Flygplansmotorblad befinner sig i en komplex och tuff arbetsmiljö under lång tid och är utsatta för olika typer av skadedefekter. Det är dyrt att byta ut blad, och forskning om bladreparation och återtillverkningsteknik har enorma ekonomiska fördelar. Flygplansmotorblad är huvudsakligen indelade i två kategorier: turbinblad och fläkt/kompressorblad. Turbinbladen använder vanligtvis nickelbaserade högtemperaturlegeringar, medan fläkt/kompressorbladen huvudsakligen använder titanlegeringar, och vissa använder nickelbaserade högtemperaturlegeringar. Skillnaderna i material och arbetsmiljö för turbinblad och fläkt/kompressorblad resulterar i olika vanliga typer av skador, vilket resulterar i olika reparationsmetoder och prestandaindikatorer som måste uppnås efter reparation. Denna artikel analyserar och diskuterar de reparationsmetoder och nyckelteknologier som för närvarande används för de två typerna av vanliga skadedefekter i flygplansmotorblad, i syfte att tillhandahålla en teoretisk grund för att uppnå högkvalitativ reparation och återtillverkning av flygplansmotorblad.
I flygplansmotorer utsätts rotorblad för turbiner och fläktar/kompressorer för långvariga hårda miljöer som centrifugalbelastningar, termisk stress och korrosion, och har extremt höga prestandakrav. De är listade som en av de viktigaste komponenterna inom tillverkning av flygplansmotorer, och deras tillverkning står för mer än 30 % av arbetsbelastningen för hela motortillverkningen [1-3]. Eftersom rotorbladen befinner sig i en tuff och komplex arbetsmiljö under en lång tid är de utsatta för defekter som sprickor, slitage på bladspetsen och brottskador. Kostnaden för att reparera blad är bara 20 % av kostnaden för att tillverka hela bladet. Därför bidrar forskning om reparationsteknik för flygmotorblad till att förlänga bladens livslängd, minska tillverkningskostnaderna och har enorma ekonomiska fördelar.
Reparationen och återtillverkningen av flygplansmotorblad innefattar huvudsakligen följande fyra steg [4]: bladförbehandling (inklusive bladrengöring [5], tredimensionell inspektion och geometrisk rekonstruktion [6-7], etc.); materialavsättning (inklusive användning av avancerad svets- och anslutningsteknik för att slutföra fyllningen och ackumuleringen av saknade material [8-10], värmebehandling för prestandaåtervinning [11-13], etc.); bladrenovering (inklusive bearbetningsmetoder såsom slipning och polering [14]); behandling efter reparation (inklusive ytbeläggning [15-16] och förstärkande behandling [17], etc.), som visas i figur 1. Bland dem är materialavsättning nyckeln till att säkerställa bladets mekaniska egenskaper efter reparation. Huvudkomponenterna och materialen i flygplansmotorblad visas i figur 2. För olika material och olika defektformer är motsvarande reparationsmetodforskning grunden för att uppnå högkvalitativ reparation och återtillverkning av skadade blad. Detta dokument tar nickelbaserade högtemperaturlegerade turbinblad och titanlegeringsfläkt/kompressorblad som föremål, diskuterar och analyserar reparationsmetoderna och nyckelteknologierna som används för olika typer av skador på flygmotorbladen i detta skede, och förklarar deras fördelar och nackdelar.
Nickelbaserade högtemperaturlegerade turbinblad arbetar i en miljö med hög temperatur förbränningsgas och komplex stress under lång tid, och bladen har ofta defekter som termiska utmattningssprickor, ytskador på små ytor (slitage av bladspetsar och korrosionsskador) och utmattningsbrott. Eftersom säkerheten för reparation av turbinbladsutmattningsbrott är relativt låg, byts de i allmänhet ut direkt efter att utmattningsbrott uppstår utan svetsreparation. De två vanliga typerna av defekter och reparationsmetoder för turbinblad visas i figur 3 [4]. Följande kommer att introducera reparationsmetoderna för dessa två typer av defekter hos respektive nickelbaserade högtemperaturlegerade turbinblad.
Hårdlödning och fastfassvetsreparationsmetoder används i allmänhet för att reparera sprickdefekter i turbinblad, huvudsakligen inklusive: vakuumlödning, transient vätskefasdiffusionsbindning, aktiverad diffusionssvetsning och reparationsmetoder för pulvermetallurgisk återtillverkning.
