Зварювальний ремонт та технологія перебудови лопаток турбіни літакового двигуна та лопаток вентилятора/компресора

Лопатки двигунів літаків довго працюють у складному і жорсткому середовищі, що призводить до різних видів пошкоджень. Заміна лопаток є витратною, а дослідження технологій ремонту та повторного виготовлення має величезні економічні переваги. Лопатки двигунів літаків головним чином поділяються на дві категорії: турбінні лопатки та лопатки вентилятора/компресора. Турбінні лопатки зазвичай використовують нікелеві високотемпературні сплави, тоді як лопатки вентилятора/компресора головним чином використовують титанові сплави, і деякі використовують нікелеві високотемпературні сплави. Різниця у матеріалах та умовах роботи турбінних лопаток та лопаток вентилятора/компресора призводить до різних типів поширеного пошкодження, що вимагає різних методів ремонту та показників продуктивності, які необхідно досягти після ремонту. У цій статті аналізується та обговорюється ремонтні методи та ключові технології, які зараз використовуються для двох типів поширеного пошкодження лопаток двигунів літаків, з метою надання теоретичної основи для досягнення високоякісного ремонту та повторного виготовлення лопаток двигунів літаків.

У двигунах літаків турбінні і лопатки вентилятора/компресора піддаються довготривалим неблагополучним умовам, таким як центруючі навантаження, термічний стрес і корозія, і мають надзвичайно високі вимоги до продуктивності. Вони вважаються одними з найбільш ключових компонентів у виготовленні двигунів літаків, а їх виробництво становить більше 30% від загальної робочої навантаженості при виготовленні всього двигуна [1 –3]. У складних і небезпечних умовах експлуатації протягом тривалого часу лопатки ротора часто піддаються дефектам, таким як тріщини, знос чвертей лопаток і механічні пошкодження. Вартість ремонтu лопаток становить лише 20% від вартості виготовлення всієї лопатки. Тому дослідження технологій ремонту лопаток двигунів літаків сприяє продовженню строку служби лопаток, зменшенню витрат на виробництво і має величезну економічну користь.

Ремонт та відновлення лопаток aviакосмічних двигунів головним чином включає наступні чотири кроки [4]: попередня обробка лопатки (включаючи очищення лопатки [5], тривимірний огляд та геометричне відновлення [6, –7] тощо); нанесення матеріалу (включаючи використання сучасних технологій з'єднання для завершення заповнення та накопичення втраченого матеріалу [8, –10], тепловий режим відновлення властивостей [11, –13] тощо); відновлення лопатки (включаючи методи обробки, такі як шлифування та полірування [14]); післяремонтна обробка (включаючи нанесення поверхневих покриттів [15] –методи нанесення матеріалу та підвищення якості обробки (див. рисунок 1). Серед них, депозиція матеріалу є ключовим фактором для забезпечення механічних властивостей лопатки після ремонту. Головні компоненти та матеріали лопаток aviаційних двигунів зображено на рисунку 2. Для різних матеріалів та форм дефектів дослідження відповідних методів ремонту є основою для досягнення високоякісного ремонту та повторного виготовлення пошкоджених лопаток. У цій роботі розглядаються лопатки турбіни з никелевої високотемпературної сплаву та титанової сплаву вентилятора/компресора, аналізуються методи та ключові технології ремонту для різних типів пошкоджень лопаток aviаційних двигунів на сьогоднішній день, а також роз'яснюються їх переваги та недоліки.

