Lopatice letalskih motorjev so dolgo časa v zapletenem in težkem delovnem okolju in so nagnjene k različnim vrstam poškodb. Zamenjava rezil je draga, raziskave o tehnologiji popravil in predelave rezil pa imajo velike gospodarske koristi. Lopatice letalskih motorjev so v glavnem razdeljene v dve kategoriji: turbinske lopatice in lopatice ventilatorja/kompresorja. Turbinske lopatice običajno uporabljajo visokotemperaturne zlitine na osnovi niklja, medtem ko lopatice ventilatorjev/kompresorjev uporabljajo predvsem titanove zlitine, nekatere pa uporabljajo visokotemperaturne zlitine na osnovi niklja. Razlike v materialih in delovnih okoljih turbinskih lopatic in lopatic ventilatorjev/kompresorjev povzročajo različne običajne vrste poškodb, kar ima za posledico različne metode popravila in kazalnike učinkovitosti, ki jih je treba doseči po popravilu. Ta članek analizira in razpravlja o metodah popravila in ključnih tehnologijah, ki se trenutno uporabljajo za dve vrsti pogostih okvar poškodb na lopaticah letalskih motorjev, s ciljem zagotoviti teoretično osnovo za doseganje visokokakovostnega popravila in predelave lopatic letalskih motorjev.
V letalskih motorjih so lopatice turbin in ventilatorjev/kompresorjev izpostavljene dolgotrajnim težkim okoljem, kot so centrifugalne obremenitve, toplotna obremenitev in korozija, in imajo izjemno visoke zahteve glede zmogljivosti. Uvrščeni so med najpomembnejše komponente v proizvodnji letalskih motorjev, njihova proizvodnja pa predstavlja več kot 30 % delovne obremenitve celotne proizvodnje motorjev [1].-3]. Ker so dolgo časa v težkem in kompleksnem delovnem okolju, so lopatice rotorja nagnjene k okvaram, kot so razpoke, obraba konic lopatic in poškodbe zaradi zlomov. Stroški popravila rezil znašajo le 20 % stroškov izdelave celotnega rezila. Zato raziskave o tehnologiji popravila lopatic letalskih motorjev prispevajo k podaljšanju življenjske dobe lopatic, zmanjšanju proizvodnih stroškov in imajo velike gospodarske koristi.
Popravilo in predelava lopatic letalskih motorjev v glavnem vključuje naslednje štiri korake [4]: predobdelavo lopatic (vključno s čiščenjem lopatic [5], tridimenzionalni pregled in geometrijsko rekonstrukcijo [6]-7] itd.); nanašanje materiala (vključno z uporabo napredne tehnologije varjenja in povezovanja za dokončanje polnjenja in kopičenja manjkajočih materialov [8]-10], toplotna obdelava za obnovitev učinkovitosti [11-13] itd.); obnova rezila (vključno z metodami strojne obdelave, kot sta brušenje in poliranje [14]); obdelava po popravilu (vključno s površinskim premazom [15-16] in ojačitvena obdelava [17] itd.), kot je prikazano na sliki 1. Med njimi je nanos materiala ključnega pomena za zagotavljanje mehanskih lastnosti rezila po popravilu. Glavne komponente in materiali lopatic letalskih motorjev so prikazani na sliki 2. Za različne materiale in različne oblike napak so ustrezne raziskave metod popravila osnova za doseganje kakovostnega popravila in predelave poškodovanih lopatic. V tem prispevku so predmeti turbinske lopatice iz visokotemperaturne zlitine na osnovi niklja in lopatice ventilatorjev/kompresorjev iz titanove zlitine, razpravlja in analizira metode popravila in ključne tehnologije, ki se na tej stopnji uporabljajo za različne vrste poškodb lopatic letalskih motorjev, ter pojasnjuje njihove prednosti in slabosti.
