Сварочный ремонт и технология восстановления для лопастей турбины авиадвигателя и вентилятора/компрессора

Лопасти авиадвигателя длительное время работают в сложной и жесткой среде, подвергаясь различным видам повреждений. Замена лопастей является дорогим процессом, а исследования технологий ремонта и восстановления дают огромные экономические выгоды. Лопасти авиадвигателя делятся на две основные категории: турбинные лопасти и лопасти вентилятора/компрессора. Турбинные лопасти обычно изготовлены из никелевых высокотемпературных сплавов, тогда как лопасти вентилятора/компрессора в основном используют титановые сплавы, а некоторые также используют никелевые высокотемпературные сплавы. Различия в материалах и условиях работы турбинных лопастей и лопастей вентилятора/компрессора приводят к разным типам распространенных повреждений, что требует различных методов ремонта и показателей эффективности, которые необходимо достичь после ремонта. В данной статье анализируются и обсуждаются методы ремонта и ключевые технологии, используемые для двух типов распространенных дефектов повреждений лопастей авиадвигателя, с целью предоставления теоретической базы для достижения качественного ремонта и восстановления лопастей авиадвигателя.

В авиадвигательных агрегатах лопатки турбины и вентилятора/компрессора подвергаются длительному воздействию жестких условий, таких как центробежные нагрузки, термический стресс и коррозия, и имеют крайне высокие требования к производительности. Они считаются одной из самых ключевых деталей в производстве авиадвигателей, и их изготовление составляет более 30% от объема работ по производству всего двигателя [1, 2, 3]. Находясь длительное время в сложных и суровых условиях эксплуатации, роторные лопатки подвержены дефектам, таким как трещины, износ кончиков лопастей и разрушение. Стоимость ремонта лопаток составляет всего 20% от стоимости производства всей лопатки. Таким образом, исследование технологий ремонта лопаток авиадвигателей способствует продлению срока службы лопаток, снижению затрат на производство и приносит значительную экономическую выгоду. –находясь длительное время в сложных и суровых условиях работы, роторные лопатки подвержены дефектам, таким как трещины, износ кончиков лопастей и повреждения от разрушений. Стоимость ремонта лопаток составляет всего 20% от стоимости производства всей лопатки. Поэтому исследования технологии ремонта лопаток авиадвигателей способствуют продлению срока службы лопаток, снижению производственных затрат и имеют огромные экономические преимущества.

Ремонт и восстановление лопастей авиадвигателей в основном включают следующие четыре этапа [4]: предварительная обработка лопасти (включая очистку лопасти [5], трехмерный контроль и геометрическую реконструкцию [6, –7] и т.д.); нанесение материала (включая использование передовых сварочных и соединительных технологий для заполнения и накопления отсутствующих материалов [8, –10], термическая обработка для восстановления свойств [11, –13] и т.д.); восстановление лопасти (включая методы механической обработки, такие как шлифовка и полировка [14]); послеремонтная обработка (включая нанесение покрытий на поверхность [15] –как показано на рисунке 1, среди методов (например, [16] и укрепляющего лечения [17] и т.д.), нанесение материала является ключевым для обеспечения механических свойств лопасти после ремонта. Основные компоненты и материалы лопастей авиадвигателя представлены на рисунке 2. Для различных материалов и различных форм дефектов исследование соответствующих методов ремонта является основой для достижения качественного ремонта и восстановления поврежденных лопастей. В данной статье рассматриваются лопасти турбины из никелевых высокотемпературных сплавов и титановых сплавов вентилятора/компрессора, анализируются применяемые на данном этапе методы ремонта и ключевые технологии для разных типов повреждений лопастей авиадвигателя, а также объясняются их преимущества и недостатки.

1. Метод ремонта лопасти турбины из никелевого высокотемпературного сплава

Лопатки турбины из никелевых высокотемпературных сплавов работают в условиях высокотемпературного горючего газа и сложных напряжений длительное время, и на лопатках часто возникают дефекты, такие как усталостные термические трещины, повреждения небольших участков поверхности (износ кончика лопатки и коррозионные повреждения), а также усталостные разрушения. Поскольку безопасность ремонта усталостных разрушений лопастей турбины сравнительно низка, их обычно заменяют напрямую после возникновения усталостного разрушения без сварочного ремонта. Два распространенных типа дефектов и методы ремонта лопастей турбины показаны на рисунке 3 [4]. Далее будут рассмотрены методы ремонта этих двух типов дефектов лопастей турбины из никелевого высокотемпературного сплава.