1. Метод ремонтu лопаток турбіни з никелевої високотемпературної сплаву

Лопатки турбіни з нікелевих високотемпературних сплавів працюють у середовищі високотемпературного випару та складних напружень протягом довгого часу, і часто мають дефекти, такі як втомлювальні термічні тріщини, малих розмірів повредження поверхні (зношення краю лопатки та корозійні пошкодження), а також переривання внаслідок втоми. Оскільки безпека ремонтних робіт при перериванні внаслідок втоми лопатки турбіни досить низька, їх, як правило, замінюють безпосередньо після появи перериву, не виконуючи зварювальних ремонтів. Два загальних типи дефектів та методів ремонту лопаток турбіни показано на рисунку 3 [4]. Наступне розділ буде описувати методи ремонту цих двох типів дефектів лопаток турбіни з нікелевих високотемпературних сплавів.

1.1 Ремонт тріщин лопаток турбіни з нікелевих суперсплавів

Методи з'єднання за допомогою плавлення і ремонту твердофазної сварки загалом використовуються для виправлення дефектів тріщин лопаток турбіни, до яких головним чином належать: вакуумне паяння, тимчасове розчинне фазне дифузне сполучення, активаційна дифузна сварка та методи ремонтного порошкового металирування.

Shan та ін. [18] використали метод пучкової вакуумної зварювання для виправлення тріщин у лопатках никелевого сплаву ChS88 за допомогою наповнювачів для зварювання Ni-Cr-B-Si та Ni-Cr-Zr. Результати показали, що порівняно з наповнювачем для зварювання Ni-Cr-B-Si, Zr у наповнювачі Нi-Cr-Zr важче дифундує, підложка значно не корозіюється, а витримкість зварного шва вища. Використання наповнювача для зварювання Ni-Cr-Zr може досягти виправлення тріщин у лопатках никелевого сплаву ChS88. Ojo та ін. [19] дослідили вплив розміру проміжку та процесних параметрів на мікроструктуру та властивості дифузійно зварених сполучень сплаву Inconel718. Збільшення розміру проміжку призводить до появи твердих та хрупких фаз, таких як міжметалеві сполуки на основі Ni3Al та бориди, багаті на Ni та Cr, що є головною причиною зниження міцності та витримкості сполучення.

Транзитна рідка фаза дифузного з'єднання спаюється під ізотермічними умовами і належить до кристалізації під умовами рівноваги, що сприяє гомогенізації складу та структури [20]. Pouranvari [21] досліджував транзитну рідку фазу дифузного з'єднання для нікелевої високотемпературної сплаву Inconel718 і виявив, що місткість Cr у наповнювачі та діапазон розкладу матриці є ключовими факторами, що впливають на міцність ізотермічної спаюваної зони. Лін і співробітники [22] дослідили вплив параметрів процесу транзитної рідкої фази дифузного з'єднання на мікроструктуру та властивості сполучень нікелевої високотемпературної сплаву GH99. Результати показали, що за збільшення температури з'єднання або продовження часу кількість Ni-багатих і Cr-багатих боридів у зоні викидань зменшується, а розмір зерен у зоні викидань стає меншим. Міцність при розтягуванні при кімнатній температурі та високотемпературна міцність зростають за продовження часу утримування. На сьогоднішній день транзитна рідка фаза дифузного з'єднання успішно застосовується для виправлення невеликих тріщин у зонах низького напруження та відновлення пошкоджень чвертків неосяганих лопаток [23] –24]. Незвідна розливна дифузійна зварювання була успішно застосована до різноманітних матеріалів, але обмежена виправленням малих тріщин (приблизно 250 μ м).