Turbinske lopatice iz visokotemperaturne zlitine na osnovi niklja dolgo časa delujejo v okolju visokotemperaturnega zgorevalnega plina in kompleksnih obremenitev, lopatice pa imajo pogosto napake, kot so toplotne razpoke zaradi utrujenosti, poškodbe majhne površine (obraba konice rezila in poškodbe zaradi korozije) in zlomi zaradi utrujenosti. Ker je varnost popravila zlomov zaradi utrujenosti turbinskih lopatic razmeroma nizka, jih na splošno zamenjamo neposredno po zlomu zaradi utrujenosti brez popravila z varjenjem. Na sliki 3 [4] sta prikazani dve pogosti vrsti okvar in metode popravil turbinskih lopatic. V nadaljevanju bodo predstavljene metode popravila teh dveh vrst napak turbinskih lopatic iz visokotemperaturne zlitine na osnovi niklja.
Metode popravila s trdim spajkanjem in varjenjem v trdni fazi se na splošno uporabljajo za popravilo napak pri razpokah turbinskih lopatic, v glavnem vključujejo: vakuumsko spajkanje, prehodno difuzijsko lepljenje v tekoči fazi, varjenje z aktivirano difuzijo in metode popravljanja s prašno metalurgijo.
Shan et al. [18] je uporabil metodo vakuumskega spajkanja z žarkom za popravilo razpok v rezilih iz zlitine na osnovi niklja ChS88 z uporabo polnil za trdo spajkanje Ni-Cr-B-Si in Ni-Cr-Zr. Rezultati so pokazali, da Zr v Ni-Cr-Zr spajkalni dodajni kovini ni enostavno razpršiti, substrat ni bistveno korodiran, žilavost zvarjenega spoja pa je večja. Z uporabo dodajnega materiala za trdo spajkanje Ni-Cr-Zr lahko dosežete popravilo razpok v rezilih iz zlitine na osnovi niklja ChS88. Ojo et al. [19] so preučevali učinke velikosti reže in procesnih parametrov na mikrostrukturo in lastnosti difuzijsko spajkanih spojev zlitine na osnovi niklja Inconel718. Ko se velikost reže poveča, je pojav trdih in krhkih faz, kot so intermetalne spojine na osnovi Ni3Al in boridi, bogati z Ni in Cr, glavni razlog za zmanjšanje trdnosti in žilavosti spoja.
Prehodno tekočefazno difuzijsko varjenje je strjeno v izotermičnih pogojih in spada med kristalizacijo v ravnotežnih pogojih, kar vodi k homogenizaciji sestave in strukture [20]. Pouranvari [21] je proučeval prehodno tekočefazno difuzijsko varjenje visokotemperaturne zlitine na osnovi niklja Inconel718 in ugotovil, da sta vsebnost Cr v polnilu in območje razgradnje matrice ključna dejavnika, ki vplivata na trdnost izotermne cone strjevanja. Lin et al. [22] so preučevali vpliv prehodnih parametrov postopka difuzijskega varjenja v tekoči fazi na mikrostrukturo in lastnosti spojin iz visokotemperaturne zlitine na osnovi niklja GH99. Rezultati so pokazali, da se je s povišanjem temperature spoja oziroma podaljševanjem časa število boridov, bogatih z Ni in Cr, v padavinski coni zmanjšalo, velikost zrn padavinske cone pa je manjša. Sobna temperatura in visoka temperaturna natezna strižna trdnost sta se povečali s podaljšanjem časa zadrževanja. Trenutno se prehodno tekočefazno difuzijsko varjenje uspešno uporablja za popravilo majhnih razpok na območjih nizke napetosti in obnovo poškodbe konice neokronjenih rezil [23].-24]. Čeprav se prehodno tekočefazno difuzijsko varjenje uspešno uporablja za različne materiale, je omejeno na popravilo majhnih razpok (približno 250μm).
