航空發(fā)動機渦輪葉片修復(fù)中的裂紋控制

韓曉東　楊秀娟

摘 要：航空發(fā)動機是飛機的動力核心，隨著我國航空事業(yè)的發(fā)展，我國加快了對于航空發(fā)動機的研制步伐，通過引進(jìn)、研發(fā)、生產(chǎn)的這一發(fā)展戰(zhàn)略提高我國航空發(fā)動機的效率和使用壽命。在航空發(fā)動機的各組成部件中，渦輪葉片是其中最為重要同時也是受負(fù)荷最大的部件，渦輪葉片在工作的過程中會承受著高溫燃?xì)獾母咚贈_刷、撞擊、黏著磨損等從而使得渦輪葉片的使用效率和使用壽命持續(xù)下降。并導(dǎo)致渦輪葉片的葉冠間隙增大進(jìn)而影響到渦輪葉片葉冠的阻尼效果，嚴(yán)重的會導(dǎo)致渦輪葉片在工作中斷裂從而威脅到飛機的飛行安全。在航空發(fā)動機使用一段時間進(jìn)行檢修時需要對渦輪葉片進(jìn)行檢查處理，通過采用焊接的方式消除渦輪葉片葉冠阻尼凸臺缺陷，并注意做好堆焊處理后渦輪葉片焊接處的裂紋控制和處理。提高渦輪葉片的使用效率和使用壽命。

關(guān)鍵詞：渦輪葉片；葉冠；裂紋；堆焊

中圖分類號：V232 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0166-02

前言

航空發(fā)動機渦輪葉片在長時間的使用后會導(dǎo)致渦輪葉片葉冠出現(xiàn)阻尼凸臺，這一缺陷的存在會對航空發(fā)動機的正常使用造成較大的危害。通過采用氬弧焊堆焊的方式來對渦輪葉片葉冠阻尼凸臺進(jìn)行處理的過程中發(fā)現(xiàn)在渦輪葉片葉冠焊接處存在焊接熱裂紋，為確保渦輪葉片的使用壽命，在做好渦輪葉片葉冠阻尼凸臺焊接裂縫分析的基礎(chǔ)上通過對渦輪葉片葉冠阻尼凸臺氬弧焊堆焊工藝進(jìn)行改進(jìn)用以消除熱裂紋缺陷，保障航空發(fā)動機渦輪葉片的安全、高效的使用。

1 航空發(fā)動機渦輪葉片葉冠阻尼凸臺焊接熱裂紋產(chǎn)生的原因

某航空發(fā)動機在長時間使用后進(jìn)行檢修的過程中發(fā)現(xiàn)渦輪葉片葉冠存在阻尼凸臺從而使得航空發(fā)動機渦輪葉片的阻尼效果變差。航空發(fā)動機渦輪葉片采用K403型號的材質(zhì)，為做好航空發(fā)動機渦輪葉片的維修通過采用航空發(fā)動機渦輪葉片葉冠阻尼凸臺氬弧焊堆焊的處理方法，在對航空發(fā)動機渦輪葉片葉冠阻尼凸臺焊接處理后檢查后發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動機渦輪葉片焊接處存在焊縫熱影響區(qū)裂縫，從而對航空發(fā)動機渦輪葉片的安全使用埋下了安全隱患。為提高航空發(fā)動機使用的安全性需要做好航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋產(chǎn)生的原因分析并針對性的對航空發(fā)動機渦輪葉片的熱焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，以確保航空發(fā)動機渦輪葉片的修復(fù)質(zhì)量。

在對航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)進(jìn)行分析時為避免裂紋對顯微觀測結(jié)果造成影響，在對航空發(fā)動機渦輪葉片進(jìn)行分析的過程中采用金相分析、電鏡掃描觀測、能譜儀相配合的方式來做好對于裂紋的分析，用以對航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋的產(chǎn)生機理進(jìn)行分析用以對后續(xù)的航空發(fā)動機渦輪葉片熱焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)，提高航空發(fā)動機渦輪葉片的焊接效果。

