某發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片故障與典型修理技術(shù)

康琦玉

【摘 要】 在修理過(guò)程中，需通過(guò)各種試驗(yàn)、測(cè)量檢查和維修，保證葉片的狀態(tài)和工作環(huán)境符合要求，才能確保葉片安全可靠地進(jìn)行工作。

【關(guān)鍵詞】 發(fā)動(dòng)機(jī) 高壓渦輪 葉片故障 修理技術(shù)

某高壓渦輪工作葉片采用與K413相當(dāng)?shù)魔ě?6У材料無(wú)余量精鑄而成。為使葉片滿足高溫、高強(qiáng)度工作條件的使用要求，除在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用復(fù)雜的空心氣冷式換熱結(jié)構(gòu)和空-空換熱器對(duì)冷卻葉片的二股氣流進(jìn)行冷卻，提高對(duì)葉片的冷卻效果外，在修理過(guò)程中也制定了相當(dāng)嚴(yán)格的技術(shù)要求，如多項(xiàng)試驗(yàn)檢查要求和修理技術(shù)要求，以保證其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及安全措施實(shí)施到位。

1 主要修理技術(shù)指標(biāo)和試驗(yàn)檢查要求

為保證燃燒室出口溫度場(chǎng)符合設(shè)計(jì)要求，修理中要對(duì)每個(gè)燃燒室出口溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；為保證高壓渦輪工作葉片內(nèi)部冷卻氣流通暢，在對(duì)葉片進(jìn)行超聲波清洗后，按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行X光檢查內(nèi)腔清潔度；為保證葉片內(nèi)各腔冷卻氣流量符合設(shè)計(jì)要求，要對(duì)每個(gè)葉片進(jìn)行水流量檢測(cè)，檢查葉片內(nèi)各腔的流量和總流量；為保證葉片在損傷限度內(nèi)工作，要檢查并控制葉片葉尖裂紋長(zhǎng)度、數(shù)量、間距；為控制葉片蠕變量，要對(duì)葉片伸長(zhǎng)量進(jìn)行測(cè)量檢查；為保證葉片型面符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)經(jīng)表面拋修過(guò)的葉片壁厚進(jìn)行測(cè)量檢查；定時(shí)抽樣解剖檢查葉片材料組織，定期進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理；定時(shí)更換葉片表面涂層修理，保證其在高溫下的防護(hù)作用，有效地避免零件基材因高溫氧化和熱腐蝕作用而導(dǎo)致機(jī)械性能顯著降低，從而達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的。

由此可見(jiàn)，在修理過(guò)程中，需通過(guò)各種試驗(yàn)、測(cè)量檢查和維修，保證葉片的狀態(tài)和工作環(huán)境符合要求，才能確保葉片安全可靠地進(jìn)行工作。

2 葉片主要技術(shù)指標(biāo)和故障情況

對(duì)于高壓渦輪工作葉片，在發(fā)動(dòng)機(jī)修理中所發(fā)現(xiàn)的主要故障主要包括以下幾方面。

（1）葉片葉尖裂紋。為保證在規(guī)定翻修壽命期內(nèi)，葉片能夠在允許的損傷限內(nèi)安全工作，修理中用熒光法檢查葉片葉尖工作中產(chǎn)生的裂紋，根據(jù)葉片的工況條件等，規(guī)定了允許裝機(jī)使用的葉尖裂紋長(zhǎng)度、數(shù)量和裂紋之間間距的要求。修理中葉尖裂紋超過(guò)規(guī)定要求的葉片約占葉片總數(shù)的8%（主要是裂紋間距和數(shù)量超過(guò)規(guī)定）。

（2）葉片水流量。為保證葉片內(nèi)各腔冷卻氣流量符合設(shè)計(jì)要求，葉片修理技術(shù)要求規(guī)定對(duì)葉片各腔冷卻空氣的流通能力進(jìn)行水流量測(cè)試。在規(guī)定的溫度、壓力等條件下，從葉片底部供水，通過(guò)葉片前腔進(jìn)氣邊孔排水量為（n～m）L/min；通過(guò)葉片后腔排氣邊縫排水量為（k～h）L/min。從檢測(cè)結(jié)果看，部分葉片的水流量超出規(guī)定范圍（偏大或偏?。?。

