Paletele motoarelor de aeronave se află mult timp într-un mediu de lucru complex și dur și sunt predispuse la diferite tipuri de defecte. Înlocuirea lamelor este costisitoare, iar cercetările privind repararea și tehnologia de refacere a lamelor au avantaje economice uriașe. Palele motoarelor de aeronave sunt împărțite în principal în două categorii: pale de turbină și pale de ventilator/compresor. Paletele turbinei folosesc de obicei aliaje de temperatură înaltă pe bază de nichel, în timp ce palele ventilatorului/compresorului folosesc în principal aliaje de titan, iar unele folosesc aliaje de temperatură înaltă pe bază de nichel. Diferențele de materiale și medii de lucru ale palelor de turbină și ale ventilatorului/compresorului au ca rezultat diferite tipuri comune de daune, rezultând diferite metode de reparare și indicatori de performanță care trebuie atinși după reparație. Această lucrare analizează și discută metodele de reparare și tehnologiile cheie utilizate în prezent pentru cele două tipuri de defecte comune ale lamelor motoarelor de aeronave, urmărind să ofere o bază teoretică pentru realizarea reparației și refacerii de înaltă calitate a palelor motoarelor de aeronave.
La motoarele de avioane, palele rotorului turbinei și ventilatorului/compresorului sunt supuse unor medii dure pe termen lung, cum ar fi sarcini centrifuge, stres termic și coroziune și au cerințe de performanță extrem de ridicate. Acestea sunt enumerate ca una dintre cele mai importante componente în fabricarea motoarelor de aeronave, iar producția lor reprezintă mai mult de 30% din volumul de muncă al întregii producții de motoare [1]-3]. Fiind într-un mediu de lucru dur și complex pentru o lungă perioadă de timp, paletele rotorului sunt predispuse la defecte, cum ar fi fisuri, uzura vârfului lamei și deteriorarea fracturilor. Costul reparației lamelor este de doar 20% din costul de fabricație a întregii lame. Prin urmare, cercetările privind tehnologia de reparare a palelor motoarelor de aeronave sunt propice pentru extinderea duratei de viață a palelor, reducerea costurilor de producție și are beneficii economice uriașe.
Repararea și remanufacturarea palelor motoarelor de aeronave include în principal următoarele patru etape [4]: pretratarea palelor (inclusiv curățarea palelor [5], inspecția tridimensională și reconstrucția geometrică [6]-7], etc.); depunerea de material (inclusiv utilizarea tehnologiei avansate de sudare și conectare pentru a finaliza umplerea și acumularea materialelor lipsă [8]-10], tratament termic de recuperare a performanței [11-13], etc.); recondiționarea lamelor (inclusiv metode de prelucrare precum șlefuirea și lustruirea [14]); tratament post-reparație (inclusiv acoperirea suprafeței [15-16] și tratamentul de întărire [17] etc.), așa cum se arată în Figura 1. Printre acestea, depunerea de material este cheia pentru asigurarea proprietăților mecanice ale lamei după reparație. Componentele și materialele principale ale palelor motorului de aeronave sunt prezentate în Figura 2. Pentru diferite materiale și diferite forme de defecte, cercetarea corespunzătoare a metodei de reparare este baza pentru obținerea de reparații și refaceri de înaltă calitate a palelor deteriorate. Această lucrare ia ca obiect palele de turbină din aliaj de temperatură înaltă pe bază de nichel și paletele ventilatorului/compresorului din aliaj de titan, discută și analizează metodele de reparare și tehnologiile cheie utilizate pentru diferite tipuri de avarii ale palelor motorului de aeronave în această etapă și explică avantajele și dezavantajele acestora.
Paletele turbinei din aliaj de înaltă temperatură pe bază de nichel funcționează într-un mediu cu gaz de ardere la temperatură înaltă și stres complex pentru o lungă perioadă de timp, iar palele au adesea defecte, cum ar fi fisuri termice de oboseală, deteriorarea suprafeței de suprafață mică (uzura vârfului lamei și deteriorarea coroziunii) și fracturi de oboseală. Deoarece siguranța reparației ruperii prin oboseală a palelor turbinei este relativ scăzută, acestea sunt, în general, înlocuite direct după ce apare fractura prin oboseală fără repararea sudurii. Cele două tipuri comune de defecte și metode de reparare a palelor turbinei sunt prezentate în Figura 3 [4]. În cele ce urmează vor fi prezentate metodele de reparare a acestor două tipuri de defecte ale palelor de turbină din aliaj de înaltă temperatură pe bază de nichel, respectiv.