1.1 Ремонт трещин лопастей турбины из никелевого суперсплава

Методы пайки и сварки в твердой фазе обычно используются для ремонта дефектов трещин лопастей турбины, к которым主要包括: вакуумная пайка, временная жидкая фаза диффузионного соединения, активированная диффузионная сварка и методы восстановительного ремонта порошковой металлургии.

Шан и др. [18] использовали метод вакуумной пайки лучом для устранения трещин в лопатках на основе никелевого сплава ChS88 с помощью паяльных материалов Ni-Cr-B-Si и Ni-Cr-Zr. Результаты показали, что по сравнению с паяльным материалом Ni-Cr-B-Si, Zr в паяльном материале Ni-Cr-Zr менее подвержен диффузии, основной материал не значительно корродирует, а вязкость сварного соединения выше. Использование паяльного материала Ni-Cr-Zr позволяет восстановить трещины в лопатках на основе никелевого сплава ChS88. Оджо и др. [19] изучили влияние размера зазора и параметров процесса на микроструктуру и свойства диффузионно спаянных соединений никелевого сплава Inconel718. С увеличением размера зазора появление твёрдых и хрупких фаз, таких как межметаллические соединения на основе Ni3Al и богатые никелем и хромом бориды, является основной причиной снижения прочности и вязкости соединения.

Транзиентная жидкая фаза диффузионной сварки затвердевает при изотермических условиях и относится к кристаллизации в условиях равновесия, что способствует выравниванию состава и структуры [20]. Пуранивари [21] изучил транзиентную жидкую фазу диффузионной сварки никелевого сплава Инконель 718 и обнаружил, что содержание Cr в наполнителе и диапазон разложения матрицы являются ключевыми факторами, влияющими на прочность зоны изотермического затвердевания. Лин и соавт. [22] изучили влияние параметров процесса транзиентной жидкой фазы диффузионной сварки на микроструктуру и свойства соединений никелевого сплава GH99. Результаты показали, что с увеличением температуры соединения или продлением времени количество богатых никелем и хромом боридов в зоне выпадения уменьшается, а размер зерен в зоне выпадения становится меньше. Прочность на растяжение и сдвиг при комнатной температуре и высокой температуре увеличивается с увеличением времени выдержки. На данный момент транзиентная жидкая фаза диффузионной сварки успешно применяется для ремонта мелких трещин в областях низкого напряжения и восстановления повреждений кончиков необрезных лопастей [23] –24]. Несмотря на то, что диффузионная сварка в транзитной жидкой фазе была успешно применена к различным материалам, она ограничена ремонтом маленьких трещин (около 250 μ м).

Когда ширина трещины превышает 0,5 мм и капиллярного действия недостаточно для заполнения трещины, ремонт лопасти может быть выполнен с использованием активированной диффузионной сварки [24]. Су и соавт. [25] применили метод активированной диффузионной пайки для ремонта никелевого сплава In738 высокотемпературной лопасти с использованием материала для пайки DF4B, получив прочное, устойчивое к окислению паяное соединение. γ′ фаза, образовавшаяся в сочленении, оказывает укрепляющее действие, и предел прочности на растяжение достигает 85% от материала основы. Разрушение сочленения происходит в месте расположения хромосодержащего борида. Hawk et al. [26] также использовали активированную диффузионную сварку для восстановления широкой трещины в лопатке никелевого высокотемпературного сплава Рене 108. Порошковая металлургия как новая разработанная методика для первоначальной реконструкции поверхностей передовых материалов получила широкое распространение в ремонте лопаток из высокотемпературных сплавов. Она может восстанавливать и реконструировать почти изотропную трёхмерную прочность больших дефектов (более 5 мм), таких как трещины, абляция, износ и отверстия в лопатках [27]. Канадская компания Liburdi разработала метод LPM (Liburdi powder metallurgy) для ремонта лопаток из никелевых сплавов с высоким содержанием алюминия и титана, которые имеют плохие свариваемые свойства. Процесс показан на рисунке 4 [28]. В последние годы метод вертикальной слоистой порошковой металлургии на основе этого подхода позволяет выполнять пайку дефектов шириной до 25 мм за один проход [29].

1.2 Ремонт  поверхностного повреждения лопаток турбины из никелевых высокотемпературных сплавов

При появлении небольших царапин и коррозионных повреждений на поверхности лопаток из никелевых высокотемпературных сплавов, поврежденную область обычно можно удалить и обработать механическим способом, после чего заполнить и восстановить с использованием подходящего метода сварки. Текущие исследования主要集中ятся в основном на лазерном плавлении с напылением и аргонодуговой сварке для ремонта.

