As pás de motores aeronáuticos operam por longos períodos em um ambiente complexo e severo, estando sujeitas a vários tipos de defeitos de dano. Substituir as pás é caro, e a pesquisa sobre tecnologias de reparo e remanufatura oferece enormes benefícios econômicos. As pás dos motores aeronáuticos dividem-se principalmente em duas categorias: pás de turbina e pás de ventilador/compressor. As pás de turbina geralmente utilizam ligas de altas temperaturas à base de níquel, enquanto as pás de ventilador/compressor utilizam principalmente ligas de titânio, e algumas também utilizam ligas de altas temperaturas à base de níquel. As diferenças nos materiais e nos ambientes de trabalho das pás de turbina e de ventilador/compressor resultam em tipos comuns de dano diferentes, levando a métodos de reparo distintos e aos indicadores de desempenho que precisam ser alcançados após o reparo. Este artigo analisa e discute os métodos de reparo e tecnologias-chave atualmente usados para os dois tipos comuns de defeitos de dano nas pás dos motores aeronáuticos, com o objetivo de fornecer uma base teórica para alcançar reparos e remanufaturas de alta qualidade nas pás dos motores aeronáuticos.
Em motores aeronáuticos, as pás de turbinas e rotores de ventilador/compressor estão sujeitas a ambientes severos de longo prazo, como cargas centrífugas, estresse térmico e corrosão, e possuem requisitos de desempenho extremamente altos. Elas são listadas como uma das componentes mais nucleares na fabricação de motores aeronáuticos, e sua fabricação representa mais de 30% da carga de trabalho da fabricação do motor inteiro [1 –3]. Estando em um ambiente de trabalho severo e complexo por longos períodos, as pás dos rotores estão propensas a defeitos como rachaduras, desgaste na ponta da pá e danos por fratura. O custo de reparo das pás equivale a apenas 20% do custo de fabricação da pá inteira. Portanto, a pesquisa sobre tecnologia de reparo de pás de motores aeronáuticos contribui para aumentar a vida útil das pás, reduzir os custos de fabricação e traz enormes benefícios econômicos.
A reparação e o remanufaturamento das pás de motores de aeronaves incluem principalmente as seguintes quatro etapas [4]: pré-tratamento da pá (incluindo limpeza da pá [5], inspeção tridimensional e reconstrução geométrica [6 –7], etc.); deposição de material (incluindo o uso de tecnologias avançadas de solda e conexão para completar o preenchimento e acúmulo de materiais perdidos [8 –10], tratamento térmico para recuperação de desempenho [11 –13], etc.); restauração da pá (incluindo métodos de usinagem como lixamento e polimento [14]); tratamento pós-reparo (incluindo revestimento de superfície [15] –16] e tratamento de reforço [17], etc.), como mostrado na Figura 1. Entre eles, a deposição de material é fundamental para garantir as propriedades mecânicas da pásca após a reparação. Os principais componentes e materiais das pás de motores aeronáuticos estão mostrados na Figura 2. Para diferentes materiais e formas de defeitos diferentes, a pesquisa do método correspondente de reparo é a base para alcançar um reparo e remanufatura de alta qualidade de pás danificadas. Este artigo toma como objeto as pás de turbina de liga à base de níquel e as pás de ventilador/compressor de liga de titânio, discute e analisa os métodos de reparo e tecnologias-chave usados para diferentes tipos de danos em pás de motores aeronáuticos neste estágio, e explica suas vantagens e desvantagens.
As pás de turbinas feitas de ligas a base de níquel trabalham em um ambiente de gás de combustão de alta temperatura e estresse complexo por longos períodos, e frequentemente apresentam defeitos como trincas térmicas de fadiga, danos superficiais em pequenas áreas (desgaste na ponta da pás e danos por corrosão) e fraturas de fadiga. Como a segurança do reparo de fraturas de fadiga das pás de turbina é relativamente baixa, elas geralmente são substituídas diretamente após a ocorrência de fratura de fadiga, sem reparo por soldagem. Os dois tipos comuns de defeitos e métodos de reparo das pás de turbinas estão mostrados na Figura 3 [4]. A seguir, serão introduzidos os métodos de reparo desses dois tipos de defeitos nas pás de turbinas de liga a base de níquel.
Os métodos de reparo por brasagem e solda a fase sólida são geralmente usados para reparar defeitos de rachaduras em lâminas de turbinas, incluindo principalmente: brasagem a vácuo, união por difusão de fase líquida transitória, solda por difusão ativada e métodos de reparo por remanufatura de metalurgia do pó.
