Технологія зварювального ремонту та відновлення лопаток турбін авіаційних двигунів і лопаток вентилятора/компресора

Лопаті авіаційних двигунів тривалий час перебувають у складних і важких умовах експлуатації, схильні до різного роду дефектів ушкоджень. Заміна лез дорога, а дослідження технології ремонту та відновлення лез мають величезні економічні вигоди. Лопаті авіаційних двигунів в основному поділяються на дві категорії: лопаті турбіни та лопаті вентилятора/компресора. Лопатки турбіни зазвичай використовують високотемпературні сплави на основі нікелю, тоді як лопатки вентилятора/компресора переважно використовують титанові сплави, а деякі використовують високотемпературні сплави на основі нікелю. Різниця в матеріалах і робочих середовищах лопаток турбіни та лопатей вентилятора/компресора призводить до різних загальних типів пошкоджень, що призводить до різних методів ремонту та показників ефективності, яких необхідно досягти після ремонту. У цьому документі аналізуються та обговорюються методи ремонту та ключові технології, які в даний час використовуються для двох типів поширених дефектів ушкодження лопатей авіадвигунів, з метою забезпечення теоретичної основи для досягнення високоякісного ремонту та відновлення лопатей авіадвигунів.

У авіаційних двигунах лопаті ротора турбіни та вентилятора/компресора зазнають тривалих несприятливих умов, таких як відцентрові навантаження, термічні навантаження та корозія, і мають надзвичайно високі вимоги до продуктивності. Вони вважаються одними з найважливіших компонентів у виробництві авіаційних двигунів, і на їх виробництво припадає більше 30% робочого навантаження всього виробництва двигунів [1].-3]. Перебуваючи в суворих і складних умовах роботи протягом тривалого часу, лопаті ротора схильні до дефектів, таких як тріщини, знос кінчиків лопатей і пошкодження переломів. Вартість ремонту лез становить лише 20% від вартості виготовлення всього леза. Таким чином, дослідження технології ремонту лопатей авіаційних двигунів сприяють подовженню терміну служби лопатей, зниженню витрат на виробництво та мають величезні економічні вигоди.

Ремонт і відновлення лопатей авіаційних двигунів в основному включає наступні чотири етапи [4]: ​​попередню обробку лопатей (включаючи очищення лопатей [5], тривимірну перевірку та геометричну реконструкцію [6]-7] та ін.); осадження матеріалу (включаючи використання передової технології зварювання та з’єднання для завершення заповнення та накопичення відсутніх матеріалів [8]-10], продуктивність відновлення термічної обробки [11-13] та ін.); відновлення леза (включаючи методи механічної обробки, такі як шліфування та полірування [14]); післяремонтна обробка (включаючи покриття поверхні [15-16] та зміцнення [17] тощо), як показано на малюнку 1. Серед них осадження матеріалу є ключовим для забезпечення механічних властивостей леза після ремонту. Основні компоненти та матеріали лопатей авіаційних двигунів наведені на рисунку 2. Для різних матеріалів та різних форм дефектів дослідження відповідних методів ремонту є основою для досягнення якісного ремонту та відновлення пошкоджених лопатей. У цьому документі в якості об’єктів розглядаються лопаті турбіни з високотемпературного сплаву на основі нікелю та лопатки вентилятора/компресора з титанового сплаву, обговорюються та аналізуються методи ремонту та ключові технології, що використовуються для різних типів пошкоджень лопатей авіаційних двигунів на цьому етапі, а також пояснюються їхні переваги та недоліки.

