As lâminas de motores de aeronaves ficam em um ambiente de trabalho complexo e severo por um longo tempo e são propensas a vários tipos de defeitos de danos. É caro substituir lâminas, e a pesquisa sobre tecnologia de reparo e remanufatura de lâminas tem enormes benefícios econômicos. As lâminas de motores de aeronaves são divididas principalmente em duas categorias: lâminas de turbina e lâminas de ventilador/compressor. As lâminas de turbina geralmente usam ligas de alta temperatura à base de níquel, enquanto as lâminas de ventilador/compressor usam principalmente ligas de titânio, e algumas usam ligas de alta temperatura à base de níquel. As diferenças em materiais e ambientes de trabalho das lâminas de turbina e lâminas de ventilador/compressor resultam em diferentes tipos comuns de danos, resultando em diferentes métodos de reparo e indicadores de desempenho que precisam ser alcançados após o reparo. Este artigo analisa e discute os métodos de reparo e as principais tecnologias atualmente usadas para os dois tipos de defeitos de danos comuns em lâminas de motores de aeronaves, com o objetivo de fornecer uma base teórica para obter reparo e remanufatura de alta qualidade de lâminas de motores de aeronaves.
Em motores de aeronaves, as pás de turbinas e rotores de ventiladores/compressores estão sujeitas a ambientes severos de longo prazo, como cargas centrífugas, estresse térmico e corrosão, e têm requisitos de desempenho extremamente altos. Elas são listadas como um dos componentes mais essenciais na fabricação de motores de aeronaves, e sua fabricação é responsável por mais de 30% da carga de trabalho de toda a fabricação do motor [1-3]. Estando em um ambiente de trabalho severo e complexo por um longo tempo, as pás do rotor são propensas a defeitos como rachaduras, desgaste da ponta da pá e danos por fratura. O custo de reparo das pás é de apenas 20% do custo de fabricação da pá inteira. Portanto, a pesquisa sobre tecnologia de reparo de pás de motores de aeronaves é propícia para estender a vida útil das pás, reduzindo os custos de fabricação e tem enormes benefícios econômicos.
O reparo e a remanufatura de pás de motores de aeronaves incluem principalmente as quatro etapas a seguir [4]: pré-tratamento da lâmina (incluindo limpeza da lâmina [5], inspeção tridimensional e reconstrução geométrica [6-7], etc.); deposição de material (incluindo o uso de tecnologia avançada de soldagem e conexão para completar o preenchimento e acumulação de materiais ausentes [8-10], tratamento térmico de recuperação de desempenho [11-13], etc.); reforma da lâmina (incluindo métodos de usinagem como retificação e polimento [14]); tratamento pós-reparo (incluindo revestimento de superfície [15-16] e tratamento de reforço [17], etc.), conforme mostrado na Figura 1. Entre eles, a deposição de material é a chave para garantir as propriedades mecânicas da lâmina após o reparo. Os principais componentes e materiais das lâminas de motor de aeronave são mostrados na Figura 2. Para diferentes materiais e diferentes formas de defeito, a pesquisa do método de reparo correspondente é a base para alcançar reparo e remanufatura de alta qualidade de lâminas danificadas. Este artigo toma lâminas de turbina de liga de alta temperatura à base de níquel e lâminas de ventilador/compressor de liga de titânio como objetos, discute e analisa os métodos de reparo e as principais tecnologias usadas para diferentes tipos de danos em lâminas de motor de aeronave neste estágio e explica suas vantagens e desvantagens.