Коли ширина тріщини більше 0,5 мм, і капілярне діяння недостатнє для заповнення тріщини, то ремонт лопатки можна здійснити за допомогою активації дифузійного зварювання [24]. Су та ін. [25] використали метод активації дифузійного приплющування для ремонту лопатки з нікелевої високотемпературної сплаву In738 за допомогою матеріалу для приплющування DF4B, отримавши стійкий до оксидування приплющений шов з високою міцністю. The γ′ фаза, що випадає у сполученні, має підсилюючий ефект, і межа розтягування досягає 85% від материнського матеріалу. Сполучення розривається у місці розташування бориду, багатого Cr. Hawk та ін. [26] також використовували активаційне дифузне зварювання для виправлення широких тріщин лопатки з нікелевого високотемпературного сплаву René 108. Порошкова металаґру, як новорозроблений метод оригінальної реконструкції поверхонь передових матеріалів, широко застосовується для ремонту лопаток з високотемпературних сплавів. Вона може відновлювати і реконструювати тривимірну майже ізотропну міцність великих проміжних дефектів (більше 5 мм), таких як тріщини, абляція, знос і отвори на лопатках [27]. Канадська компанія Liburdi розробила метод LPM (Liburdi powder metallurgy) для ремонту лопаток з нікелевих сплавів, що мають високі вміст Al і Ti і погану зварюваність. Процес показаний на рисунку 4 [28]. У останні роки, на основі цього методу вертикальний шаровий метод порошкової металаґру може виконувати одноразове паяльне виправлення дефектів шириной до 25 мм [29].

1.2 Ремонт  поверхневих пошкоджень лопаток турбін з нікелевих високотемпературних сплавів

Коли на поверхні лопаток з нікелевих високотемпературних сплавів з'являються малий шрами чи корозійні пошкодження, пошкоджений район зазвичай можна видалити і профілювати за допомогою обробки, а потім заповнити та відновити за допомогою відповідного методу зварювання. Поточні дослідження головним чином концентруються на лазерному плавленні з наповненням та ремонту аргоново-дуговим зварюванням.

Кім та ін. [30] з університету Делавера в США провели лазерне наплавлення та ремонт швидкодіючим спотворенням лопаток з нікелевого сплаву Rene80, що містять високі концентрації Al та Ti, та порівняли деталі, які піддались термічній обробці після сварки, з тими, що піддались термічній обробці після сварки та горячому ізостатичному пресуванню (HIP), і виявили, що HIP ефективно зменшує малогабаритні поровидні дефекти. Лю та ін. [31] з Університету науки та технологій Хуа Чунґ використали технологію лазерного наплавлення для ремонту канавкоподібних та дуже точкових дефектів у турбінних компонентах з 718-го нікелевого сплаву, дослідивши вплив щільності лазерної потужності, швидкості сканування лазера та форми наплавлення на процес ремонту, як показано на рисунку 5.

Щодо ремонту аргоново-дуговим сварюванням, К'ю Шенг та ін. [32] з Китайської авіаційної компанії Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. використали метод вольфрамово-аргонового сварювання для виправлення витрат та тріщин на краю лопаток турбін з високотемпературної сплаву DZ125. Результати показують, що після ремонту традиційними кобальт-основними матеріалами для сварювання, зона термічного впливу схильна до термічних тріщин, а твердість шва зменшується. Проте, використання новорозробленого MGS-1 нікелевого матеріалу для сварювання, у kombінації з відповідними процесами сварювання та термічної обробки, може ефективно уникнути появи тріщин у зоні термічного впливу, а також забезпечує розтягувальну міцність при 1000 ° C досягає 90% від базового матеріалу. Сунь Венцінг та ін. [33] провели дослідження процесу ремонту сваркою дефектів ливарки високотемпературних сплавів турбінних керуючих лопаток K4104. Результати показали, що використання сварочних проволок HGH3113 та HGH3533 як наповнюючих металів має відмінне формування шва, добру пластичність та сильний опор у тріщинам, тоді як при використанні проволоки K4104 з збільшеною місткістю Zr, пливкість розплавленого металу недостатня, поверхня шва неформоване, а також виникають тріщини та дефекти негерметизації. З цього видно, що в процесі ремонту лопаток вибір наповнюючих матеріалів грає ключову роль.