Ким и др. [30] из Университета Делавэра в США провели лазерную наплавку и ручной сварочный ремонт лопаток никелевого сплава Рене80 с высоким содержанием алюминия и титана, сравнив детали, прошедшие термическую обработку после сварки, с теми, что прошли термическую обработку после сварки и горячее изостатическое прессование (ГИП), и обнаружили, что ГИП может эффективно уменьшить мелкие пористые дефекты. Лю и др. [31] из Университета науки и технологий Хуазхонг применили технологию лазерной наплавки для ремонта канавок и дефектов отверстий в турбинных компонентах из никелевого сплава 718, исследовав влияние плотности лазерной мощности, скорости лазерного сканирования и формы наплавления на процесс ремонта, как показано на рисунке 5.

В отношении ремонта аргонодуговой сваркой, Кю Шэн и др. [32] из Китайской авиационной компании Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. применили метод вольфрамовой аргонодуговой сварки для устранения проблем износа и трещин на кончиках лопаток турбин из высокотемпературного сплава DZ125. Результаты показывают, что после ремонта с использованием традиционных кобальтсодержащих материалов для сварки, зона термического влияния подвержена тепловым трещинам, а твердость шва снижается. Однако использование недавно разработанных никелевых материалов для сварки MGS-1, в сочетании с подходящими процессами сварки и термообработки, может эффективно предотвращать появление трещин в зоне термического влияния, а также обеспечивать предел прочности на растяжение при 1000 ° C достигает 90% от базового материала. Сун Вэньцин и др. [33] провели исследование процесса ремонтной сварки дефектов литья турбинных направляющих лопаток высокотемпературного сплава K4104. Результаты показали, что использование сварочных проволок HGH3113 и HGH3533 в качестве присадочного металла обеспечивает отличное качество шва, хорошую пластичность и высокое сопротивление трещинам, тогда как при использовании сварочной проволоки K4104 с увеличенным содержанием Zr наблюдается плохая текучесть жидкого металла, плохо формируется поверхность шва, возникают трещины и дефекты непровара. Можно заключить, что в процессе ремонта лопаток выбор наполнителей играет решающую роль.

Текущие исследования по ремонту лопаток турбины на основе никеля показали, что никелевые высокотемпературные сплавы содержат элементы упрочнения твёрдого раствора, такие как Cr, Mo, Al, и следовые элементы, такие как P, S и B, что делает их более подверженными трещинам во время процесса ремонта. После сварки они склонны к структурной сегрегации и образованию хрупких дефектов фаз Лавеса. Поэтому последующие исследования по ремонту никелевых высокотемпературных сплавов требуют регулирования структуры и механических свойств таких дефектов.

2 Метод ремонта титановых сплавов вентилятора/компрессорной лопасти

При эксплуатации лопасти вентилятора/компрессора из титанового сплава подвергаются главным образом центробежной силе, аэродинамической силе и нагрузке от вибрации. В процессе использования часто возникают дефекты повреждения поверхности (трещины, износ кончиков лопастей и т.д.), местные дефекты разрушения лопастей из титанового сплава и大面积повреждения (усталостный перелом,大面积повреждение и коррозия и т.д.), что требует полной замены лопастей. Различные типы дефектов и распространенные методы ремонта показаны на рисунке 6. Далее будет рассмотрен текущий уровень исследований по ремонту этих трех типов дефектов.

2.1 Ремонт дефектов повреждения поверхности лопастей из титанового сплава

При эксплуатации лопасти из титанового сплава часто имеют дефекты, такие как трещины на поверхности, небольшие царапины и износ лопастей. Ремонт таких дефектов схож с ремонтом лопастей из никелевых сплавов. Используется обработка для удаления дефектной области и лазерное плавление с наплавлением или аргоновая дуговая сварка для заполнения и восстановления.

