渦輪葉片常見故障分析與修理技術(shù)

1、 1渦輪葉片常見故障分析與修理技術(shù)【摘要】本論文主要闡述了 wp-5 發(fā)動機渦輪葉片的常見故障及其修理技術(shù)，并適當(dāng)介紹其它發(fā)動機修理技術(shù)。渦輪葉片是航空發(fā)動機的主要部件，它的使用環(huán)境苛刻，數(shù)量多，幾何形狀復(fù)雜，材料化學(xué)成分和組織狀態(tài)要求嚴(yán)格。因此，制造工序多，工藝復(fù)雜；在使用過程中出現(xiàn)的故障直接影響到發(fā)動機的使用壽命和飛行安全。是航空發(fā)動機檢查和維修的工作重點。關(guān)鍵詞：渦輪葉片，常見故障，修理技術(shù)，使用壽命，飛行安全 abstract:abstract: this paper mainly expounds the common fault of wp-5 turbine blades and

2、 repair technology, and appropriate to introduce other engine repair technology. turbine blades are the main component of aviation engine, its use in harsh environment, quantity, complex geometry, material chemical composition and microstructure of strict. therefore, manufacturing process, complex p

3、rocess; fault appearing in the use process directly affect the service life of the engine and flight safety. the aircraft engine is the focus of the work of inspection and repair. keykey words:words: turbine blade, common failure, repair technology, the service life, flight safety 2目目 錄錄1 1 xxxxxxxx

4、.21.1 xxxxx.21.1.1 xxxx.21.1.2 xxxx.22 2 xxxxxxxx.32.1 xxxxx.32.1.1 xxxx.32.1.2 xxxx.3結(jié) 束 語.4謝 辭.5文 獻.6 31 1 渦輪概述渦輪概述1.11.1 渦輪的功用渦輪的功用渦輪的功用是使高溫燃氣膨脹做功，把燃氣中的部分熱能轉(zhuǎn)換為機械能，輸出無論功帶動壓氣機和其他附件工作。 1.21.2 渦輪的工作原理渦輪的工作原理 渦輪是利用燃氣膨脹做功原理來工作的。從渦輪導(dǎo)向器流出來的氣流沖擊動葉葉柵時，就會在動葉葉柵上產(chǎn)生很大的氣動作用。葉盆上的靜壓比葉背上的大得多。于是，葉盆和葉背的壓差形成了巨大的推動力，其

5、方向指向葉背，推動渦輪動葉（工作葉輪）做功。1.31.3 渦輪的渦輪的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 渦輪的單級由 1 個導(dǎo)向器和 1 個工作葉輪組成。2 渦輪轉(zhuǎn)子渦輪轉(zhuǎn)子2.12.1 渦輪轉(zhuǎn)子的組成渦輪轉(zhuǎn)子的組成渦輪轉(zhuǎn)子由葉片、渦輪盤和渦輪軸組成。2.1.12.1.1 渦輪葉片渦輪葉片渦輪葉片包括葉身和葉根（榫頭）兩個部分。葉身是葉片工作的部分，其外形是按燃氣的流動規(guī)律進行制造；葉根用以連接渦輪盤和葉片，目前多采用樅樹形狀，其上還有榫齒。在工作時葉根是受力最大的部分，因此，不僅要求它具有足夠的強度，而且應(yīng)有盡量小的重量?，F(xiàn)在大多數(shù)工作葉片是實心的，這樣構(gòu)造簡單且制造容易。工作葉片在巨大離心力（10 噸左右）與高溫

6、條件下工作，所以才用優(yōu)質(zhì)高溫合金制造。目前用的最多的是 gh437（鎳基合金） ，可在 800850工作，溫度更高時可采用 gh437a。葉片均由模鍛毛坯經(jīng)機械加工制造。3 3 渦輪葉片的常見故障分析及修理技術(shù)渦輪葉片的常見故障分析及修理技術(shù) 渦輪葉片常見故障分為三類：裂紋、表面缺陷、葉身細頸和過熱（燒傷） 。3.13.1 渦輪的常見故障及概率渦輪的常見故障及概率 3.1.13.1.1 裂紋裂紋 渦輪葉片常見的有榫槽裂紋、葉身裂紋、固定鎖鍵裂紋等。從 200600h 壽命的發(fā)動機統(tǒng)計，故障率（按臺計）如下： 4 其一，第一榫槽裂紋 wp-5 （5.518.3）%； wp-5 （4.815）%；

