大修航空发动机涡轮叶片的检修技术

 介绍了涡轮叶片的清洗、无损检测、叶型完整性检测等预处理，以及包括表面损伤修理、叶顶修复、热静压、喷丸强化及涂层修复等在内的先进修理技术。
    涡轮叶片的工作条件非常恶劣，因此，在性能先进的航空发动机上，涡轮叶片都采用了性能优异但价格十分昂贵的镍基和钴基高温合金材料以及复杂的制造工艺，例如，定向凝固叶片和单晶叶片。在维修车间采用先进的修理技术对存在缺陷和损伤的叶片进行修复，延长其使用寿命，减少更换叶片，可获得可观的经济收益。为了有效提高航空发动机的工作可靠性和经济性，涡轮叶片先进的修理技术日益受到发动机用户和修理单位的重视，并获得了广泛的应用。
    1.修理前的处理与检测
    涡轮叶片在实施修理工艺之前进行必要的预处理和检测，以清除其表面的附着杂质；对叶片损伤形式和损伤程度做出评估，从而确定叶片的可修理度和采用的修理技术手段。
    1.1清洗
    由于涡轮叶片表面黏附有燃料燃烧后的沉积物以及涂层和(或)基体经过高温氧化腐蚀后所产生的热蚀层，一般统称为积炭。积炭致使涡轮效率下降，热蚀层会降低叶片的机械强度和叶片表面处理的工艺效果，同时积炭也掩盖了叶片表面的损伤，不便于检测。因此，叶片在进行检测和修理前，要清除积炭。
    1.2无损检测
    在修理前，使用先进的检测仪器对叶片的叶型完整性和内部结构进行检测，以评估磨损、烧熔、腐蚀、掉块、裂纹、积炭和散热孔堵塞等损伤缺陷情况，从而指导叶片的具体修理工艺。
    目前，CT已经成为适用于测量涡轮叶片壁厚和内部裂纹的主要方法。一台CT机由X辐射源和专用计算机组成。检测时，辐射源以扇形释放光子，通过被检叶片后被探测器采集。其光子量和密度被综合后，产生一幅二维层析X光照片，即物体的截面图，从中分析叶片内部组织结构，得出裂纹的准确位置及尺度。连续拍摄物体的二维扫描，可生成数字化三维扫描图，用于检测整个叶片的缺陷，还可检测空心叶片冷却通道的情况。CT可探测到10-2mm级的裂纹。
    1.3叶型的精确检测
    目前，在坐标测量机(CMM)的基础上，编制微机控制自动检测所用的应用软件，发展研制了检测涡轮叶片的叶身几何形状的坐标测量系统(CMMS)，可自动检测叶身的几何形状，并与标准叶型比较；自动给出偏差检测结果，来判断叶片的可用度和所需采用的修理手段。
    不同CMMS制造商所采用的测量方法有所不同，但都有以下共同点：自动化程度高；检测速度快，通常一个叶片在1分钟内检测完毕；检测结果精度高；软件扩充性好，只要修改标准叶型数据库就可以适用不同型号的叶片的检测。
    2.叶片修理技术
    采用先进的叶片修理技术，修复叶片表面以及内部的缺陷，恢复甚至增强其原有的性能等，这都将大大降低发动机的寿命周期费用，有效提高其经济性。目前国内外在涡轮叶片修理中所应用的工艺和技术主要有以下几种。
    2.1表面损伤的修理
    如果经检验，叶片表面的微小裂纹或者由烧蚀、腐蚀所导致的缺陷尺度在允许修理范围内，则对其进行修补。目前先进的修补方法有以下几种。
    一是活化扩散愈合法。其原理及工艺特点是借助低熔点焊接合金把高温合金粉末"注入"裂纹中，通过液相烧结使焊接合金同时向高温合金粉末和基体金属中扩散，从而使裂纹得到愈合。
    另外一种方法是激光熔覆，是利用一定功率密度的激光束照射(扫描)覆于裂纹、缺陷处的合金粉末，使之完全融化，而基材金属表层微熔，冷凝后在基材表面形成一个低稀释度的包覆层，从而弥合裂纹及缺陷。
2.2叶顶的修复
    对于叶片受损(主要是磨损、腐蚀和硫化)的顶部，可用等离子电弧焊及钨极惰性气体保护焊来修复，即先堆焊上合适的材料，再磨削到所要求的叶片高度。钴基合金抗热腐蚀性能好，是一种合适的堆焊材料。经验表明，Ｒｅｎé１４２合金结合此工艺修复的叶片具有良好的结构完整性。除焊修外，低压等离子喷涂ＭｃｒＡｌＹ涂层，已成功地用于修复叶片的顶部了，涂层厚度为２．０３ｍｍ。
