Технология сварки и восстановления лопаток турбин авиационных двигателей и лопаток вентиляторов/компрессоров

Лопатки авиационных двигателей долгое время находятся в сложных и суровых рабочих условиях и подвержены различным типам дефектов повреждений. Замена лопаток обходится дорого, а исследования в области технологий ремонта и восстановления лопаток имеют огромные экономические выгоды. Лопатки авиационных двигателей в основном делятся на две категории: лопатки турбин и лопатки вентилятора/компрессора. Лопатки турбин обычно изготавливаются из жаропрочных сплавов на основе никеля, в то время как лопатки вентилятора/компрессора в основном изготавливаются из титановых сплавов, а некоторые из них — из жаропрочных сплавов на основе никеля. Различия в материалах и рабочих средах лопаток турбин и лопаток вентилятора/компрессора приводят к различным общим типам повреждений, что приводит к различным методам ремонта и показателям производительности, которые необходимо достичь после ремонта. В этой статье анализируются и обсуждаются методы ремонта и основные технологии, которые в настоящее время используются для двух типов общих дефектов повреждений лопаток авиационных двигателей, с целью предоставления теоретической основы для достижения высококачественного ремонта и восстановления лопаток авиационных двигателей.

В авиационных двигателях лопатки турбин и вентиляторов/компрессоров подвергаются длительному воздействию суровых условий, таких как центробежные нагрузки, термическое напряжение и коррозия, и имеют чрезвычайно высокие требования к производительности. Они перечислены как один из основных компонентов в производстве авиационных двигателей, и их производство составляет более 30% рабочей нагрузки всего производства двигателей [1–3]. Находясь в суровых и сложных рабочих условиях в течение длительного времени, лопатки ротора подвержены дефектам, таким как трещины, износ кончика лопатки и повреждения изломом. Стоимость ремонта лопатки составляет всего 20% от стоимости изготовления всей лопатки. Поэтому исследования в области технологии ремонта лопаток авиационных двигателей способствуют продлению срока службы лопаток, снижению производственных затрат и имеют огромные экономические выгоды.

Ремонт и восстановление лопаток авиационных двигателей в основном включает следующие четыре этапа [4]: ​​предварительная обработка лопаток (включая очистку лопаток [5], трехмерный осмотр и геометрическую реконструкцию [6]–7] и т. д.); нанесение материала (включая использование передовых технологий сварки и соединения для завершения заполнения и накопления недостающих материалов [8–10], восстановление производительности термообработки [11–13] и т. д.); восстановление лопаток (включая такие методы обработки, как шлифовка и полировка [14]); послеремонтная обработка (включая нанесение покрытия на поверхность [15–16] и упрочняющая обработка [17] и т. д.), как показано на рисунке 1. Среди них нанесение материала является ключом к обеспечению механических свойств лопатки после ремонта. Основные компоненты и материалы лопаток авиационных двигателей показаны на рисунке 2. Для различных материалов и различных форм дефектов соответствующее исследование метода ремонта является основой для достижения высококачественного ремонта и восстановления поврежденных лопаток. В данной статье в качестве объектов рассматриваются лопатки турбин из жаропрочного сплава на основе никеля и лопатки вентилятора/компрессора из титанового сплава, обсуждаются и анализируются методы ремонта и основные технологии, используемые для различных типов повреждений лопаток авиационных двигателей на этом этапе, и объясняются их преимущества и недостатки.

1. Метод ремонта лопаток турбины из жаропрочного сплава на основе никеля

Турбинные лопатки из жаропрочного сплава на основе никеля работают в среде высокотемпературного горючего газа и сложных напряжений в течение длительного времени, и лопатки часто имеют такие дефекты, как усталостные термические трещины, небольшие поверхностные повреждения (износ кончика лопатки и коррозионное повреждение) и усталостные изломы. Поскольку безопасность ремонта усталостных изломов турбинных лопаток относительно низкая, их обычно заменяют сразу после возникновения усталостного излома без ремонта сваркой. Два распространенных типа дефектов и методов ремонта турбинных лопаток показаны на рисунке 3 [4]. Далее будут представлены методы ремонта этих двух типов дефектов турбинных лопаток из жаропрочного сплава на основе никеля соответственно.

1.1 Ремонт трещин турбинных лопаток из суперсплава на основе никеля

Для ремонта дефектов в виде трещин на лопатках турбин обычно используются методы пайки и сварки в твердой фазе, в том числе: вакуумная пайка, диффузионная сварка в переходной жидкой фазе, активированная диффузионная сварка и методы восстановления с помощью порошковой металлургии.