7、 wp-5 （2.38.2）%（200400h） ， p-4 （15.77206）%， （100700h） 。 其二，葉身排氣邊裂紋（01.25）% 其三，固定鍵裂紋（1.258.8）%。 以上統(tǒng)計可見，第一榫槽裂紋故障最為突出，它與葉片壽命有明顯的規(guī)律；各種機種的故障率也有差異。3.1.23.1.2 表面的缺陷表面的缺陷 葉片表面的缺陷有六種，即晶界顯示、龜裂、掉晶、發(fā)紋、燃氣腐蝕和表面打傷。 葉身和榫槽表面缺陷比較普遍，壽命在 200h 以上的葉片，約有 60%都程度不同的存在這種故障。因故障界限不明確，所以難以統(tǒng)計準(zhǔn)確。只對燃氣腐蝕做過粗略統(tǒng)計，故障率（按臺計）約在（1115）%之間。制

8、造、翻修和使用都發(fā)現(xiàn)這類故障最多，研究者爭論也最多，到目前為止，仍未有一致的結(jié)論。3.1.33.1.3葉身細頸和過燒 細頸大多發(fā)生在葉身高三分之二的排氣邊。200600h壽命期間，故障率（按臺計）為（1.32.5）%?？梢娝c壽命無明顯關(guān)系。 葉身的過熱比細頸要少得多，而且與壽命無關(guān)。3.23.2 葉片榫槽與榫頭裂紋葉片榫槽與榫頭裂紋 3.2.13.2.1葉片第一榫槽裂紋 （1）葉片第一榫槽裂紋的宏觀形態(tài) 這種裂紋都出現(xiàn)在第一榫槽底的圓弧 r部位。在葉片背面（凸面）裂紋常在槽底中央；在葉片凹面則在榫槽靠近排氣邊兩側(cè)的槽底上。 （2）葉片第一榫槽裂紋的微觀形態(tài) 沿晶裂紋 這種裂紋在榫槽便面有嚴(yán)重

9、的晶界顯示缺陷，裂紋從顯示晶界開始擴展，逐漸連成裂紋。穿晶裂紋 這種裂紋在榫槽表面沒有缺陷，卻有穿晶裂紋生成并擴展。 （3）葉片第一榫槽裂紋檢查和修理 去層電解拋光 在第一榫槽底部圓角處，用機械加工的辦法磨掉硬化層，然后用電解拋光的方法，將磨削加工產(chǎn)生的硬化層除去。磨削的深度為 0.10.15mm（單面） ，電解拋光層為 0.02mm（單面） 。經(jīng)磨削和電拋光后，保持槽底的間距（k）不少于 13.1mm。 噴丸強化 高速彈丸撞擊金屬零件表面，使之產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力并影城亞晶冷作硬化層，從而提高零件疲勞強度和抗應(yīng)力腐蝕的能力。 3.2.23.2.2葉片第二榫槽裂紋及其修理技術(shù) 3.2.33.2.3葉

10、片第一齒工作面細碎裂紋 53.33.3 葉片的葉身和鎖鍵裂紋及修理葉片的葉身和鎖鍵裂紋及修理 3.3.13.3.1 葉身排氣邊裂紋葉身排氣邊裂紋 葉身排氣邊裂紋一經(jīng)出現(xiàn)，擴展速度很快，而后造成葉片斷裂，并打壞渦輪外環(huán)而飛出；還可能打壞機身中的電纜、導(dǎo)管、郵箱；加之還會引發(fā)渦輪轉(zhuǎn)子的不平衡度增大，使得飛機激烈振動，導(dǎo)致燃油管斷裂、軸承損壞；造成發(fā)動機空中停車或發(fā)動機起火。（1）排氣邊裂紋的形態(tài) 這種裂紋大多出現(xiàn)在葉身排氣邊葉身高度的 2/3 處，但也有些裂紋出現(xiàn)在葉片高度 1/3 處和葉高的中部。大多數(shù)排氣邊裂紋萌生的部位無表面缺陷；少數(shù)裂紋萌生于葉盆面，并向葉背擴展，它的擴展方向與葉片高度方向

