Svarivanje popravke i reizgrađivanja tehnologije za liste turbine i ventilatora/kompresora avijskog motora

Lopatica na leteljskom motoru radi dugo vreme u složenoj i oštranoj radnoj sredini, a lako je podložna raznim vrstama štete i defekata. Zamena lopatica je skupa, a istraživanje tehnologije popravke i remanufakturiranja lopaca donosi ogromne ekonomske prednosti. Lopatice leteljskog motora glavno se dele u dve kategorije: turbine lopatice i ventilatorske/kompresorske lopatice. Turbine lopatice obično koriste nikl-temperaturne save, dok ventilatorske/kompresorske lopatice uglavnom koriste titanove save, a neke koriste nikl-temperaturne save. Razlike u materijalima i radnim uslovima između turbine i ventilatorske/kompresorske lopatice dovode do različitih običnih vrsta štete, što rezultira različitim metodama popravke i performansama koje treba postići nakon popravke. Ovaj članak analizira i raspravlja o metodama popravke i ključnim tehnologijama trenutno korišćenim za dve vrste običnih šteta i defekata kod lopatice leteljskog motora, sa ciljem da pruži teoretsku osnovu za postizanje visokokvalitetne popravke i remanufakturiranja lopatice leteljskog motora.

U avionskim motorima, turbinine i rotorske lopaticе ventilatora/kompresora podležu dugoročnim srovnim uslovima poput centrifugalnih opterećenja, termalnog stresa i korozije, a imaju izuzetno visoke zahteve performansi. Navedeni su kao jedan od najčešćih jezgra komponenti u proizvodnji avionskih motora, a njihova proizvodnja čini preko 30% radne opterećenja cele proizvodnje motora [1 –3]. Budući da se nalaze u srovnim i složenim radnim uslovima dugo vremena, rotorske lopatice su predviđene za defektnost poput prska, nošnje vrha lopatice i polomnih oštećenja. Cena popravke lopatice iznosi samo 20% cene proizvodnje cele lopatice. Stoga, istraživanje tehnologije popravke lopatice avionskog motora doprinosi produžavanju života lopatice, smanjuje troškove proizvodnje i ima ogromne ekonomske prednosti.

Popravak i regeneracija lopatica avionskog motora uglavnom uključuje sledeće četiri koraka [4]: prethodna obrada lopaca (uključujući čišćenje lopaca [5], trodimenzionalnu inspekciju i geometrijsku rekonstrukciju [6 –7], itd.); nagomilavanje materijala (uključujući korišćenje naprednih tehnika svarenja i spajanja za popunjavanje i nagomilavanje nedostajućih materijala [8 –10], termička obrada za oporavak performansi [11 –13], itd.); obnova lopaca (uključujući načine obrade kao što su šlehanje i poliranje [14]); poslepopravno tretiranje (uključujući površinsko obložavanje [15] –16] i poboljšanje obrade [17], itd.), kao što je prikazano na Slici 1. Među njima, depositacija materijala je ključna za osiguravanje mehaničkih osobina lopatica posle popravke. Glavni sastojci i materijali lopatica avionskog motora prikazani su na Slici 2. Za različite materijale i različite oblike defekata, odgovarajuća istraživanja metoda popravke su osnova postizanja visokokvalitetne popravke i remanufakture oštećenih lopatica. Ovaj rad uzima lopaticu turbinsku od nikl-baziranog visokotemperaturnog saveza i lopaticu ventilatora/kompresora od titan saveza kao objekte, raspravlja i analizira metode popravke i ključne tehnologije koje se koriste za različite vrste oštećenja lopatica avionskog motora u ovom trenutku, i objašnjava njihove prednosti i mane.

1. Metoda popravke lopatica turbine od nikl-baziranog visokotemperaturnog saveza

Listovi turbine od niklovske visetemperaturske aleje rade u okruženju visokotemperaturnog goričavog plina i složene napone dugo vreme, a listovi često imaju defekata poput umornih toplinskih prsina, malopovršinske štete (nošenje rubova liste i korozionih šteta) i umorne rupe. Budući da je sigurnost popravke umorne ropnice turbine relativno niska, oni se opšte zamenjuju direktno nakon što dođe do umorne ropnice, bez svarenog popravljanja. Dva obična tipa defekata i metoda popravke listova turbline prikazana su na slici 3 [4]. U nastavku će se predstaviti metode popravke ovih dva tipa defekata listova turbline od niklovske visetemperaturske aleje.

