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航空发动机涡轮叶片常见故障与修理 2009-11-07 21:51 我的毕业论文 航空发动机涡轮叶片常见故障与修理 【摘要】 本文首先介绍轴流式涡轮喷气发动机工作叶片的结构和材料；其次论述了叶片的检查程序和方法；重点叙述了裂纹、腐蚀、掉块、磨损等常见的故障及其产生的原因；最后详细说明了各种故障的修理技术及工艺参数；同时还简要阐述国外先进的修理技术。为自己毕业后到发动机修理厂工作做好技术准备。 关键词：航空发动机、涡轮叶片、故障分析、修理技术 Abstract: This paper first introduces the work of axial turbojet engine leaves the structure and materials; Secondly discusses the blade inspection procedures and methods; focused on cracks, corrosion, swap block, wear and tear, such as a common fault and its causes; final detailed description of a variety of fault repair techniques and process parameters; also briefly advanced repair techniques. For their own after graduating from the engine repair shop to do a good job of technical preparations. Key words：Aeroengine、Turbine blades、Failure Analysis、Repair technology 1 航空发动机涡轮叶片的结构和材料 涡轮喷气发动机的工作叶片，长期在高温高转速和大功率状态下工作，承受着拉伸应力，震动应力和热应力等等，受力较为复杂，工作条件恶劣。它是决定航空发动机总寿命的重要零件之一。因此对工作叶片结构和材料上必须合理、严格要求。这样才能保证发动机的性能参数和安全可靠地使用。 1.1 航空发动机涡轮叶片的结构特点 随着对航空发动机性能和总寿命的要求，涡轮工作叶片的设计结构也越复杂和严格。到目前有带冠的、中间根、带阻尼台以及气膜冷却式的工作叶片，如图1-1是各种叶片的结构形式。 1.1.1带冠叶片 带冠叶片的主要优点为减震效果好、限制叶片在工作时的扭转变形，减少了叶尖漏气，提高了涡轮效率。 这种叶片利用叶冠“A”面见图1-2A-A的摩擦力减振，由于叶冠位于叶片顶部，所以摩擦消耗的震动能量较多，减震效果较好。当激振力不足以使叶片“A”面之间产生相对移动时，各个叶片受激振力作用，因相位不同而互相干扰，从而实现了对切向弯曲振动的整环减振，当激振力特别大时，就不能形成整环减振。由于激振而引起叶冠在“A”面之间相对位移，利用摩擦阻尼吸收振动能量，随着激振能量减弱，叶片之间的相对位移也逐渐减少最后停止。即又恢复整环减振。 但是叶冠的离心力使叶身内的拉伸应力大。 1.1.2叶片具有中间叶根 这种结构的叶片主要是合理地使用了材料。因为镍基合金在某一温度范围内呈现热脆性，严重地影响使用的可靠性如图1-3所示。 发动机工作时，从叶片温度分布来看，叶身下部榫头处于热脆温度区中（约为695℃以下）。若仍按叶身下部为榫头的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，则发动机工作时，榫头将处于热脆状态，会将低榫头承受冲击负荷的性能。所以将榫头下移，躲开热脆区，榫头与叶身之间即为中间叶根。它由于不与盘配合，虽然也承受冲击负荷，但材料韧性有所降低，三不至于影响叶片榫头强度，这样就弥补了材料的热脆弱点。至于后面各级，虽然由于逐级焓降，使温度随着而降低，但叶片系实心，没有进行冷却，因而叶根处温度仍然处于接近材料热脆性的温度区。所以采用中间叶根结构均有意义。 这种结构还可以减少叶片对盘的传热。两个中间叶根构成的空腔，通过冷却空气使盘与榫头的温度降低。并趋于均匀。