11、垂直。斷口金相觀察發(fā)現(xiàn)，這種裂紋全部為穿晶裂紋，斷口上的疲勞特征明顯；金相組織觀察可見裂紋部位為粗大晶粒，并且晶粒大小不均勻。（2）排氣邊裂紋產(chǎn)生的原因 傳統(tǒng)觀點 葉片排氣邊裂紋是高溫、大應(yīng)力和燃氣腐蝕等綜合因素的作用下，萌生于表面的微裂紋擴展后形成的疲勞裂紋；這種微裂紋起源于葉片表面的氧化晶界、表面缺陷等處。渦輪葉片延壽研究中形成的新觀點 通過一些實驗、長期試車和金屬性能的分析，發(fā)現(xiàn)葉片排氣邊裂紋和下列因素有關(guān)：a.出現(xiàn)排氣邊裂紋的葉片大多數(shù)都在使用 400h 以前，并且葉片表面的缺陷都很輕微。b.排氣邊裂紋都是穿晶裂紋。盡管有些裂紋起始于葉片表面的龜裂或掉晶，但是裂紋擴展與這些缺陷無關(guān)，而

12、且排氣邊裂紋都是從葉盆向葉背擴展。c.機械振動，尤其是復(fù)合共振是引起葉身裂紋的主要原因。（3）排氣邊裂紋的修理技術(shù) 在發(fā)動機維護和修理中，必須高度重視對排氣邊的檢查，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)必須更換。 研究 發(fā)現(xiàn)，采用噴丸強化的葉片，經(jīng)過 254h 長期試車，葉片中壽命達到1420h，未發(fā)現(xiàn)排氣邊裂紋。這證明噴丸強化技術(shù)是預(yù)防排氣邊裂紋的有效方法。3.3.23.3.2 葉背裂紋葉背裂紋 葉背裂紋只發(fā)生在葉身背部凸面的排氣邊、葉尖和葉根榫槽處，在葉片凹面未發(fā)現(xiàn)過；它的長度在 35mm，深度約為 0.5mm，總是同時出現(xiàn)幾條；裂紋擴展方向與葉身軸向一致，并沿晶界擴展；這種裂紋的原因目前尚不清楚。 6 葉背裂紋的故

13、障率要比葉身裂紋少得多，在發(fā)動機維護和修理中，這種裂紋一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就必須更換葉片。3.3.33.3.3 鎖鍵裂紋與修理技術(shù)鎖鍵裂紋與修理技術(shù)（1）固定鎖鍵裂紋 固定鎖鍵裂紋的部位，在固定鎖鍵的轉(zhuǎn)角處。由于該處圓角很小，裂紋產(chǎn)生在轉(zhuǎn)角的最尖的地方。裂紋長度在 0.5mm 左右。優(yōu)勢與龜裂同時產(chǎn)生。這種裂紋雖然出現(xiàn)較多，但是從未發(fā)生過固定鎖鍵斷裂事件。 故障原因可能是構(gòu)造上的缺陷，因為固定鎖鍵轉(zhuǎn)角處圓角很小。同時，在裝配活動鎖鍵時，對固定鎖鍵也有一個預(yù)緊力，如果預(yù)緊力過大，就會引發(fā)裂紋。 經(jīng)長期的試車證明，可將已產(chǎn)生裂紋的固定鎖鍵改為活動鎖鍵，用1cr18ni9ti 材料制造，在葉片上開槽，把活動鎖鍵