    2.3热静压
    热静压是将叶片保持在１０００～１２００℃温度和１００～２００ＭＰａ压力的热等压条件下，可用于以下目的修复：
    ①消除焊后存在于金属中的内应力；
    ②冶金成分退化修复，涡轮叶片在工作过程中会沿晶界出现脆生相，将降低叶片的塑性和强度，热静压固溶处理可有效恢复叶片结构的退化情况；
    ③低循环疲劳的修复；
    ④蠕变损坏的修复。
    热静压可恢复叶片原有的强度极限和延伸率，延长蠕变断裂寿命。
    2.4喷丸强化
    喷丸是以高速弹丸流撞击受喷工件表面，在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法。叶片喷丸强化可提高抗疲劳和抗应力腐蚀性能。它是利用高速弹丸在撞击叶片时，叶片表面迅速伸长，从而引起表层材料在一定深度范围内的塑性流动塑性变形　。变形层的深度取决于弹丸撞击程度和工件材料的力学性能，通常变形层深度可达０．１２ｍｍ～０．７５ｍｍ。改变喷丸参数，也可以得到合适的变层深度。当喷丸引起叶片表层材料塑性变形时，与表层相邻的次表层材料也将由于表层变形而变形。但与表层相比较，次表层的变形程度较小，未达到该材料屈服点而保持弹性变形状态，因此，表层与次表层的这种不均匀塑性变形，能引起材料受喷后的残余应力场（即应力分布）的改变。试验表明，喷丸后表层呈现残余压缩应力，而在一定深度的次表层则为拉伸应力。表层的残余压缩应力可比次表层的拉伸应力高达数倍。这种残余应力分步模式很有利于疲劳强度和抗应力腐蚀性能的提高。
    2.5涂层修复
    许多性能先进的航空发动机涡轮叶片已应用涂层技术提高其抗氧化、抗腐蚀、耐磨、耐高温性能以及涡轮的气动效率，但叶片在使用过程中涂层会不同程度地缺损，因此，在叶片修理时都要对防护涂层进行修复，一般都要将原涂层剥落，重新涂覆新的涂层。另外，原没有涂层的涡轮叶片，也可以在叶片基体表面涂覆防护涂层，以提高叶片的工作可靠性和使用寿命。目前，涡轮叶片所应用的涂层种类主要有抗氧化耐腐蚀涂层、ＭＣｒＡｌＹ金属基陶瓷热障涂层、耐磨涂层主要用于叶冠和叶根　、封严涂层等，所采用的涂层制备工艺主要有以下几种。
    ①扩散渗金属法：将某种防腐蚀金属的化学成分在高温下从填充物中释放，转移到部件上并扩散到里面，形成部件防腐的致密层。
    ②热喷涂工艺：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧作热源，将金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化、喷射沉积到工件表面而形成附着牢固的表层的方法。
    ③物理沉积工艺及化学相沉积工艺：通过金属或化学成分的蒸气相迁移到基体金属表面。此工艺受到工装设备的限制，应用较少。

    由于涡轮叶片工作环境恶劣、合金材料价格贵，其机械状态检测和修理受到航空动力界更多的重视。多年的实践表明，先进的修理技术在航空发动机涡轮叶片的维修中的广泛应用，在很大程度上有效提高了发动机的航线工作可靠性，降低了全寿命费用。当然，采用何种检测技术及修理工艺，也要充分考虑维修的经济性，因此，工艺复杂的维修技术一般只用于合金材料昂贵、制造工艺难度大的叶片。
    目前，在我国，航空发动机涡轮叶片的机上孔探检查已广泛使用，但叶片的先进的修理技术应用不多，这与我国自己制造的发动机叶片材料并不十分昂贵有关。但随着新型高性能的发动机研制生产，也将采用先进的涡轮叶片材料和制造工艺，这会使涡轮叶片的造价大幅增加。因此，对于国产航空发动机来说，涡轮叶片精确检测与先进修理技术也有着非常广阔的应用前景。