这样不仅可以减轻盘与榫头的热负荷，而且可减轻盘的重量。由于盘的温度较低故可采用铁基合金。 1.1.3气冷式叶片的结构 1． 对流冷却 这是将冷却空气从叶片内若干专门冷却孔道流过，通过流动的冷却空气与叶片壁面的热交换将热量带走，使涡轮叶片本身温度降低，达到冷却目的。 2． 气膜冷却 冷却空气由叶片端部进入叶片内腔，通过叶片壁面上大量的小孔流出，在叶片表面形成一层气膜，将叶片的表面一炙热的燃气隔开，达到冷却叶片的目的。气膜冷却的效果比对流冷却式好。 3． 发散冷却 这种冷却方式的叶片是用疏松多孔的材料制成，冷却空气从叶片内腔通过叶片壁面上无数微孔渗出，就像出汗一样。一方面从壁面上带走热量，另一方面在叶片表面形成一层气膜，将叶片与燃气隔开达到冷却目的。 4． 喷射式冷却 这是一股或多股冷却空气射流正好顺着被冷却表面，强化局部的换热能力，增强冷却效果，因此它适应于局部高温区强化冷却，如叶片前缘。从换热的原理来看，喷射冷却实质上仍属于对流冷却，主要由于冷却空气的流动方向不同而另行命名的，所以采用喷射冷却时，总会伴随着一般的对流冷却。 1.2 航空发动机涡轮叶片的材料 由于涡轮叶片的工作环境十分恶劣，因此，对涡轮叶片使用的材料就提出了很高的要求，下面就对涡轮转子和涡轮导向叶片所使用的材料分别来讨论。 1.2.1涡轮转子叶片 转子叶片不仅处于有腐蚀性的燃气包围中，而且还受高温和高应力的作用，因此，对材料的要求为： 1．要求高的热强度，即要具有高的持久强度极限和和蠕变极限。 2．在高温下有高的抗氧化及抗腐蚀的能力，即热安定性好。 3．足够的塑性，好的抗热疲劳及机械疲劳性能。 4．具有良好的物理性质，如导热性好，线膨胀系数小等。 5．具有良好的工艺性。 在选择叶片材料时，首先考虑的是工作温度，而且常把它选得很保守些，即工作温度比材料实际能承受的低一定数值，以保证有足够的寿命。 当温度在700~800℃以下时,可用镍基高温合金GH32、GH33等材料，在800~850℃时可用GH37，在850~900℃时可用锻造镍基合金GH49，热强较高。由于提高材料热强度的主要途径是增加合金元素，这样势必给工艺性带来困难。目前GH49的铝、钛等合金元素含量已高达5%以上，其强化程度已使合金的塑性降低到变形加工最低要求的边缘。我国自行研制的K5、M17等镍基铸造高温合金，在性能上已赶上了和超过了GH49，可用到950℃左右。 目前正在逐渐获得采用的定向凝固铸造新工艺，可以把涡轮叶片制成强度最大的方向与叶片受力最大的方向相平行，从而具有更高的断裂强度，更好的热疲劳强度、塑性以及更小的裂纹扩展率，因此特别适用于高温长寿命的涡轮叶片。 1.2.2涡轮导向叶片 导向叶片是涡轮部件中温度和承受热冲击最厉害的零件，但它不像转子叶片那样要 承受巨大的离心力，因此它对材料的要求为： 1．下有高的抗氧化和抗热腐蚀的能力。 2．具有良好的抗热疲劳与抗热冲击的性能以及足够的耐热强度。 3．具有良好的铸造工艺性，特别是铸造的流动性能好。 原则上，转子叶片所用材料中适宜于铸造的均可用于导向叶片。目前，为了进一步提高涡轮转子叶片与导向叶片的高温性能，发展涂层技术已成为 重要措施之一，它即能防止基体的氧化腐蚀，又能起到良好的隔热作用。 2 涡轮叶片的常见故障分析 叶片的故障和故障模式随不同的工作环境影响有所不同。常见的故障现象有：外物损伤、强度不足和高低周疲劳损伤，其中以疲劳损伤为多。下面我们对涡轮叶片工作和常见故障进行分析。 2.1 涡轮叶片工作分析 涡轮叶片是航空发动机最主要的结构之一，是高温高负荷结构复杂的典型热端构件。工作的环境十分恶劣，下面我们对涡轮叶片工作进行分析主要有以下四点： 1．涡轮叶片承受高温燃气腐蚀； 2．高温、高压、高速气流冲击； 3．燃气流经涡轮叶片通道，膨胀做功，推动涡轮旋转，带动压气机转动，从而冷却叶片前缘、中弦段。冷却气流反流裕度达11%； 4．叶片中部和后缘冷却气流部分流入后缘内腔至后缘孔流出去。小部分气流经由气膜和叶尖帽孔流出去。其余的蛇形气流由空心孔流出去。 2.2 涡轮叶片常见故障分析 外物撞击使叶片断裂或损伤。热疲劳在内的低循环疲劳，振动引起的高循环疲劳，高温长时间载荷作用下的蠕变变形和蠕变应力断裂，故障叶片断口组织，剖开带裂纹和损坏的叶片，进行断口分析，发现破坏是由高、低周期循环疲劳造成，有较清晰条纹。