Las cuchillas del motor de la aeronave se encuentran en un entorno de trabajo complejo y duro durante mucho tiempo, y son propensas a varios tipos de defectos de daño. Es costoso reemplazar las cuchillas, y la investigación sobre reparación de cuchillas y tecnología de remanufactura tiene enormes beneficios económicos. Las cuchillas del motor de la aeronave se dividen principalmente en dos categorías: cuchillas de turbina y cuchillas de ventilador/compresor. Las cuchillas de turbina generalmente usan aleaciones de alta temperatura basadas en níquel, mientras que las cuchillas de abanico/compresor utilizan principalmente aleaciones de titanio, y algunas usan aleaciones de alta temperatura basadas en níquel. Las diferencias en los materiales y los entornos de trabajo de las cuchillas de la turbina y las cuchillas de ventilador/compresor dan como resultado diferentes tipos comunes de daños, lo que resulta en diferentes métodos de reparación e indicadores de rendimiento que deben lograrse después de la reparación. Este documento analiza y analiza los métodos de reparación y las tecnologías clave que se utilizan actualmente para los dos tipos de defectos de daños comunes en las cuchillas del motor de la aeronave, con el objetivo de proporcionar una base teórica para lograr la reparación y la remanufactura de las palas de los motores de aeronaves.
En los motores de aeronaves, las cuchillas del rotor de turbina y ventilador/compresor están sujetas a ambientes duros a largo plazo, como cargas centrífugas, estrés térmico y corrosión, y tienen requisitos de rendimiento extremadamente altos. Se enumeran como uno de los componentes más centrales en la fabricación de motores de aeronaves, y su fabricación representa más del 30% de la carga de trabajo de toda la fabricación del motor [1–3]. Al estar en un entorno de trabajo duro y complejo durante mucho tiempo, las cuchillas del rotor son propensas a defectos como grietas, desgaste de la punta de la cuchilla y daño por fractura. El costo de reparar cuchillas es solo el 20% del costo de fabricar toda la cuchilla. Por lo tanto, la investigación sobre la tecnología de reparación de cuchillas del motor de aeronaves es propicio para extender la vida útil de las cuchillas, reducir los costos de fabricación y tiene enormes beneficios económicos.
La reparación y la remanufactura de las palas del motor de la aeronave incluyen principalmente los siguientes cuatro pasos [4]: pretratamiento de cuchillas (incluida la limpieza de cuchillas [5], inspección tridimensional y reconstrucción geométrica [6–7], etc.); Deposición del material (incluido el uso de la tecnología avanzada de soldadura y conexión para completar el llenado y la acumulación de materiales faltantes [8-10], el tratamiento térmico de recuperación de rendimiento [11-13], etc.); renovación de cuchillas (incluidos métodos de mecanizado como la molienda y el pulido [14]); El tratamiento posterior a la reparación (incluido el recubrimiento de superficie [15-16] y el tratamiento de fortalecimiento [17], etc.), como se muestra en la Figura 1. Entre ellos, la deposición del material es la clave para garantizar las propiedades mecánicas de la cuchilla después de la reparación. Los componentes y materiales principales de las cuchillas del motor de la aeronave se muestran en la Figura 2. Para diferentes materiales y diferentes formas de defectos, la investigación del método de reparación correspondiente es la base para lograr la reparación de alta calidad y la remanufactura de las cuchillas dañadas. Este documento toma cuchillas de turbina de aleación de alta temperatura basadas en níquel y cuchillas de ventilador/compresor de aleación de titanio como objetos, analiza y analiza los métodos de reparación y las tecnologías clave utilizadas para diferentes tipos de daños en la cuchilla del motor de aviones en esta etapa, y explica sus ventajas y desventajas.
