叶片修理技术PPT课件.ppt

航空发动机叶片修理技术 RepairTechnologiesforBladesofAero engineTurbine 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 2 为使叶片满足高温 高强度工作条件的使用要求 除在结构设计上采用复杂的空心气冷式换热结构和空 空换热器对冷却叶片的二股气流进行冷却 进步对叶片的冷却效果外 在修理过程中也制定了相当严格的技术要求 如多项试验检查要求和修理技术要求 以保证其各项技术指标及安全措施实施到位 3 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 4 主要修理技术指标和试验检查要求 为保证高压涡轮工作叶片内部冷却气流通畅 在对叶片进行超声波清洗后 按标准对其进行X光检查内腔清洁度 为保证叶片内各腔冷却气流量符合设计要求 要对每个叶片进行水流量检测 检查叶片内各腔的流量和总流量 为保证叶片在损伤限度内工作 要检查并控制叶片叶尖裂纹长度 数目 间距 为控制叶片蠕变量 要对叶片伸长量进行丈量检查 为保证叶片型面符合设计要求 对经表面抛修过的叶片壁厚进行丈量检查 定时抽样解剖检查叶片材料组织 定期进行恢复性能热处理 定时更换叶片表面涂层修理 保证其在高温下的防护作用 有效地避免零件基材因高温氧化和热腐蚀作用而导致机械性能明显降低 从而达到延长使用寿命的目的 5 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 6 积炭质地坚硬 黏附力强 因此 清除积炭是一项较困难的工作 长期以来 各国的航空发动机维修基地都在致力研究高效和高可靠性的清洗液和清洗工艺 目前已取得相当的成果 西安航空发动机公司在从英国引进技术的基础上 研制出四种不同成分配方 不同清除功用的清洗液和分步的清洗工艺 在某型发动机上使用表明清洗效果良好 美国则推行无毒清洗技术 如用碱性清洗液和塑料丸取代氯氟烃溶剂 而一些航空公司已经采用在清理表面积附时间长 易于用水清洗不留残物的凝胶工艺 SPOPL SNECMA公司在20世纪80年代开发了氟化氢 HF 离子清理技术 后来被美国FAA及诸如GE公司等发动机制造商广泛应用 这种方法特别适用于进行叶片表面处理 如化学气相沉积 前的预先清理 而且不污染环境 7 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 对于涡轮叶片的不同部位 无损检测的侧重点也不相同 如导向叶片 主要检查叶根焊接部位是否有裂纹以及叶身的烧蚀情况 而对于工作叶片 叶顶部位 主要检查硫化程度和磨损状况 叶身部位 检查热障涂层的退化情况和基本的烧蚀 腐蚀情况 叶根部位 承受着相当大的离心力和高频振动 会因热蠕变 疲劳和材料工艺缺陷产生裂纹 因此要重点检查 8 1 目视检查 优 最简单最常用 可发现叶片表面较明显和尺寸较大的损伤 缺 具有很大的人为不确定因素 检测误差较大 2 光学显微检查 可发现表面较细微的裂纹 3 磁粉4 涡流5 超声波 无损检测的方法 9 CT检测仪 适用于测量涡轮叶片壁厚和内部裂纹 10 叶片型面检测方法 专用测具检测电感测量光学投影检测三坐标和四坐标测量机激光测量 叶片型面 11 专用测具检测 常用方法为样板测具和摇摆测具样板检测是指用叶片固定座即型面测具固定后 用叶盆型面样板和叶背型面样板分别检测叶盆和叶背的型面 摇摆测具用于检测叶身型面截面形状接近圆弧的叶片 而且圆弧的半径在适当尺寸范围以内 这类检测方法效率低 精确度较差 人为因素和其他因素所产生的误差较大 不适应大规模生产 不适合叶片设计 制造 检测一体化的发展趋势 且手工靠模制造周期长 成本高 12 样板检测 图8叶片型面测具设计实例 其中样板法属于模拟量检测方法 