航空發(fā)動機渦輪葉片裂紋觀測結(jié)果：

通過對航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋采用上述方法進(jìn)行觀測后發(fā)現(xiàn)，裂紋主要產(chǎn)生于葉片熱焊縫與基體相融合的區(qū)域和焊接熱影響區(qū)，裂紋整體呈橫向分布，裂紋的長度極小為0.3mm，裂紋呈棗核形狀中間粗兩頭細(xì)，且向焊縫和航空發(fā)動機渦輪葉片的葉身的方向密集延伸，對于航空發(fā)動機渦輪葉片的使用效果造成的影響較大。裂縫斷面在檢查中并未發(fā)現(xiàn)與焊接缺陷相關(guān)的疲勞裂紋源以及重融、邊界熔化等的缺陷現(xiàn)象。因此排除了航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋是由于焊接缺陷所導(dǎo)致的。此外，出現(xiàn)航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋的葉片經(jīng)過試車和未經(jīng)過試車的各占50%左右，因此可以排除航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋是由于焊接后的試車所導(dǎo)致。通過對航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋進(jìn)行斷面觀測后發(fā)現(xiàn)，在航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋處有著極為明顯的藍(lán)色顯示，通過對藍(lán)色顯示區(qū)域進(jìn)行清洗后藍(lán)色顯示區(qū)域仍然存，井檢查分析后確定為有藍(lán)色為氧化色，這一藍(lán)色區(qū)域能夠有力的證明航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋是在高溫下所產(chǎn)生的，并與高溫有著密切的聯(lián)系。在對航空發(fā)動機渦輪葉片進(jìn)行氬弧焊堆焊的處理過程中需要經(jīng)過退火和試車這兩個高溫狀態(tài)，而航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋的產(chǎn)生與這兩個工藝環(huán)節(jié)密切相關(guān)。在此對藍(lán)色顯示區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的觀測，發(fā)現(xiàn)顯示區(qū)域顏色有著較為明顯的分層，因此可以初步斷定航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋形成于退火工藝環(huán)節(jié)。航空發(fā)動機渦輪葉片所使用的K403合金屬于鎳基高溫合金其能夠在高溫條件下仍保有良好的高溫強度，但是其焊接性較差容易在焊接的過程中導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生，結(jié)合航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋所顯現(xiàn)的形態(tài)，初步斷定航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋為航空發(fā)動機渦輪葉片熱焊接后所產(chǎn)生的焊后延遲裂紋，在了解航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上可以通過對航空發(fā)動機渦輪葉片氬弧焊堆焊焊接的工藝進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，提高焊接質(zhì)量，消除裂紋隱患。

2 做好航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋的消除

航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋屬于熱焊接后的延遲裂紋，在氬弧焊堆焊焊接后的建材過程或者能夠由于裂紋作用在焊接熱影響區(qū)域的內(nèi)部并未擴展至葉片的表面導(dǎo)致使用熒光探傷法未能及時檢出裂紋，為提高航空發(fā)動機渦輪葉片氬弧焊堆焊修理后的質(zhì)量需要采用合理的焊后檢測方法。改用射線探傷法來取代熒光檢測法，利用射線探傷法的穿透特性來對焊接區(qū)域進(jìn)行探傷檢測，用以更強精確、高效的對航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)的裂紋進(jìn)行檢測。由于射線檢測法存在著精度差的詬病，為提高射線檢測法對航空發(fā)動機渦輪葉片焊接后熱影響區(qū)裂紋的檢測精度需要在結(jié)合射線檢測法檢測原理的基礎(chǔ)上通過對射線照射法所成像的對比度、顆粒度以及清晰度進(jìn)行處理，通過采取提高對比度、降低成像后的不清晰度，通過進(jìn)一步地細(xì)化成像膠片的顆粒用以獲得更好的航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋檢測質(zhì)量。通過對成像的對比度進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在透照方向上的厚度差越大則底片的梯度也相應(yīng)的越大，從而使得成像照片的對比度越高。在降低成像照片的不清晰度方面，通過公式分析后發(fā)現(xiàn)，焦點尺寸與焦距成反比關(guān)系，工件的厚度越薄則成像后的不清晰度越低，能夠獲得更高質(zhì)量的成像精度。顆粒度是鹵化銀顆粒的尺寸和顆粒在乳劑中分布的隨機性的數(shù)據(jù)反映。做好射線探傷法的成像，提高成像精度還可以通過減少底片顆粒度的方式，底片的顆粒度與底片中所含有的鹵化銀以及射線探傷時的射線能量、曝光量有著密切的聯(lián)系。綜上分析，在提高航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋的檢測時需要注意做好對于航空發(fā)動機渦輪葉片的放置，以航空發(fā)動機渦輪葉片的葉冠來作為透照面使得其與射線探傷法時射線的方向保持垂直，用以提高射線的透射度，提高照片中的對比度。在確保射線穿透力和底片黑度的情況下盡可能的采用低電壓、長時間、大焦距的透照參數(shù)，降低不清晰度。endprint