Método de reparación de cuchilla de turbina de aleación de alta temperatura basada en níquel
Las cuchillas de turbina de aleación de alta temperatura basadas en níquel funcionan en un entorno de gas de combustión de alta temperatura y estrés complejo durante mucho tiempo, y las cuchillas a menudo tienen defectos como grietas térmicas de fatiga, daño superficial del área pequeña (desgaste de la punta de cuchilla y daño por corrosión) y fracturas por fatiga. Dado que la seguridad de la reparación de la fractura por fatiga de la cuchilla de la turbina es relativamente baja, generalmente se reemplazan directamente después de que se produce la fractura por fatiga sin la reparación de soldadura. Los dos tipos comunes de defectos y métodos de reparación de cuchillas de turbina se muestran en la Figura 3 [4]. Lo siguiente introducirá los métodos de reparación de estos dos tipos de defectos de las cuchillas de turbina de aleación de alta temperatura a base de níquel, respectivamente.
Reparación de grietas de turbina Superalloy a base de níquel
Los métodos de reparación de soldadura en fase sólida y de fase sólida se utilizan generalmente para reparar defectos de grietas de la cuchilla de la turbina, principalmente que incluyen: soldadura de vacío, enlace de difusión de fase líquida transitoria, soldadura de difusión activada y métodos de reparación de reaminización de metalurgia en polvo.
Shan et al. [18] utilizó el método de soldadura de vacío de haz para reparar grietas en cuchillas de aleación a base de níquel CHS88 utilizando rellenos de soldadura Ni-CR-B-SI y NI-CR-ZR. Los resultados mostraron que en comparación con el metal de llenado de soldadura Ni-CR-B-SI, el ZR en el metal de llenado de soldadura Ni-CR-Zr no es fácil de difundir, el sustrato no está significativamente corroída y la tenacidad de la articulación soldada es mayor. El uso del metal de llenado de soldadura Ni-CR-Zr puede lograr la reparación de grietas en cuchillas de aleación a base de níquel CHS88. Ojo et al. [19] estudiaron los efectos del tamaño de la brecha y los parámetros del proceso en la microestructura y las propiedades de las articulaciones soldadas de difusión de la aleación a base de níquel Inconel718. A medida que aumenta el tamaño de la brecha, la aparición de fases duras y frágiles, como los compuestos intermetálicos a base de Ni3al y los boruros ricos en Ni y RIC, es la razón principal de la disminución de la resistencia y la dureza de las articulaciones.
La soldadura de difusión de fase líquida transitoria se solidifica en condiciones isotérmicas y pertenece a la cristalización en condiciones de equilibrio, que conduce a la homogeneización de la composición y la estructura [20]. Pouranvari [21] estudió la soldadura de difusión de fase líquida transitoria de la aleación de alta temperatura basada en níquel Inconel718 y descubrió que el contenido de Cr en el relleno y el rango de descomposición de la matriz son los factores clave que afectan la resistencia de la zona de solidificación isotérmica. Lin et al. [22] estudiaron la influencia de los parámetros del proceso de soldadura de difusión de fase líquida transitoria en la microestructura y las propiedades de las juntas de aleación de alta temperatura a alta temperatura GH99. Los resultados mostraron que con el aumento de la temperatura de la conexión o la extensión del tiempo, el número de boruros ricos en Ni y RIC en la zona de precipitación disminuyó, y el tamaño del grano de la zona de precipitación era menor. La temperatura ambiente y la resistencia al corte de tracción a alta temperatura aumentó con la extensión del tiempo de retención. En la actualidad, la soldadura de difusión de fase líquida transitoria se ha utilizado con éxito para reparar pequeñas grietas en áreas de baja tensión y reconstruir el daño de la punta de las cuchillas no coronadas [23-24]. Aunque la soldadura de difusión de fase líquida transitoria se ha aplicado con éxito a una variedad de materiales, se limita a la reparación de pequeñas grietas (aproximadamente 250 μm).