Metodele de lipire și de reparare a sudării în fază solidă sunt utilizate în general pentru a repara defectele fisurilor ale palelor turbinei, incluzând în principal: lipirea în vid, lipirea prin difuzie în fază lichidă tranzitorie, sudarea prin difuzie activată și metodele de reparare a refacerii metalurgiei pulberilor.
Shan şi colab. [18] a folosit metoda de lipire în vid cu fascicul pentru a repara fisurile în lamele din aliaj pe bază de nichel ChS88 folosind materiale de umplutură de lipire Ni-Cr-B-Si și Ni-Cr-Zr. Rezultatele au arătat că, în comparație cu metalul de umplutură pentru lipire Ni-Cr-B-Si, Zr în metalul de umplutură pentru lipire Ni-Cr-Zr nu este ușor de difuzat, substratul nu este corodat semnificativ și duritatea îmbinării sudate este mai mare. Utilizarea metalului de umplutură pentru lipire Ni-Cr-Zr poate realiza repararea fisurilor la lamele din aliaj pe bază de nichel ChS88. Ojo și colab. [19] au studiat efectele dimensiunii golului și parametrilor procesului asupra microstructurii și proprietăților îmbinărilor brazate prin difuzie ale aliajului pe bază de nichel Inconel718. Pe măsură ce dimensiunea golului crește, apariția fazelor dure și casante, cum ar fi compușii intermetalici pe bază de Ni3Al și borurile bogate în Ni și Cr, este principalul motiv pentru scăderea rezistenței și tenacității îmbinării.
Sudarea prin difuzie în fază lichidă tranzitorie este solidificată în condiții izoterme și aparține cristalizării în condiții de echilibru, ceea ce conduce la omogenizarea compoziției și structurii [20]. Pouranvari [21] a studiat sudarea prin difuzie tranzitorie în fază lichidă a aliajului de temperatură înaltă pe bază de nichel Inconel718 și a constatat că conținutul de Cr din umplutură și domeniul de descompunere a matricei sunt factorii cheie care afectează rezistența zonei de solidificare izotermă. Lin şi colab. [22] au studiat influența parametrilor procesului de sudare prin difuzie în fază lichidă tranzitorie asupra microstructurii și proprietăților îmbinărilor din aliaj de înaltă temperatură pe bază de nichel GH99. Rezultatele au arătat că odată cu creșterea temperaturii de conectare sau prelungirea timpului, numărul de boruri bogate în Ni și Cr din zona de precipitare a scăzut, iar dimensiunea granulelor din zona de precipitare a fost mai mică. Temperatura camerei și rezistența la forfecare la tracțiune la temperaturi ridicate au crescut odată cu prelungirea timpului de menținere. În prezent, sudarea prin difuzie în fază lichidă tranzitorie a fost folosită cu succes pentru a repara fisurile mici în zonele cu stres scăzut și pentru a reconstrui deteriorarea vârfului lamelor necoronate [23].-24]. Deși sudarea prin difuzie în fază lichidă tranzitorie a fost aplicată cu succes la o varietate de materiale, se limitează la repararea fisurilor mici (aproximativ 250μm).
