渦輪葉片是航空發動機的重要組成部分,具有溫度高、負荷大、結構復雜等特點,檢測與維修質量與工作的耐久性和使用壽命密切相關。本文進行航空發動機葉片的檢測與維修研究,分析了航空發動機葉片失效模式,總結了航空發動機葉片失效檢測技術與維修技術。通過以上研究表明:先進的檢修技術在航空發動機葉片維修中得到廣泛的運用,極大地改善了其運行的可靠性和降低了使用壽命成本。

在渦輪葉片設計中,經常使用較高的新型材質,并通過改進結構和加工技術,減少工作余量,從而達到改善發動機推重比。渦輪葉片是一種氣動力的翼型它能在葉片的整個長度上實現等值做功,從而保證氣流在葉根和葉尖之間有一個旋轉角度,在葉尖上的旋轉角度大于葉根處。在渦輪盤上安裝渦輪轉子葉片非常重要的,“樅樹形”榫頭是現代燃氣輪機的轉子,它經過精密的加工設計,確保了所有的凸緣都能均勻地承受負載。在渦輪機靜止狀態下,葉片在齒槽處有一個切向運動,而在渦輪機旋轉時,由于離心的作用,使葉根拉緊于圓盤。葉輪材料是確保渦輪機性能和可靠性的重要因素,早期使用的是變形高溫合金,采用鍛壓工藝制造。隨著發動機設計和精鑄工藝的不斷進步,渦輪葉片由變形合金向中空、多晶向單晶轉變,葉片的耐熱性得到了極大改善。鎳基單晶超合金因其優異的高溫蠕變特性而被廣泛應用于航空發動機熱端零件的生產。因此,對渦輪葉片的檢測與維修進行深入研究,對于改善發動機工作的安全性、準確地評價葉片的損傷形態和破壞程度具有十分重要的意義。

1 航空發動機葉片失效模式

1.1 葉片低周疲勞斷裂失效

在實際工作中,轉子葉片的低周疲勞斷裂通常是不易發生的,而在下列三個條件下,則會發生低周疲勞斷裂,圖1為葉片斷裂示意圖。

圖1 葉片斷裂

(1)雖然在危險斷面上的工作應力比材料的屈服強度要小,但是在危險斷面處有很大的局部區域缺陷。在這一區域,由于存在缺陷,導致附近更大面積超出了材料的屈服強度,導致大量塑性變形,從而導致了葉片的低周疲勞斷裂。

(2)由于設計上的考慮不周,葉片在危險斷面上的工作應力接近或超出了材料的屈服強度,而在危險部位有多余的缺陷時,葉片會發生低周疲勞斷裂。

(3)在葉片發生顫振、共振、超溫等異常狀況時,其危險斷面的總應力值大于其屈服強度,從而導致葉片的低周疲勞斷裂。低周疲勞斷裂主要是由設計原因引起的,大部分發生于葉根周圍,在典型的低周斷口處沒有明顯疲勞弧線。

1.2 葉片扭轉共振疲勞斷裂失效

高周疲勞斷裂是指在槳葉扭諧振下發生的斷裂,有以下的代表性特點:

(1)在扭振諧振節處出現掉角。

(2)在葉片的疲勞斷裂處可以看到明顯的疲勞曲線,但是疲勞曲線很細。

(3)斷裂通常從葉背開始,擴展到葉盆,疲勞區占了斷裂面的主要區域。

葉片扭振疲勞裂紋產生的原因主要有兩個:一是產生扭振諧振,二是葉片表面有廣泛的銹蝕現象,或者受到外力沖擊。

1.3 葉片高溫疲勞與熱損傷疲勞斷裂失效

渦輪轉子葉片工作于高溫環境,經受著溫度的變化和應力的交替作用,從而導致了葉片的蠕變和疲勞破壞(見圖2)。葉片發生高溫疲勞斷裂,需要滿足下列三個條件：

圖2 葉片疲勞破壞

(1)在葉片的疲勞斷口處,主要表現為沿晶斷裂特點。

(2)在葉片斷裂部位,其溫度高于材料的極限蠕變溫度;