是用叶片型线的理论值生成样板的检测面 然后将加工的样板和叶片上对应的型线进行比对 借助灯光等辅助手段观察样板和叶片叶身的间隙大小 估计对应型线的误差 4 具有检测速度快 操作简单 便于现场使用等优点 在叶片加工检验过程中得到广泛使用 13 样板检测 图7叶片测具快速设计系统界面 在分析叶片型面测具设计的基础上 结合某航空企业实际需求 通过提炼设计过程 采用参数化设计方法 建立模板 使用特征提取 自动装配等技术开发出基于UG平台的叶片测具快速设计系统 设计人员只需输入有关参数 选择相关叶片特征 即可在几分钟之内完成叶片测具设计 有效地提高了设计效率及自动化水平 14 电感测量 电感测量是指用电感的方法将机械位移量转变为电量 经过放大处理并最后显示出机械位移量的测量方法 电感测量仪具有操作简便 测量直观 精度高 效率高等优点 但电感测量仪不能单独使用 必须配备使测量零件定位 产生相对运动以及固定传感器的测量机械装置 并且 加密测点使测量机械装置更复杂 测量机械装置难保证 因此采用电感测量仪测量叶片往往不理想 且其造价高 制造周期长 15 光学投影检测 常用于叶片检测的光学投影仪有断面投影仪和光学跟踪投影仪 用光学投影仪检测叶型 可以从屏幕上直接观察到经放大后的实际叶型与理想叶型之间的误差 缺点在于测量结果受叶片表面反射能力的影响较大 此外 受屏幕限制只能测量弦宽不大的叶片 16 三坐标和四坐标测量机 三坐标测量以空间直角坐标系为参考系 检测机械零件轮廓上各被测量点的坐标值 并对其数据群进行处理 求得零件各几何行位尺寸 可实现数据化 准确率高 易实现设计 制造 检测一体化 17 Leitz叶轮检测方案 18 接触式测量的夹具 19 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 20 激光测量 激光测头利用物体表面的反射光进行三角测量时 照射到物体表面的激光会呈现颗粒状的结构 这种颗粒状的结构称为 散斑 而这种现象称为 散斑效应 21 新式测量 未来测量前景是非接触式测量 高速白光叶片测量机MAXOS 22 叶片主要技术指标和故障情况 对于高压涡轮工作叶片 在发动机修理中所发现的主要故障主要包括 1叶片叶尖裂纹随着工作时间的增加 叶尖裂纹的产生数目及裂纹长度也是增加的 通过对产生叶尖裂纹的叶片进行解剖 扫描电镜观察和金相分析可以看出 叶片叶尖裂纹属热疲惫裂纹 其形成与发展是热应力和燃气环境共同作用的结果 为保证在规定翻修寿命期内 叶片能够在允许的损伤限内安全工作 修理中用荧光法检查叶片叶尖工作中产生的裂纹 根据叶片的工况条件等 规定了允许装机使用的叶尖裂纹长度 数量和裂纹之间间距的要求 修理中叶尖裂纹超过规定要求的叶片约占叶片总数的8 主要是裂纹间距和数量超过规定 23 叶片叶尖裂纹 对于工作中产生叶尖裂纹故障的高压涡轮工作叶片 以高W Mo含量的Ni基超合金作为填料 采用电火花预置填料与固体激光脉冲优化路径积分焊工艺方法进行修复 修复后的高压涡轮叶片经超声波对激光补焊区往除应力处理 恢复性能热处理 重涂涂层等工作后 通过了300h 折合1000次冷 热循环 的热冲击试验和长期试车考核 叶片激光焊修部位未出现超出大修故检要求的裂纹 符合叶片修理的故检标准 满足发动机工作要求 该项深度修理工艺已纳进修理技术要求并投进产生 使大量因叶尖裂纹超标报废的叶片恢复了使用功能 24 叶片水流量 2叶片水流量为保证叶片内各腔冷却气流量符合设计要求 叶片修理技术要求规定对叶片各腔冷却空气的流通能力进行水流量测试 在规定的温度 压力等条件下 从叶片底部供水 通过叶片前腔进气边孔排水量为 n m L min 通过叶片后腔排气边缝排水量为 k h L min 从检测结果看 部分叶片的水流量超出规定范围 偏大或偏小 25 叶片水流量 叶片经长期工作后 