As lâminas de turbina de liga de alta temperatura à base de níquel trabalham em um ambiente de gás de combustão de alta temperatura e estresse complexo por um longo tempo, e as lâminas frequentemente apresentam defeitos como rachaduras térmicas de fadiga, danos superficiais de pequena área (desgaste da ponta da lâmina e danos por corrosão) e fraturas por fadiga. Como a segurança do reparo de fratura por fadiga da lâmina da turbina é relativamente baixa, elas geralmente são substituídas diretamente após a ocorrência da fratura por fadiga sem reparo por soldagem. Os dois tipos comuns de defeitos e métodos de reparo de lâminas de turbina são mostrados na Figura 3 [4]. A seguir, serão apresentados os métodos de reparo desses dois tipos de defeitos de lâminas de turbina de liga de alta temperatura à base de níquel, respectivamente.
Métodos de reparo por brasagem e soldagem em fase sólida são geralmente usados para reparar defeitos de trincas em pás de turbina, incluindo principalmente: brasagem a vácuo, colagem por difusão transitória em fase líquida, soldagem por difusão ativada e métodos de reparo de remanufatura por metalurgia do pó.
Shan et al. [18] usaram o método de brasagem a vácuo de feixe para reparar rachaduras em lâminas de liga de níquel ChS88 usando enchimentos de brasagem Ni-Cr-B-Si e Ni-Cr-Zr. Os resultados mostraram que, em comparação com o metal de enchimento de brasagem Ni-Cr-B-Si, o Zr no metal de enchimento de brasagem Ni-Cr-Zr não é fácil de difundir, o substrato não é significativamente corroído e a tenacidade da junta soldada é maior. O uso do metal de enchimento de brasagem Ni-Cr-Zr pode obter o reparo de rachaduras em lâminas de liga de níquel ChS88. Ojo et al. [19] estudaram os efeitos do tamanho da folga e dos parâmetros do processo na microestrutura e nas propriedades das juntas brasadas por difusão da liga de níquel Inconel718. À medida que o tamanho da lacuna aumenta, o aparecimento de fases duras e quebradiças, como compostos intermetálicos à base de Ni3Al e boretos ricos em Ni e Cr, é a principal razão para a diminuição da resistência e tenacidade da junta.
A soldagem por difusão em 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 soldagem por difusão em fase líquida transitória da liga de alta temperatura à base de níquel Inconel718 e descobriu que o teor de Cr no enchimento e a faixa de decomposição da matriz são os principais fatores que afetam a resistência da zona de solidificação isotérmica. Lin et al. [22] estudaram a influência dos parâmetros do processo de soldagem por difusão em fase líquida transitória na microestrutura e propriedades das juntas de liga de alta temperatura à base de níquel GH99. Os resultados mostraram que com o aumento da temperatura da conexão ou a extensão do tempo, o número de boretos ricos em Ni e Cr na zona de precipitação diminuiu, e o tamanho do grão da zona de precipitação foi menor. A temperatura ambiente e a resistência ao cisalhamento de tração em alta temperatura aumentaram com a extensão do tempo de espera. Atualmente, a soldagem por difusão em fase líquida transitória tem sido usada com sucesso para reparar pequenas rachaduras em áreas de baixa tensão e reconstruir danos na ponta de lâminas não coroadas [23-24]. Embora a soldagem por difusão em fase líquida transitória tenha sido aplicada com sucesso a uma variedade de materiais, ela se limita ao reparo de pequenas fissuras (cerca de 250μm).
