å være i et strengt og komplekst arbeidsmiljø i lang tid, er rotorblader følsomme for feil som sprakk, spissforing og bruddskade. Kostnaden for å reparere blader er bare 20% av kostnaden for å lage hele bladen. Derfor bidrar forskning på reparerings teknologi for flymotorblader til å forlenge tjenestelivet til bladene, redusere produsjonskostnadene og gir store økonomiske fordeler.

Reparasjonen og ombygningen av flymotorblader inkluderer hovedsakelig følgende fire trinn [4]: forbehandling av blad (inkludert rensing av blad [5], tremdimensjonal inspeksjon og geometrisk gjenoppretting [6, –7], osv.); materialedeponering (inkludert bruk av avanserte veldings- og koblingsteknikker for å fullføre fyllingen og akkumuleringen av manglende materialer [8, –10], ytelsesgjenopplivning ved varmebehandling [11, –13], osv.); bladfornyelse (inkludert bearbeidingsteknikker som sliffing og polering [14]); etterreparasjonsbehandling (inkludert overflatebeklestring [15] –16] og forsterkende behandling [17], osv.), som vist i figur 1. Blant dem er materialeavlagning nøkkelen til å sikre mekaniske egenskaper ved skjerm etter reperasjon. De hovedsaklige komponentene og materialene for flymotor-skjermer vises i figur 2. For ulike materialer og forskjellige feilformer, er studiet av de tilsvarende repareringsmetodene grunnlaget for å oppnå høykvalitets reperasjon og gjenbruk av skadde skjermer. Denne artikkelen tar nickelbasete høytemperaturlegeringskjermer og titanlegert fan/kompressorskjermer som objekter, diskuterer og analyserer de repareringsmetoder og nøkkelteknologier som brukes for ulike typer skader på flymotor-skjermer i dag, og forklarer deres fordeler og ulemper.

1. Reperasjonsmetode for nickelbasete høytemperaturlegeringskjermer

Nikkelbaserte høytemperaturspiller for turbine fungerer i et miljø av høytemperaturbrændingsgass og kompleks spenning i lengre tid, og spillene har ofte defekter som utmattningsvarme-kroker, småflateskader (spissforing og korrosjonskorringer) og utmattningsbrytninger. Ettersom sikkerheten ved reparasjon av utmattningsbrytninger i turbineblader er relativt lav, erstattes de vanligvis direkte etter at en utmattningsbrytning oppstår uten å limes reparert. De to vanlige typene defekter og repareringsmetoder for turbineblader vises i figur 3 [4]. Følgende vil presentere repareringsmetodene for disse to typer defekter ved nikkelbaserte høytemperaturspiller for turbine.

1.1 Reparasjon av nikkelbaserte superlegemer turbineblad med kraker

Sveise- og fastfaseveldningsreparasjonsmetoder brukes vanligvis for å reparere krydefekter i turbineblader, hovedsakelig inkludert: vakuum-sveising, midlertidlig væskefase-diffusjonsbinding, aktivert diffusjonsvelding og pulvermetallurgisk re-manufacturingsreparasjonsmetoder.

Shan et al. [18] brukte strålever vacuum brazing-metoden for å reparere sprakk i ChS88 nikkelbasette alloyblader ved hjelp av Ni-Cr-B-Si og Ni-Cr-Zr brazing fyllerstoff. Resultatene viste at i motsetning til Ni-Cr-B-Si brazing fyllermetall, er Zr i Ni-Cr-Zr brazing fyllermetall ikke lett å diffundere, substratet blir ikke betydelig korrodert, og tøffheten på leddet er høyere. Bruk av Ni-Cr-Zr brazing fyllermetall kan oppnå reparer av sprakk i ChS88 nikkelbasette alloyblader. Ojo et al. [19] studerte effekten av sprekstørrelse og prosessparametere på mikrostrukturen og egenskapene til diffusion brazed ledd av Inconel718 nikkelbasett alloy. Som sprekstørrelsen øker, er oppkomsten av hårde og bristle faser som Ni3Al-baserte intermetalliske sammensettelser og Ni-rik og Cr-rik boreider den hovedsakelige grunnen til avta i ledestyrke og tøffhet.