1. Метод ремонту лопатки турбіни з високотемпературного сплаву на основі нікелю

Лопатки турбіни з високотемпературного сплаву на основі нікелю працюють у середовищі високотемпературного газу згоряння та складних навантажень протягом тривалого часу, і лопатки часто мають такі дефекти, як втомні термічні тріщини, невеликі пошкодження поверхні (знос кінчика лопаті та корозійне пошкодження) та втомні тріщини. Оскільки безпека ремонту втомного руйнування лопатки турбіни є відносно низькою, їх зазвичай замінюють безпосередньо після втомного руйнування без ремонту зварюванням. Два поширених типи дефектів і способи ремонту турбінних лопаток показані на рисунку 3 [4]. Нижче наведено методи ремонту цих двох типів дефектів лопаток турбіни з високотемпературного сплаву на основі нікелю відповідно.

1.1 Ремонт тріщин на лопатках турбін із суперсплаву на основі нікелю

Методи ремонту твердим припоєм і зварюванням у твердій фазі зазвичай використовуються для усунення дефектів тріщин на турбінних лопатках, в основному включаючи: вакуумне паяння, перехідне рідкофазне дифузійне з’єднання, активоване дифузійне зварювання та методи відновлення за допомогою порошкової металургії.

Shan та ін. [18] використовували метод пучкової вакуумної пайки для ремонту тріщин у лезах зі сплаву на основі нікелю ChS88 з використанням паяльних наповнювачів Ni-Cr-B-Si та Ni-Cr-Zr. Результати показали, що порівняно з припоєм Ni-Cr-B-Si, Zr у припої Ni-Cr-Zr важко дифундувати, підкладка не піддається значній корозії, а міцність зварного з’єднання вища. Використання припою Ni-Cr-Zr може досягти відновлення тріщин у лезах зі сплаву на основі нікелю ChS88. Ojo та ін. [19] вивчали вплив розміру зазору та параметрів процесу на мікроструктуру та властивості дифузійних паяних з’єднань сплаву на основі нікелю Inconel718. У міру збільшення розміру зазору поява твердих і крихких фаз, таких як інтерметалічні сполуки на основі Ni3Al і бориди, багаті Ni і Cr, є основною причиною зниження міцності та в'язкості з'єднання.

Перехідне рідкофазне дифузійне зварювання твердне в ізотермічних умовах і відноситься до кристалізації в рівноважних умовах, що сприяє гомогенізації складу і структури [20]. Pouranvari [21] досліджував перехідне рідкофазне дифузійне зварювання високотемпературного сплаву на основі нікелю Inconel718 і виявив, що вміст Cr у наповнювачі та діапазон розкладання матриці є ключовими факторами, що впливають на міцність ізотермічної зони затвердіння. Lin та ін. [22] досліджували вплив параметрів перехідного процесу рідкофазного дифузійного зварювання на мікроструктуру та властивості з’єднань високотемпературних сплавів на основі нікелю GH99. Результати показали, що зі збільшенням температури з'єднання або подовженням часу кількість боридів, багатих Ni та Cr, у зоні опадів зменшувалася, а розмір зерна зони опадів був меншим. Міцність на зсув при кімнатній температурі та при високій температурі збільшувалася із збільшенням часу витримки. В даний час дифузійне зварювання в рідкофазному режимі успішно використовується для ремонту невеликих тріщин у зонах з низьким напруженням і відновлення пошкоджень наконечників некоронованих лез [23].-24]. Незважаючи на те, що дифузійне зварювання в рідкої фазі з перехідними процесами успішно застосовувалося до різноманітних матеріалів, воно обмежується ремонтом невеликих тріщин (близько 250μм).

