大修航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的檢修技術(shù)

 介紹了渦輪葉片的清洗、無(wú)損檢測(cè)、葉型完整性檢測(cè)等預(yù)處理，以及包括表面損傷修理、葉頂修復(fù)、熱靜壓、噴丸強(qiáng)化及涂層修復(fù)等在內(nèi)的先進(jìn)修理技術(shù)。
    渦輪葉片的工作條件非常惡劣，因此，在性能先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，渦輪葉片都采用了性能優(yōu)異但價(jià)格十分昂貴的鎳基和鈷基高溫合金材料以及復(fù)雜的制造工藝，例如，定向凝固葉片和單晶葉片。在維修車間采用先進(jìn)的修理技術(shù)對(duì)存在缺陷和損傷的葉片進(jìn)行修復(fù)，延長(zhǎng)其使用壽命，減少更換葉片，可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益。為了有效提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性和經(jīng)濟(jì)性，渦輪葉片先進(jìn)的修理技術(shù)日益受到發(fā)動(dòng)機(jī)用戶和修理單位的重視，并獲得了廣泛的應(yīng)用。
    1.修理前的處理與檢測(cè)
    渦輪葉片在實(shí)施修理工藝之前進(jìn)行必要的預(yù)處理和檢測(cè)，以清除其表面的附著雜質(zhì)；對(duì)葉片損傷形式和損傷程度做出評(píng)估，從而確定葉片的可修理度和采用的修理技術(shù)手段。
    1.1清洗
    由于渦輪葉片表面黏附有燃料燃燒后的沉積物以及涂層和(或)基體經(jīng)過(guò)高溫氧化腐蝕后所產(chǎn)生的熱蝕層，一般統(tǒng)稱為積炭。積炭致使渦輪效率下降，熱蝕層會(huì)降低葉片的機(jī)械強(qiáng)度和葉片表面處理的工藝效果，同時(shí)積炭也掩蓋了葉片表面的損傷，不便于檢測(cè)。因此，葉片在進(jìn)行檢測(cè)和修理前，要清除積炭。
    1.2無(wú)損檢測(cè)
    在修理前，使用先進(jìn)的檢測(cè)儀器對(duì)葉片的葉型完整性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，以評(píng)估磨損、燒熔、腐蝕、掉塊、裂紋、積炭和散熱孔堵塞等損傷缺陷情況，從而指導(dǎo)葉片的具體修理工藝。
    目前，CT已經(jīng)成為適用于測(cè)量渦輪葉片壁厚和內(nèi)部裂紋的主要方法。一臺(tái)CT機(jī)由X輻射源和專用計(jì)算機(jī)組成。檢測(cè)時(shí)，輻射源以扇形釋放光子，通過(guò)被檢葉片后被探測(cè)器采集。其光子量和密度被綜合后，產(chǎn)生一幅二維層析X光照片，即物體的截面圖，從中分析葉片內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，得出裂紋的準(zhǔn)確位置及尺度。連續(xù)拍攝物體的二維掃描，可生成數(shù)字化三維掃描圖，用于檢測(cè)整個(gè)葉片的缺陷，還可檢測(cè)空心葉片冷卻通道的情況。CT可探測(cè)到10-2mm級(jí)的裂紋。
    1.3葉型的精確檢測(cè)
    目前，在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)的基礎(chǔ)上，編制微機(jī)控制自動(dòng)檢測(cè)所用的應(yīng)用軟件，發(fā)展研制了檢測(cè)渦輪葉片的葉身幾何形狀的坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)(CMMS)，可自動(dòng)檢測(cè)葉身的幾何形狀，并與標(biāo)準(zhǔn)葉型比較；自動(dòng)給出偏差檢測(cè)結(jié)果，來(lái)判斷葉片的可用度和所需采用的修理手段。