Când lățimea fisurii este mai mare de 0.5 mm și acțiunea capilară este insuficientă pentru a umple fisura, repararea lamei poate fi realizată prin utilizarea sudării prin difuzie activată [24]. Su şi colab. [25] a folosit metoda de lipire prin difuzie activată pentru a repara lama din aliaj de temperatură înaltă pe bază de nichel In738 folosind material de lipire DF4B și a obținut o îmbinare lipită de înaltă rezistență, rezistentă la oxidare. The γ′ faza precipitată în îmbinare are un efect de întărire, iar rezistența la tracțiune atinge 85% din materialul de bază. Articulația se rupe la poziția borurii bogate în Cr. Hawk și colab. [26] a folosit de asemenea sudarea prin difuzie activată pentru a repara fisura largă a lamei din aliaj de temperatură înaltă pe bază de nichel René 108. Remanufacturarea metalurgiei pulberilor, ca metodă nou dezvoltată pentru reconstrucția originală a suprafețelor de materiale avansate, a fost utilizată pe scară largă în repararea lamelor din aliaj de înaltă temperatură. Poate restabili și reconstrui rezistența tridimensională aproape izotropă a defectelor de goluri mari (mai mult de 5 mm), cum ar fi fisurile, ablația, uzura și găurile în lame [27]. Liburdi, o companie canadiană, a dezvoltat metoda LPM (Metalurgia pulberilor Liburdi) pentru a repara lamele din aliaj pe bază de nichel cu conținut ridicat de Al și Ti care au performanțe slabe la sudare. Procesul este prezentat în Figura 4 [28]. În ultimii ani, metoda de metalurgie a pulberilor de laminare verticală bazată pe această metodă poate efectua repararea prin lipire unică a defectelor de până la 25 mm [29].
Când apar zgârieturi de suprafețe mici și deteriorari de coroziune pe suprafața lamelor din aliaj de înaltă temperatură pe bază de nichel, zona deteriorată poate fi de obicei îndepărtată și canelată prin prelucrare, apoi umplută și reparată folosind o metodă de sudare adecvată. Cercetările actuale se concentrează în principal pe depunerea prin topire cu laser și repararea sudării cu arc cu argon.
Kim şi colab. [30] de la Universitatea din Delaware din Statele Unite au efectuat placari cu laser și reparații de sudură manuală pe lame din aliaj pe bază de nichel Rene80 cu conținut ridicat de Al și Ti și au comparat piesele care au suferit un tratament termic post-sudare cu cele care au suferit un tratament termic post-sudare și presare izostatică la cald (HIP) și a constatat că defectele mici pot reduce efectiv defectele mici. Liu și colab. [31] de la Universitatea de Știință și Tehnologie Huazhong a folosit tehnologia de placare cu laser pentru a repara defectele de caneluri și găuri în 718 componente ale turbinei din aliaj pe bază de nichel și a explorat efectele densității puterii laserului, vitezei de scanare laser și formei de placare asupra procesului de reparare, așa cum se arată în Figura 5.
În ceea ce privește repararea sudării cu arc cu argon, Qu Sheng și colab. [32] de la China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. a folosit metoda de sudare cu arc cu tungsten argon pentru a repara problemele de uzură și fisuri la vârful palelor turbinei din aliaj de temperatură înaltă DZ125. . Rezultatele arată că după repararea cu materiale tradiționale de sudare pe bază de cobalt, zona afectată de căldură este predispusă la fisuri termice și duritatea sudurii este redusă. Cu toate acestea, utilizarea materialelor de sudare pe bază de nichel MGS-1 nou dezvoltate, combinată cu procese adecvate de sudare și tratament termic, poate evita în mod eficient apariția fisurilor în zona afectată de căldură și rezistența la tracțiune la 1000°C ajunge la 90% din materialul de bază. Song Wenqing și colab. [33] a efectuat un studiu privind procesul de sudare de reparare a defectelor de turnare ale palelor de ghidare ale turbinei din aliaj K4104 la temperatură înaltă. Rezultatele au arătat că utilizarea firelor de sudură HGH3113 și HGH3533 ca metale de umplutură are o formare excelentă de sudură, o plasticitate bună și o rezistență puternică la fisuri, în timp ce utilizarea sârmei de sudură K4104 cu conținut crescut de Zr este sudată, fluiditatea metalului lichid este slabă, suprafața de sudură nu este formată bine și crăpături și nefuziune. Se poate observa că în procesul de reparare a lamei, selecția materialelor de umplutură joacă un rol vital.
Cercetările actuale privind repararea palelor de turbine pe bază de nichel au arătat că aliajele de temperatură înaltă pe bază de nichel conțin elemente de întărire a soluției solide, cum ar fi Cr, Mo, Al și oligoelemente precum P, S și B, care le fac mai sensibile la fisuri în timpul procesului de reparare. După sudare, acestea sunt predispuse la segregarea structurală și formarea de defecte de fază Laves fragile. Prin urmare, cercetările ulterioare privind repararea aliajelor de temperatură înaltă pe bază de nichel necesită reglarea structurii și proprietăților mecanice ale unor astfel de defecte.
