渦輪葉片常見故障分析與修理技術

1、渦輪葉片常見故障分析與修理技術【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，并適當介紹其它發(fā)動機修理技術。 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，幾何形狀復雜，材料化學成分和組織狀態(tài)要求嚴格。因此，制造工序多，工藝復雜；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。關鍵詞：渦輪葉片，常見故障，修理技術，使用壽命，飛行安全Abstract:This paper mainly expounds the common fault of WP-5 turbineblades and repair tech

2、nology, and appropriate to introduce other enginerepair technology. Turbine blades are the main component of aviationengine,itsuseinharshenvironment,quantity,complexgeometry,material chemical composition and microstructure of strict. Therefore,manufacturingprocess,complex process;faultappearinginthe

3、useprocess directlyaffectthe servicelifeof the engine and flightsafety.The aircraft engine is the focus of the work of inspection and repair.Key words: Turbine blade,commonfailure,repairtechnology,the servicelife, flight safety1目 錄1 XXXX錯誤！未定義書簽。1.1XXXXX31.1.1 XXXX31.1.2 XXXX錯誤！未定義書簽。2 XXXX32.1XXXXX

4、32.1.1 XXXX32.1.2 XXXX錯誤！未定義書簽。結 束 語錯誤！未定義書簽。謝 辭錯誤！未定義書簽。文 獻錯誤！未定義書簽。21 渦輪概述1.1 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換為機械能， 輸出無論功帶動壓氣機和其他附件工作。1.2 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，其方向指向葉背，推動渦輪動葉（工作葉輪）做功。1.3 渦輪的結構渦輪的單級由 1 個導向器和 1 個工作葉輪組成。2

5、 渦輪轉子2.1 渦輪轉子的組成渦輪轉子由葉片、渦輪盤和渦輪軸組成。2.1.1 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）與高溫條件下工作，所以才用優(yōu)質高溫合金制造。目前用的最多的是GH437（鎳基合金），可在 800 850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 渦輪

6、葉片的常見故障分析及修理技術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）。3.1 渦輪的常見故障及概率3.1.1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：其一，第一榫槽裂紋3WP-5（ 5.518.3 ）%；WP-5（ 4.815） %；WP-5（ 2.38.2 ）%（200 400h），P -4（ 15.7 7206） %，（100 700h）。其二，葉身排氣邊裂紋（0 1.25 ） %其三，固定鍵裂紋（ 1.25 8.8 ）%。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

7、規(guī)律；各種機種的故障率也有差異。3.1.2 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，仍未有一致的結論。3.1.3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（1.3 2.5 ）%?？梢娝c壽命無明顯關系。葉身的過熱比細頸要少得多，而

8、且與壽命無關。3.2 葉片榫槽與榫頭裂紋3.2.1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重的晶界顯示缺陷，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 0.1 0.15mm（單面），電解拋

9、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)生殘余壓應力并影城亞晶冷作硬化層， 從而提高零件疲勞強度和抗應力腐蝕的能力。3.2.23.2.3葉片第二榫槽裂紋及其修理技術葉片第一齒工作面細碎裂紋3.3 葉片的葉身和鎖鍵裂紋及修理43.3.1 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、導管、郵箱；加之還會引發(fā)渦輪轉子的不平衡度增大，使得飛機激烈振動，導致燃油管斷裂、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

10、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

11、排氣邊裂紋和下列因素有關：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，而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是預防排氣邊裂紋的有效方法。3.3.2 葉背裂紋葉背裂紋只發(fā)生在葉身背部凸面的排

12、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3 5mm，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。葉背裂紋的故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。3.3.3 鎖鍵裂紋與修理技術5（ 1）固定鎖鍵裂紋 固定鎖鍵裂紋的部位，在固定鎖鍵的轉角處。 由于該處圓角很小，裂紋產(chǎn)生在轉角的最尖的地方。 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。故障原因可能是構造上的缺陷，因為固定鎖鍵轉角處圓角很小。同時，在裝配活動鎖鍵時，對固定鎖

13、鍵也有一個預緊力，如果預緊力過大，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，與發(fā)動機工作條件、 零件的手里狀態(tài)關系不大。3.4 葉片表面故障及修理技術3.4.1 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、

14、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，比較嚴重時，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

15、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，寬度有的較寬 0.1 0.2mm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（ 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。3.4.2 預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

16、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。3.4.3 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。3.5 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

17、裂；（2）高溫蠕變損壞；（3）化學損傷和熱疲勞斷裂。4 渦輪葉片檢測與修理的先進技術4.1 檢測渦輪葉片的先進技術（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4.2 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式分解 Al 吸附并沉積到葉片表面上形成涂層?，F(xiàn)在為使葉片內(nèi)部和其他地方免受腐蝕，也應用保護涂層PWA275，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

18、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的技術類似真空釬焊。當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，7放在 1000 倍的顯微鏡底下觀看其金相組織結構。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，

19、用超聲波設備檢驗壁厚。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力釋放。當發(fā)現(xiàn)葉片比較臟，首先是化學浸泡清洗， 去掉里面的重腐蝕物；再用強力的循環(huán)清洗設備去掉殘渣，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電測試， 確定有無雜質， 以判斷葉片是否徹底清洗干凈。當發(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580 13溫度中保留1h，冷卻后，呈金黃色為表面涂層仍然存在，淡金黃色為擴散涂層2存在，藍色則表示沒有任何涂層了。如果涂層剝落面積小于2.903cm ，而且表

20、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， 再用化學溶劑浸泡出擴散進機體的涂層，共進行三次的身表面吹砂后，用化學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。葉尖的涂層厚度有要求，當最小的厚度不到 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，在頂部加上立方氮化硼物質。最后，要在氣動平臺上測量

21、葉片兩個通道的氣流量。如果發(fā)現(xiàn)不正常時，可用探針設法使堵塞的孔恢復正常， 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。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復，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力釋放， 當然不能

22、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，已成功地用于修復葉片的頂部了，涂層厚度為2.03mm。當用焊接方法修補葉片8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，將葉片在研磨石中研磨，是涂層的主要面應達到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力，提高抗疲勞、抗腐蝕能力，接著進行水

23、流測試，以去除里面多余的雜質；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。4.3 渦輪葉片的預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。4.4 國內(nèi)外先進的葉片修理技術4.4.1 表面損傷的