В области лазерного плавления с последующим напылением, Чжао Чжуан и др. [34] из Северо-Западного Политехнического Университета провели исследование по лазерному восстановлению небольших поверхностных дефектов (диаметр поверхности 2 мм, полусферические дефекты глубиной 0,5 мм) ковковых заготовок из титанового сплава TC17. Результаты показали, что β столбчатые кристаллы в зоне лазерного напыления росли эпитаксиально от границы раздела, а границы зерен стали размытыми. Исходные игольчатые α лaths и вторичные α фазы в термически затронутой зоне выросли и укрупнились. В сравнении с образцами, полученными ковкой, у образцов, отремонтированных лазером, наблюдались характеристики высокой прочности и низкой пластичности. Предел прочности на растяжение увеличился с 1077,7 МПа до 1146,6 МПа, а относительное удлинение снизилось с 17,4% до 11,7%. Пан Бо и др. [35] использовали технологию лазерного напыления с коаксиальным подачей порошка для многократного ремонта круглых предварительно заданных дефектов в титановом сплаве ZTC4. Результаты показали, что процесс изменения микроструктуры от основного материала к отремонтированной области проходил через пластинчатую фазу и межзерновую α плетенку β фаза → корзинообразную структуру → мартенсит → Структуру Видманштетта. Твердость термически затронутой зоны слегка увеличивалась с увеличением количества ремонтов, в то время как твердость основного материала и напыленного слоя практически не менялась.

Результаты показывают, что зона ремонта и термически затронутая зона до термической обработки являются сверхтонкими игольчатыми α фазами, распределенными в β матрица фазы, а зона основного материала представляет собой тонкую корзинчатую структуру. После термической обработки микроструктура каждой области становится пластинчатой первичной α фаза + β структурой преобразования фазы, и длина первичной α фазы в ремонтной области значительно больше, чем в других областях. Предел высокочастотной усталости ремонтной части составляет 490 МПа, что выше предела усталости основного материала. Крайнее падение составляет около 7,1%. Ручная аргонодуговая сварка также часто используется для ремонта трещин на поверхности лопасти и износа наконечника. Ее недостатком является большой тепловой ввод, и при больших ремонтах площадей возникает риск большого термического напряжения и деформации сварки [37].

Текущие исследования показывают, что независимо от того, используется ли лазерная плавильная депозиция или аргоновая дуговая сварка для ремонта, область ремонта обладает характеристиками высокой прочности и низкой пластичности, и после ремонта легко снижается усталостная прочность лопасти. Следующий этап исследований должен сосредоточиться на том, как контролировать состав сплава, регулировать параметры технологического процесса сварки и оптимизировать методы управления процессом для регулирования микроструктуры области ремонта, достижения соответствия прочности и пластичности в зоне ремонта и обеспечения её отличных усталостных свойств.

2.2 Ремонт локальных повреждений титановых лопастей

Между ремонтом дефектов повреждений лопасти ротора из титанового сплава и технологией аддитивного производства трёхмерных твёрдых деталей из титанового сплава практически нет различий с точки зрения процесса. Ремонт можно рассматривать как процесс вторичного аддитивного напыления на разрушённом участке и локальной поверхности, используя повреждённые части как матрицу, 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 кооперативный исследовательский центр 871 сделал дуговой аддитивный ремонт технологическим приоритетом для ремонта интегральных лопастей из титанового сплава [38] и улучшил характеристики ремонта за счёт добавления нуклеационных агентов и других методов [39].

В области лазерного аддитивного ремонта Гун Цзиньюн и др. [40] использовали порошок сплава TC11 для исследования процесса лазерного плавления и напыления при ремонте титанового сплава TC11. После ремонта область напыления  образец с тонкими стенками и зона повторного плавления интерфейса имели типичные характеристики структуры Видманштätта, а матричная термическая зона влияния переходила от структуры Видманштätта к двухфазной структуре. Прочность на растяжение в области напыления составляла около 1200 МПа, что выше, чем у зоны перехода интерфейса и матрицы, при этом пластичность была немного ниже, чем у матрицы. Образцы на растяжение ломались внутри матрицы. Наконец, реальный вентилятор был отремонтирован методом точечного плавления с последующим напылением, прошел оценку сверхскоростного теста и был реализован для установки и применения. БIAN Хонгюй и др. [41] использовали порошок TA15 для изучения лазерного аддитивного ремонта титанового сплава TC17, исследуя влияние различных температур отжига тепловой обработки (610 ℃ , 630 ℃ и 650 ℃ ) на его микроструктуру и свойства. Результаты показали, что предел прочности при растяжении восстановленного сплава TA15/TC17 методом лазерной наплавки может достигать 1029 МПа, но пластичность относительно низкая, всего 4,3%, что составляет 90,2% и 61,4% от значений для кованных изделий из TC17 соответственно. После термической обработки при различных температурах предел прочности и пластичность значительно улучшаются. При температуре отжига 650 ℃ , максимальный предел прочности при растяжении составляет 1102 МПа, что достигает 98,4% от кованных изделий из TC17, а удлинение после разрыва составляет 13,5%, что значительно выше по сравнению с состоянием после наплавки.