冷气通道受气流冲洗影响而变大 使叶片水流量略有增加的趋势 大修中高压涡轮叶片水流量偏小的原由于叶片原始状态超差 新备件丈量的结果也说明了这一点 大修中发现的水流量超差的叶片是经过工作寿命考核的 说明流量超差在一定范围内的叶片是可以满足发动机修理和使用要求的 目前在发动机修理中适当调整叶片水流量检查标准 经长期使用和发动机工作验证 该方法效果良好 26 叶片伸长量 3叶片伸长量为保证叶片在寿命期内可靠地工作 修理中要求控制叶片蠕变量 对工作后叶片相对于原始状态的伸长量进行测量检查 要求伸长量不大于0 05mm 大修以来因伸长量超差而报废的高压涡轮工作叶片有千余片 其报废有3方面的原因 1 伸长量超过大修规定的故检标准 2 无原始叶片长度值 3 伸长量为负值 发动机修理故检中高压涡轮工作叶片伸长量超标报废的主要是因丈量系统与外方丈量系统存在较大差异造成的 27 叶片伸长量 叶片伸长量主要是由于丈量系统误差所致 目前在发动机修理中采用了对高涡叶片伸长量标准进行一定量的丈量误差修正的方法 同时我们从外方引进了测具 同一了丈量系统 消除丈量误差 以保证发动机修理要求 该项措施有效地解决了叶片伸长量超差 报废量大的问题 涡轮叶片现场抽样测量示意图 28 叶片壁厚 4 为保证叶片型面符合设计要求 在修理中规定 高涡叶片更换涂层时 对其进行酸洗去除原表面渗 涂 层 允许表面残余涂层0 015mm 对局部超过残留涂层标准的部位 允许采用局部打磨法去除涂层 对经修磨表面用超声波方法检查叶片壁厚 允许壁厚减薄不超过0 1mm 修理中有数百片叶片壁厚减薄超过规定要求造成叶片壁厚超差的主要原因是丈量系统不稳定和精度低 在修理中采用的酸洗和打磨工艺方法使叶片壁厚减薄 也造成部分叶片正常消耗报废 29 叶片壁厚 修理中叶片壁厚超差故障主要是由于壁厚丈量系统不稳定 精度低所致 为进步叶片壁厚丈量精确度 已开展了采用X光丈量叶片壁厚的研究工作 进步叶片丈量系统的稳定性 消除丈量误差 30 5其他故障在修理中 除上述故障外 还有一些叶片打伤 发动机工作超温导致叶片过热等故障 31 叶片表面修理技术如果经检验 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 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 32 目前表面修理的方法有 1 活化扩散愈合法 这是美国GE公司开发的一种以钎焊为基础的发动机热端部件延寿手段 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 2 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 表面损伤的修理 33 激光熔覆法 34 表面损伤的修理 3 激光冲击强化 LaserShockPeening LSP 技术是利用强脉冲激光产生的冲击波 从部件表面引入残余压应力的一种革新且最热门的表面强化技术 该技术在部件表面形成的残余压应力深度比常规喷丸强化处理的深5 10倍 具有提高抗疲劳强度 延长疲劳寿命 抑制裂纹的形成与扩展 提高抗微动疲劳 抗磨损 抗应力腐蚀断裂特性等特点原理 采用短脉冲 几十纳秒 的强激光辐射金属部件表面涂覆的约束层 如流动的水等 并通过约束层作用于金属表面涂覆的不透明涂覆层 如黑漆或胶带 涂覆层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发 蒸发的气体吸收剩余的激光产生快速膨胀的等离子流 限定在部件表面与约束层间的等离子流产生急速增大的高压冲击波 冲击波产生的 冷作用 作用于金属表面并向内传播 形成由塑性变形引发的残余压应力 当冲击波的峰值压力超过被处理材料动态屈服强度时 材料表层不产生应变硬化 残留很大应力 