Shan et al. [18] använde strålvakuumlödningsmetoden för att reparera sprickor i ChS88 nickelbaserade legeringsblad med Ni-Cr-B-Si och Ni-Cr-Zr hårdlödningsfyllmedel. Resultaten visade att jämfört med Ni-Cr-B-Si lödspackelmetall är Zr i Ni-Cr-Zr lödfyllnadsmetall inte lätt att sprida, substratet är inte nämnvärt korroderat och segheten hos svetsfogen är högre. Användningen av Ni-Cr-Zr lödning tillsatsmetall kan åstadkomma reparation av sprickor i ChS88 nickelbaserade legeringsblad. Ojo et al. [19] studerade effekterna av gapstorlek och processparametrar på mikrostrukturen och egenskaperna hos diffusionslödda fogar av Inconel718 nickelbaserad legering. När spaltstorleken ökar är uppkomsten av hårda och spröda faser såsom Ni3Al-baserade intermetalliska föreningar och Ni-rika och Cr-rika borider den främsta orsaken till minskningen av fogstyrka och seghet.
Transient vätskefasdiffusionssvetsning stelnar under isotermiska förhållanden och hör till kristallisation under jämviktsförhållanden, vilket bidrar till homogenisering av sammansättning och struktur [20]. Pouranvari [21] studerade den transienta vätskefasdiffusionssvetsningen av Inconel718 nickelbaserad högtemperaturlegering och fann att Cr-innehållet i fyllmedlet och sönderdelningsområdet för matrisen är nyckelfaktorerna som påverkar styrkan i den isotermiska stelningszonen. Lin et al. [22] studerade inverkan av svetsprocessparametrar för transient vätskefasdiffusion på mikrostrukturen och egenskaperna hos GH99 nickelbaserade högtemperaturlegeringar. Resultaten visade att med ökningen av anslutningstemperaturen eller förlängningen av tiden, minskade antalet Ni-rika och Cr-rika borider i nederbördszonen, och kornstorleken i nederbördszonen var mindre. Rumstemperaturen och draghållfastheten vid hög temperatur ökade med förlängningen av hålltiden. För närvarande har transient vätskefasdiffusionssvetsning framgångsrikt använts för att reparera små sprickor i områden med låg belastning och återuppbygga spetsskadorna på okrönta blad [23-24]. Även om transient vätskefasdiffusionssvetsning framgångsrikt har tillämpats på en mängd olika material, är den begränsad till reparation av små sprickor (cirka 250μm).
När sprickbredden är större än 0.5 mm och kapillärverkan är otillräcklig för att fylla sprickan, kan bladreparationen uppnås genom att använda aktiverad diffusionssvetsning [24]. Su et al. [25] använde den aktiverade diffusionslödningsmetoden för att reparera det In738 nickelbaserade högtemperaturlegeringsbladet med DF4B-lödmaterial, och erhöll en höghållfast, oxidationsbeständig lödfog. De γ′ fas utfälld i fogen har en stärkande effekt, och draghållfastheten når 85% av modermaterialet. Leden bryts vid positionen för Cr-rik borid. Hawk et al. [26] använde också aktiverad diffusionssvetsning för att reparera den breda sprickan i René 108 nickelbaserade högtemperaturlegeringsblad. Pulvermetallurgisk återtillverkning, som en nyutvecklad metod för den ursprungliga rekonstruktionen av avancerade materialytor, har använts i stor utsträckning vid reparation av högtemperaturlegerade blad. Den kan återställa och rekonstruera den tredimensionella nära-isotropiska styrkan hos stora spaltdefekter (mer än 5 mm) såsom sprickor, ablation, slitage och hål i bladen [27]. Liburdi, ett kanadensiskt företag, utvecklade metoden LPM (Liburdi pulvermetallurgi) för att reparera nickelbaserade legeringsblad med högt Al- och Ti-innehåll som har dålig svetsprestanda. Processen visas i figur 4 [28]. Under de senaste åren kan den vertikala lamineringspulvermetallurgiska metoden baserad på denna metod utföra engångslödning av defekter så breda som 25 mm [29].
När små repor och korrosionsskador uppstår på ytan av nickelbaserade högtemperaturlegeringsblad, kan det skadade området vanligtvis avlägsnas och spåras genom bearbetning och sedan fyllas och repareras med en lämplig svetsmetod. Aktuell forskning fokuserar främst på lasersmältning och reparation av argonbågssvetsning.
