Flygplanmotorblad är i en komplex och hård arbetsmiljö under lång tid och är benägna att olika typer av skadefel. Det är dyrt att ersätta blad, och forskning om bladreparation och omtillverkningsteknik har enorma ekonomiska fördelar. Flygplanmotorblad är huvudsakligen uppdelade i två kategorier: turbinblad och fläkt/kompressorblad. Turbinblad använder vanligtvis nickelbaserade högtemperaturlegeringar, medan fläkt/kompressorblad huvudsakligen använder titanlegeringar, och vissa använder nickelbaserade högtemperaturlegeringar. Skillnaderna i material och arbetsmiljöer i turbinblad och fläkt/kompressorblad resulterar i olika vanliga typer av skador, vilket resulterar i olika reparationsmetoder och prestationsindikatorer som måste uppnås efter reparation. Denna artikel analyserar och diskuterar reparationsmetoder och nyckelteknologier som för närvarande används för de två typerna av vanliga skadda defekter i flygmotorbladen, som syftar till att ge en teoretisk grund för att uppnå reparation av hög kvalitet och omtillverkning av flygmotorblad.
I flygmotorer är turbin- och fläkt/kompressorrotorblad föremål för långvariga hårda miljöer såsom centrifugalbelastningar, termisk stress och korrosion och har extremt höga prestandakrav. De är listade som en av de mest kärnkomponenterna inom tillverkning av flygmotor, och deras tillverkning står för mer än 30% av arbetsbelastningen för hela motortillverkningen [1–3]. Att vara i en hård och komplex arbetsmiljö under lång tid är rotorbladen benägna att defekter som sprickor, bladspets slitage och sprickskador. Kostnaden för att reparera blad är endast 20% av kostnaden för att tillverka hela bladet. Därför bidrar forskning om reparationsteknik för flygmotorblad för att förlänga bladens livslängd, minska tillverkningskostnaderna och har enorma ekonomiska fördelar.
Reparation och omtillverkning av flygmotorbladen inkluderar huvudsakligen följande fyra steg [4]: bladförbehandling (inklusive bladrengöring [5], tredimensionell inspektion och geometrisk rekonstruktion [6–7], etc.); Materialavlagring (inklusive användning av avancerad svetsning och anslutningsteknik för att slutföra fyllning och ackumulering av saknade material [8–10], värmebehandling av prestanda [11–13], etc.); Renovering av blad (inklusive bearbetningsmetoder som slipning och polering [14]); Behandling efter reparation (inklusive ytbeläggning [15–16] och stärkande behandling [17], etc.), såsom visas i figur 1. Bland dem är materialavlagring nyckeln till att säkerställa bladets mekaniska egenskaper efter reparation. Huvudkomponenterna och materialen i flygmotorbladen visas i figur 2. För olika material och olika defektformer är motsvarande reparationsmetodforskning grunden för att uppnå reparation av hög kvalitet och omtillverkning av skadade blad. Detta dokument tar nickelbaserad högtemperaturlegeringsturbinblad och titanlegeringsfläkt/kompressorblad som föremål, diskuterar och analyserar reparationsmetoder och nyckeltekniker som används för olika typer av flygmotorblad i detta skede och förklarar deras fördelar och nackdelar.
Nickelbaserad hög temperaturlegeringsturbinbladreparationsmetod
Nickelbaserad högtemperaturlegeringsturbinblad fungerar i en miljö med hög temperaturförbränningsgas och komplex stress under lång tid, och bladen har ofta defekter såsom trötthetens termiska sprickor, ytor på ytan (bladspets slitage och korrosionsskada) och trötthetsfrakturer. Eftersom säkerheten för turbinbladströtthetsfrakturreparation är relativt låg, ersätts de i allmänhet direkt efter att trötthetsfraktur inträffar 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 av nickelbaserad högtemperaturlegeringsturbinblad.
Nickelbaserad superlegering turbinblad sprickreparation
Lödning och fast fassvetsreparationsmetoder används vanligtvis för att reparera turbinbladsprickfel, främst inklusive: vakuumlödning, kortvarig vätskefasdiffusionsbindning, aktiverad diffusionssvetsning och pulvermetallurgi Reparationsmetoder.