1.1 Popravka šupljavih crvenjaka listova turbline od niklovske superaleje

Metode spajanja i repariranja po metodi čvrstofaznog savijanja opšte su korišćene za popravku defekata trisaka turbine, glavno uključujući: vakuumsko spajanje, privremeno tečnofazno difuzno spojivanje, aktivirano difuzno spajanje i metode remanufakturiranja prahovitom metalurgijom.

Shan i sur. [18] su koristili metodu leja u vakuumu za popravku šupljina na češljevima iz niklovske alije ChS88, koristeći lejne materijale Ni-Cr-B-Si i Ni-Cr-Zr. Rezultati su pokazali da se u poređenju sa lejnim materijalom Ni-Cr-B-Si, Zr u lejnom materijalu Ni-Cr-Zr teško difundira, podložni materijal se značajno ne koroduje, a otrčaj spoja je veći. Korišćenjem lejnog materijala Ni-Cr-Zr može se ostvariti popravka šupljina na češljevima od niklovske alije ChS88. Ojo i sur. [19] su proučavali uticaj veličine rupa i procesnih parametara na mikrostrukturu i osobine difuzionih lejnih spojeva alije Inconel718. Svečano povećanja veličine rupa, pojava tvrdih i hrapavih faza kao što su međumetalne spojeve temeljenih na Ni3Al i niklovske i hromovske boride predstavlja glavni razlog smanjenja snage i otrčaja spoja.

Tranzientna tekuća fazna difuzijska svarenja se zatvrdnjava pod izotermičkim uslovima i pripada kristalizaciji pod ravnotežnim uslovima, što je korisno za homogenizaciju sastava i strukture [20]. Pouranvari [21] je istraživao tranzientnu tekuću faznu difuzijsku svarku Inconel718 niklovaše-alokacijskog visoke temperature saveza i utvrdio da je Cr sadržaj u punjenju i raspadni opseg matrice ključni faktori koji utiču na čvrstoću zone izotermičke zatvrdnje. Lin i saradnici [22] su proučavali uticaj parametara procesa tranzientne tekuće faze difuzijskog svarenja na mikrostrukturu i osobine spojeva GH99 niklovaše-alokacijskog visoke temperature saveza. Rezultati su pokazali da se sa porastom spajanja temperature ili produžavanjem vremena smanjuje broj Ni-bogatih i Cr-bogatih borida u zone šećerivanja, a veličina zrnanja u zoni šećerivanja je manja. Čvrstoća pri sobnoj temperaturi i visoko temperaturna povlačna presijecajuća snaga raste sa produžavanjem vremena držanja. Trenutno, tranzientna tekuća fazna difuzijska svarka je uspešno primenjena za popravku malih šupljina u oblastima niske napone i rekonstrukciju poštećenja vrha neoznačenih lopatica [23] –24]. Iako je difuzijsko spajanje u prehodnoj tekućoj fazi uspešno primenjeno na niz materijala, ograničeno je na popravak malih šupljina (oko 250 μ m).

Kada je širina šuplje veća od 0,5 mm i kapilarna akcija nije dovoljna da ispunjava šuplju, popravak lopatica može se ostvariti koristeći aktivirano difuzijsko spajanje [24]. Su i saradnici [25] su koristili aktivirano difuzijsko lojtranje za popravak lopacke od In738 niklowe visetemperaturne legure pomoću DF4B lojtnog materijala i stekli visoku jakost, oksidaciji otpornu lojnu vezu. γ′ fazna precipitacija u vezi ima utvrđujući efekat, a tensilna snaga dostiže 85% od materijala osnove. Veza se lomi na poziciji Cr-bogatog borida. Hawk i suradnici [26] su takođe koristili aktiviranu difuznu varsu za popravku širokog prska René 108 niklovske visetemperaturne aluminne lopaticom. Pulverno metalurška remanufaktura, kao novoprazena metoda za originalnu rekonstrukciju naprednih materijalnih površina, bila je široko primenjena u popravci visetemperaturnih aluminih lopatica. Ona može vratiti i rekonstruisati tri-dimenzionalnu blisku izotropsku snagu velikih defekata (više od 5 mm) poput prskava, ablacije, nošenja i ruža na lopaticama [27]. Liburdi, kanadska kompanija, je razvila LPM (Liburdi pulverska metalurgija) metodu za popravak niklovnih aluminijuma sa visokim sadržinama Al i Ti koji imaju lošu varsnu sposobnost. Proces je prikazan na slici 4 [28]. U poslednjih godina, vertikalna slojeva pulverska metalurgija bazirana na ovoj metodi može obaviti jednokratnu brazuru popravku defekata širine do 25 mm [29].