同时微观组织发生很大的变化 显著提高材料的抗疲劳 耐磨损和防应力腐蚀特性 35 激光冲击强化 36 表面损伤的修理 4 低塑性抛光技术低塑性抛光技术 LPB 是以机械喷丸与机械滚压原理为基础 通过少量的冷作或塑性变形产生深层高残余压应力的新表面强化技术 它可以采用传统的多轴计算机数控 CNC 机床刀具 通过改变压力 进给 刀具特性 全新地控制残余应力的分布 低塑性抛光的工作原理是通过1个自由旋转的球形工具的一系列滚动产生累积的塑性应变或者冷作 进而产生接近材料屈服强度的残余压应力 37 低塑性抛光技术 低塑性抛光技术可以在传统的机械加工车间环境中 在原始的制造阶段或大修及修理过程中 采用传统的CNC机床较低成本地完成 38 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 39 3 热静压热静压是将叶片保持在 温度和 压力的热等压条件下 可用于以下目的修复 消除焊后存在于金属中的内应力 冶金成分退化修复 低循环疲劳的修复 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 40 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变形 41 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 1 扩散渗金属法2 热喷涂工艺3 物理沉积工艺及化学相沉积工艺 42 涂层修复 43 进排气边问题 目前 国内航空发动机制造企业几乎均采用人工修磨进排气边的方式制造钛合金压气机叶片 风扇叶片和导向叶片 叶片进排气边厚度散差较大 一致性差 型线不准确 叶片质量不高 44 进排气边处理 航空发动机叶片和汽轮机叶片的制造工艺差别很大 前者主要采用成型法 而后者主要采用去除材料法 汽轮机叶片的材料多为不锈钢 一般先是铣削出叶片径向面作为径向基准 加工肩台或榫槽与顶尖孔作为轴向基准 然后采用多轴联动机床加工叶身型线 最后经数控砂带磨抛光完成 航空叶片一般采用钛合金精密锻造 铸造方法制造压气机叶片 采用扩散连接 超塑性成型 DB SPF 法制造钛合金宽弦风扇叶片 叶片型面是靠模具成型保证的 型面精度空间误差不超过0 15mm 成型后不再加工 直接用作型面定位夹具的基准用来加工叶根榫槽和进排气边 因此 航空钛合金叶片的加工主要是进排气边的加工 45 进排气边加工难点 航空钛合金叶片的加工主要是进排气边的加工 对于数控砂带磨削加工 其加工难点有以下几个主要方面 1 航空叶片进排气边非常薄 2 磨削余量不均匀 3 叶片变形问题 4 基准问题 型面定位 叶片装夹后的一致性问题 此外 进排气边磨削时 冷却条件不好 很薄的边缘散热条件不好 叶片进排气边容易产生烧蚀 这也给叶片进排气边磨削带来一定困难 对于超塑成型风扇叶片 除了进排气边 型面也需要磨削抛光 还存在型面余量不均匀 变形误差等问题 46 汽轮机进排气边处理 2010年以来 在生产实践的基础上 以机床主要制造商北京胜为弘技数控装备有限公司牵头 项目组又进行了静叶片强力磨削成型和超塑成型风扇叶片磨削试验 验证并完善了叶片数控砂带磨削各关键技术 47 叶片涂层技术 48 叶片涂层技术 表面涂层技术是指将有机 无机或混合涂层采用刷涂 浸泡 喷涂等方法涂覆于构件表面上 从而改善构件表面性能的一门技术 表面涂层能够对构件起到防护 密封 抗磨 抗冲击 减振 隔热等作用 而且技术工艺简单 可维修性好 大大提高了发动机构件可靠性 延长了发动机使用寿命 因此在航空发动机中得到了广泛应用 49 叶片涂层技术 在高性能的航空发动机的研制中 为获得大的单位推力和优良的各项性能指标 所采取的主要措施就是提高涡轮进口温度 燃气涡轮发动机的涡轮进口温度 在海平面标准大气条件下 最高应达到2366K 