Shan et al. [18] använde strålvakuumlödningsmetoden för att reparera sprickor i CHS88 nickelbaserade legeringsblad med användning av NI-CR-B-SI och NI-CR-ZR-lödningsfyllmedel. Resultaten visade att jämfört med NI-CR-B-Si-lödning på fyllmedelmetall är ZR i NI-CR-ZR-lödningsfyllningsmetall inte lätt att diffundera, substratet är inte signifikant korroderat och segheten hos den svetsade fogen är högre. Användningen av NI-CR-ZR-håravfallsmetall kan uppnå reparation av sprickor i CHS88 nickelbaserade legeringsblad. Ojo et al. [19] studerade effekterna av gapstorlek och processparametrar på mikrostrukturen och egenskaperna hos diffusionsbrödade leder i Inconel718 nickelbaserad legering. När gapstorleken ökar är utseendet på hårda och spröda faser såsom NI3AL-baserade intermetalliska föreningar och Ni-rika och Cr-rika borider det främsta skälet till minskningen av ledstyrka och seghet.
Övergående vätskefasdiffusionssvetsning stelnar under isotermiska förhållanden och tillhör kristallisation under jämviktsförhållanden, vilket bidrar till homogeniseringen av sammansättning och struktur [20]. Pouranvari [21] studerade den övergående vätskefasdiffusionssvetsningen av inconel718 nickelbaserad högtemperaturlegering och fann att CR-innehållet i fyllmedlet och nedbrytningsområdet för matrisen är de viktigaste faktorerna som påverkar styrkan hos den isotermiska stelningszonen. Lin et al. [22] studerade påverkan av övergående vätskefasdiffusionssvetsningsprocessparametrar på mikrostrukturen och egenskaperna hos GH99 nickelbaserade högtemperaturlegeringsfogar. Resultaten visade att med ökningen av anslutningstemperaturen eller förlängningen av tiden minskade antalet Ni-rika och CR-rika borider i nederbördszonen och kornstorleken för nederbördszonen var mindre. Rumstemperaturen och draghållfastheten med hög temperatur ökade med förlängning av hålltiden. För närvarande har övergående vätskefasdiffusionssvetsning framgångsrikt använts för att reparera små sprickor i områden med låg stress och återuppbygga spetsskadorna på okronade blad [23–24]. Även om övergående vätskefasdiffusionssvetsning har framgångsrikt applicerats på olika material, är den begränsad till reparation av små sprickor (cirka 250 um).
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 den in738 nickelbaserade högtemperaturlegeringsbladet med användning av DF4B-håravfallsmaterial och erhöll en höghållfast, oxidationsbeständig håravförsel. ′ -Fasen som fälls ut i fogen har en stärkande effekt, och draghållfastheten når 85% av modermaterialet. Joint bryts i positionen som CR-rik borid. Hawk et al. [26] använde också aktiverad diffusionssvetsning för att reparera den breda sprickan av René 108 nickelbaserad högtemperaturlegeringsblad. Pulvermetallurgi-tillverkning, som en nyutvecklad metod för den ursprungliga rekonstruktionen av avancerade materialytor, har använts i stor utsträckning vid reparation av högtemperaturlegeringsblad. Den kan återställa och rekonstruera den tredimensionella nästan isotropiska styrkan hos stora gapdefekter (mer än 5 mm) såsom sprickor, ablation, slitage och hål i blad [27]. Liburdi, ett kanadensiskt företag, utvecklade metoden LPM (Liburdi Powder Metallurgy) 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 metoden för vertikal lamineringspulver metallurgi baserad på denna metod utföra engångsödning av defekter så breda som 25 mm [29].
Reparera av ytskador av nickelbaserad högtemperaturlegeringsturbinblad
När repor och korrosionsskador för små områden inträffar på ytan av nickelbaserade högtemperaturlegeringsblad, kan det skadade området vanligtvis avlägsnas och räffras genom bearbetning och sedan fyllas och repareras med hjälp av en lämplig svetsmetod. Nuvarande forskning fokuserar huvudsakligen på lasersmältningsdeposition och argonbågssvetsreparation.