1.2 Popravak  površinske štete lopatica turbina od niklovanog visokotemperaturnog saveza

Kada se male površinske crape i korozione štete pojavljuju na površini lopaca od niklovanog visokotemperaturnog saveza, obično se oštećena zona može ukloniti i izgrebati obradom, a zatim ispuniti i popraviti pomoću odgovarajuće svarivačke metode. Trenutna istraživanja glavnost slučaju na lasersku taljanu i popravku argonskom ark svarivanjem.

Kim i sur. [30] sa Univerziteta u Delavareu, SAD, su izvršili laser slojevanje i ručno varivo popravke na lopaticama od nikl-baziranog alija Rene80 sa visokim sadžajem Al i Ti, i uporedili su radne delove koji su prošli termičkom obradom posle variva sa onima koji su prošli termičkom obradom posle variva i toplom izostatnom pritiskom (HIP), i utvrdili su da HIP može učinkovito smanjiti male porne defektnosti. Liu i sur. [31] sa Univerziteta za nauku i tehnologiju u Huažongu su koristili laser slojevanje tehnologiju za popravku jamskih i rupastih defekata u turbinim komponentama od 718 nikl-baziranog alija, i istražili su uticaje gustine laser snage, brzine laser skeniranja i oblika slojevanja na proces popravke, kao što je prikazano na slici 5.

U vezi sa popravkom argonskim arkovim spajanjem, Qu Sheng i suradnici [32] iz Kineskog avijskog razvojnog preduzeća Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. su koristili metodu tungsten-argonskog arkovog spajanja za popravku nošenja i prska na vrhu lopatica od visokotemperaturne legure DZ125. Rezultati pokazuju da nakon popravke pomoću tradicionalnih kobalt-baziranih materijala za spajanje, zona uticaja toplote je podložna termičkim prsacima i smanjen je tvrdoća spoja. Međutim, korišćenjem novorazvijenih MGS-1 nikl-baziranih materijala za spajanje, kombinovano sa odgovarajućim procesima spajanja i toplinskog obrade, može se učinkovito izbegnuti pojava prsaca u zoni uticaja toplote, a trakciona snaga pri 1000 ° C dostiže 90% osnovnog materijala. Song Wenqing i drugi [33] su provedili istraživanje o procesu popravne svarenosti defekata litnih delova visotemperaturne aligejske turbine K4104. Rezultati su pokazali da korišćenjem svarskih žica HGH3113 i HGH3533 kao izpunjavajućeg metala ima odličnu svarku, dobru plastičnost i jaku otpornost na rastezanje, dok pri korišćenju svarske žice K4104 sa povećanim sadržajem Zr, loše teče metal u tekućem stanju, površina svarka nije dobro oblikovana, a javljaju se rastezi i defekti nepotpune fuzije. Može se zaključiti da je izbor izpunjavajućeg materijala ključnog značaja u procesu popravke lopatica.

Trenutna istraživanja o popravci nickel-baziranih turbinskih lopatica pokazuju da nickel-bazirane visokotemperaturne aleje sadrže elemente za jačanje rastvorom, kao što su Cr, Mo, Al, i stope elemenata kao što su P, S i B, što ih čini osetljivijim na prske tijekom procesa popravka. Nakon svarenja, lako dolaze do strukturne segregacije i formiranja hrupe Laves faze defekata. Zbog toga, daljnja istraživanja o popravku nickel-baziranih visokotemperaturnih aleja zahtevaju regulaciju strukture i mehaničkih svojstava ovakvih defekata.