Shan et al. [18] utilizaram o método de brazeamento a vácuo para reparar rachaduras em lâminas de ligas à base de níquel ChS88 usando preenchimentos de brazeamento Ni-Cr-B-Si e Ni-Cr-Zr. Os resultados mostraram que, em comparação com o material de preenchimento de brazeamento Ni-Cr-B-Si, o Zr no material de preenchimento de brazeamento Ni-Cr-Zr não difunde facilmente, o substrato não é corroído significativamente e a tenacidade da junta soldada é maior. O uso do material de preenchimento de brazeamento Ni-Cr-Zr pode alcançar o reparo de rachaduras em lâminas de ligas à base de níquel ChS88. Ojo et al. [19] estudaram os efeitos do tamanho da lacuna e dos parâmetros de processo na microestrutura e nas propriedades das juntas de brazeamento por difusão de ligas à base de níquel Inconel718. À medida que o tamanho da lacuna aumenta, a aparição de fases duras e frágeis, como compostos intermetálicos baseados em Ni3Al e borreias ricas em Ni e Cr, é a principal razão para a diminuição da força e tenacidade da junta.
A solda por difusão na fase líquida transitória é solidificada sob condições isotérmicas e pertence à cristalização sob condições de equilíbrio, o que é propício à homogeneização da composição e estrutura [20]. Pouranvari [21] estudou a solda por difusão na fase líquida transitória do ligamento nickel-based Inconel718 e descobriu que o teor de Cr no preenchimento e o intervalo de decomposição da matriz são os fatores-chave que afetam a força da zona de solidificação isotérmica. Lin et al. [22] investigaram a influência dos parâmetros de processo da solda por difusão na fase líquida transitória na microestrutura e nas propriedades das juntas do ligamento nickel-based GH99. Os resultados mostraram que com o aumento da temperatura de conexão ou a extensão do tempo, o número de borreto ricos em Ni e Cr na zona de precipitação diminuiu, e o tamanho do grão na zona de precipitação foi menor. A resistência ao cisalhamento em tração à temperatura ambiente e alta temperatura aumentou com a extensão do tempo de retenção. Atualmente, a solda por difusão na fase líquida transitória já foi usada com sucesso para reparar pequenas trincas em áreas de baixo estresse e reconstruir danos na ponta de pás sem coroa [23] –24]. Embora a soldagem por difusão em fase líquida transitória tenha sido aplicada com sucesso a uma variedade de materiais, ela é limitada à reparação de pequenas trincas (cerca de 250 μ m).
Quando a largura da trinca é maior que 0,5 mm e a ação capilar é insuficiente para preencher a trinca, o reparo da lâmina pode ser realizado utilizando soldagem por difusão ativada [24]. Su et al. [25] utilizaram o método de brasagem por difusão ativada para reparar a lâmina do material superalloy In738 de base de níquel usando o material de brasagem DF4B, obtendo uma junta de brasagem de alta resistência e resistente à oxidação. O γ′ a fase precipitada na junta tem um efeito de fortalecimento, e a resistência à tração atinge 85% do material base. A junta se rompe na posição do boreto rico em Cr. Hawk et al. [26] também utilizaram soldagem por difusão ativada para reparar a fissura larga da pás de liga nióbio-base René 108. A remanufatura por metalurgia do pó, como um método recentemente desenvolvido para reconstrução original de superfícies de materiais avançados, tem sido amplamente utilizada na reparação de pás de ligas de alta temperatura. Pode restaurar e reconstruir a força tridimensional quase isotrópica de defeitos de grandes lacunas (mais de 5 mm), como rachaduras, ablação, desgaste e furos em pás [27]. A Liburdi, uma empresa canadense, desenvolveu o método LPM (Liburdi powder metallurgy) para reparar pás de ligas de níquel com altos teores de Al e Ti que têm baixo desempenho em soldagem. O processo é mostrado na Figura 4 [28]. Nos últimos anos, o método de metalurgia do pó por laminação vertical, baseado neste método, pode realizar reparos de brazeamento de defeitos tão largos quanto 25 mm em uma única operação [29].
Quando ocorrem arranhões e danos por corrosão em pequenas áreas na superfície das pás de liga de alta temperatura à base de níquel, a área danificada geralmente pode ser removida e entalhada por usinagem, e então preenchida e reparada utilizando um método de solda apropriado. As pesquisas atuais concentram-se principalmente no reparo por deposição a laser e solda a arco argônico.