14、壓上，這就從根本上排除了此類故障。（2）活動鎖鍵裂紋 該裂紋大都出此案在拐彎部位的圓角上，有單條和成片的龜裂兩種。單條貫穿整個鎖鍵，屬于過渡性故障，可能引起斷裂；成片的龜裂不貫穿整個鎖鍵，屬于穩(wěn)定性故障，不具有危險性，仍可使用。 活動鎖鍵裂紋的原因與制造工藝及熱處理有關(guān)，與發(fā)動機工作條件、零件的手里狀態(tài)關(guān)系不大。3.43.4 葉片表面故障及修理技術(shù)葉片表面故障及修理技術(shù)3.4.13.4.1 葉片常見的表面故障葉片常見的表面故障葉片的表面故障，按照其形態(tài)可分為六類，即晶界顯示、龜裂、掉晶、發(fā)紋、腐蝕和表面打傷。（1） 晶界顯示 晶界顯示又名晶界腐蝕，在放大鏡下能清晰地看出晶粒的界線，比較嚴(yán)重時，

15、鏡下可見晶界線變寬、發(fā)黑。晶界顯示是葉片表面缺陷中最輕的一種。該故障發(fā)生多發(fā)生在葉身和榫頭，葉片工作200h 后就開始出現(xiàn)，屬于穩(wěn)定性故障。（2） 龜裂 龜裂是晶界顯示的進一步發(fā)展，在放大鏡下可見晶界有局部的開裂。龜裂會成片出現(xiàn)，但又不連續(xù)；龜裂大多伴隨著晶界顯示而出現(xiàn)。（3） 掉晶 掉晶是晶界顯示進一步發(fā)展后出現(xiàn)的缺陷。在放大鏡下可見一個或數(shù)個晶粒掉出，形成坑點，并成片散布。掉晶出現(xiàn)后，葉片表面凹凸不平。掉晶常與晶界顯示、龜裂同時存在。（4） 發(fā)紋 發(fā)紋是一種冶金缺陷，它是在金屬冶煉過程中存在的非金屬夾雜造成的；一般存在于葉身表面，呈細長條紋，深度在 0.01mm 一下， 7寬度有的較寬 0

16、.10.2mm 之間。發(fā)紋沿葉片的纖維方向分布，多為數(shù)條同時出現(xiàn)。（5） 燃氣腐蝕 該缺陷表現(xiàn)為葉片表面有許多坑點（或稱麻點、麻坑） 。嚴(yán)重時麻點密集，表面呈黑色氧化狀，無金屬光澤?？狱c比掉晶要大得多，有時很深。放大鏡下所見的坑點多數(shù)沿晶界開始，有時與晶界顯示同時存在。（6） 葉片打傷 葉片打傷是外因故障。由于噴氣發(fā)動機吸入的空氣不清潔，有少量沙粒、雜物，會將葉身打傷。3.4.23.4.2 預(yù)防葉片表面故障的措施預(yù)防葉片表面故障的措施（1）在葉身表面鍍鉻鎳 此工藝對葉片的疲勞和持久性能沒有好處，增大了翻修葉片故障的檢查難度。因而，為投產(chǎn)使用。 (2) 在葉身表面低溫滲鋁 此工藝已投產(chǎn)使用，但這

17、種工藝給故障檢查帶來了困難。在使用中觀察，也葉片經(jīng)過較長的使用，鋁層有局部氧化現(xiàn)象，防護作用也隨之而減弱。因此，防護效果也有限度。3.4.33.4.3 葉片表面故障的修理方法葉片表面故障的修理方法 （1）氈輪拋光 用拋光去除葉片表面一定厚度的金屬層，就能將表面缺陷一并除去。不過這種辦法導(dǎo)致積累性去材過多，影響葉片壽命，不宜長久使用。 （2）噴丸強化 噴丸處理后的葉片表面缺陷產(chǎn)生緩慢，對已有缺陷的發(fā)展亦有明顯的抑制作用，并且大大增加了葉片的使用壽命。因此，得到廣泛使用。3.53.5 渦輪葉片常見故障產(chǎn)生的原因渦輪葉片常見故障產(chǎn)生的原因 (1)機械振動引起的疲勞斷裂； （2）高溫蠕變損壞； （3）