Ko je širina razpoke večja od 0.5 mm in kapilarno delovanje ni zadostno za zapolnitev razpoke, lahko popravilo rezila dosežemo z uporabo aktiviranega difuzijskega varjenja [24]. Su et al. [25] je uporabil metodo aktiviranega difuzijskega spajkanja za popravilo rezila iz visokotemperaturne zlitine na osnovi niklja In738 z uporabo materiala za trdo spajkanje DF4B in pridobil visoko trdnost, na oksidacijo odporno spajkanje. The γ′ faza, ki se izloči v spoju, ima ojačitveni učinek, natezna trdnost pa doseže 85% osnovnega materiala. Spoj se zlomi na mestu s Cr bogatim boridom. Hawk et al. [26] je uporabil tudi aktivirano difuzijsko varjenje za popravilo široke razpoke rezila iz visokotemperaturne zlitine na osnovi niklja René 108. Obnova v metalurgiji prahu, kot na novo razvita metoda za izvirno rekonstrukcijo površin naprednih materialov, se pogosto uporablja pri popravilu rezil iz visokotemperaturnih zlitin. Lahko obnovi in rekonstruira tridimenzionalno skoraj izotropno trdnost velikih defektov (več kot 5 mm), kot so razpoke, ablacija, obraba in luknje v rezilih [27]. Liburdi, kanadsko podjetje, je razvilo metodo LPM (Liburdi metalurgija prahu) za popravilo rezil iz zlitine na osnovi niklja z visoko vsebnostjo Al in Ti, ki imajo slabo varilno učinkovitost. Postopek je prikazan na sliki 4 [28]. V zadnjih letih lahko metoda praškaste metalurgije vertikalne laminacije, ki temelji na tej metodi, izvede enkratno popravilo s spajkanjem napak, širokih do 25 mm [29].
Kadar se na površini rezil iz visokotemperaturne zlitine na osnovi niklja pojavijo majhne praske in poškodbe zaradi korozije, je poškodovano območje običajno mogoče odstraniti in narediti žlebove s strojno obdelavo ter nato zapolniti in popraviti z ustrezno metodo varjenja. Sedanje raziskave se osredotočajo predvsem na nanašanje z laserskim taljenjem in popravilo varjenja z argonom.
Kim et al. [30] z Univerze v Delawareju v Združenih državah je izvedel lasersko oblaganje in ročno varjenje na rezilih iz zlitine na osnovi niklja Rene80 z visoko vsebnostjo Al in Ti ter primerjal obdelovance, ki so bili toplotno obdelani po varjenju, s tistimi, ki so bili toplotno obdelani po varjenju in vroče izostatično stiskanje (HIP), in ugotovil, da lahko HIP učinkovito zmanjša napake majhnih por. Liu et al. [31] z Univerze za znanost in tehnologijo Huazhong je uporabil tehnologijo laserske obloge za popravilo napak v utorih in luknjah v komponentah turbine iz zlitine 718 na osnovi niklja in raziskal učinke gostote moči laserja, hitrosti laserskega skeniranja in oblike obloge na postopek popravila, kot je prikazano na sliki 5.
Kar zadeva popravilo z argonskim varjenjem, Qu Sheng et al. [32] družbe China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. je uporabilo metodo varjenja z volframovim argonom za popravilo težav z obrabo in razpokami na konici lopatic turbine iz visokotemperaturne zlitine DZ125. . Rezultati kažejo, da je po popravilu s tradicionalnimi varilnimi materiali na osnovi kobalta toplotno prizadeto območje nagnjeno k toplotnim razpokam in trdota zvara se zmanjša. Vendar pa lahko z uporabo na novo razvitih varilnih materialov na osnovi niklja MGS-1 v kombinaciji z ustreznimi postopki varjenja in toplotne obdelave učinkovito preprečimo nastanek razpok v območju toplotnega vpliva in natezno trdnost pri 1000°C doseže 90% osnovnega materiala. Song Wenqing et al. [33] je izvedel študijo o postopku popravila varjenja napak pri litju vodilnih lopatic turbin iz visokotemperaturne zlitine K4104. Rezultati so pokazali, da ima uporaba varilnih žic HGH3113 in HGH3533 kot dodajnih kovin odlično tvorbo zvarov, dobro plastičnost in močno odpornost proti razpokam, medtem ko je pri varjenju z varilno žico K4104 s povečano vsebnostjo Zr pretočnost tekoče kovine slaba, površina zvara ni dobro oblikovana, pojavijo se razpoke in netaljene napake. Vidimo lahko, da ima v procesu popravila rezila izbira polnilnih materialov ključno vlogo.