Transient væskefase diffusjonsvekting solidifieres under isotermiske forhold og tilhører krystalliseringsprosesser under likevekt, noe som bidrar til homogenisering av sammensetning og struktur [20]. Pouranvari [21] studerte transient væskefase diffusjonsvekting av Inconel718 nikkelbasert høytemperaturslegeme og fant at Cr-innhaldet i fyllingen og oppdelingsomfanget av matrisen er avgjørende faktorer for styrken på isoterm solidifiseringssonen. Lin et al. [22] undersøkte hvordan prosessparametre ved transient væskefase diffusjonsvekting påvirket mikrostrukturen og egenskapene til GH99 nikkelbasert høytemperaturslegemeledninger. Resultatene viste at med økning av koblingstemperaturen eller utvidelsen av tiden, reduseres antallet Ni-rik og Cr-rik boriesoner i nedsettelsessonen, og kornstørrelsen i denne sonen blir mindre. Romtemperatur- og høytemperatur traksskyvespenningen øker med utvidelsen av holdtiden. I dag har transient væskefase diffusjonsvekting blitt brukt vellykket til å reparere små sprukninger i områder med lav strekk og gjenopprette spisseskader på ukronede blad [23] –24]. Selv om diffusjonsveksling med midlertidig væskefase har blitt vellykket brukt på en rekke materialer, er den begrenset til reparasjon av små sprukker (omtrent 250 μ m).

Når sprukkebredden er større enn 0,5 mm og kapillærvirksomheten ikke er tilstrekkelig for å fylle sprakken, kan klingen repareres ved å bruke aktivert diffusjonsveksling [24]. Su et al. [25] brukte den aktiverte diffusjonsvekslingsmetoden til å reparere In738 nikkelbasert høytemperaturslette ved hjelp av DF4B-vekslingsmateriale og oppnådde en vekslingsforbundning med høy styrke og oxidasjonstolerans. Den γ′ fase som danner seg i leiren har en forsterkende effekt, og trekraften når 85% av morermaterialet. Leiren brytes på posisjonen til Cr-rik borid. Hawk et al. [26] brukte også aktivert diffusjonsvekting for å reparere bredde kroker i René 108 nikkelbasert høytemperaturslette. Pulvermetallurgisk remanufakturering, som en ny utviklet metode for opprinnelig rekonstruksjon av avanserte materialeoverflater, har blitt vidt brukt i repareringsarbeidet med høytemperatursletter. Den kan gjenopprette og rekonstruere den tredimensjonale nær-isotrope styrken til store kløftedefekter (mer enn 5 mm) som krepper, abrasjon, slitasje og hull i letter [27]. Liburdi, et kanadisk selskap, utviklet LPM-metoden (Liburdi pulvermetallurgi) for å reparere nikkelbaserte alloy-sletter med høy Al- og Ti-innhold som har dårlig veldyktighet. Prosessemforløpet vises i figur 4 [28]. I nylige år kan denne metoden basert på vertikal lagpulvermetallurgi utføre enkeltstegsbrasing av defekter som er så brede som 25 mm [29].

1.2 Reparasjon  av overflatebeskader på nikkelbaserte høytemperaturlegeme-turbinsblader

Når småareale skraper og korrosjonsbeskader oppstår på overflaten av nikkelbaserte høytemperaturlegeme-blader, kan det beskadede området vanligvis fjernes og groves ut ved maskinering, og deretter fylles og reparert ved hjelp av en passende veldingsmetode. Nåværende forskning fokuserer hovedsakelig på laser smelteavlagging og argonbuevelding for reparasjon.

Kim et al. [30] fra University of Delaware i USA utførte laseroverføring og manuell laservelding for å reparere Rene80 nikkelbaserte alloyblader med høy Al- og Ti-innhold, og sammenlignet de arbeidsstykka som hadde gjennomgått etterveldingsvarmebehandling med de som hadde gjennomgått etterveldingsvarmebehandling og varm isotropisk trykk (HIP), og fant at HIP kan redusere effektivt små pordefekter. Liu et al. [31] fra Huazhong University of Science and Technology brukte laseroverføringsteknologi til å reparere furuede og hulldefekter i 718 nikkelbaserte alloyturbinkomponenter, og undersøkte effekten av lasermaktetthet, laserskanefart og overføringstype på repareringsprosessen, som vist i figur 5.