Поточні дослідження щодо ремонту лопаток турбін на основі нікелю показали, що нікелеві високотемпературні сплави містять елементи підвищеної стійкості у розчині, такі як Cr, Mo, Al, а також слідові елементи, такі як P, S і B, що робить їх більш підляганими тріщинуванню під час ремонтних робіт. Після зварювання вони схильні до структурної сегрегації та утворення хрупких дефектів фаз Лавеса. Тому подальші дослідження щодо ремонту нікелевих високотемпературних сплавів потребують регулювання структури та механічних властивостей таких дефектів.

2 Метод ремонту титанового сплаву вентилятора/компресорної лопатки

Під час експлуатації лопатки вентилятора/компресора з титанової сплаву головним чином піддаються центруючій сили, аеродинамічній сили та навантаженню від вibrації. Під час використання часто виникають дефекти поверхневих пошкоджень (розколи, зношення краю лопатки тощо), місцеві дефекти розриву титанових лопаток та великі площі пошкоджень (втомлювальний розкол, великі площі пошкоджень та корозія тощо), що вимагає повної заміни лопаток. Різні типи дефектів та поширені методи ремонту показано на рисунку 6. Наступне розгляне стан дослідження ремонту цих трьох типів дефектів.

2.1 Ремонт дефектів поверхневих пошкоджень лопаток з титанового сплаву

Під час експлуатації лопатки з титанового сплаву часто мають дефекти, такі як розколи на поверхні, малоплощеві шрами та зношення лопатки. Ремонт таких дефектів схожий на ремонт лопаток з никелевого сплаву. Використовуються обробка для видалення дефектної області та лазерна плавна депозиція або аргонова дугова зварювання для заповнення та ремонту.

У галузі лазерного розчинного наповнення, Чжао Чуань та ін. [34] з Північно-західного політехнічного університету провели дослідження лазерного відновлення малих по розміру поверхневих дефектів (діаметр поверхні 2 мм, півсферичних дефектів глибиною 0.5 мм) ковжків з титанового сплаву TC17. Результати показали, що β стовпчасті кристали в зоні лазерного наповнення виростали епітаксійно від інтерфейсу, а межі зерен ставали розмитими. Початкові стрижнчасті α латорки та вторинні α фази в зоні термічного впливу розросталися і ставали грубшими. У порівнянні з вибухово формованими вибрами, у лазерно відновлених вибрах були властивості високої міцності та низької пластичності. Межа пружності зросла з 1077,7 МПа до 1146,6 МПа, а витягненість зменшилася з 17,4% до 11,7%. Пан Бо та ін. [35] використали технологію лазерного наплавлення з коаксіального підачі порошку для відновлення круглих отворів у передбачуваних дефектах титанового сплаву ZTC4 кілька разів. Результати показали, що процес зміни мікроструктури від материнського матеріалу до відновленої області був пластинчастим α фаза і міжзернова β фаза → плетеною структурою → мартенсит → Структура Відманштедта. Твердість в зоні термічного впливу трохи зросла з збільшенням кількості відновлень, тоді як твердість материнського матеріалу та наплавленого шару практично не змінилася.

Результати показують, що зона відновлення та зона термічного впливу до тепловой обробки є ультратонкими стрічковими α фазою, розподіленою в β матриця фаз, а зона базового матеріалу є тонкою кошиковою структурою. Після термічної обробки мікроструктура кожної зони є пластинчастою первинною α фазою + β перетвореною фазою, і довжина первинної α фази в ремонтній зоні значно більша, ніж у інших зонах. Гранична висота високочастотного втомлювання ремонтованої частини становить 490 МПа, що вище за граничну висоту втомлювання базового матеріалу. Екстремальне падіння складає приблизно 7,1%. Ручна аргонова дугова сварка також широко використовується для ремонту тріщин поверхні лопатки і зношу чубка. Її недоліком є велике теплове введення, і великі по площині ремонти схильні до великих термічних напружень і деформації при сварці [37].