Kim et al. [30] Från University of Delaware i USA utförde laserbeläggning och manuell svetsreparation på Rene80 Nickelbaserade legeringsblad med högt AL- och TI-innehåll, och jämförde arbetsstyckena som hade undergått efter svetsvärmebehandling med de som hade undergått efter svetsvärmebehandling och heta isostatiska tryck (hip), och som hittade hip kan minska små-de defects. Liu et al. [31] från Huazhong University of Science and Technology använde laserbeläggningsteknologi för att reparera spår- och hålfel i 718 nickelbaserade legeringsturbinkomponenter, och undersökte effekterna av laserkraftdensitet, laserskanningshastighet och beklädnadsform på reparationsprocessen, såsom visas i figur 5.
När det gäller arkbågssvetsreparation, Qu Sheng et al. [32] från China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. använde volfram Argon Arc-svetsmetod för att reparera slit- och sprickproblem vid spetsen av DZ125 högtemperaturlegbinbladdor. . Resultaten visar att efter reparation med traditionella koboltbaserade svetsmaterial är den värmepåverkade zonen benägen att termiska sprickor och svetsens hårdhet reduceras. Att använda de nyutvecklade MG: erna -1 nickelbaserade svetsmaterial, i kombination med lämpliga svets- och värmebehandlingsprocesser, kan effektivt undvika sprickor i den värmevärda zonen, och draghållfastheten vid 1000 grad når 90% av basmaterialet. Song Wenqing et al. [33] genomförde en studie om reparationssvetsningsprocessen för gjutningsfel av K4104 Högtemperaturlegeringsturbinhandbok. Resultaten visade att med användning av HGH3113 och HGH3533-svetsledningar som fyllmedelmetaller har utmärkt svetsbildning, god plasticitet och stark sprickmotstånd, medan man använder när K4104-svetstråden med ökat ZR-innehåll svetsas, svetsas flytande metall är dålig, svetsytan bildas inte väl och sprickor och icke-försiktiga defekter förekommer. Det kan ses att valet av fyllningsmaterial spelar en viktig roll i bladreparationsprocessen.
Aktuell forskning om reparation av nickelbaserade turbinblad har visat att nickelbaserade högtemperaturlegeringar innehåller fasta lösningsförstärkande element såsom CR-, MO-, AL- och spårelement såsom P, S och B, vilket gör dem mer sprickkänsliga under reparationsprocessen. Efter svetsning är de benägna att strukturell segregering och bildandet av spröda lavesfasfel. Därför kräver efterföljande forskning om reparation av nickelbaserade högtemperaturlegeringar reglering av strukturen och mekaniska egenskaper för sådana defekter.
2 Titanlegeringsfläkt/kompressorbladreparationsmetod
Under drift utsätts främst titanlegeringsfläkt/kompressorblad för centrifugalkraft, aerodynamisk kraft och vibrationsbelastning. Under användningen av ytskador (sprickor, bladspetsslitage, etc.), lokala brytningsfel för titanlegeringsblad och skador med stor yta (trötthetsfraktur, skador på stor område och korrosion, etc.) ofta förekommer, vilket kräver en övergripande ersättning av blad. Olika defekttyper och vanliga reparationsmetoder visas i figur 6. Följande kommer att introducera forskningsstatusen för reparationen av dessa tre typer av defekter.
2.1 Reparation av defekter av titanlegeringar
Under drift har titanlegeringsblad ofta defekter som ytsprickor, repor av små områden och bladslitage. Reparationen av sådana defekter liknar den för nickelbaserade turbinblad. Bearbetning används för att ta bort det defekta området och lasersmältningsdeposition eller argonbågsvetsning används för att fylla och reparera.
Inom området för lasersmältningsdeposition, Zhao Zhuang et al. [34] från Northwestern Polytechnical University genomförde en laserreparationsstudie på små storleksdefekter (ytdiameter 2 mm, hemisfäriska defekter med ett djup av 0. 5 mm) TC17 titanlegeringsförslag. Resultaten visade att kolumnkristaller i laseravlagringszonen växte epitaxiellt från gränssnittet och korngränserna var suddiga. De ursprungliga nålformade laths och sekundära faser i den värmepåverkade zonen växte och grovt. Jämfört med de smidda proverna hade de laserreparerade proverna egenskaperna för hög styrka och låg plasticitet. Draghållfastheten ökade från 1077,7 MPa till 1146,6 MPa, och förlängningen minskade från 17,4% till 11,7%. Pan Bo et al. [35] använde koaxial pulvermatning laserbeläggningsteknik för att reparera de cirkulära hålformade prefabricerade defekterna av ZTC4 titanlegering under många gånger. Resultaten visade att mikrostrukturförändringsprocessen från modermaterialet till det reparerade området var lamellfas och intergranulär fas → Basketvävstruktur → Martensite → WidmanStatten struktur. Hårdheten i den värmepåverkade zonen ökade något med ökningen av antalet reparationer, medan modermaterialets hårdhet och klädskiktet inte förändrades mycket.