    不同CMMS制造商所采用的測(cè)量方法有所不同，但都有以下共同點(diǎn)：自動(dòng)化程度高；檢測(cè)速度快，通常一個(gè)葉片在1分鐘內(nèi)檢測(cè)完畢；檢測(cè)結(jié)果精度高；軟件擴(kuò)充性好，只要修改標(biāo)準(zhǔn)葉型數(shù)據(jù)庫(kù)就可以適用不同型號(hào)的葉片的檢測(cè)。
    2.葉片修理技術(shù)
    采用先進(jìn)的葉片修理技術(shù)，修復(fù)葉片表面以及內(nèi)部的缺陷，恢復(fù)甚至增強(qiáng)其原有的性能等，這都將大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命周期費(fèi)用，有效提高其經(jīng)濟(jì)性。目前國(guó)內(nèi)外在渦輪葉片修理中所應(yīng)用的工藝和技術(shù)主要有以下幾種。
    2.1表面損傷的修理
    如果經(jīng)檢驗(yàn)，葉片表面的微小裂紋或者由燒蝕、腐蝕所導(dǎo)致的缺陷尺度在允許修理范圍內(nèi)，則對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)。目前先進(jìn)的修補(bǔ)方法有以下幾種。
    一是活化擴(kuò)散愈合法。其原理及工藝特點(diǎn)是借助低熔點(diǎn)焊接合金把高溫合金粉末"注入"裂紋中，通過(guò)液相燒結(jié)使焊接合金同時(shí)向高溫合金粉末和基體金屬中擴(kuò)散，從而使裂紋得到愈合。
    另外一種方法是激光熔覆，是利用一定功率密度的激光束照射(掃描)覆于裂紋、缺陷處的合金粉末，使之完全融化，而基材金屬表層微熔，冷凝后在基材表面形成一個(gè)低稀釋度的包覆層，從而彌合裂紋及缺陷。
2.2葉頂?shù)男迯?fù)
    對(duì)于葉片受損(主要是磨損、腐蝕和硫化)的頂部，可用等離子電弧焊及鎢極惰性氣體保護(hù)焊來(lái)修復(fù)，即先堆焊上合適的材料，再磨削到所要求的葉片高度。鈷基合金抗熱腐蝕性能好，是一種合適的堆焊材料。經(jīng)驗(yàn)表明，Ｒｅｎé１４２合金結(jié)合此工藝修復(fù)的葉片具有良好的結(jié)構(gòu)完整性。除焊修外，低壓等離子噴涂ＭｃｒＡｌＹ涂層，已成功地用于修復(fù)葉片的頂部了，涂層厚度為２．０３ｍｍ。
    2.3熱靜壓
    熱靜壓是將葉片保持在１０００～１２００℃溫度和１００～２００ＭＰａ壓力的熱等壓條件下，可用于以下目的修復(fù)：
    ①消除焊后存在于金屬中的內(nèi)應(yīng)力；
    ②冶金成分退化修復(fù)，渦輪葉片在工作過(guò)程中會(huì)沿晶界出現(xiàn)脆生相，將降低葉片的塑性和強(qiáng)度，熱靜壓固溶處理可有效恢復(fù)葉片結(jié)構(gòu)的退化情況；
    ③低循環(huán)疲勞的修復(fù)；
    ④蠕變損壞的修復(fù)。
    熱靜壓可恢復(fù)葉片原有的強(qiáng)度極限和延伸率，延長(zhǎng)蠕變斷裂壽命。
    2.4噴丸強(qiáng)化
    噴丸是以高速?gòu)椡枇髯矒羰車姽ぜ砻妫谑車姴牧系脑俳Y(jié)晶溫度下進(jìn)行的一種冷加工方法。葉片噴丸強(qiáng)化可提高抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕性能。它是利用高速?gòu)椡柙谧矒羧~片時(shí)，葉片表面迅速伸長(zhǎng)，從而引起表層材料在一定深度范圍內(nèi)的塑性流動(dòng)塑性變形　。變形層的深度取決于彈丸撞擊程度和工件材料的力學(xué)性能，通常變形層深度可達(dá)０．１２ｍｍ～０．７５ｍｍ。改變噴丸參數(shù)，也可以得到合適的變層深度。當(dāng)噴丸引起葉片表層材料塑性變形時(shí)，與表層相鄰的次表層材料也將由于表層變形而變形。但與表層相比較，次表層的變形程度較小，未達(dá)到該材料屈服點(diǎn)而保持彈性變形狀態(tài)，因此，表層與次表層的這種不均勻塑性變形，能引起材料受噴后的殘余應(yīng)力場(chǎng)（即應(yīng)力分布）的改變。試驗(yàn)表明，噴丸后表層呈現(xiàn)殘余壓縮應(yīng)力，而在一定深度的次表層則為拉伸應(yīng)力。表層的殘余壓縮應(yīng)力可比次表層的拉伸應(yīng)力高達(dá)數(shù)倍。這種殘余應(yīng)力分步模式很有利于疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能的提高。