Шан и др. [18] использовали метод пайки в вакууме для ремонта трещин в лопатках из сплава на основе никеля ChS88 с использованием припоев Ni-Cr-B-Si и Ni-Cr-Zr. Результаты показали, что по сравнению с припоем Ni-Cr-B-Si, Zr в припое Ni-Cr-Zr нелегко диффундирует, подложка не подвергается значительной коррозии, а прочность сварного соединения выше. Использование припоя Ni-Cr-Zr позволяет добиться ремонта трещин в лопатках из сплава на основе никеля ChS88. Оджо и др. [19] изучали влияние размера зазора и параметров процесса на микроструктуру и свойства диффузионно-паянных соединений сплава на основе никеля Inconel718. По мере увеличения размера зазора основной причиной снижения прочности и вязкости соединения является появление твердых и хрупких фаз, таких как интерметаллические соединения на основе Ni3Al и бориды с высоким содержанием никеля и хрома.

Переходная жидкофазная диффузионная сварка затвердевает в изотермических условиях и относится к кристаллизации в равновесных условиях, что способствует гомогенизации состава и структуры [20]. Пуранвари [21] исследовал переходную жидкофазную диффузионную сварку высокотемпературного сплава на основе никеля Inconel718 и обнаружил, что содержание Cr в наполнителе и диапазон разложения матрицы являются ключевыми факторами, влияющими на прочность зоны изотермической кристаллизации. Лин и др. [22] исследовали влияние параметров процесса переходной жидкофазной диффузионной сварки на микроструктуру и свойства соединений высокотемпературного сплава на основе никеля GH99. Результаты показали, что с увеличением температуры соединения или увеличением времени количество боридов, богатых Ni и Cr, в зоне осаждения уменьшалось, а размер зерна в зоне осаждения был меньше. Прочность на сдвиг при комнатной температуре и высокой температуре увеличивалась с увеличением времени выдержки. В настоящее время диффузионная сварка в переходной жидкой фазе успешно применяется для ремонта небольших трещин в зонах с низким напряжением и восстановления поврежденных кончиков некорончатых лопаток [23–24]. Хотя диффузионная сварка в переходной жидкой фазе успешно применяется к различным материалам, ее применение ограничивается ремонтом небольших трещин (около 250μм).

Если ширина трещины больше 0.5 мм, а капиллярного воздействия недостаточно для заполнения трещины, ремонт лопатки можно осуществить с помощью активированной диффузионной сварки [24]. Су и др. [25] использовали метод активированной диффузионной пайки для ремонта лопатки из жаропрочного сплава на основе никеля In738 с использованием припоя DF4B и получили высокопрочное, стойкое к окислению паяное соединение. γ′ Фаза, выделяющаяся в соединении, оказывает укрепляющее действие, а предел прочности на разрыв достигает 85% от исходного материала. Соединение разрушается в месте расположения борида, богатого хромом. Хоук и др. [26] также использовали активированную диффузионную сварку для ремонта широкой трещины лезвия из жаропрочного сплава René 108 на основе никеля. Порошковая металлургия восстановления, как недавно разработанный метод первоначальной реконструкции поверхностей усовершенствованных материалов, широко используется при ремонте лезвий из жаропрочных сплавов. Она может восстанавливать и реконструировать трехмерную почти изотропную прочность больших дефектов зазоров (более 5 мм), таких как трещины, абляция, износ и отверстия в лезвиях [27]. Канадская компания Liburdi разработала метод LPM (Liburdi powder metallurgy) для ремонта лезвий из сплава на основе никеля с высоким содержанием Al и Ti, которые имеют плохие сварочные характеристики. Процесс показан на рисунке 4 [28]. В последние годы метод порошковой металлургии с вертикальным ламинированием, основанный на этом методе, позволяет производить ремонт дефектов шириной до 25 мм за один раз пайкой [29].

1.2 Ремонт поверхностных повреждений лопаток турбин из жаропрочного сплава на основе никеля

Когда на поверхности лезвий из жаропрочного сплава на основе никеля возникают царапины и коррозионные повреждения небольшой площади, поврежденную область обычно можно удалить и проточить путем механической обработки, а затем заполнить и отремонтировать с помощью соответствующего метода сварки. Текущие исследования в основном сосредоточены на ремонте методом лазерного плавления и аргонодуговой сварки.