裂纹起始于叶背、壁面及喷嘴中心冷却孔与平台以23—25mm的内部前缘交线上。还有的裂纹出现在叶背与叶盆的鱼鳞状孔处。金相分析对未经修理和修理过的叶片翼展方向和弦向横截面断口分析表明，许多二次裂纹出现在涂层及内外叶片壁面冷却孔薄边及交界地方。裂纹经常穿透到叶片材料中去。故障主要由前缘冷却孔的高、低循环疲劳引起的。前缘壁厚不足，前缘气流、反流裕度、回旋气流和叶背前缘壁厚，都是故障发生的四个关键参数。 工作时，叶片在离心力或温度场不均匀的作用下拉长或转子不平衡变形偏心，造成机匣与叶片擦伤。高温燃气腐蚀，使叶片表面出现很粗糙的麻坑现象和烧蚀、氧化、涂层掉块或缺失、凹坑、毛刺和冷却孔堵塞等。热腐蚀、热疲劳、叶背出现细小成片的龟裂现象。 3 涡轮叶片修理前处理及检测 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。 3.1 机上孔探检查 涡轮叶片的机上孔探检查，就是利用发动机涡轮机匣壳体上的探视孔，使用孔探仪，对涡轮叶片进行可视检查。这种技术手段不必分解发动机，在飞机上就可以进行，简便快捷。孔探检查可有效发现涡轮叶片的烧熔，腐蚀、掉块、裂纹，积碳和冷却孔堵塞等损伤缺陷情况，从而有助于了解、掌握涡轮乃至整台发动机的技术状态和健康状况。完全彻底地检查出涡轮叶片部位的危及飞行安全的故障隐患，保证发动机正常可靠运转。如西北航空维修基地在对A310飞机的JT9D发动机进行视情检查和A级定检时，使用孔探技术多次发现高压涡轮转子叶片和导向叶片变形、烧蚀、裂纹及被外物击穿痕迹，及时进行了换发处理，避免了飞行事故的发生。 对于涡轮叶片的不同部位，孔探检查的目的也不相同。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，检查热障涂层的剥落情况和基体的烧蚀、腐蚀情况；叶根部位，由于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。随着孔探技术的发展和实际应用的需求，孔探仪也不断发展更新，由最初的光学棱镜及后来的光纤镜，发展到目前先进的电子成像视频内窥镜系统。如美国WELEH ALLYN公司的VIDEO PROBE2000视频成像系统。这种系统不但解决了光纤镜易折、有效探测范围小的弊端，并且能够提供高分辨率、高清晰度、广可视范围的高质量的图像。由于系统采用微机控制，自动化程度高，操纵简便，且可对图像进行数字化存储，这有利于使用高性能的计算机应用图像处理软件对检测图像重现，以进行更深层次的分析处理，从而不但能定性检查——发现缺陷部位、类别与性质，而且还能定量检查——确认缺陷的长度、深度等具体情况。随着网络通信技术的发展，也可将视频信号远距离传输，进行远程监测与故障诊断。 3.2 修理车间检测前的清洗预处理 涡轮叶片表面黏附有燃料燃烧后的沉积物以及涂层和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。由于积炭增加了叶片的厚度，改变了叶片问原有的燃气通道，致使涡轮效率下降；另外，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，要进行除积炭清洗。 积炭质地坚硬，黏附力强，尤其是热蚀层，组织结构致密、与基体金属结合力极强。因此，在保证叶片基体金属不腐蚀的前提下，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的技术的基础上，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，清洗效果良好。SENCMA公司在2O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，这种方法可有效地清除叶片表面的氧化物、硫化物以及氮化物，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。用HF清理是在一个封闭系统中进行的，副产物为氯化钠和氟化钠，不存在污染问题。 3.3 叶片完整性检测 以前，通常用角规、卡尺等“硬”测量仪检测航空发动机涡轮叶片的叶身尺寸，虽然技术简单易行，但存在易受检测者人为因素影响，检测精度低、检测效率低等缺点。