Hva angår argonbuevelding for repareringsformål, så brukte Qu Sheng et al. [32] fra Kina Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. tungstenveldingsmetoden med argon for å reparere skader som skritt og slitasje på toppen av DZ125 høytemperaturlegerings turbineblader. Resultatene viser at etter reparasjon med tradisjonelle kobaltbaserte veldingsmaterialer er varmeområdeet nokså oppgitt til varmekraker, og hårdheten på veldingen reduseres. Imidlertid ved å bruke det nylig utviklede MGS-1 nikkelbaserte veldingsmaterialer, kombinert med passende veldings- og varmebehandlingsprosesser, kan man effektivt unngå at kraker oppstår i varmeområdet, og trekkerken på 1000 ° C når 90 % av basismaterialet. Song Wenqing og kollegene [33] utførte en studie om reperasjonsvekslingsprosessen for kastingsdefekter i K4104 høytemperaturspenningslegerings turbineledningsblader. Resultatene viste at ved bruk av HGH3113 og HGH3533 vekslingstråd som fyllingsmetall, har det utmærket vekslingsformasjon, god plastisitet og sterke sprakkarakteristikk, mens ved bruk av K4104-vekslingstråd med økt Zr-innhold, er flytenheten til det kemiske metallpolet dårlig, vekslingsflaten er ikke godt formet, og sprakkarakteristikk og ufusjonsfeil oppstår. Det kan ses at i bladreparasjonsprosessen spiller valget av fyllingsmaterialer en avgjørende rolle.

Nåværende forskning om reparasjon av nikkelbaserte turbineblader har vist at nikkelbaserte høytemperaturslegemer inneholder fastløsningsforsterkende elementer som Cr, Mo, Al og sporav elementer som P, S og B, som gjør dem mer oppsprukkelsesfølsomme under reparasjonsprosessen. Etter sveising er de nøyaktig tilstrukturert og kan dannede britle Laves fasefeil. Derfor krever etterforskning av reparasjon av nikkelbaserte høytemperaturslegemer regulering av strukturen og mekaniske egenskaper av slike feil.

2 Titanlegemefan/kompresserbladreparasjonsmetode

Under drift er titaniumleges blader for ventilator/kompressor hovedsakelig utsatt for sentrifugalkraft, aerodynamisk kraft og vibrasjonslast. Under bruk oppstår ofte overflate-skadedefekter (sprrekker, spissforing av blader etc.), lokale brutdefekter av titaniumblader og storfeltsskader (utmattingbrudd, storfeltsskader og korrosjon etc.), som krever fullstendig erstatning av bladene. Forskjellige defekttyper og vanlige repareringsmetoder vises i figur 6. Følgende vil presentere forskningsstatusen for reparationen av disse tre typene defekter.

2.1 Reparering av overflatedefekter på titaniumblader

Under drift har titaniumblader ofte defekter som overflatesprakk, småfeltsskraper og bladeausoding. Repareringen av slike defekter ligner den av nikkelbaserte turbineblader. Maskinering brukes for å fjerne det defekte området, og laserfusjon eller argonbue-sveising brukes til utfylling og reparasjon.

I feltet for laserfusjon, utførte Zhao Zhuang og kollegaer [34] fra Nordvestlig Politeknisk Universitet en studie om laserreparasjon av småoverflatefeil (overflatedia meter 2 mm, kuleformige feil med dybde 0,5 mm) på TC17-titaniumlegeringspressformer. Resultatene viste at β søylepipere i laserdeponeringsområdet vokste epitaksialt fra grensesnittet og korngrensene ble utsløttede. De opprinnelige neddelsformede α lathes og sekundære α faser i varmeberørte sone vokste og ble grovere. I sammenligning med de formede prøvene hadde lasereparerte prøver egenskaper av høy styrke og lav plastisitet. Trekkstyrken økte fra 1077,7 MPa til 1146,6 MPa, og utstrekket sank fra 17,4% til 11,7%. Pan Bo et al. [35] brukte coaxial pulverføring laserkladdeteknologi for å reparere sirkulære hullforhåndsdefekter av ZTC4 titaniumlegeme flere ganger. Resultatene viste at mikrostrukturendringsprosessen fra modermaterial til repareringsområdet var bladformet α fase og mellomkorn β fase → korgvev-struktur → martensitt → Widmanstatten-struktur. Hardheten i varmeberørte sone økte litt med økningen av antall reparasjoner, mens hardheten av modermaterial og kladdelag ikke endret seg mye.