18、化學(xué)損傷和熱疲勞斷裂。4 4 渦輪葉片檢測與修理的先進技術(shù)渦輪葉片檢測與修理的先進技術(shù)4.14.1 檢測渦輪葉片的先進技術(shù)檢測渦輪葉片的先進技術(shù) （1）在發(fā)動機上用孔探儀檢查葉片 （2）在修理車間葉片檢測前清洗 （3）葉片完整性檢測 （4）葉片的無損檢測4.24.2 先進發(fā)動機的渦輪葉片常見故障及排除方法先進發(fā)動機的渦輪葉片常見故障及排除方法 為了使葉片能在 1500以上的高溫工作，葉片表面需要涂層。兩層葉身表面都用化學(xué)氣相沉積涂層 pwa275（鋁化合物） ，化合物在真空爐高溫下以氣體形 8式分解 al 吸附并沉積到葉片表面上形成涂層。現(xiàn)在為使葉片內(nèi)部和其他地方免受腐蝕，也應(yīng)用保護涂層 pw

19、a275，并在底座的袋狀部噴上 pwa545（鈷鋁化合物）。發(fā)動機經(jīng)常由第一級葉片葉尖的燒蝕使發(fā)動機排氣溫度裕度達不到要求，因而用更耐腐蝕、更耐磨的立方氮化硼代替現(xiàn)有的耐磨劑，對葉尖進行噴涂。這種稱為 turbotip 的技術(shù)類似真空釬焊。當(dāng)時被懷疑受高溫破壞時，就要進行高溫檢驗。把受檢葉片沿前緣、后緣、中弦線和根部切成 9 個樣本，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后，放在 1000 倍的顯微鏡底下觀看其金相組織結(jié)構(gòu)。葉片長度如果以前被維修過，上面都會有編碼，根據(jù)編碼可判斷維修情況。把葉片安裝在特殊的工裝上，測量出葉片的長度是否跟它以前的維修相吻合，以及是否需要進一步維修。維修前，須先做檢驗。x 射線用來檢

20、驗葉片內(nèi)部是否有裂紋，內(nèi)腔有無不需要的材料、金屬掉塊以及壁厚形狀有否突然變化。在去除涂層后，用超聲波設(shè)備檢驗壁厚。如果發(fā)現(xiàn)葉片需要進行進一步維修，如頂部焊接或更換涂層，需在真空爐中先對葉片進行熱應(yīng)力釋放。當(dāng)發(fā)現(xiàn)葉片比較臟，首先是化學(xué)浸泡清洗，去掉里面的重腐蝕物；再用強力的循環(huán)清洗設(shè)備去掉殘渣，再用沸水進一步清洗；最后把清洗完的葉片放在純水中進行導(dǎo)電測試，確定有無雜質(zhì)，以判斷葉片是否徹底清洗干凈。當(dāng)發(fā)現(xiàn)發(fā)動機的壓氣機損壞時，還需對 10%的葉片做孔探檢查。用熱顯像的方法來判斷葉片表面涂層的狀況。用吹砂使葉片表面光潔后，在 58013溫度中保留 1h，冷卻后，呈金黃色為表面涂層仍然存在，淡金黃色為

21、擴散涂層存在，藍色則表示沒有任何涂層了。如果涂層剝落面積小于 2.903cm2，而且表面沒有腐蝕，可用鋁硅混合物 pwa596 或鈷鋁混合物 pwa545 進行局部修補，也可用化學(xué)氣相沉積直接覆蓋上涂層 pwa275.否則必先去除全部涂層，要先用鋁氧干吹砂的方法去掉表面涂層，再用化學(xué)溶劑浸泡出擴散進機體的涂層，共進行三次的浸泡，約 4h。然后除脂、超聲波清洗并用熱顯像判斷涂層是否完全除去。在葉身表面吹砂后，用化學(xué)氣相沉積的方法在它上面附上一層涂層pwa275，用電爐干燥后（80、15 分鐘） ，再進行真空熱處理使涂層進一步擴散進機體，底座涂層的熱處理與葉身表面涂層的熱處理可一起進行。 葉尖的涂

