淺析表面完整性再制造技術在航空發(fā)動機的應用

王 征，杜文川，程興遠

（1.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043；2.河北育新通用航空服務有限公司，河北 石家莊 050072）

1 表面完整性再制造的關鍵技術

伴隨航空航天材料不斷更新，新合金比以往任何時候都更可靠，但在使用過程中仍然會遇到嚴酷的環(huán)境條件，如高溫和高度氧化的腐蝕，這些部件的損壞是不可避免的。因此，如何開發(fā)更高效、更經濟的維修方案，已成為航空航天行業(yè)的一項重大挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，可以采用表面完整性再制造技術，該技術分為四大類：表面強化、焊接和釬焊、熱處理，以及涂層和電鍍。表面完整性再制造的一些關鍵技術和工藝介紹如下。

1.1 強化技術

表面強化技術是一種主要用來提高金屬件疲勞性能的表面改性技術，已在工業(yè)領域得到廣闊的應用，其原理是它利用沖擊力或擠壓力等形式的機械作用使金屬材料近表面區(qū)域產生局部的彈塑性變形，導致在材料表面或是亞表層產生了殘余壓應力，并使材料顯微結構發(fā)生改變，增強了其抵抗疲勞裂紋萌生和擴展的能力[1]。常見的表面強化工藝主要包括噴丸強化，深滾壓，冷擠壓技術，其中噴丸技術包括傳統(tǒng)噴丸（見圖1）和先進噴丸技術，后者包括微粒子噴丸、激光噴丸、超聲波/高能噴丸或沖擊、高壓水射流噴丸[2]。

其中超聲波噴丸強化技術是目前最具有前景的金屬材料冷加工表面強化處理工藝之一，它不但克服了傳統(tǒng)噴丸的不足，且強化效果優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸，有更好的工藝可控性[3]，如圖2所示。

圖2 超聲噴丸設備[4]

1.2 堆焊與熔覆技術

現(xiàn)代焊接技術，如激光，氣體鎢電弧和等離子轉移電弧焊和釬焊工藝，如瞬態(tài)液相粘合，擴散粘合，真空釬焊和寬間隙釬焊，用于將使用過的外露部件恢復到可使用狀態(tài)及提高表面完整性。

熔覆的原理是在某種熱源作用下，使熔覆材料和母材熔化，構成合金化熔池，經冷卻結晶形成覆層；其主要參數為稀釋率，反映熔覆材料的合金成分被母材的沖淡情況。

稀釋率d的定義：

其中f為熔覆金屬的面積，B為母材熔化區(qū)面積。其含義是B大于零，稱為堆焊，B趨于零，稱為熔覆。

堆焊與熔覆分類主要有：

（1）電弧堆焊，包括手工焊條堆焊/藥芯焊絲自動堆焊/絲材或帶材埋弧堆焊等。擅長堆焊大面積、大厚度，設備購置費約3萬元。

（2）等離子弧噴焊，擅長在規(guī)則形面上制備耐熱合金層。

（3）激光熔覆，擅長在復雜形面上制備合金層。

堆焊與熔覆適用條件為：

（1）零件磨損量大。

（2）零件服役工況惡劣。

（3）零件可焊性要好（無裂紋、不易變形、應力小）。

（4）涂層與基體冶金結合，結合強度大于500 MPa 級。

（5）能用于承受交變負荷的表面。

堆焊與熔覆的使用要領為：

熔覆層合金化設計（影響表面性能、可焊性及后續(xù)加工性能。

1.3 熱處理技術

熱處理技術包括再生熱處理和矯直熱處理兩類：再生熱處理涉及解決和老化步驟，使微結構恢復到其最佳形態(tài)。顯示組件微觀結構恢復，并且隨后的應力破裂壽命恢復到適合繼續(xù)使用的條件。在高溫部件和材料降解等應力條件下工作的熱部件發(fā)生變形，變形部件的尺寸有時需要調節(jié)（例如，渦輪導向葉片和壓氣機盤的后緣），這可以通過矯直熱處理（即使材料塑性變形）來實現(xiàn)。