Kim et al. [30] från University of Delaware i USA utförde laserbeklädnad och manuell svetsreparation på Rene80 nickelbaserade legeringsblad med högt Al- och Ti-innehåll, och jämförde de arbetsstycken som hade genomgått värmebehandling efter svetsning med de som hade genomgått värmebehandling efter svetsning och varm isostatisk pressning (HIP), och fann att små defekter effektivt kan reducera defekter. Liu et al. [31] från Huazhong University of Science and Technology använde laserbeklädnadsteknik för att reparera spår- och håldefekter i 718 nickelbaserade legerade turbinkomponenter, och utforskade effekterna av lasereffekttäthet, laserskanningshastighet och beklädnadsform på reparationsprocessen, som visas i figur 5.
När det gäller argonbågssvetsreparation, Qu Sheng et al. [32] från China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. använde volframargonbågsvetsningsmetod för att reparera slitage och sprickproblem i spetsen av DZ125 högtemperaturlegerade turbinblad. . Resultaten visar att efter reparation med traditionella koboltbaserade svetsmaterial är den värmepåverkade zonen utsatt för termiska sprickor och svetsens hårdhet minskar. Genom att använda de nyutvecklade MGS-1 nickelbaserade svetsmaterialen i kombination med lämpliga svets- och värmebehandlingsprocesser kan man effektivt undvika att sprickor uppstår i den värmepåverkade zonen och draghållfastheten vid 1000°C når 90 % av basmaterialet. Song Wenqing et al. [33] genomförde en studie om reparationssvetsningsprocessen av gjutdefekter av K4104 högtemperaturlegerade turbinstyrblad. Resultaten visade att användning av HGH3113- och HGH3533-svetstrådar som tillsatsmetaller har utmärkt svetsbildning, god plasticitet och stark sprickbeständighet, medan användning När K4104-svetstråden med ökat Zr-innehåll svetsas är flytbarheten i den flytande metallen dålig, svetsytan bildas inte bra och sprickor och icke-smältningsdefekter uppstår. Det kan ses att i bladreparationsprocessen spelar valet av fyllnadsmaterial en viktig roll.
Aktuell forskning om reparation av nickelbaserade turbinblad har visat att nickelbaserade högtemperaturlegeringar innehåller fasta lösningsförstärkande element som Cr, Mo, Al och spårämnen som P, S och B, vilket gör dem mer sprickkänsliga under reparationsprocessen. Efter svetsning är de benägna att strukturell segregation och bildandet av spröda Laves-fasdefekter. Därför kräver efterföljande forskning om reparation av nickelbaserade högtemperaturlegeringar reglering av strukturen och de mekaniska egenskaperna hos sådana defekter.
Under drift utsätts fläkt/kompressorblad i titanlegering huvudsakligen för centrifugalkraft, aerodynamisk kraft och vibrationsbelastning. Under användning uppstår ofta ytskador (sprickor, bladspetsslitage, etc.), lokala brottdefekter på blad av titanlegering och skador på stora ytor (utmattningsbrott, skador på stora ytor och korrosion, etc.), vilket kräver ett övergripande utbyte av blad. Olika defekttyper och vanliga reparationsmetoder visas i figur 6. Följande kommer att introducera forskningsstatusen för reparationen av dessa tre typer av defekter.
Under drift har titanlegeringsblad ofta defekter som ytsprickor, små ytrepor och bladslitage. Reparationen av sådana defekter liknar den för nickelbaserade turbinblad. Bearbetning används för att avlägsna det defekta området och lasersmältningsavsättning eller argonbågsvetsning används för fyllning och reparation.
Inom området för lasersmältningsdeposition, Zhao Zhuang et al. [34] vid Northwestern Polytechnical University genomförde en laserreparationsstudie på små ytdefekter (ytdiameter 2 mm, halvsfäriska defekter med ett djup på 0.5 mm) av TC17 titanlegeringssmide. Resultaten visade det β kolumnformiga kristaller i laseravsättningszonen växte epitaxiellt från gränsytan och korngränserna var suddiga. Den ursprungliga nålformade α ribbor och sekundära α faser i den värmepåverkade zonen växte och förgrovdes. Jämfört med de smidda proverna hade de laserreparerade proverna egenskaperna hög hållfasthet och låg plasticitet. Draghållfastheten ökade från 1077.7 MPa till 1146.6 MPa, och töjningen minskade från 17.4% till 11.7%. Pan Bo et al. [35] använde koaxial pulvermatande laserbeklädnadsteknik för att reparera de cirkulära hålformade prefabricerade defekterna hos ZTC4 titanlegering många gånger. Resultaten visade att mikrostrukturförändringsprocessen från modermaterialet till det reparerade området var lamellär α fas och intergranulär β fas → korgväv struktur → martensit → Widmanstattens struktur. Hårdheten i den värmepåverkade zonen ökade något med ökningen av antalet reparationer, medan hårdheten hos modermaterialet och beklädnadslagret inte förändrades mycket.