В области дуговой аддитивной реставрации Лю и соавт. [42] провели исследование восстановления на моделированном образце с отсутствующим лопасти из титанового сплава TC4. В наплавленном слое была получена смешанная зерновая морфология из равномерных кристаллов и столбчатых кристаллов с максимальной пределом прочности на растяжение 991 МПа и удлинением 10%. Чжо и соавт. [43] использовали сварочную проволоку TC11 для проведения исследования дуговой аддитивной реставрации титанового сплава TC17, проанализировав эволюцию микроструктуры наплавленного слоя и термически затронутой зоны. При невысоких температурах предел прочности на растяжение составил 1015,9 МПа, а удлинение достигло 14,8%, что указывает на хорошие комплексные свойства. Чэнь и соавт. [44] изучили влияние различных температур отжига на микроструктуру и механические свойства образцов реставрации титановых сплавов TC11/TC17. Результаты показали, что более высокая температура отжига способствует улучшению удлинения отремонтированных образцов.

Исследования по использованию технологии аддитивного производства из металла для ремонта локальных дефектов повреждений в титановых лопасти только начинаются. Отремонтированные лопасти должны не только учитывать механические свойства напыленного слоя, но и оценка механических свойств в зоне соединения отремонтированных лопастей также имеет crucial значение.

3 Титановые лопасти с большими повреждениями. Замена и ремонт лопастей

Для упрощения конструкции ротора компрессора и снижения веса, лопатки современных авиадвигателей часто имеют интегрированную структуру лопасти с диском, которая представляет собой единое целое, где рабочие лопатки и диски объединены в одну конструкцию, исключая пазы и шипы. При достижении цели снижения веса также можно избежать износа и аэродинамических потерь пазов и шипов в традиционной конструкции. Ремонт повреждений поверхности и местных дефектов компрессорного интегрального диска с лопастями аналогичен вышеупомянутому методу ремонта отдельных лопастей. Для восстановления разрывов или утраченных частей интегрального диска с лопастями широко используется линейная трение-сварка благодаря её уникальному способу обработки и преимуществам. Её процесс показан на рисунке 8 [45].

Матео и др. [46] использовали линейную трениечную сварку для моделирования ремонта титанового сплава Ti-6246. Результаты показали, что при повторном ремонте до трех раз образуется более узкая термическая зона влияния и более мелкозернистая структура шва. При росте количества ремонтов предел прочности на растяжение снизился с 1048 МПа до 1013 МПа. Однако как образцы на растяжение, так и на усталость разрушались в области базового материала, удаленной от зоны сварки.

Ма и др. [47] изучили влияние различных температур термической обработки (530 ° °C + 4 часа воздушного охлаждения, 610 ° °C + 4 часа воздушного охлаждения, 670 ° °C + 4 часа воздушного охлаждения) на ​​ микроструктуру и механические свойства соединений, полученных методом линейной трениечной сварки сплава TC17. Результаты показывают, что с увеличением температуры термической обработки значительно возрастает степень рекристаллизации фазы α и фазы β . Поведение при разрушении образцов на растяжение и ударную вязкость изменилось от хрупкого разрушения к пластическому. После термообработки при 670 ° C, образец на растяжение разрушился в базовом материале. Предел прочности на растяжение составил 1262 МПа, но относительное удлинение достигло всего 81.1% от базового материала.

На данный момент как отечественные, так и зарубежные исследования показывают, что технология ремонта линейной трением обладает функцией самоочистки оксидов, что эффективно удаляет окислы с контактной поверхности без метрологических дефектов, вызванных плавлением. При этом она позволяет осуществлять соединение гетерогенных материалов для получения двойных сплавов/двойных характеристик целостных лопастных дисков и может выполнять быстрый ремонт разрывов или утрат частей целостных лопастных дисков из разных материалов [38]. Однако при использовании технологии линейного трения для ремонта целостных лопастных дисков остаётся много проблем, таких как высокие остаточные напряжения в соединениях и сложность контроля качества соединений гетерогенных материалов. Одновременно процесс линейного трения для новых материалов требует дальнейшего изучения.

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Благодарим вас за интерес к нашей компании! Будучи профессиональной компанией по производству деталей газовых турбин, мы продолжим уделять внимание технологическому развитию и улучшению сервиса для предоставления более качественных решений нашим клиентам по всему миру. Если у вас есть вопросы, предложения или намерения о сотрудничестве, мы с радостью поможем вам. Пожалуйста, свяжитесь с нами следующими способами:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

Электронная почта ：[email protected]