通過對航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋進(jìn)行金相檢查，依據(jù)金相檢查中所顯現(xiàn)出來的裂紋形態(tài)，懷疑為航空發(fā)動機渦輪葉片熱焊接處理工藝中所殘留的熱應(yīng)力所造成的。為了提高航空發(fā)動機渦輪葉片的修復(fù)質(zhì)量消除熱應(yīng)力所造成的裂紋，在改進(jìn)檢測工藝確保能夠?qū)娇瞻l(fā)動機渦輪葉片修復(fù)缺陷進(jìn)行合理的檢驗外同時還需要對航空發(fā)動機渦輪葉片氬弧焊堆焊的工藝流程進(jìn)行改進(jìn)消除航空發(fā)動機渦輪葉片氬弧焊堆焊后航空發(fā)動機渦輪葉片內(nèi)的熱應(yīng)力殘留。將原有的焊接修復(fù)工藝更改為退火-磨削-焊接-緩冷-退火-磨削-探傷檢測。更改后的航空發(fā)動機渦輪葉片熱焊接工序增加了一道退火的工序，這一道退火工序能夠使得航空發(fā)動機渦輪葉片修復(fù)焊接時所產(chǎn)的熱應(yīng)力堆積得到部分的舒緩，從而有效的避免了航空發(fā)動機渦輪葉片中的原有應(yīng)力與航空發(fā)動機渦輪葉片焊接所產(chǎn)的熱應(yīng)力疊加，從而降低了航空發(fā)動機渦輪葉片氬弧焊焊接后焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋的可能性。在航空發(fā)動機渦輪葉片使用氬弧焊堆焊修復(fù)焊接后需要及時的將航空發(fā)動機渦輪葉片使用石棉包裹好后及時放入溫度控制在200℃的保溫箱內(nèi)進(jìn)行2個小時的保溫，待到2個小時后再繼續(xù)對航空發(fā)動機渦輪葉片進(jìn)行退火處理。這一保溫過程中能夠有效的減緩熱應(yīng)力的釋放速度，通過降低熱應(yīng)力的釋放及堆疊來避免航空發(fā)動機渦輪葉片焊接熱影響區(qū)裂紋的產(chǎn)生。在磨削后增加退火工序，在對航空發(fā)動機渦輪葉片進(jìn)行磨削加工時要保持低進(jìn)給量，在磨削過程中需要做好對于航空發(fā)動機渦輪葉片的冷卻，減少在磨削加工中的應(yīng)力堆積。同時在磨削加工后再加入退火工序用以完全消除磨削所產(chǎn)生的應(yīng)力。通過對航空發(fā)動機渦輪葉片的修復(fù)焊接工藝進(jìn)行了改進(jìn)有效的提高了航空發(fā)動機渦輪葉片的焊接質(zhì)量。提高了航空發(fā)動機渦輪葉片的使用效果和使用壽命。

3 結(jié)束語

在航空發(fā)動機渦輪葉片氬弧焊堆焊修復(fù)過程中形成裂紋的原因十分復(fù)雜，材料、工藝以及去應(yīng)力手段等都容易導(dǎo)致航空發(fā)動機渦輪葉片在修復(fù)后出現(xiàn)裂紋。在對航空發(fā)動機渦輪葉片進(jìn)行焊接修復(fù)的過程中需要對各項影響因素進(jìn)行綜合的考慮，并做好對于各項因素的控制通過合理的選擇處理工藝及加工工序確保航空發(fā)動機渦輪葉片的修復(fù)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫紅梅，陳飛，王曉娟，等.航空發(fā)動機高壓渦輪葉片葉冠焊后裂紋分析及控制[J].失效分析與預(yù)防，2014，9（3）：162-166.

[2]宋文清，曲伸，石豎鯤，等.高渦葉片葉冠堆焊耐磨層熱影響區(qū)裂紋故障分析[J].電焊機，2014（6）：89-93.

[3]范秀杰，劉濤，經(jīng)留洋.某低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片故障再現(xiàn)疲勞試驗驗證[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（15）：126.endprint