后来，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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 时型比较；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。 不同的CMMS制造商所采用的测量方法有所不同。如美国EDA公司的TFSCAN软件系统，用CMM在叶身各高度区建立检测环，自动检测高度截面和整个叶身的几何形状；而德国的ZEISS公司的CMMS幅，则采用测头恒接触叶片表面型线运动，同时不断采集数据(每个检测微小区域可采集近1000个数据点)，以扫描检测叶身几何形状；以色列ELOR公司的VIDI系统，叶片做360°旋转，采用多个激光测量头及其控制微机同叫工作，最后由平面图像合成叶片的三维立体图。 尽管各制造商的CMMS所采用的具体技术有所差别，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1min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。 3.4 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酞陷情况，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，检查热障涂崖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，因此要重点捡查。 在实际检测中，目视检查是最简单也是最常用的方法，它可发现叶片表面较明显和尺寸较大的损伤，但具有很大的人为不确定因素，检测误差较大；光学显微检查可发现叶片表面较细微的裂纹；磁粉、涡流、渗透着色等无损检测技术手段电已广泛应用到涡轮叶片的检测中。但较为先进的是用超声波和CT检测叶片结构完整性。 超声波和计算机辅助层析X射线摄影(CT)是常用于人体内部器官组织的深层造影检查的技术手段，正像许多医学检查技术已被移植应用于航空发动机的状态监测与故障诊断一样，超声波和CT也被用来检测涡轮叶片的结构完整性。 早在20世纪80年代初，美国SONOSCAN公司就已开发以激光扫描超声显微镜为代表的超声检测技术，用于叶片的实时光成像检测。后来，美国NUCON检测设备公司又研制了检测大型发动机转子及转子叶片完整性和内部裂纹的NIPSOAN系统，此系统由超声波传感器夹具、超声波裂纹探测器和一个计算机系统组成。 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技术方法。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寸。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0.01mm级的裂纹。 4 涡轮叶片的常见故障修理 涡轮叶片是涡轮发动机热端部件，处于高温、高压、高冲击的恶劣环境，是工作负荷最重的一种零件，除承受巨大的拉应力外，还承受频率、幅值变化很大的交变拉应力和扭转应力，而且价格昂贵，每片达几千美元。所以，涡轮叶片与热端部件的寿命往往是现代高性能喷气发动机最低寿命周期费用的决定性制约因素。 因此，能够掌握涡轮叶片的常见故障的特征及维修方式，不但能够保证航行安全，还能大幅降低费用。本章就此出发，对涡轮叶片的常见故障的排除做简要的归纳。 4.1 涡轮转子叶片故障修理 为了使叶片能在1500℃以上的高温工作，叶片表面需要涂层。两级叶身表面都用化学气相沉积涂层PWA275(铝化合物), 化合物在真空炉高温下以气体形式分解成Al 吸附并沉积到叶片的表面上形成涂层。现在为使叶片内部和其他地方免受腐蚀，也应用保护涂层PWA275, 并在底座的袋状部喷上涂层PWA545（钴铝混合物）。发动机经常由于第一级叶片叶尖的烧蚀使EGT(发动机排气温度)裕度达不到要求，因而用更耐腐蚀、更耐磨的立方氮化硼(CBN)来代替现有的耐磨剂，对叶尖进行喷涂。这用到叫TURBOTIP的技术，一种类似真空钎焊的方法。当叶片被怀疑受高温破坏时，就要进行高温检验。