涡轮叶片在如此高温高应力的条件下工作 仅靠采用先进的冷却技术 发展新型高温合金材料和改进涡轮叶片的制作工艺 是难以满足安全可靠工作所必需的高温蠕变强度和抗高温氧化腐蚀能力的 目前 国内解决这一问题的方法就是在涡轮叶片表面涂覆防护涂层 以提高其抗氧化 抗腐蚀和耐高温性能 应用与涡轮叶片的涂层 按功能可分为抗氧化腐蚀涂层和热障涂层 50 抗氧化腐蚀涂层 铝元涂层高温合金微晶涂层 51 铝元涂层 由于铝的氧化物AL2O3可以阻止金属表层氧化的深入进行 具有很好的抗氧化性 因此20世纪50年代起 就采用渗铝作为涡轮叶片涂层材料 可有效改善镍基合金的高温抗氧化性 但在恶劣环境 如海上湿度大 盐分高 和长期使用 也会产生热腐蚀 于是发展了渗AL SI AL Cr Ta等二元 三元以及多元涂层 鋁元涂层的制备工艺有 粉末包埋法 沉积扩散法 物理气相沉积法 PVD法 包括离子镀 电子束物理气相沉积法 阴极溅射法和磁控溅射法等 52 高温合金微晶涂层 采用与涡轮合金叶片成分相同的高温合金微晶涂层 不但具有优异的抗氧化性能及高温时组织结构稳定性 而且不会再涂层与基体间产生脆相性 从而避免涡轮叶片热裂纹和疲劳裂纹的产生 微晶涂层一般采用溅射方法制备 53 热障涂层 热障涂层的基本思想是利用陶瓷的耐热性 耐磨性和低导热率 使其以涂层的形式与涡轮叶片合金基体结合 从而屏蔽热量 降低涡轮叶片的温度 提高涡轮叶片在高温环境下的工作能力 制备陶瓷热障涂层的工艺有 喷涂法 包括火焰喷涂和等离子喷涂 VPS 化学气相沉积法9CVD法和激光强化CVD法 物理气相沉积法 PVD法 溶胶 凝固法 原位反应法等 实际中主要采用VPS法和电子束物理气相沉积法 54 等离子喷涂 等离子喷涂热障涂层的工作原理是通过电离形成等离子气流 温度可达2000度 能在很短时间内迅速将涂层材料熔化或软化 然后以很高的速度 可达200m s 喷在预热的基体或已喷的涂层上 涂层与基体的结合方式主要是机械锁定 这种方法的优点是喷涂速度快 生产效率高 零件尺寸不受真空容器的体积限制 可以很大 缺点是不易用来喷涂形状复杂的零件 喷涂厚度不均匀 表面较粗糙结合不牢 涂层寿命较低 因此不适于在对表面粗糙度和寿命都有很高要求的航空发动机涡轮叶片上应用 55 电子束物理气相沉积法 电子束物理气相沉积法是将零件放在一真空容器中 电子枪产生的高能电子束将涂层材料加热熔化蒸发后 涂层材料以原子 分子的形态覆盖到零件表面涂层系统的组织结构具有明显的柱状特征 近似于一种无应力状态 涂层与基体间及涂层内部都是以化学键形式结合强度较高 56 优点是该涂层是由许多柱状晶体排列而成柱状晶体之间相互靠在一起但彼此分离 每个晶体牢牢地粘到底层 粘结层 上这种结构使其应变容限大大提高有关对比 实验表明其寿命是等离子涂层的8倍 该喷涂的表面光洁度高耐磨性好 可以喷涂形状复杂的零件而且此类热障涂层表面光滑可复现原底层粗糙度 无需再加工 可减少燃气阻力提高涂层使用寿命 工艺参数比等离子喷涂易于控制缺点是涂料中各组成元素的蒸发压力有区别 因此涂料成分越复杂 如粘结层MCrAlY 工艺也就越复杂喷涂速度慢 效率低 成本较高 电子束物理气相沉积法 57 热喷涂的实际操作过程中 通常在基体材料和工作层之间不能形成良好的结合 为了增强结合强度和保护基体 还需要在工件表面喷涂一层形成微冶金结合的 材料的膨胀系数与工件和表面涂层材料相近的打底涂层 过渡层 打底涂层具有比基体材料更好的抗氧化能力和耐腐蚀性能 在工作涂层与基体之间起屏蔽作用 能将热喷涂涂层固有孔隙 引起的基体氧化或腐蚀程度降至最低 打底涂层的热膨胀系数介于基体材料和工作涂层之间 且在机械及热负荷下具有足够的韧性 能对因基体与工作涂层热膨胀系数不同而产生的应力起 缓冲 作用 热障涂层 58 高压涡轮工作叶片上采用EB PVD工艺制备的热障涂层 59 热障涂层