Cuando el ancho de grieta es mayor que 0. 5 mm y la acción capilar es insuficiente para llenar la grieta, la reparación de la cuchilla se puede lograr utilizando soldadura de difusión activada [24]. Su et al. [25] utilizó el método de soldadura de difusión activado para reparar la cuchilla de aleación de alta temperatura basada en níquel IN738 con material de soldadura DF4B y obtuvo una articulación soldada resistente a la oxidación de alta resistencia. La fase 'precipitada en la articulación tiene un efecto de fortalecimiento, y la resistencia a la tracción alcanza el 85% del material principal. La articulación se rompe en la posición de Boruro rico en CR. Hawk et al. [26] también utilizó soldadura de difusión activada para reparar la grieta amplia de la cuchilla de aleación de alta temperatura a base de níquel René 108. La remanufacturación de metalurgia en polvo, como un método recientemente desarrollado para la reconstrucción original de superficies de material avanzado, se ha utilizado ampliamente en la reparación de cuchillas de aleación de alta temperatura. Puede restaurar y reconstruir la fuerza tridimensional casi isotrópica de los defectos de gran brecha (más de 5 mm), como grietas, ablación, desgaste y agujeros en las cuchillas [27]. LiBurdi, una compañía canadiense, desarrolló el método LPM (metalurgia de polvo de Liburdi) para reparar las cuchillas de aleación a base de níquel con altos contenidos de Al y TI que tienen un bajo rendimiento de soldadura. El proceso se muestra en la Figura 4 [28]. En los últimos años, el método de metalurgia en polvo de laminación vertical basado en este método puede realizar una reparación de defectos de soldadura por un momento de defectos tan anchos como 25 mm [29].
Reparar de daños en la superficie de cuchillas de turbina de aleación de alta temperatura a base de níquel
Cuando se producen rasguños de área pequeña y daños por corrosión en la superficie de las cuchillas de aleación de alta temperatura a base de níquel, el área dañada generalmente se puede eliminar y acelerar mediante mecanizado, y luego llenarse y repararse utilizando un método de soldadura apropiado. La investigación actual se centra principalmente en la deposición de fusión láser y la reparación de soldadura por arco de argón.
Kim et al. [30] de la Universidad de Delaware en los Estados Unidos realizó un revestimiento láser y reparación de soldadura manual en cuchillas de aleación a base de níquel RENE80 con altos contenidos de Al y TI, y comparó las piezas de trabajo que habían sometido al tratamiento térmico posterior a la vida con las que se habían sometido a un tratamiento térmico posterior a la luz y una presión isostática en caliente (HIP), y encontró que la cadera de manera pequeña puede reducir efectivamente los pueblos pequeños. Liu et al. [31] de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong utilizó la tecnología de revestimiento láser para reparar defectos de surco y agujeros en 718 componentes de turbina de aleación a base de níquel, y exploró los efectos de la densidad de potencia láser, la velocidad de escaneo de láser y la forma de revestimiento en el proceso de reparación, como se muestra en la Figura 5.
En términos de reparación de soldadura por arco de argón, Qu Sheng et al. [32] de China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd. Usó el método de soldadura de arco de argón de tungsteno para reparar los problemas de desgaste y grietas en la punta de las cuchillas de turbina de aleación de alta temperatura DZ125. . Los resultados muestran que después de reparar con materiales de soldadura tradicionales a base de cobalto, la zona afectada por el calor es propensa a las grietas térmicas y se reduce la dureza de la soldadura. Sin embargo, el uso de los materiales de soldadura basados en el níquel MGS recientemente desarrollados -1, combinados con procesos de tratamiento térmico y tratamiento térmico apropiados, pueden evitar efectivamente las grietas en la zona afectada por el calor, y la resistencia a la tracción a 1000 grados alcanza el 90% del material base. Song Wenqing et al. [33] realizó un estudio sobre el proceso de soldadura de reparación de defectos de fundición de las palas de guía de turbina de aleación de aleación de alta temperatura K4104. Los resultados mostraron que el uso de cables de soldadura HGH3113 y HGH3533 como metales de relleno tiene una excelente formación de soldadura, buena plasticidad y fuerte resistencia a las grietas, mientras que se usa cuando el cable de soldadura K4104 con un mayor contenido de ZR está soldado, la fluidez del metal líquido es pobre, la superficie de la soldadura no está bien formada y se producen grietas y defectos de fusión. Se puede ver que en el proceso de reparación de cuchillas, la selección de materiales de llenado juega un papel vital.