Kim et al. [30] da Universidade de Delaware nos Estados Unidos realizaram revestimento a laser e reparo por solda manual em lâminas de ligas de níquel Rene80 com altos teores de Al e Ti, e compararam as peças que passaram por tratamento térmico pós-solda com aquelas que passaram por tratamento térmico pós-solda e prensagem isostática a quente (HIP), e encontraram que o HIP pode reduzir eficazmente defeitos de porosidade de pequeno tamanho. Liu et al. [31] da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong utilizaram tecnologia de revestimento a laser para reparar defeitos de ranhuras e furos em componentes turbinados de liga de níquel 718, e exploraram os efeitos da densidade de potência do laser, velocidade de varredura do laser e forma de revestimento no processo de reparo, como mostrado na Figura 5.
Em termos de reparo por solda a arco de argônio, Qu Sheng et al. [32] da China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. utilizaram o método de solda a arco de tungstênio com argônio para reparar problemas de desgaste e trincas na ponta das pás de turbinas feitas do superalloy DZ125 de alta temperatura. Os resultados mostram que, após o reparo com materiais de solda à base de cobalto tradicionais, a zona termicamente afetada é propensa a trincas térmicas e a dureza da solda diminui. No entanto, utilizando os novos materiais de solda à base de níquel MGS-1, combinados com processos adequados de soldagem e tratamento térmico, é possível evitar eficazmente que trincas ocorram na zona termicamente afetada, e a resistência à tração a 1000 ° Atinge 90% do material base. Song Wenqing et al. [33] realizaram um estudo sobre o processo de reparo por soldagem de defeitos de fundição das pás guias de turbinas de ligas resistentes a altas temperaturas K4104. Os resultados mostraram que o uso de fios de solda HGH3113 e HGH3533 como metais de enchimento apresenta uma excelente formação da solda, boa plasticidade e forte resistência a trincas, enquanto ao usar o fio de solda K4104 com teor de Zr aumentado, a fluidez do metal líquido é ruim, a superfície da solda não se forma bem e ocorrem trincas e defeitos de não fusão. Pode-se concluir que no processo de reparo das lâminas, a seleção dos materiais de enchimento desempenha um papel vital.
A pesquisa atual sobre a reparação de pás de turbina à base de níquel mostrou que as ligas de alta temperatura à base de níquel contêm elementos de fortificação por solução sólida, como Cr, Mo, Al, e elementos traço, como P, S e B, o que as torna mais sensíveis a trincas durante o processo de reparo. Após a solda, elas estão propensas à segregação estrutural e à formação de defeitos da fase Laves frágil. Portanto, pesquisas subsequentes sobre o reparo de ligas de alta temperatura à base de níquel exigem a regulação da estrutura e das propriedades mecânicas desses defeitos.
Durante a operação, as pás de ventilador/compressor de liga de titânio estão sujeitas principalmente à força centrífuga, força aerodinâmica e carga de vibração. Durante o uso, defeitos de danos na superfície (rachaduras, desgaste na ponta da pás, etc.), defeitos de quebra local das pás de liga de titânio e danos em grande área (fratura por fadiga, danos em grande área e corrosão, etc.) frequentemente ocorrem, exigindo a substituição total das pás. Tipos diferentes de defeitos e métodos de reparo comuns são mostrados na Figura 6. A seguir, será apresentado o estado da arte do reparo desses três tipos de defeitos.
Durante a operação, as pás de liga de titânio frequentemente apresentam defeitos como rachaduras na superfície, arranhões em pequena área e desgaste das pás. O reparo desses defeitos é semelhante ao das pás de turbinas de níquel. Usinagem é empregada para remover a área defeituosa e deposição a laser ou solda a arco em argônio é utilizada para preenchimento e reparo.
No campo da deposição por fusão a laser, Zhao Zhuang et al. [34] da Universidade Politécnica do Noroeste realizaram um estudo de reparo a laser em defeitos superficiais de pequeno tamanho (diâmetro superficial de 2 mm, defeitos hemisféricos com uma profundidade de 0,5 mm) de peças forjadas de liga de titânio TC17. Os resultados mostraram que β cristais colunares na zona de deposição a laser cresceram epitaxialmente a partir da interface e os limites de grão ficaram borrados. A estrutura original em forma de agulha de α laminas e secundárias α as fases na zona afetada pelo calor cresceram e se tornaram mais grosseiras. Em comparação com as amostras forjadas, as amostras reparadas por laser apresentavam as características de alta resistência e baixa plasticidade. A resistência à tração aumentou de 1077,7 MPa para 1146,6 MPa, e a alongação diminuiu de 17,4% para 11,7%. Pan Bo et al. [35] utilizaram a tecnologia de revestimento a laser com alimentação coaxial de pó para reparar defeitos pré-fabricados em formato de buracos circulares da liga de titânio ZTC4 várias vezes. Os resultados mostraram que o processo de mudança de microestrutura da matéria-prima para a área reparada foi lamelar α fase e intergranular β fase - Não. estrutura de trança - Não. martensita - Não. Estrutura Widmanstätten. A dureza da zona afetada pelo calor aumentou levemente com o aumento do número de reparos, enquanto a dureza da matéria-prima e da camada de revestimento não mudou muito.