(3)在葉片的疲勞斷裂部位,僅能經受方波形的離心拉伸應力,超出了此溫度下的蠕變極限或疲勞極限。

通常,轉子葉片在高溫下發生疲勞斷裂是極少見的,但在實際使用中,由于轉子的熱破壞而產生的疲勞斷裂是比較普遍的。在發動機運行中,因不正常工作狀態下的短暫超溫,造成部件過熱或過燒的情況,稱之為過熱損傷。在高溫下,葉片葉片容易出現疲勞裂紋。高溫損傷導致的疲勞斷裂具有以下幾個主要特點:

(1)斷裂位置一般位于葉片的最高溫度區域,與葉片軸線相垂直。

(2)斷裂起源于源區的進口邊沿,其截面為深色,氧化程度較高,延伸段的剖面比較平整,顏色沒有源區的深。

2 航空發動機葉片失效檢修技術

2.1 機上孔探檢測

機上孔探檢測是通過在發動機透平箱內的一個探頭,通過孔探儀對渦輪葉片進行目視檢測。該技術無需拆裝發動機,直接在飛行器上完成,既方便又快速?？滋綑z測能較好地檢測出渦輪葉片的燒熔、腐蝕和脫塊,可以幫助了解、掌握渦輪的技術和健康狀況,從而對渦輪葉片進行全面檢查,確保發動機的正常運行。圖3 為探孔檢測。

圖3 探孔檢測

2.2 修理車間檢測前的預清洗處理

在渦輪葉片的表面,附著著燃燒后的沉積物質、涂層和高溫氧化腐蝕形成的熱蝕層。積碳會導致葉片的壁厚增大,從而導致原來的氣流通路發生變化,從而降低渦輪效率;而熱腐蝕則使葉片的力學性能下降;而且由于積碳葉的存在,對葉片表面的損害進行了遮蔽,使得檢測變得困難。所以在對葉片進行監控和維修之前,必須對其進行積炭清理。

2.3 葉片完整性檢測

以往采用“硬”測量儀如角規、卡尺等對航空發動機的葉身徑進行檢測,這種方法簡單,但容易受到人工干擾,存在準確度不高、檢測速度慢等缺陷。隨后,基于坐標測量機,編寫了用于微機自動控制的應用程序,開發了用于葉身幾何尺寸的測量系統,通過對葉身進行自動檢測,與標準葉型進行對比,自動給出誤差測試結果,以判定葉片的可用程度及所需的維修方法。雖然不同廠家的座標測量儀在特定技術上存在差異,但是具有如下共性:自動化水平高,探測快速,一般1分鐘即可完成一個葉片的探測,具有很好的擴展能力,通過修改一個標準的葉型數據庫即可實現對各種類型葉片的檢測。圖4為完整性檢測。

圖4 完整性檢測

3 航空發動機葉片維修

3.1 熱噴涂技術

熱噴涂技術是將纖維或粉狀物質燒至融化狀態,進一步霧化,然后再將其沉淀于待噴涂的部件或基質上。

(1)耐磨涂層

航空發動機零部件中廣泛采用的是鈷基、鎳基、碳化鎢基等耐磨涂層,以降低航空發動機運行時的振動、滑動、碰撞、摩擦等摩擦造成的摩擦,提高性能和使用壽命。

(2)耐熱涂層

為了增加推力,現代航空發動機需要將渦輪前的溫度提高到最大。這樣,渦輪葉片的工作溫度就會隨之升高。盡管采用了耐熱材質,但還是難以達到使用的要求。試驗結果表明,在渦輪葉片表面涂耐熱涂層,可以改善零件的耐熱性,避免零件的變形、開裂。

(3)可磨耗涂層

在現代航空發動機中,渦輪是由多個水平的靜葉構成的機殼和一個固定于圓盤上的轉子葉片構成。為了提高發動機的效能,靜子和轉子的兩個部件間的間距要盡可能地減小,這個間隙包含轉子葉尖和固定外環的“葉尖間隙”,以及每每級轉子-機箱的“級間間隙”。為了減小間隙過大造成的空氣泄露,理論上要求這些空隙盡量為零,因為生產部件的實際誤差和安裝誤差很難實現;此外,在高溫、高轉速的情況下,輪盤也會發生縱向移動,使葉片沿徑向“增長”。由于工件的繞曲變形、熱脹冷縮等原因,采用噴涂磨損涂料,使其具有最小的意識間隙,也就是在葉片與葉片頂部附近的表面上噴涂各種涂料;在轉動的部件與其發生摩擦時,涂層會產生犧牲磨損,從而將間隙減至最小。圖5為熱噴涂技術。