2 Metod popravka titan-alovnih lopatica ventilatora/kompresora

Tijekom rada, lisinim aluminijumskim ventilskim/livadicama ostruga glavno je pod uticajem centrifugalne sile, aerodinamičke sile i vibracijskog opterećenja. Tijekom korišćenja, često se pojavljuju površinske štete (crte, oštećenje vrhova ostruga itd.), lokalna prelamanja lisinim aluminijumskih ostruga i široko-površinska oštećenja (umorni prelom, široko-površinska oštećenja i korozija itd.), što zahteva zamenu celokupnih ostruga. Različiti tipovi defekata i obične metode popravke prikazani su na slici 6. U nastavku će se predstati stanje istraživanja u vezi sa popravkom ovih tri vrste defekata.

2.1 Popravka površinskih oštećenja lisinim aluminijumskih ostruga

Tijekom rada, lisinim aluminijumskim ostrugama često se javljaju defekti kao što su površinske crte, malopovršinske srupove i oštećenje ostruga. Popravak ovakvih defekata je sličan onome kod niklo-zasnovanih turbinskih ostruga. Mašinsko obradovanje se koristi za uklanjanje defektivnog područja, a laser meltanje depozita ili argon luk savijanje se koristi za punjenje i popravku.

U području laserne topline deponiranja, Zhao Zhuang i suradnici [34] sa Sjeverozapadnog politehnološkog univerziteta provedeni su laseri popravci na malim površinskim defektima (prečnik površine 2 mm, hemisferski defekti dubine 0,5 mm) TC17 tiotalovih štampa. Rezultati su pokazali da β stupasti kristali u zoni laserne deponacije su rastli epitaksijski od sučelja i granice zrnbica su postale neizražene. Originalni iglao oblikovani α žarak i sekundarni α faze u zone utjecaja toplote su rastle i oštrile se. U poređenju sa uzorcima dobijenim mačnjakivanjem, uzorci sa laserom popravljeni su imali karakteristike visoke jačine i niske plastičnosti. Jačina na povlačenje je povećana od 1077,7 MPa do 1146,6 MPa, a produženje je smanjeno od 17,4% do 11,7%. Pan Bo i saradnici [35] su koristili tehnologiju laserne nadgradnje sa kofokalnim prašinom da više puta poprave cirkularno-ružičaste predefinisane defektnosti ZTC4 titan alige. Rezultati su pokazali da je proces promene mikrostrukture iz materijala majke do oblasti popravke bio plastički α faza i međuzrnska β faza → pleterasta struktura → martenzit → Widmanstattenova struktura. Tvrdost zone utjecaja toplote je malo povećala sa povećanjem broja popravki, dok se tvrdost materijala majke i sloja nadgradnje nije mnogo promenila.

Rezultati pokazuju da je zona popravke i zona utjecaja toplote pre topline obrade super-fino iglasto α faza raspoređena u β fazna matrica, a zona osnovnog materijala je fina košarna struktura. Nakon termodobivanja, mikrostruktura svake zone je poput šipkaste primarne α faza + β transformaciona struktura faze, a dužina primarne α faze u oblasti popravke je značajno veća od one u drugim oblastima. Granica visokofrekventne umornine popravljene delove iznosi 490MPa, što je više od granice umornine osnovnog materijala. Ekstremno smanjenje iznosi oko 7.1%. Ručno aronsko arkovno sajamanje takođe se često koristi za popravku pukocina na površini lopatica i nošenje na vrhu. Njena nedostatnost je u tome što je toplinska ulaznica velika, a velikoprostore popravke su podložne velikoj toplinskoj naponu i deformaciji prilikom sajamanja [37].

Trenutna istraživanja pokazuju da, bez obzira na to da li se koristi laser plazmena deponiranja ili variva argon arka za popravku, popravljena zona ima karakteristike visoke jačine i niske plastičnosti, a performanse umornog otpornosti lopatica mogu biti snažno smanjene nakon popravke. Sledeći korak u istraživanju treba da se fokusira na to kako kontrolisati sastav alija, prilagoditi parametre procesa varivane i optimizovati metode kontrole procesa kako bi se regulisala mikrostruktura zone popravke, postigla jezgra i saglasnost plastičnosti u zoni popravke i osigurala njene odlične performanse umornog otpornosti.