Resultatene viser at repareringssonen og varmeberørte sone før varmetreating er ultra-fine neddle-lignende α fase fordelt i β fase matrise, og basematerialet er en fin kurvestruktur. Etter varmebehandling er mikrostrukturen i hver område lath liknende α fase + β fase transformasjonsstruktur, og lengden på den primære α fase i repareringsområdet er betydelig større enn i andre områder. Den høye syklusfatiguegrensen for repareringsdelen er 490MPa, som er høyere enn fatiguegrensen for basematerialet. Den ekstreme nedgangen er omtrent 7,1%. Manuell argonbue-sveising brukes også vanligvis til å reparere bladoverflater med sprakk og spissforing. Ulempe er at varmeanlegget er stort, og storearealreparasjoner er nokså unntatt store varmestress og sveiseformendring [37].

Nåværende forskning viser at uansett om laserfusjon eller argonbue-sømving brukes til reparasjon, har reparasjonsområdet egenskaper som høy styrke og lav plastisitet, og bladets utmatningsprestasjoner reduseres enkelt etter reparasjon. Neste forskningssteg bør fokusere på hvordan kontrollere alleymassen, justere sømve-prosessparametrene og optimere prosesskontrollmetoder for å regulere mikrostrukturen i reparasjonsområdet, oppnå styrke- og plastisitetsjustering i reparasjonsområdet og sikre dens fremragende utmatningsprestasjoner.

2.2 Reparasjon av lokal skade på titanlegemeblader

Det finnes ingen vesentlig forskjell mellom reparasjonen av skader på titaniumlegesnorblader og additiv fremstillingsteknologi for tre-dimensjonale faste deler av titaniumlegering i forhold til prosess. Reparasjonen kan betraktes som en prosess med sekundær deponering og additiv fremstilling på bruddoverflaten og lokal overflate, med skadde deler som matrise, som vist i figur 7. Etter forskjellige varmekilder er den hovedsakelig delt inn i laseradditiv reparasjon og bueadditiv reparasjon. Det er verdt å merke seg at i nylig tid har Tysklands Samarbeidsforskningsenter 871 gjort bueadditiv reparasjonsteknologi til et fokusområde for reparasjon av integrale blader av titaniumlegering [38], og har forbedret reparasjonsytelsen ved å legge til kjerneningsmidler og andre midler [39].

I feltet for laseradditiv reparasjon har Gong Xinyong og kollegene [40] brukt TC11 legeringspulver for å studere laser smelte deponeringsreparasjonsprosessen av TC11 titaniumlegering. Etter reparasjonen er deponeringsområdet  det tynnveggede eksemplaret og smelteområdet ved grensesnittet hadde typiske karakteristikk for Widmanstätten-struktur, og matrisens varmeinfluerte sone overgikk fra Widmanstätten-struktur til totilstandsstruktur. Trekkerkjempen i avlægsområdet var omtrent 1200 MPa, som var høyere enn det ved grenseovergangsønet og matrisen, mens plastisiteten var litt lavere enn den av matrisen. Trekspesifika brøt alle inne i matrisen. Til slutt ble den faktiske rørhjul rettet ved punktsmelting og avlægsmetode, gikk gjennom overskjønnhetstestvurderingen og realiserte installasjonsapplikasjonen. Bian Hongyou og andre [41] brukte TA15-pulver for å studere laseradditiv retting av TC17-titaniumlegeme, og utforske effektene av ulike annealeringsvarmetretemperaturer (610 ℃ , 630 ℃ og 650 ℃ ) på dets mikrostruktur og egenskaper. Resultatene viste at trekkeretningen av den avlagte TA15/TC17-alloyen reparert ved laseravsetting kan oppnå 1029MPa, men plastisiteten er relativt lav, bare 4,3%, som tilsvarer 90,2% og 61,4% av TC17-forginger, henholdsvis. Etter varmetreating ved forskjellige temperaturer forbedres trekkeretningen og plastisiteten betydelig. Når jernfrittetemperaturen er 650 ℃ , er den høyeste trekkeretningen 1102MPa, som tilsvarer 98,4% av TC17-forginger, og utstrekkelsen etter brudd er 13,5%, som er betydelig forbedret i forhold til avlagningsstanden.