圖5 熱噴涂技術

3.2 噴丸強化

噴丸強化技術是利用高速度彈丸沖擊工件的表面,在工件表面產生殘留的壓應力,并在一定程度上形成了一種強化材料,以提高產品的疲勞強度,降低材料的應力腐蝕性能。圖6為噴丸強化后的也葉片。

圖6 噴丸強化后的也葉片

(1)干噴丸強化

干式噴丸強化技術是利用離心力作用,在工件表面形成一種具有一定厚度的表面強化層。干式噴丸技術雖然設備簡單、效率高,但是在批量生產過程中仍存在著粉塵污染、噪音大、彈丸消耗大等問題。

(2)水噴丸強化

水噴丸與干噴丸具有相同的增強機理,不同之處在于,它通過快速移動的液態顆粒來代替彈丸,從而降低了干干噴丸過程中的粉塵對環境的影響,從而提高工作環境。

(3)旋板強化

美國3M公司研制了一種新型的噴丸增強工藝,它的強化方法就是用帶著彈丸的旋板,在高速轉動下,對金屬表面進行連續的打擊,形成一種表面強化層。與噴丸強化相比,具有設備簡單、使用方便、效率高、經濟耐用等優點。旋板強化是指當高速彈丸沖擊到葉片上時,葉片的表面會快速膨脹,使其在某一深度處產生塑性變形。變形層厚度與彈體沖擊強度及工件材料的力學性能有關,一般可達到0.12～0.75mm。通過調整噴丸工藝,可以獲得適當的變形層厚度,在噴丸作用下,在葉片表面發生塑性變形時,鄰近次表面也會發生變形。但與表面相比,次表面的變形量要小,在沒有到達屈服點的情況下,仍處于彈性形變階段,所以表面和下層之間的非均勻塑化是不均勻的,能引起噴涂后的材料產生殘留應力變化。試驗結果表面,噴丸后表面有殘留的壓縮應力,而在某一深度下,次表面處出現拉伸應力,表面的殘余壓縮應力是次表面的幾倍,這種殘余應力分布非常有利于改善抗疲勞強度和抗腐蝕能力。因此,噴丸強化技術對于延長產品的使用壽命,改善產品的質量起著十分重要的作用。

3.3 涂層修復

在航空發動機上,很多先進的渦輪葉片都采用了涂料技術,以改善其抗氧化、抗腐蝕、耐磨等特性;但是,由于葉片在使用中會出現不同程度的損傷,所以在葉片維修時必須對其進行修補,通常是將原來的涂層剝離,然后再涂上一層新的涂料。

4 結論

由于航空發動機葉片工作環境惡劣,合金材料價格昂貴,因此,對其進行力學性能的檢測與維修越來越引起航空發動機領域的關注。多年實踐表面,先進的檢修技術在航空發動機葉片維修中得到了廣泛的運用,極大地改善了其運行的可靠性和降低了使用壽命成本。隨著新型高性能發動機的研制生產,將會采用先進的葉片材料和制造技術,從而大大提高了渦輪葉片的成本。因此,對于航空發動機來說,采用渦輪葉片的精確檢測和先進維修技術應用非常有前景。

內容來源：網絡

本期編輯：小艾

論文投稿：作為領先的高科技先進制造技術產業服務平臺，AMT接受學術論文投稿；

稿件的發布完全是公益和免費的；論文投稿郵箱：info@amtbbs.org

版權聲明：AMT尊重版權并感謝每一位作者的辛苦付出與創作；除無法溯源的作品，我們均在文末備注了來源；如文章、視頻、圖片、文字涉及版權，請原創作者第一時間聯系我們，我們將根據您提供的證明材料確認版權后立即刪除內容或按國家規定標準支付稿酬！