Поточні дослідження показують, що незалежно від того, чи використовується лазерна плавна депозиція або аргонова дугова зварювання для ремонту, область ремонту має характеристики високої міцності та низької пластичності, і після ремонту легше знижується ваготривна стійкість лопатки. Наступний крок досліджень повинен фокусуватися на тому, як керувати складом сплаву, регулювати параметри процесу зварювання та оптимізувати методи керування процесом для регулювання мікроструктури області ремонту, досягти збігу міцності та пластичності в області ремонту та забезпечити його відмінну ваготривну стійкість.

2.2 Ремонт локальних пошкоджень титанових лопаток

Між виправленням пошкоджень лопаток ротора з титанового сплаву та технологією додавального виготовлення тривимірних масивних деталей з титанового сплаву, з точки зору процесу, немає суттєвої розниці. Виправлення можна вважати процесом вторинного додавального виготовлення за допомогою депозиції на переріз і локальну поверхню, де пошкоджені частини є матрицею, як показано на рисунку 7. За умови різних джерел тепла, це головним чином поділяється на лазерне додавальне виправлення та дугове додавальне виправлення. Заслужує уваги, що останніми роками Німецький Колективний Науковий Центр 871 зробив дугове додавальне виправлення технологією ключевої точкою для виправлення цілих лопаток з титанового сплаву [38], і покращив авіправну продукцію шляхом додавання нуклеаторів та інших засобів [39].

У галузі лазерного додавального виправлення, Гонг Сіньйонг та інші [40] використали порошковий сплав TC11 для дослідження процесу лазерного плавлення та депозиції при виправленні сплаву TC11 з титану. Після виправлення, у депозитній області...  відтиск з тонкими стінками та зона переплавлення межі мають типові характеристики структури Відманштатена, а матрична термічна зона впливу переходить від структури Відманштатена до двостаннєвої структури. Моментний напружений стан області депозиції становить близько 1200 МПа, що вище за показники зони межевого переходу та матриці, при цьому пластичність трохи нижча за матрицю. Проби на розтягування усі ламались всередині матриці. Нарешті, дійсне колесо було відремонтоване методом почергового плавлення депозиції, успішно пройшло оцінку супершвидкостного тестування і реалізовано установочну застосування. Б'ян Гонґюй та ін. [41] використали порошок TA15 для дослідження лазерного додавального ремонту титанової сплаву TC17, досліджуючи вплив різних температур анелювання теплового оброблення (610 ℃ , 630 ℃ та 650 ℃ ) на його мікроструктуру та властивості. Результати показали, що межа пружності нанесеного сплаву TA15/TC17, відновленого за допомогою лазерного нанесення, може досягати 1029МПа, але пластичність досить низька — лише 4,3%, що становить відповідно 90,2% і 61,4% від TC17 кованок. Після термічної обробки при різних температурах межа пружності та пластичність значно покращуються. Коли температура відпуску становить 650 ℃ , максимальна межа пружності дорівнює 1102МПа, що становить 98,4% від TC17 кованок, а вдовжування після зламу становить 13,5%, що значно покращено у порівнянні з станом після нанесення.

У галузі дугового додавального ремонту Ліу та ін. [42] провели дослідження ремонту на симульованому вибрусковому зразку лопатки з титанового сплаву TC4. У наповнювальному шарі було отримано змішану структуру з кристалами рівноважної форми та стовпчастими кристалами, з максимальною межею пружності 991 МПа та удовженням 10%. Чжо та ін. [43] використали сварочний пруток TC11 для дугового додавального ремонту сплаву TC17, проаналізувавши еволюцію мікроструктури наповнювального шару та термозони. При неподгріванні межа пружності складала 1015,9 МПа, а удовження - 14,8%, що свідчить про хороші комплексні властивості. Чен та ін. [44] дослідили вплив різних температур анналіза на мікроструктуру та механічні властивості зразків ремонтованих сплавів TC11/TC17. Результати показали, що вища температура анналіза сприяє покращенню удовження ремонтованих зразків.