2.2 Popravka lokalnog oštećenja titan-alijanskih lopatica

Nema suštinske razlike između popravke šteta na listovima rotora od titanijum alijansa i aditivne tehnologije proizvodnje trodimenzionalnih čvrstih dela od titanijum alijansa u pogledu procesa. Popravka može se smatrati kao proces sekundarnog aditivnog izrađivanja na prelomljenoj površini i lokalnoj površini, uz oštećene delove kao matricu, kao što je prikazano na slici 7. Prema različitim izvorima topla, glavno se dele na lasersku aditivnu popravku i arkusnu aditivnu popravku. Vredno je napomenuti da je u poslednjih nekoliko godina Nemački sastavni istraživački centar 871 postavio akcent na arkusnu aditivnu popravku kao prioritetnu oblast za popravku integralnih listova od titanijum alijansa [38], a poboljšao performanse dodavanjem nukleatora i drugih sredstava [39].

U području laserske aditivne popravke, Gong Xinyong i saradnici [40] su koristili TC11 alijansni prašinu kako bi proučili proces laserske toplove deponacije za popravku TC11 titanijum alijansa. Nakon popravke, zona deponacije  uzorak sa tankim zidovima i područje remeljenja sučelja imali su tipične karakteristike strukture Vidmanštaten, a prelazna struktura zone utjecaja topla matrice je prelazila od strukture Vidmanštaten do dvostanske strukture. Trakciona jakost depozitacionog područja iznosila je oko 1200 MPa, što je bilo više nego kod sučeljne tranzicijske zone i matrice, dok je plastičnost bila malo niža nego kod matrice. Trakcioni uzorci su se svi slomili unutar matrice. Konačno, stvarni ventilator je repariran metodom tačkastog meljenja i depozicije, prošao je procenu nadbrzinim testom i ostvario je montažnu primenu. Bian Hongyou i saradnici [41] su koristili TA15 prah za proučavanje laserne aditivne reparacije TC17 titanijevog splava i istraživanje uticaja različitih temperatur otpaljivog topljenja (610 ℃ , 630 ℃ i 650 ℃ ) na njegovoj mikrostrukturi i svojstvima. Rezultati su pokazali da izdržljivost na tegao štampanog TA15/TC17 saveza popravljenog laserovim deponovanjem može dostići 1029MPa, ali je plastičnost relativno niska, samo 4,3%, što predstavlja 90,2% i 61,4% od TC17 otopina, redom. Nakon toplinske obrade pri različitim temperaturama, izdržljivost na tegao i plastičnost se značajno poboljšavaju. Kada je temperatura otpuštanja 650 ℃ , najveća izdržljivost na tegao je 1102MPa, što predstavlja 98,4% od TC17 otopina, a produženje posle loma je 13,5%, što je značajno poboljšanje u odnosu na stanje nakon deponovanja.

U oblasti dodatnog popravka arkivanjem, Liu i sur. [42] su provedili istraživanje popravka na simuliranoj uzorki sa nedostajućom lopaticom od TC4 titanijum alijaansa. Dobijena je mešovita zrnasta morfologija sferoidnih kristala i stupastih kristala u nalivnom sloju, sa maksimalnom tegobnom snagom od 991 MPa i produženjem od 10%. Zhuo i sur. [43] su koristili svarujući žice od TC11 za arčni dodatni popravek TC17 titanijum alijaansa, analizirajući evoluciju mikrostrukture nalivnog sloja i zone uticaja topline. Tegobna snaga je bila 1015,9 MPa pri nezagrevanim uslovima, a produženje 14,8%, sa dobrom kompleksnom performansom. Chen i sur. [44] su proučavali uticaj različitih temperaturi anealinga na mikrostrukturu i mehaničke osobine uzoraka popravka od TC11/TC17 titanijum alijaansa. Rezultati su pokazali da je veća temperatura anealinga korisna za poboljšanje produženja popravljenih uzoraka.