Sedanje raziskave o popravilu turbinskih lopatic na osnovi niklja so pokazale, da visokotemperaturne zlitine na osnovi niklja vsebujejo elemente za krepitev trdne raztopine, kot so Cr, Mo, Al, in elemente v sledovih, kot so P, S in B, zaradi česar so med postopkom popravila bolj občutljive na razpoke. Po varjenju so nagnjeni k strukturni segregaciji in nastanku krhkih Lavesovih faznih napak. Zato kasnejše raziskave popravila visokotemperaturnih zlitin na osnovi niklja zahtevajo ureditev strukture in mehanskih lastnosti takih napak.
Med delovanjem so lopatice ventilatorja/kompresorja iz titanove zlitine večinoma izpostavljene centrifugalni sili, aerodinamični sili in obremenitvi z vibracijami. Med uporabo se pogosto pojavijo površinske poškodbe (razpoke, obraba konice rezila itd.), lokalne poškodbe rezil iz titanove zlitine in poškodbe velikih površin (zlom zaradi utrujenosti, poškodbe velikih površin in korozija itd.), ki zahtevajo popolno zamenjavo rezil. Različne vrste napak in običajne metode popravil so prikazane na sliki 6. V nadaljevanju bo predstavljen status raziskave popravila teh treh vrst napak.
Med delovanjem imajo rezila iz titanove zlitine pogosto napake, kot so površinske razpoke, majhne praske in obraba rezila. Popravilo takšnih napak je podobno kot pri turbinskih lopaticah na osnovi niklja. Strojna obdelava se uporablja za odstranitev okvarjenega območja, lasersko nanašanje s taljenjem ali varjenje z argonom pa za polnjenje in popravilo.
Na področju nanašanja z laserskim taljenjem sta Zhao Zhuang et al. [34] s Northwestern Polytechnical University je izvedel študijo laserskega popravljanja majhnih površinskih napak (površinski premer 2 mm, polkrogle napake z globino 0.5 mm) odkovkov iz titanove zlitine TC17. To so pokazali rezultati β stebrasti kristali v območju laserskega nanašanja so rasli epitaksialno iz vmesnika in meje zrn so bile zamegljene. Izvirna oblika igle α letve in sekundarni α faze v območju toplotnega vpliva so se povečale in zgostile. V primerjavi s kovanimi vzorci so imeli lasersko popravljeni vzorci visoko trdnost in nizko plastičnost. Natezna trdnost se je povečala s 1077.7 MPa na 1146.6 MPa, raztezek pa se je zmanjšal s 17.4 % na 11.7 %. Pan Bo et al. [35] so večkrat uporabili tehnologijo laserske obloge s koaksialnim dovajanjem prahu za popravilo montažnih napak v obliki okrogle luknje titanove zlitine ZTC4. Rezultati so pokazali, da je bil proces spremembe mikrostrukture od matičnega materiala do popravljenega območja lamelaren α fazni in intergranularni β faza → košarasto strukturo → martenzit → Struktura Widmanstatten. Trdota toplotno prizadete cone se je s povečevanjem števila popravil nekoliko povečala, medtem ko se trdota osnovnega materiala in obloge ni bistveno spremenila.
Rezultati kažejo, da sta območje popravila in območje, ki ga je prizadela toplota pred toplotno obdelavo, podobna ultra tanki igli α faza porazdeljena v β fazna matrika, cona osnovnega materiala pa je fina košarasta struktura. Po toplotni obdelavi je mikrostruktura vsakega področja primarna letev α faza + β fazno transformacijsko strukturo in dolžino primarne α faza na območju popravila bistveno večja kot na drugih območjih. Visokociklična meja utrujenosti dela za popravilo je 490 MPa, kar je višje od meje utrujenosti osnovnega materiala. Ekstremni padec je okoli 7.1 %. Ročno varjenje z argonom se pogosto uporablja tudi za popravilo površinskih razpok rezila in obrabe konice. Njegova pomanjkljivost je, da je vnos toplote velik, popravila velikih površin pa so nagnjena k velikim toplotnim obremenitvam in deformacijam pri varjenju [37].
Sedanje raziskave kažejo, da ima območje popravila značilnosti visoke trdnosti in nizke plastičnosti, ne glede na to, ali se za popravilo uporablja lasersko nanašanje s taljenjem ali varjenje z argonskim lokom, po popravilu pa se odpornost rezila zlahka zmanjša. Naslednji korak raziskave bi se moral osredotočiti na to, kako nadzorovati sestavo zlitine, prilagoditi parametre varilnega postopka in optimizirati metode nadzora procesa za uravnavanje mikrostrukture območja popravila, doseči ujemanje trdnosti in plastičnosti na območju popravila in zagotoviti njegovo odlično odpornost proti utrujenosti.