Коли ширина тріщини перевищує 0.5 мм і капілярна дія недостатня для заповнення тріщини, ремонт леза може бути досягнутий за допомогою активованого дифузійного зварювання [24]. Су та ін. [25] використовували метод активованої дифузії для ремонту леза з високотемпературного сплаву на основі нікелю In738 з використанням пайки DF4B і отримали високоміцне паяне з’єднання, стійке до окислення. The γ′ фаза, що виділяється в з'єднанні, має зміцнюючий ефект, а міцність на розрив досягає 85% від основного матеріалу. З'єднання розривається в місці багатого Cr бориду. Хоук та ін. [26] також використовували активоване дифузійне зварювання для ремонту широкої тріщини леза з високотемпературного сплаву на основі нікелю René 108. Відновлення методом порошкової металургії, як нещодавно розроблений метод оригінальної реконструкції поверхонь сучасних матеріалів, широко використовується для ремонту лез з високотемпературних сплавів. Він може відновити та реконструювати тривимірну майже ізотропну міцність дефектів з великим зазором (більше 5 мм), таких як тріщини, абляція, знос і отвори в лезах [27]. Канадська компанія Liburdi розробила метод LPM (порошкова металургія Liburdi) для ремонту лез зі сплаву на основі нікелю з високим вмістом Al і Ti, які мають низьку ефективність зварювання. Процес показаний на малюнку 4 [28]. Останніми роками метод порошкової металургії вертикального ламінування, заснований на цьому методі, дозволяє одноразово виправляти пайкою дефекти шириною до 25 мм [29].

1.2 Ремонт пошкодження поверхні турбінних лопаток з жароміцних сплавів на основі нікелю

Коли на поверхні лез з високотемпературного сплаву на основі нікелю виникають невеликі подряпини та корозійні пошкодження, пошкоджену ділянку зазвичай можна видалити та зробити канавки за допомогою механічної обробки, а потім заповнити та відремонтувати за допомогою відповідного методу зварювання. Сучасні дослідження в основному зосереджені на лазерному осадженні та ремонті аргонодугового зварювання.

Кім та ін. [30] з Університету Делавера в Сполучених Штатах виконали лазерне наплавлення та ремонт ручним зварюванням лез зі сплаву на основі нікелю Rene80 з високим вмістом Al і Ti, і порівняли заготовки, які пройшли термічну обробку після зварювання, з тими, що пройшли термічну обробку після зварювання та гаряче ізостатичне пресування (HIP), і виявили, що HIP може ефективно зменшити дефекти дрібних пор. Лю та ін. [31] з Huazhong University of Science and Technology використовували технологію лазерної оболонки для відновлення дефектів канавок і отворів у 718 компонентах турбіни зі сплаву на основі нікелю та досліджували вплив щільності потужності лазера, швидкості лазерного сканування та форми оболонки на процес ремонту, як показано на малюнку 5.

Що стосується ремонту аргонодугового зварювання, Qu Sheng et al. [32] компанії China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. використовувала метод аргонодугового зварювання вольфрамом для усунення проблем зношування та тріщин на кінчику лопатей турбіни з високотемпературного сплаву DZ125. . Результати показують, що після ремонту традиційними зварювальними матеріалами на основі кобальту зона термічного впливу схильна до термічних тріщин і твердість зварного шва знижується. Однак використання нещодавно розроблених зварювальних матеріалів на основі нікелю MGS-1 у поєднанні з відповідними процесами зварювання та термічної обробки може ефективно запобігти появі тріщин у зоні термічного впливу та міцності на розрив 1000°C досягає 90% основного матеріалу. Song Wenqing та ін. [33] провели дослідження процесу ремонту зварювання ливарних дефектів направляючих лопаток турбіни з жароміцного сплаву К4104. Результати показали, що використання зварювальних дротів HGH3113 і HGH3533 як присадних металів забезпечує відмінне формування зварного шва, хорошу пластичність і високу стійкість до тріщин, у той час як при використанні зварювального дроту K4104 з підвищеним вмістом Zr плинність рідкого металу є поганою, поверхня зварного шва формується погано, виникають тріщини та неплавкі дефекти. Можна побачити, що в процесі ремонту леза вибір наповнювальних матеріалів відіграє життєво важливу роль.