La investigación actual sobre la reparación de las cuchillas de turbina a base de níquel ha demostrado que las aleaciones de alta temperatura a base de níquel contienen elementos de fortalecimiento de solución sólidas como CR, MO, AL y elementos traza como P, S y B, lo que los hace más sensibles a las grietas durante el proceso de reparación. Después de la soldadura, son propensos a la segregación estructural y la formación de defectos de fase de lavado frágil. Por lo tanto, la investigación posterior sobre la reparación de aleaciones de alta temperatura basadas en níquel requiere la regulación de la estructura y las propiedades mecánicas de tales defectos.
2 Método de reparación de cuchillas de abanico de aleación de titanio
Durante la operación, las cuchillas de ventilador/compresor de aleación de titanio se someten principalmente a fuerza centrífuga, fuerza aerodinámica y carga de vibración. Durante el uso, defectos de daño de la superficie (grietas, desgaste de la punta de la cuchilla, etc.), defectos de rotura local de las cuchillas de aleación de titanio y daños en el área grande (fractura por fatiga, daño de área grande y corrosión, etc.) a menudo ocurren, lo que requiere el reemplazo general de las cuchillas. En la Figura 6 se muestran diferentes tipos de defectos y métodos de reparación comunes. Lo siguiente introducirá el estado de investigación de la reparación de estos tres tipos de defectos.
2.1 Reparación de defectos de daño a la superficie de la cuchilla de aleación de titanio
Durante la operación, las cuchillas de aleación de titanio a menudo tienen defectos como grietas de superficie, pequeños rasguños de área y desgaste de cuchillas. La reparación de tales defectos es similar a la de las cuchillas de turbina a base de níquel. El mecanizado se usa para eliminar el área defectuosa y la deposición de fusión láser o la soldadura por arco de argón se usan para llenar y reparar.
En el campo de la deposición de fusión láser, Zhao Zhuang et al. [34] de la Universidad Politécnica del Noroeste realizó un estudio de reparación de láser en defectos de superficie de tamaño pequeño (diámetro de la superficie 2 mm, defectos hemisféricos con una profundidad de 0. 5 mm) de las perdidas de aleación de titanio TC17. Los resultados mostraron que los cristales columnares en la zona de deposición del láser crecieron epitaxialmente desde la interfaz y los límites de grano fueron borrosos. Los listones en forma de aguja originales y las fases secundarias en la zona afectada por el calor crecieron y engrosaron. En comparación con las muestras falsificadas, las muestras reparadas por láser tenían las características de alta resistencia y baja plasticidad. La resistencia a la tracción aumentó de 1077.7 MPa a 1146.6 MPa, y el alargamiento disminuyó de 17.4% a 11.7%. Pan Bo et al. [35] utilizó la tecnología de revestimiento láser de alimentación de polvo coaxial para reparar los defectos prefabricados en forma de agujero circular de la aleación de titanio ZTC4 por muchas veces. Los resultados mostraron que el proceso de cambio de microestructura desde el material principal hasta el área reparada era fase laminar y fase intergranular → estructura de banketweave → martensita → estructura de widmanstatten. La dureza de la zona afectada por el calor aumentó ligeramente con el aumento del número de reparaciones, mientras que la dureza del material principal y la capa de revestimiento no cambiaron mucho.
Los resultados muestran que la zona de reparación y la zona afectada por el calor antes del tratamiento térmico son una fase ultra fina similar a una aguja distribuida en la matriz de fase, y la zona del material base es una estructura de cesta fina. Después del tratamiento térmico, la microestructura de cada área es una estructura de transformación de fase primaria + de fase primaria similar a un listón, y la longitud de la fase primaria en el área de reparación es significativamente mayor que la de otras áreas. El límite de fatiga de ciclo alto de la parte de reparación es de 490MPa, que es más alto que el límite de fatiga del material base. La caída extrema es de aproximadamente 7.1%. La soldadura manual de arco de argón también se usa comúnmente para reparar grietas en la superficie de la cuchilla y el desgaste de la punta. Su desventaja es que la entrada de calor es grande, y las reparaciones de área grande son propensas a un estrés térmico grande y la deformación de la soldadura [37].