Quando a largura da fissura é maior que 0.5 mm e a ação capilar é insuficiente para preencher a fissura, o reparo da lâmina pode ser obtido usando soldagem por difusão ativada [24]. Su et al. [25] usaram o método de brasagem por difusão ativada para reparar a lâmina de liga de alta temperatura à base de níquel In738 usando material de brasagem DF4B e obtiveram uma junta brasada de alta resistência e resistente à oxidação. γ′ fase precipitada na junta tem um efeito de fortalecimento, e a resistência à tração atinge 85% do material original. A junta quebra na posição do boreto rico em Cr. Hawk et al. [26] também usaram soldagem por difusão ativada para reparar a ampla rachadura da lâmina de liga de alta temperatura à base de níquel René 108. A remanufatura de metalurgia do pó, como um método recentemente desenvolvido para a reconstrução original de superfícies de materiais avançados, tem sido amplamente usada no reparo de lâminas de liga de alta temperatura. Ela pode restaurar e reconstruir a resistência quase isotrópica tridimensional de grandes defeitos de folga (mais de 5 mm), como rachaduras, ablação, desgaste e furos nas lâminas [27]. A Liburdi, uma empresa canadense, desenvolveu o método LPM (Liburdi powder metallurgy) para reparar lâminas de liga à base de níquel com altos teores de Al e Ti que têm baixo desempenho de soldagem. O processo é mostrado na Figura 4 [28]. Nos últimos anos, o método de metalurgia do pó de laminação vertical baseado neste método pode realizar reparos de brasagem única de defeitos de até 25 mm de largura [29].
Quando arranhões de pequena área e danos de corrosão ocorrem na superfície de lâminas de liga de alta temperatura à base de níquel, a área danificada pode geralmente ser removida e ranhurada por usinagem, e então preenchida e reparada usando um método de soldagem apropriado. A pesquisa atual foca principalmente na deposição de fusão a laser e no reparo de soldagem a arco de argônio.
Kim et al. [30] da Universidade de Delaware nos Estados Unidos realizaram revestimento a laser e reparo de soldagem manual em lâminas de liga de níquel Rene80 com altos teores de Al e Ti, e compararam as peças de trabalho que passaram por tratamento térmico pós-soldagem com aquelas que passaram por tratamento térmico pós-soldagem e prensagem isostática a quente (HIP), e descobriram que o HIP pode reduzir efetivamente defeitos de poros de pequeno tamanho. Liu et al. [31] da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong usaram tecnologia de revestimento a laser para reparar defeitos de ranhuras e furos em componentes de turbina de liga de níquel 718, e exploraram os efeitos da densidade de potência do laser, velocidade de varredura do laser e forma do revestimento no processo de reparo, conforme mostrado na Figura 5.
Em termos de reparo de soldagem a arco de argônio, Qu Sheng et al. [32] da China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. usaram o método de soldagem a arco de argônio de tungstênio para reparar os problemas de desgaste e rachaduras na ponta das lâminas de turbina de liga de alta temperatura DZ125. Os resultados mostram que após o reparo com materiais de soldagem tradicionais à base de cobalto, a zona afetada pelo calor é propensa a rachaduras térmicas e a dureza da solda é reduzida. No entanto, o uso dos materiais de soldagem à base de níquel MGS-1 recentemente desenvolvidos, combinados com processos de soldagem e tratamento térmico apropriados, pode efetivamente evitar que rachaduras ocorram na zona afetada pelo calor e a resistência à tração a 1000°C atinge 90% do material base. Song Wenqing et al. [33] conduziram um estudo sobre o processo de soldagem de reparo de defeitos de fundição de lâminas guia de turbina de liga de alta temperatura K4104. Os resultados mostraram que o uso de fios de soldagem HGH3113 e HGH3533 como metais de enchimento tem excelente formação de solda, boa plasticidade e forte resistência a trincas, enquanto o uso Quando o fio de soldagem K4104 com maior teor de Zr é soldado, a fluidez do metal líquido é ruim, a superfície da solda não é bem formada e ocorrem trincas e defeitos de não fusão. Pode-se observar que no processo de reparo da lâmina, a seleção de materiais de enchimento desempenha um papel vital.
Pesquisas atuais sobre o reparo de lâminas de turbina à base de níquel mostraram que ligas de alta temperatura à base de níquel contêm elementos de reforço de solução sólida, como Cr, Mo, Al e elementos traço, como P, S e B, que os tornam mais sensíveis a trincas durante o processo de reparo. Após a soldagem, eles são propensos à segregação estrutural e à formação de defeitos de fase Laves quebradiços. Portanto, pesquisas subsequentes sobre o reparo de ligas de alta temperatura à base de níquel exigem a regulamentação da estrutura e das propriedades mecânicas de tais defeitos.