Med popravilom poškodb rotorskih lopatic iz titanove zlitine in aditivno proizvodno tehnologijo tridimenzionalnih trdnih delov iz titanove zlitine ni bistvene razlike v smislu postopka. Popravilo je mogoče obravnavati kot postopek izdelave aditiva za sekundarno nanašanje na odseku zloma in lokalni površini s poškodovanimi deli kot matrico, kot je prikazano na sliki 7. Glede na različne vire toplote ga v glavnem delimo na popravilo z laserskim aditivom in popravilo z aditivom obloka. Treba je omeniti, da je nemški raziskovalni center 871 Collaborative Research Center v zadnjih letih osredotočil tehnologijo popravljanja z aditivi obloka za popravilo integralnih rezil iz titanove zlitine [38] in izboljšal učinkovitost popravila z dodajanjem sredstev za nukleacijo in drugih sredstev [39].
Na področju popravljanja z laserskimi dodatki Gong Xinyong et al. [40] so uporabili prah zlitine TC11 za preučevanje postopka popravljanja titanove zlitine TC11 z laserskim taljenjem. Po popravilu je območje odlaganja tankostenski vzorec in območje pretaljevanja vmesnika sta imela značilne Widmanstattenove strukture, struktura matričnega območja, na katerega vpliva toplota, pa je prešla iz Widmanstattenove strukture v strukturo dvojnega stanja. Natezna trdnost območja nanosa je bila približno 1200 MPa, kar je bilo višje od natezne trdnosti mejne prehodne cone in matrice, medtem ko je bila plastičnost nekoliko nižja od plastičnosti matrice. Vsi natezni vzorci so bili zlomljeni znotraj matrice. Nazadnje je bil dejanski rotor popravljen z metodo nanašanja s taljenjem po točkah, opravil oceno preskusa super hitrosti in realiziral aplikacijo za namestitev. Bian Hongyou idr. [41] so uporabili prašek TA15 za preučevanje laserskega aditivnega popravljanja titanove zlitine TC17 in raziskovali učinke različnih temperatur toplotne obdelave pri žarjenju (610℃, 630℃ in 650℃) na njegovo mikrostrukturo in lastnosti. Rezultati so pokazali, da lahko natezna trdnost deponirane zlitine TA15/TC17, popravljene z laserskim nanašanjem, doseže 1029 MPa, vendar je plastičnost relativno nizka, le 4.3 %, in dosega 90.2 % oziroma 61.4 % odkovkov TC17. Po toplotni obdelavi pri različnih temperaturah se natezna trdnost in plastičnost bistveno izboljšata. Ko je temperatura žarjenja 650℃, najvišja natezna trdnost je 1102MPa, kar doseže 98.4% odkovkov TC17, raztezek po zlomu pa 13.5%, kar je bistveno izboljšano v primerjavi z deponiranim stanjem.
Na področju aditivnega popravljanja oblokov sta Liu et al. [42] je izvedel študijo popravila na simuliranem vzorcu manjkajočega rezila iz titanove zlitine TC4. V nanešenem sloju je bila pridobljena mešana zrnata morfologija enakoosnih kristalov in stebričastih kristalov z največjo natezno trdnostjo 991 MPa in raztezkom 10 %. Zhuo et al. [43] so uporabili varilno žico TC11 za izvedbo študije popravila z dodatkom obloka na titanovi zlitini TC17 in analizirali mikrostrukturni razvoj nanesene plasti in območja, ki ga je prizadela toplota. Natezna trdnost je bila 1015.9 MPa pri neogrevanih pogojih, raztezek pa 14.8 % z dobro celovito zmogljivostjo. Chen et al. [44] so proučevali učinke različnih temperatur žarjenja na mikrostrukturo in mehanske lastnosti vzorcev za popravilo iz titanove zlitine TC11/TC17. Rezultati so pokazali, da je bila višja temperatura žarjenja koristna za izboljšanje raztezka popravljenih vzorcev.