La investigación actual muestra que, independientemente de si la deposición de fusión láser o la soldadura por arco de argón se usan para la reparación, el área de reparación tiene las características de alta resistencia y baja plasticidad, y el rendimiento de la fatiga de la cuchilla se reduce fácilmente después de la reparación. El siguiente paso de investigación debe centrarse en cómo controlar la composición de la aleación, ajustar los parámetros del proceso de soldadura y optimizar los métodos de control de procesos para regular la microestructura del área de reparación, lograr la resistencia y la correspondencia de plasticidad en el área de reparación y garantizar su excelente rendimiento de fatiga.
2.2 Reparación de daños locales de cuchillas de aleación de titanio
No existe una diferencia esencial entre la reparación de defectos de daño de la cuchilla del rotor de aleación de titanio y la tecnología de fabricación aditiva de piezas sólidas tridimensionales de aleación de titanio en términos de proceso. La reparación puede considerarse como un proceso de fabricación aditiva de deposición secundaria en la sección de fractura y la superficie local con las piezas dañadas como la matriz, como se muestra en la Figura 7. Según las diferentes fuentes de calor, se divide principalmente en reparación aditiva láser y reparación aditiva del arco. Vale la pena señalar que en los últimos años, el Centro de Investigación Colaborativa alemán 871 ha convertido la tecnología de reparación de aditivos de ARC un enfoque de investigación para la reparación de cuchillas integrales de aleación de titanio [38], y ha mejorado el rendimiento de reparación al agregar agentes de nucleado y otros medios [39].
En el campo de la reparación de aditivos láser, Gong Xinyong et al. [40] usó polvo de aleación TC11 para estudiar el proceso de reparación de deposición de fusión láser de la aleación de titanio TC11. Después de la reparación, el área de deposición de la muestra de paredes delgadas y el área de remelulación de la interfaz tenían características típicas de la estructura de Widmanstatten, y la estructura de la zona afectada por el calor de la matriz se transformó de la estructura Widmanstatten a la estructura de doble estado. La resistencia a la tracción del área de deposición era de aproximadamente 1200 MPa, que era mayor que la de la zona de transición de la interfaz y la matriz, mientras que la plasticidad era ligeramente menor que la de la matriz. Las muestras de tracción se rompieron dentro de la matriz. Finalmente, el impulsor real fue reparado por el método de deposición de fusión punto por punto, pasó la evaluación de la prueba de super velocidad y se dio cuenta de la aplicación de instalación. Bian Hongyou et al. [41] usó polvo TA15 para estudiar la reparación aditiva láser de la aleación de titanio TC17, y exploró los efectos de diferentes temperaturas del tratamiento térmico de recocido (610 grados, 630 grados y 650 grados) en su microestructura y propiedades. Los resultados mostraron que la resistencia a la tracción de la aleación depositada de Ta15/TC17 reparada por deposición láser puede alcanzar 1029MPA, pero la plasticidad es relativamente baja, solo 4.3%, alcanzando el 90.2% y el 61.4% de los perdones TC17, respectivamente. Después del tratamiento térmico a diferentes temperaturas, la resistencia a la tracción y la plasticidad mejoran significativamente. Cuando la temperatura de recocido es de 650 grados, la resistencia a la tracción más alta es de 1102MPa, alcanzando el 98.4% de las perdiciones de TC17, y el alargamiento después de la fractura es del 13.5%, lo que mejora significativamente en comparación con el estado depositado.
En el campo de la reparación de aditivos de ARC, Liu et al. [42] realizó un estudio de reparación sobre una muestra simulada de una cuchilla de aleación de titanio TC4 faltante. Se obtuvo una morfología de grano mixta de cristales equios y cristales columnares en la capa depositada, con una resistencia a la tracción máxima de 991 MPa y una alargamiento del 10%. Zhuo et al. [43] usó alambre de soldadura TC11 para realizar un estudio de reparación de aditivos de arco sobre la aleación de titanio TC17, y analizó la evolución microestructural de la capa depositada y la zona afectada por el calor. La resistencia a la tracción fue de 1015.9 MPa en condiciones no calificadas, y la alargamiento fue del 14.8%, con un buen rendimiento integral. Chen et al. [44] estudió los efectos de diferentes temperaturas de recocido en la microestructura y las propiedades mecánicas de las muestras de reparación de aleación de titanio TC11/TC17. Los resultados mostraron que una temperatura de recocido más alta era beneficiosa para mejorar el alargamiento de las muestras reparadas.