Resultaten visar att reparationszonen och värmepåverkad zon före värmebehandling är ultrafina nålliknande α fas fördelad i β fasmatris, och basmaterialzonen är en fin korgstruktur. Efter värmebehandling är mikrostrukturen i varje område ribba-liknande primär α fas + β fastransformationsstruktur och längden på den primära α fas i reparationsområdet är betydligt större än i andra områden. Den höga utmattningsgränsen för reparationsdelen är 490 MPa, vilket är högre än utmattningsgränsen för basmaterialet. Den extrema nedgången är cirka 7.1%. Manuell argonbågsvetsning används också ofta för att reparera sprickor på bladytan och spetsslitage. Dess nackdel är att värmetillförseln är stor, och reparationer på stora ytor är benägna att utsättas för stora termiska påfrestningar och svetsdeformationer [37].
Aktuell forskning visar att oavsett om lasersmältningsdeposition eller argonbågsvetsning används för reparation, har reparationsområdet egenskaperna hög hållfasthet och låg plasticitet, och bladets utmattningsprestanda reduceras lätt efter reparation. Nästa steg i forskningen bör fokusera på hur man kontrollerar legeringssammansättningen, justerar svetsprocessparametrarna och optimerar processkontrollmetoderna för att reglera mikrostrukturen i reparationsområdet, uppnå styrka och plasticitetsmatchning i reparationsområdet och säkerställa dess utmärkta utmattningsprestanda.
Det finns ingen väsentlig skillnad mellan reparationen av skador på rotorbladen i titanlegering och den additiv tillverkningstekniken för tredimensionella solida delar av titanlegering när det gäller process. Reparationen kan betraktas som en process av sekundär depositionstillverkning av additiv tillverkning på spricksektionen och lokal yta med de skadade delarna som matris, som visas i figur 7. Enligt de olika värmekällorna är den huvudsakligen uppdelad i lasertillsatsreparation och ljusbågadditiv reparation. Det är värt att notera att det tyska 871 Collaborative Research Center under de senaste åren har gjort bågadditiv reparationsteknik till ett forskningsfokus för reparation av integralblad av titanlegering[38], och har förbättrat reparationsprestandan genom att lägga till kärnbildande medel och andra medel[39].
Inom området för lasertillsatsreparation, Gong Xinyong et al. [40] använde TC11-legeringspulver för att studera processen för reparation av lasersmältningsavsättning av TC11 titanlegering. Efter reparation, deponeringsområdet för det tunnväggiga provet och omsmältningsområdet i gränsytan hade typiska Widmanstatten-strukturegenskaper, och den matrisvärmepåverkade zonstrukturen övergick från Widmanstatten-strukturen till dubbeltillståndsstruktur. Draghållfastheten för deponeringsområdet var cirka 1200 MPa, vilket var högre än den för gränsytans övergångszon och matrisen, medan plasticiteten var något lägre än den för matrisen. Dragproverna var alla brutna inuti matrisen. Slutligen reparerades själva pumphjulet med punkt-för-punkt smältdepositionsmetoden, klarade superhastighetstestbedömningen och realiserade installationsapplikationen. Bian Hongyou et al. [41] använde TA15-pulver för att studera lasertillsatsreparationen av TC17 titanlegering och utforskade effekterna av olika glödgningsvärmebehandlingstemperaturer (610℃, 630℃ och 650℃) på dess mikrostruktur och egenskaper. Resultaten visade att draghållfastheten hos den deponerade TA15/TC17-legeringen reparerad genom laseravsättning kan nå 1029 MPa, men plasticiteten är relativt låg, endast 4.3 %, och når 90.2 % respektive 61.4 % av TC17-smidet. Efter värmebehandling vid olika temperaturer förbättras draghållfastheten och plasticiteten avsevärt. När glödgningstemperaturen är 650℃, den högsta draghållfastheten är 1102 MPa, vilket når 98.4 % av TC17-smidet, och töjningen efter brott är 13.5 %, vilket är avsevärt förbättrat jämfört med det deponerade tillståndet.