Raziskave o uporabi tehnologije izdelave kovinskih dodatkov za popravilo lokalnih poškodb pri rezilih iz titanove zlitine so šele v povojih. Pri popravljenih rezilih ni treba biti pozoren samo na mehanske lastnosti nanesene plasti, ampak je enako ključna tudi ocena mehanskih lastnosti na vmesniku popravljenih rezil.
Da bi poenostavili strukturo rotorja kompresorja in zmanjšali težo, lopatice sodobnih letalskih motorjev pogosto sprejmejo integralno strukturo diska z rezili, ki je enodelna struktura, zaradi katere so delovne lopatice in diski z rezili v celostni strukturi, pri čemer so odstranjeni čep in utor. Medtem ko dosega namen zmanjšanja teže, se lahko tudi izogne obrabi in aerodinamični izgubi čepa in utora v običajni strukturi. Popravilo površinskih poškodb in lokalnih poškodb diska z rezili kompresorja je podobno zgoraj omenjeni ločeni metodi popravila rezil. Za popravilo zlomljenih ali manjkajočih delov integralnega rezilnega diska se široko uporablja linearno torno varjenje zaradi svoje edinstvene metode obdelave in prednosti. Njen proces je prikazan na sliki 8 [45].
Mateo idr. [46] je uporabil linearno torno varjenje za simulacijo popravila titanove zlitine Ti-6246. Rezultati so pokazali, da je imela ista poškodba, popravljena do trikrat, ožjo temperaturno prizadeto cono in finejšo strukturo zvara. Natezna trdnost se je s povečevanjem števila popravil zmanjšala s 1048 MPa na 1013 MPa. Vendar sta bila tako natezna kot tudi utrujenostna vzorca zlomljena v območju osnovnega materiala stran od območja zvara.
Ma et al. [47] so preučevali učinke različnih temperatur toplotne obdelave (530°C + 4h zračno hlajenje, 610°C + 4h zračno hlajenje, 670°C + 4h zračno hlajenje). mikrostrukturo in mehanske lastnosti linearnih torno zvarjenih spojev iz titanove zlitine TC17. Rezultati kažejo, da se s povišanjem temperature toplotne obdelave stopnja prekristalizacije α faza in β faza znatno poveča. Lomno obnašanje nateznih in udarnih vzorcev se je spremenilo od krhkega do duktilnega loma. Po toplotni obdelavi pri 670°C, natezni vzorec, zlomljen v osnovnem materialu. Natezna trdnost je bila 1262MPa, vendar je bil raztezek le 81.1% osnovnega materiala.
Trenutno domače in tuje raziskave kažejo, da ima tehnologija popravila linearnega tornega varjenja funkcijo samočistilnih oksidov, ki lahko učinkovito odstranijo okside na vezni površini brez metalurških napak, ki jih povzroči taljenje. Hkrati lahko uresniči povezavo heterogenih materialov za pridobitev integralnih diskov z dvojno zlitino/dvojno zmogljivostjo in lahko dokonča hitro popravilo zlomov telesa rezila ali manjkajočih kosov integralnih diskov z rezili iz različnih materialov [38]. Vendar pa je še vedno veliko težav, ki jih je treba rešiti pri uporabi tehnologije linearnega tornega varjenja za popravilo integralnih rezilnih diskov, kot so velike preostale napetosti v spojih in težave pri nadzoru kakovosti povezav heterogenih materialov. Hkrati je treba postopek linearnega tornega varjenja za nove materiale dodatno raziskati.
Zahvaljujemo se vam za zanimanje za naše podjetje! Kot profesionalno podjetje za proizvodnjo delov plinskih turbin bomo še naprej zavezani tehnološkim inovacijam in izboljšanju storitev, da bi zagotovili bolj kakovostne rešitve za stranke po vsem svetu. Če imate kakršna koli vprašanja, predloge ali namere sodelovanja, smo več kot z veseljem vam pomagam. Kontaktirajte nas na naslednje načine:
WhatsAPP: +86 135 4409 5201
E-naslov:[email protected]
2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Naša profesionalna prodajna ekipa čaka na vaše posvetovanje.