La investigación sobre el uso de la tecnología de fabricación de aditivos metálicos para reparar defectos de daños locales en cuchillas de aleación de titanio está en su infancia. Las cuchillas reparadas no solo necesitan prestar atención a las propiedades mecánicas de la capa depositada, sino que la evaluación de las propiedades mecánicas en la interfaz de las cuchillas reparadas es igualmente crucial.
3 cuchillas de aleación de titanio con reemplazo y reparación de cuchillas de daño de área grande
Para simplificar la estructura del rotor del compresor y reducir el peso, las palas modernas del motor de la aeronave a menudo adoptan una estructura de disco de cuchilla integral, que es una estructura de una pieza que hace que las cuchillas de trabajo y los discos de cuchillas en una estructura integral, eliminando el tenón y la mortaja. Al lograr el propósito de la reducción del peso, también puede evitar el desgaste y la pérdida aerodinámica de la espiga y la mortaja en la estructura convencional. La reparación del daño de la superficie y los defectos de daño local del disco de cuchilla integral del compresor es similar al método de reparación de cuchillas separado mencionado anteriormente. Para la reparación de las piezas rotas o faltantes del disco de cuchilla integral, la soldadura de fricción lineal se usa ampliamente debido a su método de procesamiento único y ventajas. Su proceso se muestra en la Figura 8 [45].
Mateo et al. [46] usó soldadura de fricción lineal para simular la reparación de Ti -6246 aleación de titanio. Los resultados mostraron que el mismo daño reparado hasta tres veces tenía una zona más estrecha afectada por el calor y una estructura de grano de soldadura más fina. La resistencia a la tracción disminuyó de 1048 MPa a 1013 MPa con el aumento en el número de reparaciones. Sin embargo, las muestras de tracción y fatiga se rompieron en el área del material base lejos del área de soldadura.
Ma et al. [47] estudió los efectos de diferentes temperaturas de tratamiento térmico (530 grados + 4 H enfriamiento de aire, 610 grados + 4 H enfriamiento de aire, 670 grados + 4} H enfriamiento de aire) en la microestructura y las propiedades mecánicas de TC17 Titanium Aloy Lineal fricción lineal. Los resultados muestran que a medida que aumenta la temperatura del tratamiento térmico, el grado de recristalización de fase y fase aumenta significativamente. El comportamiento de la fractura de las muestras de tracción e impacto cambió de fractura frágil a fractura dúctil. Después del tratamiento térmico a 670 grados, la muestra de tracción se fracturó en el material base. La resistencia a la tracción fue de 1262MPA, pero la alargamiento fue solo del 81.1% del material base.
En la actualidad, la investigación doméstica y extranjera muestra que la tecnología de reparación de soldadura de fricción lineal tiene la función de los óxidos de autolimpieza, que pueden eliminar efectivamente los óxidos en la superficie de unión sin defectos metalúrgicos causados por la fusión. Al mismo tiempo, puede realizar la conexión de materiales heterogéneos para obtener discos de cuchilla integral de doble aleación/doble rendimiento, y puede completar la rápida reparación de fracturas corporales de cuchilla o piezas faltantes de discos de cuchilla integrales hechos de diferentes materiales [38]. Sin embargo, todavía hay muchos problemas que se resuelven en el uso de la tecnología de soldadura de fricción lineal para reparar los discos de cuchillas integrales, como el estrés residual grande en las articulaciones y la dificultad para controlar la calidad de las conexiones de material heterogéneo. Al mismo tiempo, el proceso de soldadura de fricción lineal para nuevos materiales necesita una mayor exploración.
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