把受检叶片沿前缘、后缘、中弦线和根部切成9个样本，经镶嵌，研磨，抛光后，放在1000倍的显微镜底下观看其金相组织结构。叶片长度如果以前被维修过，上面都会有编码，根据编码可判断维修情况。把叶片安装在特殊的工装上，测量出叶片的长度是否跟它以前的维修相吻合，以及是否需要进一步维修。 维修前，须先做检验。X射线用来检验叶片内部是否有裂纹，内腔有无不需要的材料、金属掉块以及壁厚形状有否突然变化。在去除涂层后，用超声波设备检验壁厚。如果发现叶片需做进一步维修，如顶部焊接或更换涂层，需在真空炉中先对叶片进行热应力释放。当发现叶片比较脏，首先是化学浸泡清洗，去掉里面的重腐蚀物；再用强力的循环清洗设备去掉残渣，再用沸水进一步清洗；最后把清洗完的叶片放在纯水中进行导电测试，确定有无杂质，以判断叶片是否彻底清洗干净。 当发动机有压气机破坏时，还需对10%的叶片做孔探检查。用热显像的方法来判断叶片表面涂层的状况。用吹砂使叶片表面光洁后，在580±13℃温度中保留1h，冷却后呈金黄色为表面涂层仍然存在，淡金黄色为扩散涂层存在，蓝色则表示没有任何涂层了。如果涂层剥落面积小于2.903cm²，而且表面没有腐蚀，可用铝硅混合物PWA596或钴铝混合物PWA545进行局部修补，也可用化学气相沉积直接覆盖上涂层PWA275。否则必先去除全部涂层，要先用铝氧干吹砂的方法去掉表面涂层，再用化学溶剂浸泡出扩散进机体的涂层，共进行三次的浸泡，约4h。然后除脂、超声波清洗并用热显像判断涂层是否完全除去。在叶身表面吹砂后，用化学气相沉积的方法在它上面附上一层涂层PWA275，用电炉干燥后（80℃、15分钟），再进行真空热处理使涂层进一步扩散进机体，底座涂层的热处理与叶身表面涂层的热处理可一起进行。 叶尖的涂层厚度有要求，当最小的厚度不到0.6mm时，就要进行维修，继续喷上耐磨材料，或用TURBOTIP的修理技术，在顶部加上立方氮化硼(CBN)物质。 最后要在气动平台上测量叶片两个通道的气流量。如果发现不正常时，可用探针设法使堵塞的孔回复正常，否则就需用EDM重新打孔，里面的残渣可用超声波清洗掉。去除涂层后，裂纹就更容易显现出来。与叶尖平行的轴向裂纹以及叶尖下大于2.5mm的裂纹是不允许的，而且裂纹间最小距离不能小于4.8mm。叶片前缘烧蚀或裂纹大于2.54mm，另外其厚度在测量位置小于要求也不允许。 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，即先堆焊上台适的材料PWA795，把表面打磨光滑后，用激光堆焊以达到要求的厚度，接着进行手工研磨、抛光成形到需要的叶尖长度，再在真空炉中进行应力释放，当然不能堵住叶尖上的两个冷却孔。钴基合金抗热腐蚀性能好，是一种合适的堆焊材料。除焊修外，低压等离子喷涂McrAIY涂层，已成功地用于修复叶片的顶部了，涂层厚度为2.03mm。当用焊接方法修补叶片时，若叶片后缘或顶部的冷却孔被堵塞或在孔边产生了裂纹、可以先将孔焊死、再用高能电子束或激光束钻孔。 叶身上有的裂纹只要没超过限制是允许存在的，否则要打磨掉，但所有的腐蚀必须去除，这要用一种较强的铝氧干吹砂的方法或直接打磨。焊接完并上了涂层后，放叶片在研磨石中研磨，使涂层主要的面应达到1.6RA的光洁度，以保证发动机气流流动平稳。之后，要对叶根进行喷丸处理以提高表面压应力，提高抗疲劳、抗腐蚀能力，接着进行水流测试，以去除里面多余的杂质；再用X射线检查内部的状况；最后进行气流测试，检验是否达到要求。 第二级叶片与第一级不同的是：第二级的根部多了一个挡片，需经常更换。而且第二级叶片的涂层受到破坏比较少，这与它的周围环境有关。 如叶片已断裂或裂纹太大，以及过烧使叶片组织完全损坏，则直接换件不予修理。 4.2 涡轮导向叶片故障修理 发动机的最高温度位于高压涡轮第一级导向叶片的前面，所以导向叶片很容易受破坏。在检验导向叶片时，通常根据它的使用时间、工作状况来决定它适用于哪一级别的维修，当然这还需要通过一系列的检验来辅助判断。 通常，如果一个静止叶片表面较好的话，可通过热显像来判断涂层存在的状况。即先用较小的压力沿发动机气流方向在叶面上吹砂，使表面干净，然后把叶片放入580℃±13℃的炉中保留1h，冷却后在空气中观察。显金黄色表明附加涂层存在，呈褐色表明扩散涂层存在，而蓝色则表明只有底层金属了。