22、層厚度有要求，當(dāng)最小的厚度不到 0.6mm 時，就要進行維修，繼續(xù)噴上男魔材料，或用 turbotip 的修理技術(shù)，在頂部加上立方氮化硼物質(zhì)。 最后，要在氣動平臺上測量葉片兩個通道的氣流量。如果發(fā)現(xiàn)不正常時，可用探針設(shè)法使堵塞的孔恢復(fù)正常，否則就需要重新打孔，里面的殘渣可用超聲波清洗掉。去除涂層后，裂紋就更容易顯現(xiàn)出來。與夜間平行的軸向裂紋以及葉尖下大于 2.5mm 的裂紋是不允許的，而且裂紋間最小距離不能小于 4.8mm。 9葉片前緣燒蝕或裂紋大于 2.54mm，或其厚度在測量的位置小于要求都是不允許的。 對于葉片受損（主要是磨損、腐蝕和硫化）的頂部，可用等離子電弧焊及鎢極惰性氣體保護焊來修

23、復(fù)，即先堆焊上合適的材料 pwa795，把表面打磨光滑后，用激光堆焊以達到要求的厚度，接著進行手工研磨、拋光成形到需要的葉尖長度，再在真空爐中進行應(yīng)力釋放，當(dāng)然不能堵住葉尖上的兩個冷卻孔。鈷基合金抗熱腐蝕性能好，是一種合適的堆焊材料。除焊修外，低壓離子噴涂 mcraiy涂層，已成功地用于修復(fù)葉片的頂部了，涂層厚度為 2.03mm。當(dāng)用焊接方法修補葉片時，若葉片后緣或頂部的冷卻孔被堵塞或在孔邊產(chǎn)生了裂紋、可以先將孔焊死，再用高能電子束或激光鉆孔。 葉身有的裂紋只要沒有超過限制是允許存在的，否則要打磨掉，但所有的腐蝕必須去除，這要用一種較強的鋁氧干吹砂的方法或直接打磨。焊接完并上了涂層后，將葉片在

24、研磨石中研磨，是涂層的主要面應(yīng)達到 1.6ra 的光潔度，以保證發(fā)動機氣流流動平穩(wěn)。 之后，要對葉根進行噴丸處理以提高表面壓應(yīng)力，提高抗疲勞、抗腐蝕能力，接著進行水流測試，以去除里面多余的雜質(zhì)；再用 x 射線檢查內(nèi)部的狀況；最后進行氣流檢驗是否達到要求。4.34.3 渦輪葉片的預(yù)防性修理渦輪葉片的預(yù)防性修理 為防止葉片出現(xiàn)過熱損傷、熱疲勞、高溫燃氣腐蝕等故障，可采用提高材料的抗熱性能，抗疲勞性能和抗高溫燃氣腐蝕性能的方法。在大修中，對渦輪葉片全部進行真空等離子法噴涂擴展涂層，即 ni-cr-al-w 系涂層；四元共滲后的渦輪葉片，塑性大大提高，耐熱性及其他工作性能都有所提高，耐熱穩(wěn)定性好。 隨著使用時間的累積，渦輪葉片金屬材料的內(nèi)部發(fā)生無數(shù)的微笑空洞。這事金屬材料都在高溫下受交變應(yīng)力而使晶粒分離的初期過程，是金屬老化的現(xiàn)象。為使老化的材料恢復(fù)原有的性能，采用在高溫下將流體靜壓力加給材料的熱等靜壓法是有效的。若把老化的材料進行熱等靜壓處理，其疲勞壽命可恢復(fù)到與新材料相同的水平。熱等靜壓處理裝置最高壓力可達 202.6mpa，溫度高達1450。4.44.4 國內(nèi)外先進的葉片修理技術(shù)國內(nèi)外先進的葉片修理技術(shù)4.4.14.4.1 表面損傷的修理表面損傷的修理 如