Istraživanje upotrebe metalne aditivne proizvodnje za reperiranje lokalnih oštećenja u lopaticama od titanovog splava još uvijek je u zaceni. Reperiранe lopatice moraju uzimati u obzir mehaničke osobine sloja koji je napravljen, ali je i procena mehaničkih osobina na sučelju reperiranih lopatica jednako ključna.

3 Lopatice od titanovog splava sa širokim površinskim oštećenjima - zamena i reperiranje

Da bi se pojednostavila konstrukcija kompresora i smanjila težina, lopatica savremenih avijskih motora često koristi integralnu strukturu lopatica sa diskom, što je jedan-deo struktura koja pravi radne lopatice i lopaticu diskove u integralnu strukturu, eliminući štap i štapnu rupu. Dostizajući cilj smanjenja težine, takođe se može izbeći oštrica i aerodinamička gubitak štapa i štapne rupe u konvencionalnoj strukturi. Popravak površinske oštećenja i lokalnih defekata kompresora integralne lopatice diska je sličan gore navedenoj metodi popravka odvojene lopatice. Za popravak preloma ili nedostajućih delova integralne lopatice diska, linearno trenje savijanja je široko korišćeno zbog svoje jedinstvene metode obrade i prednosti. Njegov proces je prikazan na slici 8 [45].

Mateo i sur. [46] su koristili linearno trenje za savijanje kako bi simulirali popravak Ti-6246 titanijume alije. Rezultati su pokazali da je šteta koja se popravlja do tri puta imala usižniju temperaturnu uticajnu zonu i fino strukturne zrna spajanja. Protna čvrstoća je smanjena sa 1048 MPa na 1013 MPa uz povećanje broja popravaka. Međutim, oba probna uzorka za protnost i umor su se slomili u podložnoj materijalnoj zoni daleko od zone spajanja.

Ma i sur. [47] su proučavali uticaje različitih temperatura toplinske obrade (530 ° C + 4h vazdušno hlađenje, 610 ° C + 4h vazdušno hlađenje, 670 ° C + 4h vazdušno hlađenje) na ​​ mikrostrukturu i mehaničke osobine linearno trenjem spojenih veza TC17 titanijume alije. Rezultati pokazuju da se stepen recrystalizacije α faze i β faze značajno povećava sa povećanjem temperature toplinske obrade. Ponašanje loma uzoraka za protnost i udarne probne uzorke se promenilo sa hrupe loma na plastičan lom. Nakon toplinske obrade pri 670 ° C, probni uzorak se razbio u osnovnom materijalu. Snaga na tegao iznosila je 1262MPa, ali produženje iznosi samo 81.1% u odnosu na osnovni materijal.

U trenutku, domaće i inostrane istraživanje pokazuju da tehnologija linearnog trenja za savijanje ima funkciju samociscenja oksida, što može učinkovito ukloniti okside sa površine veze bez metalurških defekata uzrokovanih topljenjem. Isto vreme, omogućava spoj različitih materijala kako bi se dobili dvojni-aloj/dvojni-performansni integralni listovi diskova, a takođe može završiti brzu popravku loma tijela liste ili nedostajućih dijelova integralnih listova diskova iz različitih materijala [38]. Međutim, još uvijek postoje mnogi problemi koji treba rešiti pri korišćenju tehnologije linearnog trenja za popravku integralnih listova diskova, kao što su veliki ostaci napetosti u vezi i teškoća u kontroli kvaliteta veza različitih materijala. Isto vreme, proces linearnog trenja za nove materijale treba dalje istraživati.

KONTAKTIRAJTE NAS

Hvala vam što ste pokazali interes za našu kompaniju! Kao profesionalna tvrtka za proizvodnju dijelova plinove turbine nastavit ćemo se brinuti o inovacijama u tehnologiji i poboljšanju usluga kako bismo pružili još više kvalitetnih rješenja kupcima širom svijeta. Ako imate bilo kakva pitanja, predloge ili namjeru suradnje, svesno ćemo vam pomoći. Molimo vas da nas kontaktirate na sljedeće načine:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

E-mail ：[email protected]