如果涂层剥落面积小于3.226mm²，而且表面没有腐蚀，可用钴铝混合物来进行局部修补。检验涂层后，在气动平台上再通过气动流量测试检验其各个通道气流是否符合规定要求，不合格时需进行大修。 检修时，首先要去除表面的陶瓷涂层，这可以用铝氧干吹砂的方法(沿着发动机气流的方向，用0.42—0.55MPa的压力、102mm的距离去除这个涂层)。此外，用超高压水(压力为379.2MPa)是一种更强的去除陶瓷涂层的方法。去除陶瓷涂层后，接着用化学方法去除底涂层(扩散涂层)，主要用盐酸(60—71℃)多次浸泡，并通过上面提及的热显像来判断涂层是否全部移去。这种去除底涂层的方法会使叶片的厚度变薄，所以不能多次使用。去除涂层后，如果发现表面裂纹的宽度大于0.51mm，或者热腐蚀、磨损深度大于0.76mm，须用氩弧焊方法修理；如果小于这些数值则用真空钎焊来修补。在准备做钎焊之前，需先对导向叶片做壁厚测量(超声波测量)以确定是否能继续维修，并彻底将导向叶片清洗干净。清洗的方法通常有HF氟化氢脉冲清洗(去除氧化物)或H2清洗(去除氧化物)；此外，还可采用真空清洗(去除不连续的氧化物)，在真空炉中最高温度达llO0℃左右。可以用样品控制零件是否清洗干净，采用的方法是将样品同零件一起清洗，而后送到实验室做显微检查，以确认清洗是否合格。这种清洗有别于一般的化学浸泡清洗、超声波清洗和强力循环冲洗(只是去除叶片内部的颗粒)。零件清洗干净后，接着进行钎焊。填充材料由3种原料混合而成，40％Co-246(PWA1185—1)，60％Co-222(PWA1185—2)，另加10％凝固剂。填料不允许流进叶片的内腔，叶片的后缘要用石英针和介质堵住以阻止合金流入。在真空炉中进行扩散热处理后，用化学溶液浸出石英针，打磨掉多余的填料，用EDM打开堵住的底孔，并进行超声波清洗。接着在低真空状况下喷涂上多重等离子底涂层LVPS(Low Pressure Vacuum Plasma Spray Coating)，粉末类型为AMDRY386。在1079℃±14℃温度的真空炉中保留1h，让涂层充分扩散到叶片机体中。研磨成形后，接着喷上等离子陶瓷涂层APS(Air Plasma Spray Coating)，粉末类型为AL1075(92％ZrO28％Y2O3)。当然喷涂过程也要通过样块来控制(测其金相硬度是否达到规定要求)。研磨表面使叶身达到粗糙度Ra2.5µm，其他面达到粗糙度Ra3.25µm (在350kg研磨石、6kg研磨膏、2kg研磨粉、2L水的研磨机中研磨)。 清洗干净后进行激光钻孔(冷却孔)，再用超声波清洗并去除冷却孔的毛边，最后在气动平台上检查气流是否符合要求，整个修理过程即告结束。 第一级导向叶片还涉及到上下冷却挡板和内部冷却导流管的维修，它们都采用激光焊接的方法焊接上去，可在研磨石中研磨抛光后继续使用，每次去除涂层前都要先拆下并打磨它们，其他修理工作完毕后才焊上它们。由于第二级的导向叶片是双叶组，有分解与装配的问题，如果其中一个叶片需报废，只能换上另外一个新件，这主要因为其他旧件与底座的铆钉孔一般不能相配。第二级导向叶片有蜂窝状的封严，它的更换也采用真空钎焊的方法。 如叶片已断裂或裂纹太大，以及过烧使叶片组织完全损坏，则直接换件不予修理。 4.3 预防性修理 为防止叶片出现过热损伤、热疲劳、高温燃气腐蚀等故障的产生，采用提高材料的抗热性能，抗疲劳性能和抗高温燃气腐蚀性能。在大修中，对涡轮叶片全部进行真空等离子法喷涂扩展涂层，即Ni-Cr-Al-W系涂层。四元共渗后的涡轮叶片，塑性大大提高耐热性及其他工作性能都有所提高，耐热稳定性好。 随着使用时间的累积，涡轮叶片金属材料的内部发生无数微小的空洞。这是金属材料在高温下受交变应力而使结晶粒分离的初期过程，是金属老化现象。为使老化的材料恢复原有的性能，可采用在高温下将流体静压力加给材料的热等静压法是有效的，若把老化的材料进行热等静压处理，其疲劳寿命可恢复到与新材料相同的水平。热等静压处理装置最高压力可迭202.6MPs (2000大气压)，温度可升高到1450℃，使用时可将压力容器盖用轭铁的门型结构件压住，也可把压力容器盖塞进螺钉型装置内。 5 国内外先进的叶片修理技术 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。