În timpul funcționării, paletele ventilatorului/compresorului din aliaj de titan sunt supuse în principal forței centrifuge, forței aerodinamice și sarcinii de vibrație. În timpul utilizării, apar adesea defecte de deteriorare a suprafeței (fisuri, uzura vârfului lamei etc.), defecte locale de rupere ale lamelor din aliaj de titan și deteriorări pe suprafețe mari (ruptură prin oboseală, deteriorare pe suprafață mare și coroziune etc.), necesitând înlocuirea totală a lamelor. Diferite tipuri de defecte și metode comune de reparare sunt prezentate în Figura 6. Următoarele vor introduce stadiul cercetării reparării acestor trei tipuri de defecte.
În timpul funcționării, lamele din aliaj de titan au adesea defecte, cum ar fi crăpături de suprafață, zgârieturi în zone mici și uzură a lamei. Repararea unor astfel de defecte este similară cu cea a palelor de turbine pe bază de nichel. Prelucrarea este utilizată pentru îndepărtarea zonei defecte, iar pentru umplere și reparare se utilizează depunerea prin topire cu laser sau sudarea cu arc cu argon.
În domeniul depunerii prin topire cu laser, Zhao Zhuang et al. [34] de la Universitatea Politehnică Northwestern a efectuat un studiu de reparare cu laser asupra defectelor de suprafață de dimensiuni mici (diametrul suprafeței 2 mm, defecte emisferice cu o adâncime de 0.5 mm) ale pieselor forjate din aliaj de titan TC17. Rezultatele au arătat că β Cristalele columnare din zona de depunere cu laser au crescut epitaxial de la interfață, iar granițele granulelor au fost neclare. Originalul în formă de ac α sipci si secundare α fazele din zona afectată de căldură au crescut și s-au aspru. În comparație cu probele forjate, probele reparate cu laser au avut caracteristicile unei rezistențe ridicate și plasticitate scăzută. Rezistența la tracțiune a crescut de la 1077.7 MPa la 1146.6 MPa, iar alungirea a scăzut de la 17.4% la 11.7%. Pan Bo și colab. [35] a folosit tehnologia de placare cu laser de alimentare cu pulbere coaxială pentru a repara de mai multe ori defectele prefabricate în formă de găuri circulare ale aliajului de titan ZTC4. Rezultatele au arătat că procesul de schimbare a microstructurii de la materialul de bază la zona reparată a fost lamelar α fază și intergranulară β fază → structură de coș → martensite → Structura Widmanstatten. Duritatea zonei afectate de căldură a crescut ușor odată cu creșterea numărului de reparații, în timp ce duritatea materialului de bază și a stratului de placare nu s-a schimbat prea mult.
Rezultatele arată că zona de reparare și zona afectată de căldură înainte de tratamentul termic sunt ca un ac ultra-fin α faza distribuită în β matricea de fază, iar zona materialului de bază este o structură fină de coș. După tratamentul termic, microstructura fiecărei zone este primară ca șipci α faza + β structura de transformare de fază și lungimea primarului α faza din zona de reparare este semnificativ mai mare decât cea din alte zone. Limita de oboseală ciclului înalt a piesei de reparare este de 490MPa, ceea ce este mai mare decât limita de oboseală a materialului de bază. Scăderea extremă este de aproximativ 7.1%. Sudarea manuală cu arc cu argon este, de asemenea, utilizată în mod obișnuit pentru a repara fisurile suprafeței lamei și uzura vârfului. Dezavantajul său este că aportul de căldură este mare, iar reparațiile pe suprafețe mari sunt predispuse la solicitări termice mari și la deformare la sudare [37].
Cercetările actuale arată că, indiferent dacă depunerea prin topire cu laser sau sudarea cu arc cu argon este utilizată pentru reparații, zona de reparare are caracteristicile de rezistență ridicată și plasticitate scăzută, iar performanța la oboseală a lamei este ușor redusă după reparație. Următorul pas al cercetării ar trebui să se concentreze asupra modului de a controla compoziția aliajului, de a ajusta parametrii procesului de sudare și de a optimiza metodele de control al procesului pentru a regla microstructura zonei de reparare, a obține o potrivire a rezistenței și a plasticității în zona de reparare și a asigura performanța sa excelentă la oboseală.