Resultaten visar att reparationszonen och värmepåverkad zon före värmebehandling är ultralognålliknande fas fördelad i fasmatrisen, och basmaterialzonen är en fin korgstruktur. Efter värmebehandling är mikrostrukturen för varje område ladliknande primär fas + fasomvandlingsstruktur, och längden på den primära fasen i reparationsområdet är betydligt större än i andra områden. Reparationsdelens höga cykeltrötthet är 490MPa, vilket är högre än trötthetsgränsen för basmaterialet. Den extrema droppen är cirka 7,1%. Manuell argonbågsvetsning används också ofta för att reparera bladytor och spetsslitage. Dess nackdel är att värmeinmatningen är stor och reparationer med stor yta är benägna att stor termisk stress och svetsmakning [37].
Nuvarande forskning visar att oavsett om lasersmältningsdeposition eller argonbågsvetsning används för reparation, har reparationsområdet egenskaperna för hög styrka och låg plasticitet, och bladets trötthetsprestanda lätt reduceras efter reparation. Nästa forskningssteg bör fokusera på hur man kontrollerar legeringskompositionen, justerar svetsprocessparametrarna och optimerar processkontrollmetoderna för att reglera mikrostrukturen i reparationsområdet, uppnå styrka och plasticitetsmatchning i reparationsområdet och säkerställa dess utmärkta trötthetsprestanda.
2.2 Reparation av lokala skador på titanlegeringsblad
Det finns ingen väsentlig skillnad mellan reparationen av titanlegeringsrotorbladskadda defekter och tillsatsstillverkningstekniken för titanlegering tredimensionella fasta delar när det gäller process. Reparationen kan betraktas som en process för sekundäravlagringstillverkning på fraktursektionen och den lokala ytan med de skadade delarna som matrisen, såsom visas i figur 7. Enligt de olika värmekällorna är den huvudsakligen uppdelad i laser tillsatsreparation och båge -tillsatsreparation. Det är värt att notera att de tyska 871 871 Collaborative Research Center har gjort ARC Additive Repair Technology till ett forskningsfokus för reparation av integrerade blad för titanlegering [38] och har förbättrat reparationsprestanda genom att lägga till kärnkraftsmedel och andra medel [39].
Inom området för laser tillsatsreparation, Gong Xinyong et al. [40] använde TC11 -legeringspulver för att studera lasersmältningsavsättningsprocessen för TC11 -titanlegering. Efter reparation hade avsättningsområdet för det tunnväggiga provet och gränssnittets omrelningsområde typiska WidmanStatten-strukturegenskaper, och matrisvärmningseffekterade zonstruktur som övergick från widmanstatten-strukturen till dubbla tillståndstrukturer. Draghållfastheten i avsättningsområdet var cirka 1200 MPa, vilket var högre än för gränssnittsövergångszonen och matrisen, medan plasticiteten var något lägre än matrisen. Dragproverna bröts alla in i matrisen. Slutligen reparerades det faktiska pumphjulet med metoden Point-By-punktsmältning, passerade Super-Speed Test Assessment och insåg installationsapplikationen. Bian Hongyou et al. [41] använde TA15 -pulver för att studera lasernas tillsatsreparation av TC17 -titanlegering och undersökte effekterna av olika glödgningsvärmebehandlingstemperaturer (610 grader, 630 grader och 650 grader) på dess mikrostruktur och egenskaper. Resultaten visade att draghållfastheten hos den avsatta TA15/TC17 -legeringen reparerad med laseravlagring kan nå 1029MPa, men plasticiteten är relativt låg, endast 4,3%, vilket når 90,2% respektive 61,4% av TC17 -förlovningarna. Efter värmebehandling vid olika temperaturer förbättras draghållfastheten och plasticiteten avsevärt. När glödgningstemperaturen är 650 grader är den högsta draghållfastheten 1102MPa, vilket når 98,4% av TC17 -förfalskningar, och förlängningen efter sprickan är 13,5%, vilket förbättras avsevärt jämfört med det deponerade tillståndet.