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。 在第四章我们就提到了一些先进的叶片维修技术，本章将重点讲解目前国内外在涡轮叶片修理中所应用的工艺和技术。 5.1 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、腐蚀所导致的缺陷足度在允许修理范围内，则对其进行修补，前先进的修补方浩有以下几种。 一是活化扩散愈合法，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台金粉末“注入”裂纹中。通过液相烧结使焊接合金同时向高温台金粉末和基体金属中扩散，从而使裂纹得到愈合。具体工艺是，把由叶片基体材料成分相同的高温台金粉末以及钎焊黏结剂、低熔点活化扩散焊接合金(通常含有铬、铝、钽及钻，并填加2.4％的硼以降低熔点)所组成的裂纹修补材料制成浆料，用气压式灌注器填入裂纹中一在真空或惰性气体中(如氩气)，叶片被分段加热至1205℃并保持30min，在液相烧结过程中，焊接台金熔化并使基体合金粉末“铸造成裂纹形状与基体金属融合用这种工艺可修理大约1.30ram宽的裂纹和不大于150ram的缺陷。活化扩散愈合法的显微金相检验表明，基体金属与修理后获得的金属都具有均匀的材质并有相近的物理性质用于修补的混合物的组分、比例很重要，对修补的质量有决定性作用，其配方由维护手册中给出或由试验所得。 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、缺陷处的台金粉末，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。激光熔覆的熔化主要发生在外加的纯金属或合金中，基材表层微熔的目的是使之与外加金属达到冶金结合，以增强包覆层与基材的结合力，并防止其他元素与包覆元素相互扩散而改变包覆层的成分和性能。激光熔覆所获得的包覆层组织细小，一般无气孔和空穴。 5.2 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捍来修复，即先堆焊上台适的材料．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：美国GE公司采用Ren6142合金作为叶尖修复材料．采用堆焊法之前先将叶片在氯气中加热至高温以避免微裂纹的产生。经验表明，Ren6142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McrAIY涂层，已成功地用于修复叶片的顶部了，涂层厚度为2.03mm。 JTSD、J1 D发动机叶片上用于密封的篦齿损伤后，也用上述的堆焊修复方法。在磨剩的残根上堆焊，可用等离子电弧焊、电子束焊或达波法惰性气体保护焊等焊接方法。 当用焊接方法修补叶片时，若叶片后缘或顶部的冷却孔被堵塞或在孔边产生了裂纹、可以先将孔焊死、再用高能电子束或激光束钻孔。 5.3 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．底循环疲劳的修复； 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。 5.4 喷丸强化 喷丸是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13.12mm—0.75mm，改变喷丸参数，也可以得到台适的变层深度。当喷丸引起叶片表层材料塑性变形时，与表层柜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仲应力。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。 叶根处的喷丸尤为重要，通过残余压力场，增加表面残余压应力，使表面实际承受的交变拉应力水平降低，提高抗疲劳性能，避免裂纹的生成。 