Сучасні дослідження з ремонту лопаток турбін на основі нікелю показали, що високотемпературні сплави на основі нікелю містять зміцнюючі елементи твердого розчину, такі як Cr, Mo, Al, а також мікроелементи, такі як P, S і B, які роблять їх більш чутливими до тріщин під час процесу ремонту. Після зварювання вони схильні до структурної сегрегації та утворення крихких дефектів фази Лавеса. Тому подальші дослідження з ремонту жароміцних сплавів на основі нікелю потребують регламентації структури та механічних властивостей таких дефектів.

2 Спосіб ремонту лопатей вентилятора/компресора з титанового сплаву

Під час роботи лопаті вентилятора/компресора з титанового сплаву в основному піддаються дії відцентрової сили, аеродинамічної сили та вібраційного навантаження. Під час використання часто виникають дефекти пошкодження поверхні (тріщини, знос кінчика леза тощо), локальні дефекти поломки лез із титанового сплаву та пошкодження великої площі (втомний злам, пошкодження великої площі та корозія тощо), що вимагає повної заміни лез. Різні типи дефектів і загальні методи ремонту показані на малюнку 6. Далі буде представлено статус дослідження ремонту цих трьох типів дефектів.

2.1 Ремонт дефектів поверхні леза з титанового сплаву

Під час експлуатації леза з титанового сплаву часто мають такі дефекти, як поверхневі тріщини, невеликі подряпини та знос лез. Ремонт таких дефектів аналогічний ремонту лопаток турбіни на основі нікелю. Для видалення дефектної ділянки використовується механічна обробка, а для заповнення та ремонту використовується лазерне осадження плавленням або аргонодугове зварювання.

У галузі лазерного осадження з плавлення Zhao Zhuang та ін. [34] Північно-Західного політехнічного університету провели дослідження лазерного ремонту поверхневих дефектів малого розміру (діаметр поверхні 2 мм, напівсферичні дефекти глибиною 0.5 мм) поковок із титанового сплаву ТС17. Це показали результати β стовпчасті кристали в зоні лазерного осадження росли епітаксіально від межі розділу, а межі зерен були розмитими. Оригінальна голчаста форма α планок і вторин α фази в зоні теплового впливу зростали і укрупнювалися. Порівняно з кованими зразками відремонтовані лазером зразки мали високу міцність і низьку пластичність. Межа міцності при розтягуванні зросла з 1077.7 МПа до 1146.6 МПа, а подовження зменшилося з 17.4% до 11.7%. Пан Бо та ін. [35] багато разів використовували коаксіальну технологію лазерної наплавки з подачі порошку для ремонту готових дефектів у формі круглих отворів титанового сплаву ZTC4. Результати показали, що процес зміни мікроструктури від основного матеріалу до відремонтованої ділянки був пластинчастим α фазові та міжзернові β фаза → кошикова структура → мартенсит → Структура Відманштаттена. Зі збільшенням кількості ремонтів твердість зони термічного впливу незначно підвищилася, а твердість основного матеріалу та шару облицювання істотно не змінилася.

Результати показують, що зона ремонту та зона термічного впливу перед термічною обробкою є ультратонкої голкою α фази, розподіленої в β фазова матриця, а зона основного матеріалу є тонкою корзинчастою структурою. Після термічної обробки мікроструктура кожної ділянки є решітчастою первинною α фаза + β структура фазового перетворення, а довжина перв α фази в зоні ремонту значно більша, ніж в інших областях. Межа високої циклічної втоми ремонтної частини становить 490 МПа, що перевищує межу втоми основного матеріалу. Екстремальне падіння становить близько 7.1%. Ручне аргонодугове зварювання також широко використовується для усунення тріщин на поверхні леза та зносу наконечників. Його недоліком є ​​те, що підведення тепла велике, а ремонт великої площі схильний до великих термічних навантажень і зварювальних деформацій [37].