Дослідження застосування технології додавального виготовлення з металу для виправлення локальних пошкоджень у лопатках з титанового сплаву лише на початку свого розвитку. Виправлені лопатки повинні враховувати не тільки механічні властивості наповнювального шару, але й оцінка механічних властивостей у зоні інтерфейсу виправленої лопатки є так само важливою.

3 Лопатки з титанового сплаву з великими пошкодженнями. Заміна та виправлення лопаток

Щоб спростити структуру ротора компресора та зменшити вагу, лопатки сучасних aviадвигунів часто використовують інтегральну структуру лопаткового диска, яка є однією конструкцією, що робить робочі лопатки та диск лопаток у неділену структуру, вилучаючи шпунт та гніздо. Поки досягається мета зменшення ваги, також можна уникнути зношення та аеродинамічних втрат шпунта та гнізда в традиційній структурі. Ремонт поверхневих пошкоджень та місцевих дефектів компресора інтегрального лопаткового диска схожий на вищезазначений метод ремонту окремих лопаток. Для ремонту зламаних або втрачених частин інтегрального лопаткового диска широко використовується лінійне тривіяне з'єднання через його унікальний метод обробки та переваги. Його процес показано на рисунку 8 [45].

Матео та ін. [46] використали лінійне тріщоткове зварювання для симуляції ремонту сплаву титану Ti-6246. Результати показали, що однаковий шкодний випадок, відремонтований до трьох разів, мав вужчу термічно впливну зону та більш мелку структуру зварювального шва. При збільшенні кількості ремонтів міцність на розтяг зменшилася з 1048 МПа до 1013 МПа. Проте, як проби на розтяг, так і на вигнучення зламувалися у зоні матеріалу підлоги, вдаляючись від зони шва.

Ма та ін. [47] дослідили вплив різних температур термічної обробки (530 ° °C + 4 години охолодження у повітрі, 610 ° °C + 4 години охолодження у повітрі, 670 ° °C + 4 години охолодження у повітрі) на ​​ мікроструктуру та механічні властивості з'єднань лінійного тріщоткового зварювання сплаву TC17. Результати показують, що за зростання температури термічної обробки значно зростає ступінь перешкоджень α фази та β фази. Поведінка зламування проб на розтяг та ударопрочність змінилася від хрупкого зламування до пластичного. Після термічної обробки при 670 ° При розтягуванні вибірка зруйнувалася у базовому матеріалі. Міцність на розтяг була 1262МПа, але витяг склав лише 81.1% від базового матеріалу.

На даний момент внутрішні та зарубіжні дослідження показують, що технологія лінійного тритцівого зварювання для ремонту має функцію самочистки оксидів, яка ефективно видаляє оксиди з поверхні сполучення без металургічних дефектів, що виникають через плавлення. При цьому вона може реалізувати сполучення різноманітних матеріалів для отримання двозалізневих/двовластивих інтегральних лопаткових дисків і може виконувати швидкий ремонт переривань або втрат частинок лопаткових дисків з різних матеріалів [38]. Проте при використанні технології лінійного тритцівого зварювання для ремонту інтегральних лопаткових дисків залишається багато проблем, які потрібно вирішити, таких як велике залишкове напруження у сполуках і складність керування якістю сполук різноманітних матеріалів. одночасно процес лінійного тритцівого зварювання для нових матеріалів потребує подальшого дослідження.

Зв'яжіться з нами

Дякуємо за вашу цікавość до нашої компанії! Як професійний виробник деталей газових турбин, ми будемо постійно присвячувати себе технологічному інноваціям та покращенню сервісу, щоб надавати більше високоякісних розв'язків клієнтам у всьому світі. Якщо в вас є будь-які питання, пропозиції або наміри співпраці, ми з радістю допоможемо вам. Будь ласка, зв'яжіться з нами наступними способами:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201

Електронна пошта ：[email protected]