    2.5涂層修復(fù)
    許多性能先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片已應(yīng)用涂層技術(shù)提高其抗氧化、抗腐蝕、耐磨、耐高溫性能以及渦輪的氣動(dòng)效率，但葉片在使用過(guò)程中涂層會(huì)不同程度地缺損，因此，在葉片修理時(shí)都要對(duì)防護(hù)涂層進(jìn)行修復(fù)，一般都要將原涂層剝落，重新涂覆新的涂層。另外，原沒(méi)有涂層的渦輪葉片，也可以在葉片基體表面涂覆防護(hù)涂層，以提高葉片的工作可靠性和使用壽命。目前，渦輪葉片所應(yīng)用的涂層種類主要有抗氧化耐腐蝕涂層、ＭＣｒＡｌＹ金屬基陶瓷熱障涂層、耐磨涂層主要用于葉冠和葉根　、封嚴(yán)涂層等，所采用的涂層制備工藝主要有以下幾種。
    ①擴(kuò)散滲金屬法：將某種防腐蝕金屬的化學(xué)成分在高溫下從填充物中釋放，轉(zhuǎn)移到部件上并擴(kuò)散到里面，形成部件防腐的致密層。
    ②熱噴涂工藝：采用氣體、液體燃料或電弧、等離子弧作熱源，將金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物等噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過(guò)高速氣流使其霧化、噴射沉積到工件表面而形成附著牢固的表層的方法。
    ③物理沉積工藝及化學(xué)相沉積工藝：通過(guò)金屬或化學(xué)成分的蒸氣相遷移到基體金屬表面。此工藝受到工裝設(shè)備的限制，應(yīng)用較少。

    由于渦輪葉片工作環(huán)境惡劣、合金材料價(jià)格貴，其機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)和修理受到航空動(dòng)力界更多的重視。多年的實(shí)踐表明，先進(jìn)的修理技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的維修中的廣泛應(yīng)用，在很大程度上有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的航線工作可靠性，降低了全壽命費(fèi)用。當(dāng)然，采用何種檢測(cè)技術(shù)及修理工藝，也要充分考慮維修的經(jīng)濟(jì)性，因此，工藝復(fù)雜的維修技術(shù)一般只用于合金材料昂貴、制造工藝難度大的葉片。
    目前，在我國(guó)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的機(jī)上孔探檢查已廣泛使用，但葉片的先進(jìn)的修理技術(shù)應(yīng)用不多，這與我國(guó)自己制造的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料并不十分昂貴有關(guān)。但隨著新型高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)，也將采用先進(jìn)的渦輪葉片材料和制造工藝，這會(huì)使渦輪葉片的造價(jià)大幅增加。因此，對(duì)于國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，渦輪葉片精確檢測(cè)與先進(jìn)修理技術(shù)也有著非常廣闊的應(yīng)用前景。