Innenfor feltet for bueadditiv reparasjon utførte Liu et al. [42] en reparasjonsstudie på en simulert prøve av en manglende TC4 titaniumlegemeblad. En blandet kornmorfologi av ekvaksede krystaller og søyekrystaller ble oppnådd i den deponerte laget, med en maksimal trekkstyrke på 991 MPa og en utstrekkning på 10%. Zhuo et al. [43] brukte TC11 sveisingstråd til å gjøre en bueadditiv reparasjonsstudie på TC17 titaniumlegeme og analyserte mikrostrukturutviklingen i det deponerte laget og varmeinfluertsonen. Trekkstyrken var 1015,9 MPa under uvarmete forhold, og utstrekkningen var 14,8%, med gode generelle egenskaper. Chen et al. [44] studerte effektene av forskjellige annealerings temperaturer på mikrostrukturen og mekaniske egenskaper av TC11/TC17 titaniumlegemeremarasjonsprøver. Resultatene viste at en høyere annealerings temperatur var fordelsfull for å forbedre utstrekkningen av de reparerte prøvene.

Forskning på bruk av metalladditiv fremstillings teknologi for å reparere lokale skadedefekter i titanlegesblader er bare i sin barneby. De reparerte bladene må ikke bare ta hensyn til mekaniske egenskaper ved avlagt lag, men vurderingen av mekaniske egenskaper ved grensesnittet mellom de reparerte bladene er like avgjørende.

3 Titanlegesblader med stort areal skade Bladets bytte og reparer

For å forenkle kompressorskivenes rotorstruktur og redusere vekten, bruker moderne flymotorer blader ofte med en integrert bladskivestruktur. Dette er en enkeltstykket struktur som gjør arbeidsbladene og skivene til en integrert struktur, uten tønne og mortis. Ved å oppnå formålet med vektredusering, kan man også unngå slitasje og aerodynamisk tap av tønnen og mortisen i den konvensjonelle strukturen. Repareringen av overflate- og lokale skader på kompressorens integrerte bladskive er lik den ovenfor nevnte metoden for separat bladreparasjon. For reparasjon av brutte eller savnede deler av den integrerte bladskiven, brukes linær friksjonsveising mye grunnet sin unike prosessmetode og fordeler. Denne prosessen vises i figur 8 [45].

Mateo et al. [46] brukte lineær friksjonsveking for å simulere repareringsprosessen av Ti-6246-titaniumlegemet. Resultatene viste at samme skade som ble reparert opp til tre ganger hadde en smalere varmeberørtson og et finere vekegrainstruktur. Treksstyrken sank fra 1048 MPa til 1013 MPa med økningen i antall reparasjoner. Likevel brøt både trek- og utmattelsesspesimener i basismaterialet, unna vekeområdet.

Ma et al. [47] studerte effekten av forskjellige varmebehandlings temperaturer (530 ° C + 4h luftkjøling, 610 ° C + 4h luftkjøling, 670 ° C + 4h luftkjøling) på ​​ mikrostrukturen og mekaniske egenskaper av lineære friksjonsvekteforbindelser av TC17-titaniumlegemet. Resultatene viser at når varmebehandlings temperaturen øker, øker kornomforminggraden av α -fase og β -fase betydelig. Bruddoppførselen til trek- og impaktspesimener endret seg fra sprøtt brudd til ductil brudd. Etter varmebehandling ved 670 ° C, trekkesprovet brutt i basismaterialet. Trekkeretningen var 1262MPa, men strekningen var bare 81.1% av basismaterialet.

For tiden viser hjemme- og utlendingsforskning at lineær friksjonsveksteknologi har funksjonen til å rense oxider selv, noe som effektivt kan fjerne oxider på legetoverflaten uten metallurgiske feil forårsaket av smelting. Samtidig kan den realisere koblingen av ulike materialer for å oppnå dobbeltalloy/dobbelt-yteelse enkle bladskiver, og kan fullføre rask reperasjon av brudd i bladkroppen eller savnete deler av enkle bladskiver laget av ulike materialer [38]. Likevel er det fortsatt mange problemer som må løses ved bruk av lineær friksjonsveksingsteknologi for reparasjon av enkle bladskiver, som for eksempel stor reststress i knekkene og vanskelig kontroll av kvaliteten på koblingene mellom ulike materialer. Samtidig trenger prosessen for lineær friksjonsveksing av nye materialer videre utforskning.

Kontakt oss

Takk for ditt interesse i vår bedrift! Som en profesjonell produsent av gasturbinedelar vil vi fortsette å legge vekt på teknologisk innovasjon og serviceforbedring for å tilby flere høykvalitetsløsninger til kunder over hele verden. Hvis du har noen spørsmål, forslag eller samarbeidsintensjoner, vil vi gjerne hjelpe deg. Vennligst kontakt oss på følgende måter:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

E-post ：[email protected]