Durante a operação, as lâminas do ventilador/compressor de liga de titânio são submetidas principalmente à força centrífuga, força aerodinâmica e carga de vibração. Durante o uso, defeitos de danos superficiais (rachaduras, desgaste da ponta da lâmina, etc.), defeitos de quebra local das lâminas de liga de titânio e danos de grande área (fratura por fadiga, danos de grande área e corrosão, etc.) ocorrem frequentemente, exigindo a substituição geral das lâminas. Diferentes tipos de defeitos e métodos comuns de reparo são mostrados na Figura 6. A seguir, será apresentado o status da pesquisa do reparo desses três tipos de defeitos.
Durante a operação, as lâminas de liga de titânio frequentemente apresentam defeitos como rachaduras superficiais, arranhões em pequenas áreas e desgaste da lâmina. O reparo desses defeitos é semelhante ao das lâminas de turbina à base de níquel. A usinagem é usada para remover a área defeituosa e a deposição de fusão a laser ou soldagem a arco de argônio é usada para preenchimento e reparo.
No campo da deposição por fusão a laser, Zhao Zhuang et al. [34] da Northwestern Polytechnical University conduziram um estudo de reparo a laser em defeitos superficiais de pequeno porte (diâmetro superficial de 2 mm, defeitos hemisféricos com profundidade de 0.5 mm) de forjados de liga de titânio TC17. Os resultados mostraram que β cristais colunares na zona de deposição do laser cresceram epitaxialmente a partir da interface e os limites dos grãos ficaram borrados. O formato original de agulha α ripas e secundário α fases na zona afetada pelo calor cresceram e engrossaram. Comparadas com as amostras forjadas, as amostras reparadas a laser tinham as características de alta resistência e baixa plasticidade. A resistência à tração aumentou de 1077.7 MPa para 1146.6 MPa, e o alongamento diminuiu de 17.4% para 11.7%. Pan Bo et al. [35] usaram a tecnologia de revestimento a laser de alimentação de pó coaxial para reparar os defeitos pré-fabricados em forma de furo circular da liga de titânio ZTC4 por muitas vezes. Os resultados mostraram que o processo de mudança de microestrutura do material original para a área reparada foi lamelar α fase e intergranular β fase → estrutura de trama de cesta → martensita → Estrutura de Widmanstatten. A dureza da zona afetada pelo calor aumentou ligeiramente com o aumento do número de reparos, enquanto a dureza do material de origem 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 semelhantes a agulhas ultrafinas α fase distribuída no β matriz de fase, e a zona do material base é uma estrutura de cesta fina. Após o tratamento térmico, a microestrutura de cada área é primária semelhante a uma ripa α fase + β estrutura de transformação de fase e o comprimento do primário α fase na área de reparo é significativamente maior do que em outras áreas. O limite de fadiga de alto ciclo da peça de reparo é 490 MPa, que é maior do que o limite de fadiga do material base. A queda extrema é de cerca de 7.1%. A soldagem a arco de argônio manual também é comumente usada para reparar rachaduras na superfície da lâmina e desgaste da ponta. Sua desvantagem é que a entrada de calor é grande, e reparos de grandes áreas são propensos a grande estresse térmico e deformação de soldagem [37].
Pesquisas atuais mostram que, independentemente de se a deposição de fusão a laser ou a soldagem a arco de argônio é usada para reparo, a área de reparo tem as características de alta resistência e baixa plasticidade, e o desempenho de fadiga da lâmina é facilmente reduzido após o reparo. A próxima etapa da pesquisa deve se concentrar em como controlar a composição da liga, ajustar os parâmetros do processo de soldagem e otimizar os métodos de controle do processo para regular a microestrutura da área de reparo, atingir a correspondência de resistência e plasticidade na área de reparo e garantir seu excelente desempenho de fadiga.