Сучасні дослідження показують, що незалежно від того, чи використовується для ремонту лазерне осадження плавленням або аргонодугове зварювання, зона ремонту має характеристики високої міцності та низької пластичності, а втомна продуктивність леза легко знижується після ремонту. Наступний крок дослідження має бути зосереджений на тому, як контролювати склад сплаву, регулювати параметри процесу зварювання та оптимізувати методи керування процесом для регулювання мікроструктури зони ремонту, досягнення відповідності міцності та пластичності в зоні ремонту та забезпечення його відмінних показників втоми.

2.2 Ремонт локальних пошкоджень лопатей з титанового сплаву

Немає суттєвої різниці між ремонтом пошкоджень лопатей ротора з титанового сплаву та технологією адитивного виробництва тривимірних суцільних деталей із титанового сплаву з точки зору процесу. Ремонт можна розглядати як процес виготовлення добавки вторинного нанесення на ділянку зламу та локальну поверхню з пошкодженими частинами як матрицею, як показано на малюнку 7. Відповідно до різних джерел тепла, він в основному поділяється на ремонт із застосуванням лазерної добавки та ремонт із застосуванням дуги. Варто зазначити, що в останні роки німецький 871 Collaborative Research Center зробив технологію адитивного ремонту дуги центром досліджень для ремонту інтегральних лопатей з титанового сплаву [38] і покращив ефективність ремонту шляхом додавання зародків-утворювачів та інших засобів [39].

У галузі лазерного адитивного ремонту Gong Xinyong та ін. [40] використовували порошок сплаву TC11 для вивчення процесу відновлення титанового сплаву TC11 лазерним осадженням плавленням. Після ремонту ділянка осадження тонкостінний зразок і область переплавлення межі розділу мали типові характеристики структури Відманштаттена, а структура зони теплового впливу матриці перейшла від структури Відманштаттена до структури подвійного стану. Межа міцності на розрив ділянки осадження становила близько 1200 МПа, що було вище, ніж межі перехідної зони та матриці, тоді як пластичність була дещо нижчою, ніж у матриці. Зразки на розтягування були зламані всередині матриці. Нарешті, фактичне робоче колесо було відремонтовано методом точкового осадження плавленням, пройшло перевірку надшвидкісного випробування та реалізовано застосування установки. Bian Hongyou та ін. [41] використовували порошок TA15 для вивчення лазерного адитивного ремонту титанового сплаву TC17 і досліджували вплив різних температур термічної обробки відпалу (610℃, 630℃ і 650℃) на його мікроструктуру та властивості. Результати показали, що міцність на розрив наплавленого сплаву TA15/TC17, відремонтованого лазерним осадженням, може досягати 1029 МПа, але пластичність відносно низька, лише 4.3%, досягаючи 90.2% і 61.4% поковок TC17 відповідно. Після термообробки при різних температурах міцність на розрив і пластичність значно покращуються. При температурі відпалу 650℃, найвища міцність на розрив становить 1102 МПа, досягаючи 98.4% поковок TC17, а подовження після розриву становить 13.5%, що значно покращилося порівняно з наплавленим станом.

У галузі адитивного ремонту дуг Liu et al. [42] провели дослідження ремонту на моделюваному зразку відсутнього леза з титанового сплаву TC4. Змішана морфологія зерна рівновісних кристалів і стовпчастих кристалів була отримана в осадженому шарі з максимальною межею міцності на розрив 991 МПа і подовженням 10%. Zhuo та ін. [43] використали зварювальний дріт TC11 для проведення дослідження дугового адитивного ремонту титанового сплаву TC17 та проаналізували еволюцію мікроструктури наплавленого шару та зони термічного впливу. Міцність на розрив становила 1015.9 МПа в умовах без нагрівання, а відносне подовження становило 14.8%, з хорошими повними характеристиками. Чен та ін. [44] вивчали вплив різних температур відпалу на мікроструктуру та механічні властивості ремонтних зразків із титанового сплаву TC11/TC17. Результати показали, що більш висока температура відпалу сприяла покращенню подовження відремонтованих зразків.