Ким и др. [30] из Университета Делавэра в США выполнили лазерную наплавку и ремонт ручной сваркой лопаток из сплава Rene80 на основе никеля с высоким содержанием Al и Ti, и сравнили заготовки, прошедшие послесварочную термическую обработку, с теми, которые прошли послесварочную термическую обработку и горячее изостатическое прессование (HIP), и обнаружили, что HIP может эффективно уменьшать дефекты мелких пор. Лю и др. [31] из Университета науки и технологий Хуачжун использовали технологию лазерной наплавки для ремонта дефектов канавок и отверстий в компонентах турбины из сплава 718 на основе никеля и исследовали влияние плотности мощности лазера, скорости сканирования лазера и формы наплавки на процесс ремонта, как показано на рисунке 5.

Что касается ремонта аргонодуговой сваркой, Цюй Шэн и др. [32] из China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. использовали метод аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом для ремонта проблем износа и трещин на кончике лопаток турбины из высокотемпературного сплава DZ125. Результаты показывают, что после ремонта традиционными сварочными материалами на основе кобальта зона термического влияния подвержена термическим трещинам, а твердость сварного шва снижается. Однако использование недавно разработанных сварочных материалов на основе никеля MGS-1 в сочетании с соответствующими процессами сварки и термической обработки позволяет эффективно избегать возникновения трещин в зоне термического влияния, а предел прочности при растяжении при 1000°C достигает 90% основного материала. Сун Вэньцин и др. [33] провели исследование процесса сварки при ремонте дефектов литья направляющих лопаток турбины из высокотемпературного сплава K4104. Результаты показали, что использование сварочных проволок HGH3113 и HGH3533 в качестве присадочных металлов обеспечивает отличное формирование сварного шва, хорошую пластичность и сильную трещиностойкость, в то время как при использовании сварочной проволоки K4104 с повышенным содержанием Zr текучесть жидкого металла плохая, поверхность шва формируется плохо, и возникают трещины и дефекты несплавления. Видно, что в процессе ремонта лопаток выбор присадочных материалов играет жизненно важную роль.

Текущие исследования по ремонту турбинных лопаток на основе никеля показали, что жаропрочные сплавы на основе никеля содержат элементы, упрочняющие твердый раствор, такие как Cr, Mo, Al, и микроэлементы, такие как P, S и B, которые делают их более чувствительными к трещинам в процессе ремонта. После сварки они склонны к структурной сегрегации и образованию хрупких дефектов фазы Лавеса. Поэтому последующие исследования по ремонту жаропрочных сплавов на основе никеля требуют регулирования структуры и механических свойств таких дефектов.

2 Метод ремонта лопаток вентилятора/компрессора из титанового сплава

Во время работы лопатки вентилятора/компрессора из титанового сплава в основном подвергаются центробежной силе, аэродинамической силе и вибрационной нагрузке. Во время эксплуатации часто возникают дефекты поверхностных повреждений (трещины, износ кончика лопатки и т. д.), локальные дефекты поломки лопаток из титанового сплава и повреждения большой площади (усталостный излом, повреждение большой площади и коррозия и т. д.), требующие полной замены лопаток. Различные типы дефектов и распространенные методы ремонта показаны на рисунке 6. Ниже будет представлен статус исследований по ремонту этих трех типов дефектов.

2.1 Ремонт дефектов поверхности лезвия из титанового сплава

В процессе эксплуатации лопатки из титанового сплава часто имеют дефекты, такие как поверхностные трещины, небольшие царапины и износ лопаток. Ремонт таких дефектов аналогичен ремонту лопаток турбин на основе никеля. Для удаления дефектной области используется механическая обработка, а для заполнения и ремонта используется лазерное плавление или аргонодуговая сварка.

В области лазерного плавления Чжао Чжуан и др. [34] из Северо-Западного политехнического университета провели исследование лазерного ремонта небольших поверхностных дефектов (диаметр поверхности 2 мм, полусферические дефекты глубиной 0.5 мм) поковок из титанового сплава TC17. Результаты показали, что β Столбчатые кристаллы в зоне лазерного осаждения росли эпитаксиально от интерфейса, а границы зерен были размыты. Исходная игольчатая форма α планки и вторичные α фазы в зоне термического влияния росли и укрупнялись. По сравнению с коваными образцами, образцы, отремонтированные лазером, имели характеристики высокой прочности и низкой пластичности. Прочность на растяжение увеличилась с 1077.7 МПа до 1146.6 МПа, а удлинение уменьшилось с 17.4% до 11.7%. Пан Бо и др. [35] использовали технологию коаксиальной лазерной наплавки с подачей порошка для ремонта предварительно изготовленных дефектов в форме круглых отверстий титанового сплава ZTC4 много раз. Результаты показали, что процесс изменения микроструктуры от исходного материала до отремонтированной области был пластинчатым α фазовый и межзеренный β фаза → структура плетения корзины → мартенсит → Видманштеттовая структура. Твердость зоны термического влияния несколько возросла с увеличением количества ремонтов, тогда как твердость основного материала и плакирующего слоя изменилась незначительно.