Não há diferença essencial entre o reparo de defeitos de danos em lâminas de rotor de liga de titânio e a tecnologia de manufatura aditiva de peças sólidas tridimensionais de liga de titânio em termos de processo. O reparo pode ser considerado um processo de manufatura aditiva de deposição secundária na seção de fratura e superfície local com as peças danificadas como matriz, conforme mostrado na Figura 7. De acordo com as diferentes fontes de calor, ele é dividido principalmente em reparo aditivo a laser e reparo aditivo a arco. Vale a pena notar que, nos últimos anos, o Centro de Pesquisa Colaborativa Alemão 871 fez da tecnologia de reparo aditivo a arco um foco de pesquisa para o reparo de lâminas integrais de liga de titânio[38], e melhorou o desempenho do reparo adicionando agentes nucleantes e outros meios[39].
No campo de reparo aditivo a laser, Gong Xinyong et al. [40] usaram pó de liga TC11 para estudar o processo de reparo por deposição por fusão a laser da liga de titânio TC11. Após o reparo, a área de deposição de a amostra de parede fina e a área de refusão da interface tinham características típicas da estrutura de Widmanstatten, e a estrutura da zona afetada pelo calor da matriz fez a transição da estrutura de Widmanstatten para a estrutura de estado duplo. A resistência à tração da área de deposição foi de cerca de 1200 MPa, que foi maior do que a da zona de transição da interface e da matriz, enquanto a plasticidade foi ligeiramente menor do que a da matriz. Os espécimes de tração foram todos quebrados dentro da matriz. Finalmente, o impulsor real foi reparado pelo método de deposição de fusão ponto a ponto, passou na avaliação do teste de supervelocidade e realizou a aplicação da instalação. Bian Hongyou et al. [41] usaram pó TA15 para estudar o reparo aditivo a laser da liga de titânio TC17 e exploraram os efeitos de diferentes temperaturas de tratamento térmico de recozimento (610℃, 630℃ e 650℃) em sua microestrutura e propriedades. Os resultados mostraram que a resistência à tração da liga TA15/TC17 depositada reparada por deposição a laser pode atingir 1029MPa, mas a plasticidade é relativamente baixa, apenas 4.3%, atingindo 90.2% e 61.4% dos forjados TC17, respectivamente. Após o tratamento térmico em diferentes temperaturas, a resistência à tração e a plasticidade são significativamente melhoradas. Quando a temperatura de recozimento é de 650℃, a maior resistência à tração é de 1102 MPa, atingindo 98.4% dos forjados TC17, e o alongamento após a fratura é de 13.5%, o que é significativamente melhorado em comparação com o estado depositado.
No campo de reparo aditivo de arco, Liu et al. [42] conduziram um estudo de reparo em um espécime simulado de uma lâmina de liga de titânio TC4 ausente. Uma morfologia de grãos mistos de cristais equiaxiais e cristais colunares foi obtida na camada depositada, com uma resistência à tração máxima de 991 MPa e um alongamento de 10%. Zhuo et al. [43] usaram arame de soldagem TC11 para conduzir um estudo de reparo aditivo de arco na liga de titânio TC17 e analisaram a evolução microestrutural da camada depositada e da zona afetada pelo calor. A resistência à tração foi de 1015.9 MPa sob condições não aquecidas e o alongamento foi de 14.8%, com bom desempenho abrangente. Chen et al. [44] estudaram os efeitos de diferentes temperaturas de recozimento na microestrutura e nas propriedades mecânicas de espécimes de reparo de liga de titânio TC11/TC17. Os resultados mostraram que uma temperatura de recozimento mais alta foi benéfica para melhorar o alongamento dos espécimes reparados.
