航空發動機渦輪葉片修復中的裂紋控制

韓曉東　楊秀娟

摘 要：航空發動機是飛機的動力核心，隨著我國航空事業的發展，我國加快了對于航空發動機的研制步伐，通過引進、研發、生產的這一發展戰略提高我國航空發動機的效率和使用壽命。在航空發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荷最大的部件，渦輪葉片在工作的過程中會承受著高溫燃氣的高速沖刷、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下降。并導致渦輪葉片的葉冠間隙增大進而影響到渦輪葉片葉冠的阻尼效果，嚴重的會導致渦輪葉片在工作中斷裂從而威脅到飛機的飛行安全。在航空發動機使用一段時間進行檢修時需要對渦輪葉片進行檢查處理，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。

關鍵詞：渦輪葉片；葉冠；裂紋；堆焊

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

前言

航空發動機渦輪葉片在長時間的使用后會導致渦輪葉片葉冠出現阻尼凸臺，這一缺陷的存在會對航空發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行處理的過程中發現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上通過對渦輪葉片葉冠阻尼凸臺氬弧焊堆焊工藝進行改進用以消除熱裂紋缺陷，保障航空發動機渦輪葉片的安全、高效的使用。

1 航空發動機渦輪葉片葉冠阻尼凸臺焊接熱裂紋產生的原因

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

在對航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區進行分析時為避免裂紋對顯微觀測結果造成影響，在對航空發動機渦輪葉片進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，用以對航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋的產生機理進行分析用以對后續的航空發動機渦輪葉片熱焊接工藝進行改進，提高航空發動機渦輪葉片的焊接效果。

航空發動機渦輪葉片裂紋觀測結果：

通過對航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋采用上述方法進行觀測后發現，裂紋主要產生于葉片熱焊縫與基體相融合的區域和焊接熱影響區，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，且向焊縫和航空發動機渦輪葉片的葉身的方向密集延伸，對于航空發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現與焊接缺陷相關的疲勞裂紋源以及重融、邊界熔化等的缺陷現象。因此排除了航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋是由于焊接缺陷所導致的。此外，出現航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋的葉片經過試車和未經過試車的各占50%左右，因此可以排除航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋是由于焊接后的試車所導致。通過對航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋進行斷面觀測后發現，在航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋處有著極為明顯的藍色顯示，通過對藍色顯示區域進行清洗后藍色顯示區域仍然存，井檢查分析后確定為有藍色為氧化色，這一藍色區域能夠有力的證明航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋是在高溫下所產生的，并與高溫有著密切的聯系。在對航空發動機渦輪葉片進行氬弧焊堆焊的處理過程中需要經過退火和試車這兩個高溫狀態，而航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋的產生與這兩個工藝環節密切相關。在此對藍色顯示區域進行詳細的觀測，發現顯示區域顏色有著較為明顯的分層，因此可以初步斷定航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋形成于退火工藝環節。航空發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致焊接熱裂紋的產生，結合航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋所顯現的形態，初步斷定航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋為航空發動機渦輪葉片熱焊接后所產生的焊后延遲裂紋，在了解航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋產生原因的基礎上可以通過對航空發動機渦輪葉片氬弧焊堆焊焊接的工藝進行相應的改進，提高焊接質量，消除裂紋隱患。

2 做好航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋的消除

航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區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域的內部并未擴展至葉片的表面導致使用熒光探傷法未能及時檢出裂紋，為提高航空發動機渦輪葉片氬弧焊堆焊修理后的質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域進行探傷檢測，用以更強精確、高效的對航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區的裂紋進行檢測。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動機渦輪葉片焊接后熱影響區裂紋的檢測精度需要在結合射線檢測法檢測原理的基礎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，通過進一步地細化成像膠片的顆粒用以獲得更好的航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋檢測質量。通過對成像的對比度進行分析后發現，在透照方向上的厚度差越大則底片的梯度也相應的越大，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，通過公式分析后發現，焦點尺寸與焦距成反比關系，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據反映。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系。綜上分析，在提高航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋的檢測時需要注意做好對于航空發動機渦輪葉片的放置，以航空發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，降低不清晰度。endprint

通過對航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋進行金相檢查，依據金相檢查中所顯現出來的裂紋形態，懷疑為航空發動機渦輪葉片熱焊接處理工藝中所殘留的熱應力所造成的。為了提高航空發動機渦輪葉片的修復質量消除熱應力所造成的裂紋，在改進檢測工藝確保能夠對航空發動機渦輪葉片修復缺陷進行合理的檢驗外同時還需要對航空發動機渦輪葉片氬弧焊堆焊的工藝流程進行改進消除航空發動機渦輪葉片氬弧焊堆焊后航空發動機渦輪葉片內的熱應力殘留。將原有的焊接修復工藝更改為退火-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動機渦輪葉片修復焊接時所產的熱應力堆積得到部分的舒緩，從而有效的避免了航空發動機渦輪葉片中的原有應力與航空發動機渦輪葉片焊接所產的熱應力疊加，從而降低了航空發動機渦輪葉片氬弧焊焊接后焊接熱影響區產生裂紋的可能性。在航空發動機渦輪葉片使用氬弧焊堆焊修復焊接后需要及時的將航空發動機渦輪葉片使用石棉包裹好后及時放入溫度控制在200℃的保溫箱內進行2個小時的保溫，待到2個小時后再繼續對航空發動機渦輪葉片進行退火處理。這一保溫過程中能夠有效的減緩熱應力的釋放速度，通過降低熱應力的釋放及堆疊來避免航空發動機渦輪葉片焊接熱影響區裂紋的產生。在磨削后增加退火工序，在對航空發動機渦輪葉片進行磨削加工時要保持低進給量，在磨削過程中需要做好對于航空發動機渦輪葉片的冷卻，減少在磨削加工中的應力堆積。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生的應力。通過對航空發動機渦輪葉片的修復焊接工藝進行了改進有效的提高了航空發動機渦輪葉片的焊接質量。提高了航空發動機渦輪葉片的使用效果和使用壽命。

3 結束語

在航空發動機渦輪葉片氬弧焊堆焊修復過程中形成裂紋的原因十分復雜，材料、工藝以及去應力手段等都容易導致航空發動機渦輪葉片在修復后出現裂紋。在對航空發動機渦輪葉片進行焊接修復的過程中需要對各項影響因素進行綜合的考慮，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動機渦輪葉片的修復質量。

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