Результаты показывают, что зона ремонта и зона термического влияния до термообработки представляют собой ультратонкие игольчатые структуры. α фаза распределена в β фазовая матрица, а зона основного материала представляет собой тонкую корзинчатую структуру. После термообработки микроструктура каждой области представляет собой решетчатую первичную α фаза + β структура фазового превращения и длина первичной α фаза в зоне ремонта значительно больше, чем в других зонах. Предел многоцикловой усталости ремонтируемой детали составляет 490 МПа, что выше предела усталости основного материала. Крайнее падение составляет около 7.1%. Ручная аргонодуговая сварка также широко используется для ремонта трещин поверхности лопатки и износа наконечника. Ее недостатком является то, что подвод тепла велик, а ремонт большой площади подвержен большим термическим напряжениям и сварочным деформациям [37].

Текущие исследования показывают, что независимо от того, используется ли для ремонта лазерное плавление или аргонодуговая сварка, область ремонта имеет характеристики высокой прочности и низкой пластичности, а усталостные характеристики лезвия легко снижаются после ремонта. Следующий этап исследований должен быть сосредоточен на том, как контролировать состав сплава, регулировать параметры процесса сварки и оптимизировать методы управления процессом для регулирования микроструктуры области ремонта, достижения соответствия прочности и пластичности в области ремонта и обеспечения ее превосходных усталостных характеристик.

2.2 Ремонт локальных повреждений лопаток из титанового сплава

Нет существенной разницы между ремонтом дефектов повреждения лопатки ротора из титанового сплава и технологией аддитивного производства трехмерных твердых деталей из титанового сплава с точки зрения процесса. Ремонт можно рассматривать как процесс вторичного осаждения аддитивного производства на участке излома и локальной поверхности с поврежденными деталями в качестве матрицы, как показано на рисунке 7. В зависимости от различных источников тепла он в основном делится на лазерный аддитивный ремонт и дуговой аддитивный ремонт. Стоит отметить, что в последние годы немецкий исследовательский центр 871 Collaborative Research Center сделал технологию дугового аддитивного ремонта исследовательским центром для ремонта интегральных лопаток из титанового сплава[38] и улучшил производительность ремонта путем добавления зародышеобразователей и других средств[39].

В области лазерного аддитивного ремонта, Гун Синьюн и др. [40] использовали порошок сплава TC11 для изучения процесса восстановления методом лазерного плавления титанового сплава TC11. После ремонта область осаждения тонкостенный образец и область переплавки интерфейса имели типичные характеристики структуры Видманштеттена, а структура зоны термического влияния матрицы перешла от структуры Видманштеттена к структуре с двойным состоянием. Прочность на растяжение области осаждения составила около 1200 МПа, что выше, чем у переходной зоны интерфейса и матрицы, в то время как пластичность была немного ниже, чем у матрицы. Все образцы на растяжение были сломаны внутри матрицы. Наконец, фактическое рабочее колесо было отремонтировано методом точечного плавления, прошло оценку сверхскоростного испытания и реализовано применение установки. Бянь Хунъю и др. [41] использовали порошок TA15 для изучения лазерного аддитивного ремонта титанового сплава TC17 и исследовали влияние различных температур отжига термической обработки (610 ℃),, 630 ℃), и 650 ℃),) на его микроструктуру и свойства. Результаты показали, что предел прочности на разрыв сплава TA15/TC17, восстановленного лазерным напылением, может достигать 1029 МПа, но пластичность относительно низкая, всего 4.3%, достигая 90.2% и 61.4% поковок TC17 соответственно. После термообработки при различных температурах предел прочности на разрыв и пластичность значительно улучшаются. При температуре отжига 650 ℃),, наивысшая прочность на растяжение составляет 1102 МПа, достигая 98.4% поковок TC17, а удлинение после разрыва составляет 13.5%, что значительно лучше по сравнению с состоянием после наплавки.