Os resultados mostram que a zona de reparo e a zona afetada pelo calor antes do tratamento térmico são ultrafinamente acicular α fase distribuída na β matriz de fase, e a zona do material base é uma estrutura de cesto fino. Após o tratamento térmico, a microestrutura de cada área é em forma de lâmina primária α fase + β estrutura de transformação de fase, e o comprimento da fase primária na área de reparo é significativamente maior do que nas outras áreas. O limite de fadiga em ciclos altos da parte reparada é de 490MPa, que é maior do que o limite de fadiga do material base. A queda extrema é de aproximadamente 7,1%. A soldagem manual a arco argônico também é amplamente usada para reparar rachaduras na superfície da lâmina e desgaste na ponta. Sua desvantagem é que a entrada de calor é grande, e reparos em grandes áreas estão propensos a grandes tensões térmicas e deformação por solda [37]. α fase na área de reparo é significativamente maior do que nas outras áreas.
Pesquisas atuais mostram que, independentemente de ser utilizada derivação por fusão a laser ou solda a arco em argônio para reparo, a área reparada possui as características de alta resistência e baixa plasticidade, e o desempenho de fadiga da lâmina é facilmente reduzido após o reparo. O próximo passo das pesquisas deve se concentrar em como controlar a composição do alloy, ajustar os parâmetros do processo de soldagem e otimizar os métodos de controle do processo para regular a microestrutura da área reparada, alcançar o equilíbrio entre resistência e plasticidade na área reparada e garantir seu excelente desempenho de fadiga.
Não há diferença essencial entre o reparo de defeitos de danos na lâmina do rotor de liga de titânio e a tecnologia de manufatura aditiva de peças tridimensionais de liga de titânio em termos de processo. O reparo pode ser considerado um processo de fabricação aditiva secundária por deposição na seção de fratura e na superfície local, com as partes danificadas como matriz, conforme mostrado na Figura 7. De acordo com as diferentes fontes de calor, ele é principalmente dividido em reparo aditivo a laser e reparo aditivo por arco elétrico. Vale a pena notar que nos últimos anos, o Centro Colaborativo de Pesquisa 871 da Alemanha tornou a tecnologia de reparo aditivo por arco elétrico um foco de pesquisa para o reparo de pás integradas de liga de titânio [38], e melhorou o desempenho do reparo adicionando nucleantes e outros meios [39].
No campo do reparo aditivo a laser, Gong Xinyong et al. [40] utilizaram pó de liga TC11 para estudar o processo de reparo por deposição a laser de fusão da liga de titânio TC11. Após o reparo, a área de deposição a amostra de parede fina e a área de reescoriação da interface apresentaram características típicas da estrutura Widmanstätten, e a transição da zona termicamente afetada da matriz passou da estrutura Widmanstätten para uma estrutura bimodal. A resistência à tração da área de deposição foi de aproximadamente 1200 MPa, que era maior do que a da zona de transição da interface e da matriz, enquanto a plasticidade era ligeiramente inferior à da matriz. Os espécimes de tração quebraram todos dentro da matriz. Por fim, o rotor real foi reparado utilizando o método de deposição por fusão ponto a ponto, passou na avaliação do teste supersônico e realizou a instalação aplicada. Bian Hongyou et al. [41] utilizaram pó TA15 para estudar o reparo aditivo a laser do titânio TC17, explorando os efeitos de diferentes temperaturas de tratamento térmico de normalização (610 ℃ , 630 ℃ e 650 ℃ ) em sua microestrutura e propriedades. Os resultados mostraram que a resistência à tração do TA15/TC17 depositado reparado por deposição a laser pode atingir 1029MPa, mas a plasticidade é relativamente baixa, apenas 4,3%, alcançando 90,2% e 61,4% dos forjados TC17, respectivamente. Após tratamento térmico em diferentes temperaturas, a resistência à tração e a plasticidade são significativamente melhoradas. Quando a temperatura de normalização é 650 ℃ , a maior resistência à tração é de 1102MPa, atingindo 98,4% dos forjados TC17, e a elongação após fratura é de 13,5%, o que representa uma melhoria significativa em comparação com o estado depositado.