Inom området för ljusbågsadditiv reparation, Liu et al. [42] genomförde en reparationsstudie på ett simulerat exemplar av ett saknat TC4 titanlegeringsblad. En blandad kornmorfologi av likaxliga kristaller och kolumnformiga kristaller erhölls i det avsatta skiktet, med en maximal draghållfasthet på 991 MPa och en töjning på 10 %. Zhuo et al. [43] använde TC11-svetstråd för att utföra en bågadditiv reparationsstudie på TC17-tianlegering och analyserade den mikrostrukturella utvecklingen av det avsatta lagret och den värmepåverkade zonen. Draghållfastheten var 1015.9 MPa under ouppvärmda förhållanden, och töjningen var 14.8 %, med god omfattande prestanda. Chen et al. [44] studerade effekterna av olika glödgningstemperaturer på mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna hos TC11/TC17 titanlegeringsreparationsprover. Resultaten visade att en högre glödgningstemperatur var fördelaktigt för att förbättra förlängningen av de reparerade proverna.
Forskning om användningen av metalltillsatstillverkningsteknik för att reparera lokala skadadefekter i titanlegeringsblad är bara i sin linda. De reparerade bladen behöver inte bara vara uppmärksamma på de mekaniska egenskaperna hos det avsatta lagret, utan även utvärderingen av de mekaniska egenskaperna vid gränsytan mellan de reparerade bladen är lika avgörande.
För att förenkla kompressorrotorstrukturen och minska vikten antar moderna flygplansmotorblad ofta en integrerad bladskivstruktur, som är en struktur i ett stycke som gör arbetsbladen och bladskivorna till en integrerad struktur, vilket eliminerar tappen och tappen. Samtidigt som syftet med viktminskning uppnås, kan det också undvika slitage och aerodynamisk förlust av tappen och tappen i den konventionella strukturen. Reparationen av ytskadorna och lokala skadadefekter på kompressorns integrerade bladskiva liknar den ovan nämnda separata bladreparationsmetoden. För reparation av de trasiga eller saknade delarna av den integrerade bladskivan används linjär friktionssvetsning i stor utsträckning på grund av dess unika bearbetningsmetod och fördelar. Dess process visas i figur 8 [45].
Mateo et al. [46] använde linjär friktionssvetsning för att simulera reparationen av Ti-6246 titanlegering. Resultaten visade att samma skada som reparerats upp till tre gånger hade en smalare värmepåverkad zon och en finare svetskornstruktur. Draghållfastheten minskade från 1048 MPa till 1013 MPa med ökningen av antalet reparationer. Emellertid bröts både drag- och utmattningsproverna i basmaterialområdet bort från svetsområdet.
Ma et al. [47] studerade effekterna av olika värmebehandlingstemperaturer (530°C + 4h luftkylning, 610°C + 4h luftkylning, 670°C + 4h luftkylning) på mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna hos linjära friktionssvetsade fogar av titanlegering TC17. Resultaten visar att med När värmebehandlingstemperaturen ökar, omkristallisationsgraden av α fas och β fasen ökar markant. Sprickbeteendet hos drag- och slagproverna ändrades från spröd fraktur till duktil fraktur. Efter värmebehandling vid 670°C, dragprovet sprack i basmaterialet. Draghållfastheten var 1262 MPa, men töjningen var endast 81.1 % av basmaterialet.
För närvarande visar inhemsk och utländsk forskning att linjär friktionssvetsreparationsteknik har funktionen av självrengörande oxider, som effektivt kan avlägsna oxider på bindningsytan utan metallurgiska defekter orsakade av smältning. Samtidigt kan det realisera anslutningen av heterogena material för att erhålla dubbla legeringar/dubbla prestanda integrerade bladskivor, och kan slutföra den snabba reparationen av bladkroppsfrakturer eller saknade bitar av integrerade bladskivor gjorda av olika material [38]. Det finns dock fortfarande många problem att lösa vid användningen av linjär friktionssvetsteknik för att reparera integrerade bladskivor, såsom stor restspänning i lederna och svårigheter att kontrollera kvaliteten på heterogena materialanslutningar. Samtidigt behöver den linjära friktionssvetsprocessen för nya material utforskas ytterligare.
Tack för ditt intresse för vårt företag! Som ett professionellt tillverkningsföretag för gasturbindelar kommer vi att fortsätta att vara engagerade i teknisk innovation och förbättring av servicen, för att tillhandahålla fler högkvalitativa lösningar för kunder runt om i världen. Om du har några frågor, förslag eller samarbetsavsikter är vi mer än gärna hjälpa dig. Vänligen kontakta oss på följande sätt:
WhatsAPP: +86 135 4409 5201
E-post:[email protected]
Heta nyheter2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Vårt professionella säljteam väntar på din konsultation.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NEJ
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