5.5 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曲气动效率、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踩层进行修复，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诛层，以提高叶片的工作可靠性和使用寿命。目前，涡轮叶片所应用的潦层种类主要有抗氧化耐腐蚀涂崖、MCrAIY金属基陶瓷热障涂层、耐磨淙崖(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．热喷缘工艺：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屡的方法。 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垒属表面，此工艺受到工装设备的限制，应削较少。 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中广泛应用，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先进修理技术应用不多，因此，在本章举例中提到我们国家的维修技术就很少，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。 6 结论与展望 在论文撰写过程中，我认真复习了几年来学习的航空发动机原理和构造方面的知识，查阅了大量的航空发动机工作叶片常见故障研究与修理的资料，在老师指导下，一边学习，一边整理这些资料，最后形成一篇比较完整的毕业论文。现将轴流式涡轮喷气发动机工作叶片常见故障及其修理技术总结如下： 1、航空发动机在使用一个寿命后，都要进行翻修。每次翻修时，都要按照具体规定坼卸有关零部件，并用专用溶剂进行清洗，还要用各种无损检测的方法，检查零部件的故障情况。 2、轴流式涡轮喷气发动机工作叶片最常见的故障是裂纹、叶尖磨损、腐蚀和掉块。裂纹主要是热应力和疲劳载荷以及振动综合作用的结果；叶尖磨损主要是离心力或温度场不均匀的作用下拉长或转子不平衡变形偏心而造成的；腐蚀和掉块则是由于高温燃气作用后引起的。 3、在发动机工作叶片的检测中，主要用孔探仪检查叶片的表面故障；超声探伤、涡流探伤的方法主要检测表面和次表面裂纹；在维修时针对具体裂纹、腐蚀、磨损和掉块故障，采用打磨、抛光、激光堆焊、等离子电弧焊及钨极惰性气体保护焊来修复或喷丸强化处理的方法以增加表面压应力，从而提高抗疲劳和抗腐蚀能力。 本文在整个 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 的安排和结构上，都以航空发动机涡轮叶片的检测、故障分析和修理为主线；而叶片的用材和结构则作为基础予以简要说明；并较为详细的介绍了国外涡轮叶片的先进维修技术。作为撰写航空发动机工作叶片维修方面的毕业论文，本应以具体的故障叶片为例，详细地研究故障的现象、原因和修理工艺。并通过这次实践，总结出叶片的维修过程和方法。但是由于我院的实际条件不能进行这方面的工作。因此，我主要是在网上和图书馆查资料，还和老师交流；而后完成了论文。在查阅资料的过程中，我认为孙护国和霍武军编写的航空发动机涡轮叶片修理检测技术和技术，对我影响很深刻，我感觉该资料内容丰富，介绍的修理技术先进，在此仅向大家推荐。 以后，若有同学做《航空发动机涡轮叶片常见故障与修理》的论文，我希望能将重点放在涡轮叶片的涂层方面进行研究。因为随着高性能航空发动机涡轮进口温度日益提高，涂层技术在涡轮叶片上得到广泛应用。目前，国内外解决这一问题的方法就是在涡轮叶片表面溶覆防护涂层，以提高其抗氧化、抗腐蚀和耐高温性能。 参考文献 [1] 杜建云 航空燃气涡轮发动机工作叶片 中国人民解放军空军工程学院1986，8 [2] 西安航空职业技术学院 航空发动机构造 [3] 林尚峰 高压涡轮导向叶片的维修2006，9 [4] 林尚峰 高压涡轮转动叶片的维修2006，2 [5] 孙护国，霍武军 航空发动机涡轮叶片修理技术2002，6 [6] 孙护国，霍武军 航空发动机涡轮叶片的检测技术2002，1 [7] 白瑞金，张利国 涡轮叶片修复及其市场分析2002，12 [8] 张建平 德国MTU公司民用航空发动机高压涡轮叶片维修技术2004 [9] 周海清 航空发动机修理 第二版，中国人民解放军空军装备部2004