Nu există nicio diferență esențială între repararea defectelor de deteriorare a lamei rotorului din aliaj de titan și tehnologia de fabricație aditivă a pieselor solide tridimensionale din aliaj de titan în ceea ce privește procesul. Reparația poate fi privită ca un proces de fabricare a aditivilor de depunere secundară pe secțiunea de fractură și suprafața locală cu piesele deteriorate ca matrice, așa cum se arată în Figura 7. În funcție de diferitele surse de căldură, este împărțită în principal în repararea aditivului laser și repararea aditivului arcului. Este de remarcat faptul că, în ultimii ani, Centrul German de Cercetare Colaborativă 871 a făcut din tehnologia de reparare a aditivilor arcului un centru de cercetare pentru repararea lamelor integrale din aliaj de titan[38] și a îmbunătățit performanța reparației prin adăugarea de agenți de nucleare și alte mijloace[39].
În domeniul reparării aditivilor cu laser, Gong Xinyong și colab. [40] a folosit pulbere de aliaj TC11 pentru a studia procesul de reparare a depunerilor de topire cu laser a aliajului de titan TC11. După reparație, zona de depunere a proba cu pereți subțiri și zona de topire a interfeței aveau caracteristici tipice ale structurii Widmanstatten, iar structura zonei afectate de căldură a matricei a trecut de la structura Widmanstatten la structura cu dublă stare. Rezistența la tracțiune a zonei de depunere a fost de aproximativ 1200 MPa, care a fost mai mare decât cea a zonei de tranziție a interfeței și a matricei, în timp ce plasticitatea a fost puțin mai mică decât cea a matricei. Specimenele de tracțiune au fost toate sparte în interiorul matricei. În cele din urmă, rotorul propriu-zis a fost reparat prin metoda de depunere prin topire punct cu punct, a trecut evaluarea testului de super-viteză și a realizat aplicația de instalare. Bian Hongyou și colab. [41] a folosit pulbere TA15 pentru a studia repararea aditivului cu laser a aliajului de titan TC17 și a explorat efectele diferitelor temperaturi de tratament termic de recoacere (610℃, 630℃ și 650℃) asupra microstructurii și proprietăților sale. Rezultatele au arătat că rezistența la tracțiune a aliajului TA15/TC17 depus reparat prin depunere cu laser poate ajunge la 1029MPa, dar plasticitatea este relativ scăzută, doar 4.3%, ajungând la 90.2% și, respectiv, 61.4% din piesele forjate TC17. După tratamentul termic la diferite temperaturi, rezistența la tracțiune și plasticitatea sunt îmbunătățite semnificativ. Când temperatura de recoacere este de 650℃, cea mai mare rezistență la tracțiune este de 1102MPa, ajungând la 98.4% din forjarile TC17, iar alungirea după rupere este de 13.5%, ceea ce este îmbunătățit semnificativ în comparație cu starea depusă.
În domeniul reparării aditivilor arcului, Liu et al. [42] a efectuat un studiu de reparații pe un specimen simulat al unei lame din aliaj de titan TC4 lipsă. În stratul depus s-a obținut o morfologie de granule mixtă de cristale echiaxiale și cristale columnare, cu o rezistență maximă la rupere de 991 MPa și o alungire de 10%. Zhuo și colab. [43] a folosit sârmă de sudură TC11 pentru a efectua un studiu de reparare a aditivilor arcului pe aliajul de titan TC17 și a analizat evoluția microstructurală a stratului depus și a zonei afectate de căldură. Rezistența la tracțiune a fost de 1015.9 MPa în condiții neîncălzite, iar alungirea a fost de 14.8%, cu o performanță globală bună. Chen şi colab. [44] au studiat efectele diferitelor temperaturi de recoacere asupra microstructurii și proprietăților mecanice ale eșantioanelor de reparare a aliajului de titan TC11/TC17. Rezultatele au arătat că o temperatură de recoacere mai mare a fost benefică pentru îmbunătățirea alungirii specimenelor reparate.