1.4 噴涂與電鍍技術

隨著先進熱障涂層技術與固體氧化物燃料電池制造需求的發(fā)展，對陶瓷涂層組織結構調控的要求促進了等離子噴涂技術發(fā)展，由此提出了超高真空等離子噴涂技術、等離子噴涂物理氣相沉積技術；伴隨納米材料與納米結構涂層制備技術的發(fā)展，可制備納米結構涂層的液料熱噴涂方法得到發(fā)展[5]。

電刷鍍是一種無槽液相電沉積技術,其原理是鍍液中的金屬離子在工件（陰極）上沉積，鍍筆的運動可提高電流密度并有利于氫氣排出。電刷鍍的使用條件為：

（1）補償尺寸：理想為0.2 mm以下，最大3 mm（需多層夾心鍍）。

（2）外圓和平面鍍積面積可大可小。內孔以鍍筆能伸入鍍液易流動為原則。

（3）鍍積尺寸便于控制，如快速鎳沉積率0.5～10 μm /min，設備上有安培小時計。

（4）基體溫度常溫態(tài)，零件不變形。

（5）通過選擇鍍積金屬或添加納米顆粒來調節(jié)表面性能。

（6）鍍層與基體屬外延式聯(lián)生結晶，結合強度300 MPa級。

（7）常用于零件上與滾動軸承內外圈的配合面、密封件配合，面、花鍵側面等，不宜用于受交變負荷的表面。

（8）便于現(xiàn)場施鍍，便于對設備局部解體施鍍。

空軍某部利用納米電刷鍍技術再制造蘇-XX飛機發(fā)動機壓氣機葉片，并已通過空軍裝備部組織的300小時臺架考核和專家組鑒定。該技術已被空軍批準用于飛機發(fā)動機零部件的批量再制造。

2 在航空發(fā)動機部件的應用

在航空發(fā)動機部件使用期間，裂紋、氧化、腐蝕、磨損、變形和材料退化是常見的表面損傷。通過基于表面完整性再制造技術提出的航空發(fā)動機再制造系統(tǒng)，修復了這些表面損傷并恢復了表面完整性。一些典型的應用示例如下：

示例1：葉片修理。

對于低壓壓氣機/風扇葉片：國外航空發(fā)動機制造和維修企業(yè)如MTU、Chromalloy等已經掌握葉片部件修復的相關技術，大都采用激光熔覆結合自適應磨削加工的修復方法，葉片修復后的精度和性能良好[6]。

對于高壓壓氣機葉片：熱—機械疲勞裂紋和葉尖腐蝕是高壓渦輪葉片的常見損傷方式。葉尖修復通過激光熔覆、再生熱處理、TBC應用、放電加工，基于原始輪廓的長度來再制造航空發(fā)動機損傷葉片[7]。

對于渦輪導向葉片：渦輪導向葉片處于高溫環(huán)境，采用材料為熔點較高的金屬，而釬焊具有加熱溫度低，修復后部件變形較小，接頭殘余應力小等優(yōu)點，適合焊接難熔化的金屬，在受損的航空發(fā)動機和燃氣輪機渦輪導向葉片的維修中被廣泛應用[8]，如圖3所示。

圖3 渦輪導向葉片的邊緣修復

示例2：燃燒室內襯的補丁修復。

由于高溫氣體的氧化，熱腐蝕、熱疲勞和局部熱點、開裂和材料缺失是燃燒室內襯的常見破壞方式。貼片焊接修復用于修復大面積燃燒襯墊的表面損傷。

3 結語

再制造技術是實現(xiàn)可持續(xù)社會和表面完整性的關鍵因素，是綠色制造技術的新方向。隨著當代科學技術的迅速發(fā)展，越來越多的新材料（如單晶高溫合金和復合材料），結構（如整體葉盤或環(huán)）和工藝（如線性摩擦焊和激光噴丸）將用于先進的高性能航空發(fā)動機，未來隨著航空航天工業(yè)大發(fā)展，其中大量的報廢產品對再制造工程具有巨大的機會。同時，再制造應用存在相當大的挑戰(zhàn)，表面完整性再制造的進步需要創(chuàng)新的再制造工藝技術，3D打印和納米級加工等最先進的技術將為再制造帶來新的活力。再制造是潛在的巨人，再制造產業(yè)是朝陽產業(yè)，有廣闊的發(fā)展前途。再制造是地區(qū)經濟發(fā)展新的增長點，再制造為企業(yè)的發(fā)展提供了新的途徑，也為科技人員提供了施展才能的新課題。