Inom området båge -tillsatsreparation, Liu et al. [42] genomförde en reparationsstudie på ett simulerat prov av en saknad TC4 -titanlegeringsblad. En blandad kornmorfologi av jämlikade kristaller och kolumnkristaller erhölls i det avsatta skiktet, med en maximal draghållfasthet av 991 MPa och en förlängning av 10%. Zhuo et al. [43] använde TC11-svetstråd för att genomföra en båge-tillsatsreparationsstudie på TC17-titanlegering och analyserade den mikrostrukturella utvecklingen av det avsatta skiktet och den värmepåverkade zonen. Draghållfastheten var 1015,9 MPa under ouppvärmda förhållanden, och förlängningen var 14,8%, med god omfattande prestanda. Chen et al. [44] studerade effekterna av olika glödgningstemperaturer på mikrostrukturen och mekaniska egenskaper hos TC11/TC17 titanlegeringsreparationsprover. Resultaten visade att en högre glödgningstemperatur var fördelaktig för att förbättra förlängningen av de reparerade proverna.
Forskning om användning av metalltillskottstillverkningsteknik för att reparera lokala skador i titanlegeringsblad är bara i sin barndom. De reparerade bladen behöver inte bara uppmärksamma de avsatta skiktets mekaniska egenskaper, utan också utvärderingen av de mekaniska egenskaperna vid gränssnittet för de reparerade bladen är lika avgörande.
3 Titanlegeringsblad med stora utbyte av bladblad och reparation
För att förenkla kompressorns rotorstruktur och minska vikten, antar moderna flygmotorblad ofta en integrerad bladskivstruktur, som är en struktur i ett stycke som gör de arbetande bladen och bladskivorna i en integrerad struktur, vilket eliminerar Tenon och Mortise. Samtidigt som man uppnår syftet med viktminskning kan det också undvika slitage och aerodynamisk förlust av tenon och döden i den konventionella strukturen. Reparationen av ytskador och lokala skadedefekter på kompressorens integrerade bladskiva liknar den ovan nämnda separata bladreparationsmetoden. För reparation av de trasiga eller saknade bitarna på 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 reparerades 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. Både drag- och trötthetsprover bröts emellertid i basmaterialområdet bort från svetsområdet.
Ma et al. [47] studerade effekterna av olika värmebehandlingstemperaturer (530 grader + 4 h luftkylning, 610 grader + 4 H luftkylning, 670 grader + 4 H luftkylning) på mikrostrukturen och mekaniska egenskaper för TC17 titaniumsutdrag. Resultaten visar att med när värmebehandlingstemperaturen ökar ökar omkristallisationsgraden för fas och fas avsevärt. Frakturbeteendet hos drag- och slagprover förändrades från sprött fraktur till duktilfraktur. Efter värmebehandling vid 670 grader sprickade dragprovet i basmaterialet. Draghållfastheten var 1262MPA, men förlängningen var endast 81,1% av basmaterialet.
För närvarande visar inhemsk och utländsk forskning att linjär friktionssvetsreparationsteknologi har funktionen av självrengöring av oxider, som effektivt kan ta bort oxider på bindningsytan utan metallurgiska defekter orsakade av smältning. Samtidigt kan den inse kopplingen av heterogena material för att erhålla dubbel-legering/dubbelpresterande integrerade bladskivor och kan slutföra den snabba reparationen av bladkroppsfrakturer eller saknade bitar av integrerade bladskivor gjorda av olika material [38]. Det finns emellertid fortfarande många problem att lösa i användningen av linjär friktionssvetsningsteknik för att reparera integrerade bladskivor, såsom stor restspänning i lederna och svårigheterna att kontrollera kvaliteten på heterogena materialanslutningar. Samtidigt behöver den linjära friktionssvetsningsprocessen för nya material ytterligare utforskning.
Kontakta oss
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 tjänster, för att ge mer högkvalitativa lösningar för kunder runt om i världen. Om du har några frågor, förslag eller samarbetsintentioner, hjälper vi dig mer än gärna. Kontakta oss på följande sätt:
Whatsapp: +86 135 4409 5201
E-mail:peter@turbineblade.net