A pesquisa sobre o uso da tecnologia de manufatura aditiva de metal para reparar defeitos de danos locais em lâminas de liga de titânio está apenas em sua infância. As lâminas reparadas não só precisam prestar atenção às propriedades mecânicas da camada depositada, mas também a avaliação das propriedades mecânicas na interface das lâminas reparadas é igualmente crucial.
Para simplificar a estrutura do rotor do compressor e reduzir o peso, as lâminas modernas de motores de aeronaves geralmente adotam uma estrutura de disco de lâmina integral, que é uma estrutura de uma peça que torna as lâminas de trabalho e os discos de lâmina em uma estrutura integral, eliminando o encaixe e a mortise. Ao atingir o propósito de redução de peso, também pode evitar o desgaste e a perda aerodinâmica do encaixe e da mortise na estrutura convencional. O reparo dos danos superficiais e defeitos de danos locais do disco de lâmina integral do compressor é semelhante ao método de reparo de lâmina separada mencionado acima. Para o reparo de peças quebradas ou faltantes do disco de lâmina integral, a soldagem por fricção linear é amplamente usada devido ao seu método de processamento exclusivo e vantagens. Seu processo é mostrado na Figura 8 [45].
Mateo et al. [46] usaram soldagem por fricção linear para simular o reparo da liga de titânio Ti-6246. Os resultados mostraram que o mesmo dano reparado até três vezes teve uma zona afetada pelo calor mais estreita e uma estrutura de grão de solda mais fina. A resistência à tração diminuiu de 1048 MPa para 1013 MPa com o aumento do número de reparos. No entanto, tanto os espécimes de tração quanto os de fadiga foram quebrados na área do material de base, longe da área de solda.
Ma et al. [47] estudaram os efeitos de diferentes temperaturas de tratamento térmico (530°C + 4h de resfriamento a ar, 610°C + 4h de resfriamento a ar, 670°C + 4h de resfriamento ao ar) em â <â <a microestrutura e as propriedades mecânicas das juntas soldadas por fricção linear de liga de titânio TC17. Os resultados mostram que com o aumento da temperatura do tratamento térmico, o grau de recristalização de α fase e β aumenta significativamente. O comportamento de fratura dos espécimes de tração e impacto mudou de fratura frágil para fratura dúctil. Após tratamento térmico a 670°C, o espécime de tração fraturou no material base. A resistência à tração foi de 1262MPa, mas o alongamento foi de apenas 81.1% do material base.
Atualmente, pesquisas nacionais e estrangeiras mostram que a tecnologia de reparo de soldagem por fricção linear tem a função de óxidos autolimpantes, que podem efetivamente remover óxidos na superfície de ligação sem defeitos metalúrgicos causados pela fusão. Ao mesmo tempo, pode realizar a conexão de materiais heterogêneos para obter discos de lâmina integrais de dupla liga/duplo desempenho e pode concluir o reparo rápido de fraturas do corpo da lâmina ou peças faltantes de discos de lâmina integrais feitos de materiais diferentes [38]. No entanto, ainda há muitos problemas a serem resolvidos no uso da tecnologia de soldagem por fricção linear para reparar discos de lâmina integrais, como grande tensão residual nas juntas e dificuldade em controlar a qualidade das conexões de materiais heterogêneos. Ao mesmo tempo, o processo de soldagem por fricção linear para novos materiais precisa de mais exploração.
Obrigado pelo seu interesse em nossa empresa! Como uma empresa profissional de fabricação de peças de turbinas a gás, continuaremos comprometidos com a inovação tecnológica e a melhoria de serviços, para fornecer mais soluções de alta qualidade para clientes em todo o mundo. Se você tiver alguma dúvida, sugestão ou intenção de cooperação, ficaremos mais do que felizes em ajudá-lo. Entre em contato conosco das seguintes maneiras:
WhatsAPP:+86 135 4409 5201
Email:[email protected]
Hot News2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Nossa equipe de vendas profissional está esperando por sua consulta.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NÃO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