Cercetările privind utilizarea tehnologiei de fabricare a aditivilor metalici pentru a repara defectele locale ale lamelor din aliaj de titan sunt abia la început. Lamele reparate nu trebuie doar să acorde atenție proprietăților mecanice ale stratului depus, dar și evaluarea proprietăților mecanice la interfața lamelor reparate este la fel de crucială.
Pentru a simplifica structura rotorului compresorului și a reduce greutatea, paletele moderne ale motoarelor de aeronave adoptă adesea o structură integrală a discului cu lame, care este o structură dintr-o singură piesă care transformă paletele de lucru și discurile cu lame într-o structură integrală, eliminând grindul și mortarul. În timp ce atinge scopul de reducere a greutății, se poate evita, de asemenea, uzura și pierderea aerodinamică a tenonului și mortarei în structura convențională. Repararea deteriorării suprafeței și a defectelor locale ale discului cu lame integrate a compresorului este similară cu metoda de reparare a lamei separate menționată mai sus. Pentru repararea pieselor rupte sau lipsă ale discului cu lamă integrală, sudarea liniară prin frecare este utilizată pe scară largă datorită metodei și avantajelor sale unice de procesare. Procesul său este prezentat în Figura 8 [45].
Mateo și colab. [46] a folosit sudarea liniară prin frecare pentru a simula repararea aliajului de titan Ti-6246. Rezultatele au arătat că aceleași daune reparate de până la trei ori au avut o zonă afectată de căldură mai îngustă și o structură de sudură mai fină. Rezistența la tracțiune a scăzut de la 1048 MPa la 1013 MPa odată cu creșterea numărului de reparații. Cu toate acestea, atât epruvetele de tracțiune, cât și cele de oboseală au fost sparte în zona materialului de bază, departe de zona de sudare.
Ma și colab. [47] au studiat efectele diferitelor temperaturi de tratament termic (530°C + 4h racire cu aer, 610°C + 4h racire cu aer, 670°C + 4h răcire cu aer) pornit â € <â € <microstructura și proprietățile mecanice ale îmbinărilor sudate prin frecare liniară din aliaj de titan TC17. Rezultatele arată că, pe măsură ce temperatura tratamentului termic crește, gradul de recristalizare de α faza si β faza crește semnificativ. Comportamentul la rupere a epruvetelor de tracțiune și impact sa schimbat de la fractură fragilă la fractură ductilă. După tratament termic la 670°C, specimenul de tracțiune s-a fracturat în materialul de bază. Rezistența la tracțiune a fost de 1262 MPa, dar alungirea a fost de numai 81.1% din materialul de bază.
În prezent, cercetările interne și străine arată că tehnologia de reparare a sudării prin frecare liniară are funcția de oxizi cu autocurățare, care pot elimina eficient oxizii de pe suprafața de lipire fără defecte metalurgice cauzate de topire. În același timp, poate realiza conectarea materialelor eterogene pentru a obține discuri cu lame integrale cu aliaj dublu/performanță dublă și poate finaliza reparația rapidă a fracturilor corpului lamei sau a pieselor lipsă de discuri a lamei integrale din diferite materiale [38]. Cu toate acestea, există încă multe probleme de rezolvat în utilizarea tehnologiei de sudură liniară prin frecare pentru a repara discurile cu lame integrale, cum ar fi stresul rezidual mare în îmbinări și dificultatea de a controla calitatea conexiunilor materiale eterogene. În același timp, procesul de sudare liniară prin frecare pentru materiale noi necesită explorări suplimentare.
Vă mulțumim pentru interesul acordat companiei noastre! În calitate de companie profesionistă de producție de piese pentru turbine cu gaz, vom continua să fim angajați în inovația tehnologică și îmbunătățirea serviciilor, pentru a oferi mai multe soluții de înaltă calitate pentru clienții din întreaga lume. Dacă aveți întrebări, sugestii sau intenții de cooperare, suntem mai mult decât bucuros să te ajut. Vă rugăm să ne contactați în următoarele moduri:
WhatsApp:+86 135 4409 5201
Adresa e-mail:[email protected]
2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Echipa noastră profesionistă de vânzări vă așteaptă consultația.