Дослідження щодо використання технології виробництва металевих добавок для відновлення локальних пошкоджень у лезах із титанового сплаву знаходяться лише на зародковому етапі. Відремонтовані лопаті не тільки повинні звертати увагу на механічні властивості наплавленого шару, але й оцінка механічних властивостей на межі розділу відремонтованих лопатей є не менш важливою.

3 леза з титанового сплаву з великими пошкодженнями Заміна та ремонт лез

Щоб спростити структуру ротора компресора та зменшити вагу, лопаті сучасних авіаційних двигунів часто мають цілісну конструкцію лопатевого диска, яка є цільною конструкцією, що робить робочі лопаті та лопатеві диски єдиною структурою, усуваючи шип і паз. Досягаючи мети зменшення ваги, він також може уникнути зносу та аеродинамічних втрат шипа та пазу в звичайній конструкції. Ремонт поверхневих пошкоджень і дефектів локальних пошкоджень інтегрального лопатевого диска компресора аналогічний вищезгаданому методу окремого ремонту лопатей. Для ремонту зламаних або відсутніх частин цілісного лезового диска широко використовується лінійне зварювання тертям завдяки унікальному методу обробки та перевагам. Його процес показаний на малюнку 8 [45].

Матео та ін. [46] використали лінійне зварювання тертям для моделювання ремонту титанового сплаву Ti-6246. Результати показали, що те саме пошкодження, яке було відремонтовано до трьох разів, мало вужчу зону термічного впливу та більш тонку структуру зварного зерна. Міцність на розрив зменшилася з 1048 МПа до 1013 МПа зі збільшенням кількості ремонтів. Однак і зразки, що володіють розтягуванням, і зразки, що випробовують втому, були зламані в області основного матеріалу подалі від зони зварювання.

Ма та ін. [47] вивчали вплив різних температур термообробки (530°C + 4 год повітряне охолодження, 610°C + 4 год повітряне охолодження, 670°C + 4 год повітряне охолодження). ​​мікроструктуру та механічні властивості лінійних зварних з’єднань титанового сплаву ТС17. Результати показують, що зі збільшенням температури термообробки ступінь рекристалізації α фаза і β фазі значно збільшується. Поведінка руйнування зразків на розтяг і удар змінилася від крихкого руйнування до пластичного руйнування. Після термообробки при 670°C, розтягнутий зразок, розбитий в основному матеріалі. Міцність на розрив становила 1262 МПа, але подовження становило лише 81.1% від основного матеріалу.

В даний час вітчизняні та закордонні дослідження показують, що технологія ремонту лінійного зварювання тертям має функцію самоочищення оксидів, яка може ефективно видаляти оксиди на поверхні з’єднання без металургійних дефектів, спричинених плавленням. У той же час він може здійснити з’єднання різнорідних матеріалів для отримання цілісних лопатевих дисків з подвійним сплавом/подвійною продуктивністю, а також може завершити швидкий ремонт переломів корпусу лопаті або відсутніх частин інтегральних лопатевих дисків, виготовлених з різних матеріалів [38]. Однак у використанні технології лінійного фрикційного зварювання для ремонту цілісних лопатевих дисків ще є багато проблем, які потрібно вирішити, наприклад, велике залишкове напруження в з’єднаннях і труднощі в контролі якості з’єднань неоднорідних матеріалів. У той же час процес лінійного зварювання тертям для нових матеріалів потребує подальших досліджень.

Контакти

Дякуємо за інтерес до нашої компанії! Як професійна компанія з виробництва частин для газових турбін, ми й надалі будемо віддані технологічним інноваціям і покращенню послуг, щоб надавати більш якісні рішення для клієнтів у всьому світі. Якщо у вас є запитання, пропозиції чи наміри щодо співпраці, ми більше, ніж радий допомогти вам. Будь ласка, зв'яжіться з нами такими способами:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

Електронна пошта:[email protected]