（3）葉片伸長(zhǎng)量。為保證葉片在壽命期內(nèi)可靠地工作，修理中要求控制葉片蠕變量，對(duì)工作后葉片相對(duì)于原始狀態(tài)的伸長(zhǎng)量進(jìn)行測(cè)量檢查，要求伸長(zhǎng)量不大于0.05mm。大修以來(lái)因伸長(zhǎng)量超差而報(bào)廢的高壓渦輪工作葉片有千余片，其報(bào)廢有3方面的原因：1）伸長(zhǎng)量超過(guò)大修規(guī)定的故檢標(biāo)準(zhǔn)；2）無(wú)原始葉片長(zhǎng)度值；3）伸長(zhǎng)量為負(fù)值。

（4）葉片壁厚。為保證葉片型面符合設(shè)計(jì)要求，在修理中規(guī)定，高渦葉片更換涂層時(shí)，對(duì)其進(jìn)行酸洗去除原表面滲（涂）層，允許表面殘余涂層0.015mm；對(duì)局部超過(guò)殘留涂層標(biāo)準(zhǔn)的部位，允許采用局部打磨法去除涂層，對(duì)經(jīng)修磨表面用超聲波方法檢查葉片壁厚，允許壁厚減薄不超過(guò)0.1mm。修理中有數(shù)百片葉片壁厚減薄超過(guò)規(guī)定要求。

（5）其他故障。在修理中，除上述故障外，還有一些葉片打傷、發(fā)動(dòng)機(jī)工作超溫導(dǎo)致葉片過(guò)熱等故障。

3 修理技術(shù)要求和修復(fù)方法

經(jīng)過(guò)對(duì)葉片葉尖裂紋、水流量、葉片伸長(zhǎng)量、葉片壁厚超標(biāo)故障的試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析和修理中故障情況統(tǒng)計(jì)可以知道，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性和修理成本的主要故障是高壓渦輪工作葉片葉尖裂問(wèn)題，為此進(jìn)行了以修復(fù)葉片葉尖裂紋為主的修復(fù)技術(shù)的研究。對(duì)產(chǎn)生葉尖裂紋故障的高壓渦輪工作葉片進(jìn)行激光熔焊的方法進(jìn)行修復(fù)研究和熱沖擊試驗(yàn)及長(zhǎng)期試車(chē)考核，以制定高壓渦輪工作葉片葉尖裂紋修復(fù)方案。

（1）補(bǔ)焊材料選擇。根據(jù)葉片材料的主要化學(xué)成分及性能，在補(bǔ)焊材料的選材中充分考慮了補(bǔ)焊材料與基體材料要有良好的相容性、熱膨脹系數(shù)相近和良好的高溫力學(xué)性能、熱疲勞性能等因素，選用填料為鎳基高溫合金（IMR-03）。

（2）葉片葉尖裂紋補(bǔ)焊修復(fù)。選出因葉尖裂紋報(bào)廢的高壓渦輪工作葉片（該葉片已工作時(shí)間500～600h），按高壓渦輪工作葉片的大修要求對(duì)其進(jìn)行了去除涂層的清洗、故檢、熒光檢查等工作后，基于滿足激光焊工藝并使基體材料損傷最小、徹底清除裂紋的原則，根據(jù)裂紋是單直裂紋、密集度裂紋等具體情況，用機(jī)械打磨與著色跟蹤法清除裂紋。用激光熔焊法進(jìn)行裂紋修復(fù)，修后用超聲波處理消除其焊接應(yīng)力，結(jié)合大修工藝對(duì)葉片進(jìn)行了外觀檢查、熒光檢查、恢復(fù)性能熱處理和復(fù)涂涂層等工作。

（3）激光補(bǔ)焊金相組織。金相檢查結(jié)果表明，補(bǔ)焊區(qū)與基體材料為冶金結(jié)合，界面無(wú)裂紋、無(wú)缺陷，補(bǔ)焊區(qū)組織為細(xì)小的胞枝晶組織。