В области дугового аддитивного ремонта Лю и др. [42] провели исследование ремонта на имитированном образце отсутствующей лопатки из титанового сплава TC4. В наплавленном слое была получена смешанная морфология зерен равноосных кристаллов и столбчатых кристаллов с максимальной прочностью на разрыв 991 МПа и удлинением 10%. Чжуо и др. [43] использовали сварочную проволоку TC11 для проведения исследования дугового аддитивного ремонта титанового сплава TC17 и проанализировали микроструктурную эволюцию наплавленного слоя и зоны термического влияния. Прочность на разрыв составила 1015.9 МПа в условиях без нагрева, а удлинение составило 14.8%, с хорошими комплексными характеристиками. Чен и др. [44] изучили влияние различных температур отжига на микроструктуру и механические свойства образцов для ремонта титанового сплава TC11/TC17. Результаты показали, что более высокая температура отжига способствовала улучшению удлинения отремонтированных образцов.

Исследования по использованию технологии аддитивного производства металлов для ремонта локальных дефектов повреждений в лопастях из титанового сплава находятся только в зачаточном состоянии. Отремонтированные лопасти не только должны уделять внимание механическим свойствам нанесенного слоя, но и оценка механических свойств на интерфейсе отремонтированных лопастей также имеет решающее значение.

3 Лезвия из титанового сплава с большой площадью повреждения Замена и ремонт лезвий

Для упрощения конструкции ротора компрессора и снижения веса лопатки современных авиационных двигателей часто используют интегральную конструкцию диска лопатки, которая представляет собой цельную конструкцию, которая превращает рабочие лопатки и диски лопатки в интегральную конструкцию, исключая шип и паз. Достигая цели снижения веса, это также может избежать износа и аэродинамических потерь шипа и паза в обычной конструкции. Ремонт поверхностных повреждений и локальных дефектов повреждений интегрального диска лопатки компрессора аналогичен вышеупомянутому методу ремонта отдельных лопаток. Для ремонта сломанных или отсутствующих частей интегрального диска лопатки широко используется линейная сварка трением из-за ее уникального метода обработки и преимуществ. Ее процесс показан на рисунке 8 [45].

Матео и др. [46] использовали линейную сварку трением для моделирования ремонта титанового сплава Ti-6246. Результаты показали, что одно и то же повреждение, отремонтированное до трех раз, имело более узкую зону термического влияния и более мелкую структуру зерна сварного шва. Прочность на растяжение снизилась с 1048 МПа до 1013 МПа с увеличением количества ремонтов. Однако как образцы на растяжение, так и образцы на усталость были разрушены в области основного материала вдали от области сварки.

Ма и др. [47] изучали влияние различных температур термообработки (530°C + 4ч воздушное охлаждение, 610°C + 4ч воздушное охлаждение, 670°C + 4ч воздушное охлаждение) на ​​микроструктура и механические свойства линейных сварных соединений трением из титанового сплава ТС17. Результаты показывают, что с ростом температуры термообработки степень рекристаллизации α фаза и β фаза значительно увеличивается. Характер разрушения образцов на растяжение и удар изменился с хрупкого на вязкий. После термообработки при 670°C, образец для растяжения сломался в основном материале. Прочность на растяжение составила 1262 МПа, но удлинение составило всего 81.1% от основного материала.

В настоящее время отечественные и зарубежные исследования показывают, что технология ремонта линейной сваркой трением имеет функцию самоочистки оксидов, которая может эффективно удалять оксиды на поверхности соединения без металлургических дефектов, вызванных плавлением. В то же время она может реализовать соединение разнородных материалов для получения двухсплавных/двойных производительных интегральных дисков лопаток и может завершить быстрый ремонт трещин корпуса лопатки или отсутствующих частей интегральных дисков лопаток, изготовленных из разных материалов [38]. Однако все еще есть много проблем, которые необходимо решить при использовании технологии линейной сварки трением для ремонта интегральных дисков лопаток, таких как большое остаточное напряжение в соединениях и сложность контроля качества соединений разнородных материалов. В то же время процесс линейной сварки трением для новых материалов требует дальнейшего изучения.

Свяжитесь с нами

Благодарим вас за проявленный интерес к нашей компании! Как профессиональная компания по производству деталей для газовых турбин, мы продолжим стремиться к технологическим инновациям и улучшению обслуживания, чтобы предоставлять более качественные решения для клиентов по всему миру. Если у вас есть какие-либо вопросы, предложения или намерения о сотрудничестве, мы будем рады вам помочь. Пожалуйста, свяжитесь с нами следующими способами:

WhatsAPP:+86 135 4409 5201

Электронная почта:[email protected]