No campo do reparo aditivo por arco, Liu et al. [42] realizaram um estudo de reparo em uma amostra simulada de uma pás de turbina de liga de titânio TC4 com defeito. Foi obtida uma morfologia de grãos mista de cristais equiaxedos e cristais colunares na camada depositada, com uma resistência máxima à tração de 991 MPa e alongamento de 10%. Zhuo et al. [43] utilizaram fio de solda TC11 para realizar um estudo de reparo aditivo por arco em liga de titânio TC17, analisando a evolução microestrutural da camada depositada e da zona termicamente afetada. A resistência à tração foi de 1015,9 MPa sob condições não aquecidas, com alongamento de 14,8%, apresentando boas propriedades globais. Chen et al. [44] estudaram os efeitos de diferentes temperaturas de recozimento sobre a microestrutura e as propriedades mecânicas de espécimes reparados de ligas de titânio TC11/TC17. Os resultados mostraram que uma temperatura de recozimento mais alta é benéfica para melhorar o alongamento dos espécimes reparados.
As pesquisas sobre o uso da tecnologia de fabricação aditiva metálica para reparar defeitos de dano local em pás de liga de titânio estão apenas no início. As pás reparadas não só precisam prestar atenção nas propriedades mecânicas da camada depositada, mas também a avaliação das propriedades mecânicas na interface das pás reparadas é igualmente crucial.
Para simplificar a estrutura do rotor do compressor e reduzir o peso, as pás de motores aeronáuticos modernos frequentemente adotam uma estrutura de disco de pás integradas, que é uma estrutura monobloco que faz as pás de trabalho e os discos de pás se tornarem uma estrutura integral, eliminando o encaixe e a ranhura. Enquanto atinge o objetivo de redução de peso, também é possível evitar o desgaste e a perda aerodinâmica do encaixe e da ranhura na estrutura convencional. O reparo de danos superficiais e defeitos de dano localizado no disco de pás integrado do compressor é semelhante ao método de reparo de pás separadas mencionado acima. Para o reparo de pás quebradas ou partes faltantes do disco de pás integrado, a solda por atrito linear é amplamente utilizada devido ao seu método de processamento único e vantagens. Seu processo é mostrado na Figura 8 [45].
Mateo et al. [46] utilizaram soldagem por atrito linear para simular o reparo de ligas de titânio Ti-6246. Os resultados mostraram que os mesmos danos reparados até três vezes tinham uma zona termicamente afetada mais estreita e uma estrutura de grãos de solda mais fina. A resistência à tração diminuiu de 1048 MPa para 1013 MPa com o aumento no número de reparos. No entanto, tanto os espécimes de tração quanto os de fadiga se quebraram na área do material base, longe da área de solda.
Ma et al. [47] estudaram os efeitos de diferentes temperaturas de tratamento térmico (530 ° C + 4h resfriamento a ar, 610 ° C + 4h resfriamento a ar, 670 ° C + 4h resfriamento a ar) sobre a microestrutura e as propriedades mecânicas das juntas soldadas por atrito linear da liga de titânio TC17. Os resultados mostram que, à medida que a temperatura de tratamento térmico aumenta, o grau de recristalização da fase α e da fase β aumenta significativamente. O comportamento de fratura dos espécimes de tração e impacto mudou de fratura frágil para fratura dúctil. Após o tratamento térmico a 670 ° C, a amostra de tração se fraturou no material base. A resistência à tração foi de 1262MPa, mas a alongação foi apenas 81,1% do material base.
Atualmente, pesquisas nacionais e internacionais mostram que a tecnologia de reparo por fricção linear possui a função de autolimpeza de óxidos, que pode remover eficazmente os óxidos na superfície de união sem causar defeitos metalúrgicos devido ao derretimento. Ao mesmo tempo, é possível realizar a conexão de materiais heterogêneos para obter discos de pás integrados com duplo-alloy/dupla-performance, e completar o reparo rápido de fraturas ou partes ausentes do corpo da pá em discos de pás integrados feitos de materiais diferentes [38]. No entanto, ainda existem muitos problemas a serem resolvidos no uso da tecnologia de fricção linear para reparar discos de pás integrados, como grandes tensões residuais nas junções e dificuldade de controle da qualidade das conexões de materiais heterogêneos. Ao mesmo tempo, o processo de fricção linear para novos materiais precisa ser explorado ainda mais.
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