（4）熱沖擊試驗(yàn)。為考核采用激光熔焊修復(fù)葉尖裂紋葉片的抗冷熱沖擊能力，對(duì)焊修后的葉片進(jìn)行了300h（折合1000次冷、熱疲勞循環(huán)）的熱沖擊試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，高渦葉片在很小的循環(huán)次數(shù)下就已經(jīng)出現(xiàn)初始裂紋，但裂紋擴(kuò)展速度相對(duì)比較緩慢，到了1000次循環(huán)，葉尖裂紋長(zhǎng)度沒(méi)有超過(guò)1.8mm，從裂紋形貌上看，應(yīng)屬于熱疲勞裂紋。裂紋的數(shù)量和長(zhǎng)度，都是符合大修技術(shù)要求的，葉片葉身出現(xiàn)不規(guī)則的微小顯示屬于龜裂。熱沖擊試驗(yàn)后，熒光檢查葉尖補(bǔ)焊區(qū)未發(fā)現(xiàn)裂紋，對(duì)經(jīng)過(guò)300h熱沖擊處理的主葉片進(jìn)行了解剖，制成金相試樣后檢查葉盆補(bǔ)焊區(qū)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。用掃描電鏡對(duì)葉背的激光補(bǔ)焊區(qū)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)焊區(qū)兩側(cè)邊緣處各有長(zhǎng)約0.6mm的小裂紋存在，補(bǔ)焊區(qū)為正常的熱處理組織，沒(méi)有龜裂，補(bǔ)焊區(qū)與基體界面結(jié)合良好。

（5）工廠和長(zhǎng)期試車(chē)考核。葉尖補(bǔ)焊的高渦葉片參加了某發(fā)動(dòng)機(jī)的工廠試車(chē)后，選出2片葉片掛片裝于長(zhǎng)試發(fā)動(dòng)機(jī)隨機(jī)參加了歷時(shí)300余小時(shí)的長(zhǎng)期試車(chē)考核。考核結(jié)束后對(duì)葉片進(jìn)行了故檢和著色檢查，2片高渦葉片的葉盆、葉背（補(bǔ)焊區(qū)和非補(bǔ)焊區(qū)）均出現(xiàn)了不同程度的裂紋，裂紋的數(shù)量和長(zhǎng)度，都符合大修技術(shù)要求。為了解長(zhǎng)期試車(chē)后葉片材料組織變化情況，對(duì)1片葉片葉背的裂紋補(bǔ)焊區(qū)位置附近進(jìn)行了解剖斷面金相檢查，從金相檢查結(jié)果看，補(bǔ)焊區(qū)有少量的富Cr、Mo、W的粒狀相析出，補(bǔ)焊區(qū)和基體之間存在明顯的擴(kuò)散層，這是補(bǔ)焊材料和基體材料長(zhǎng)期相互作用互擴(kuò)散的結(jié)果，但界面仍為牢固的冶金結(jié)合。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于工作中產(chǎn)生葉尖裂紋故障的高壓渦輪工作葉片，以高W、Mo含量的Ni基超合金作為填料，采用電火花預(yù)置填料與固體激光脈沖優(yōu)化路徑積分焊工藝方法進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后的高壓渦輪葉片經(jīng)超聲波對(duì)激光補(bǔ)焊區(qū)去除應(yīng)力處理、恢復(fù)性能熱處理、重涂涂層等工作后，通過(guò)了300h（折合1000次冷、熱循環(huán)）的熱沖擊試驗(yàn)和長(zhǎng)期試車(chē)考核，葉片激光焊修部位未出現(xiàn)超出大修故檢要求的裂紋，符合葉片修理的故檢標(biāo)準(zhǔn)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作要求。該項(xiàng)深度修理工藝已納入修理技術(shù)要求并投入產(chǎn)生，使大量因葉尖裂紋超標(biāo)報(bào)廢的葉片恢復(fù)了使用功能。

（2）修理中葉片壁厚超差故障主要是由于壁厚測(cè)量系統(tǒng)不穩(wěn)定、精度低所致，為提高葉片壁厚測(cè)量精確度，已開(kāi)展了采用X光測(cè)量葉片壁厚的研究工作，提高葉片測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，消除測(cè)量誤差。

通過(guò)對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)修理中高壓渦輪工作葉片故障與典型修理技術(shù)研究，提出制定了滿足使用要求的技術(shù)要求和修理方法，使高壓渦輪工作葉片報(bào)廢率由大修工作前期的約15%，降至目前的4%。經(jīng)生產(chǎn)應(yīng)用和發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)長(zhǎng)期工作驗(yàn)證，其效果良好，該項(xiàng)研究降低了發(fā)動(dòng)機(jī)修理成本，提高了葉片工作的可靠性。endprint