As lâminas de motor de aeronaves estão em um ambiente de trabalho complexo e severo por um longo tempo e são propensas a vários tipos de defeitos de danos. É caro substituir lâminas e pesquisar a tecnologia de reparo e remanufatura das lâminas tem enormes benefícios econômicos. As lâminas do motor de aeronaves são divididas principalmente em duas categorias: lâminas de turbinas e lâminas de ventilador/compressor. As lâminas de turbinas geralmente usam ligas de alta temperatura à base de níquel, enquanto as lâminas de ventilador/compressor usam principalmente ligas de titânio, e outras usam ligas de alta temperatura à base de níquel. As diferenças de materiais e ambientes de trabalho de lâminas de turbinas e lâminas de ventilador/compressor resultam em diferentes tipos comuns de danos, resultando em diferentes métodos de reparo e indicadores de desempenho que precisam ser alcançados após o reparo. Este artigo analisa e discute os métodos de reparo e as principais tecnologias atualmente usadas para os dois tipos de defeitos comuns de danos nas lâminas do motor de aeronaves, com o objetivo de fornecer uma base teórica para alcançar reparos de alta qualidade e remanufatura de lâminas de motor de aeronaves.
Nos motores de aeronaves, as pás do rotor de turbinas e fãs/compressores estão sujeitas a ambientes severos de longo prazo, como cargas centrífugas, tensão térmica e corrosão e requisitos de desempenho extremamente altos. Eles são listados como um dos componentes mais principais da fabricação de motores de aeronaves, e sua fabricação é responsável por mais de 30% da carga de trabalho de toda a fabricação de motores [1–3]. Estando em um ambiente de trabalho severo e complexo por um longo tempo, as pás do rotor são propensas a defeitos como rachaduras, desgaste da ponta da lâmina e danos à fratura. O custo da reparação das lâminas é de apenas 20% do custo da fabricação de toda a lâmina. Portanto, a pesquisa sobre a tecnologia de reparo de lâminas de motores de aeronaves é propícia a prolongar a vida útil das lâminas, reduzir os custos de fabricação e tem enormes benefícios econômicos.
O reparo e a remanufatura das lâminas do motor da aeronave inclui principalmente as quatro etapas a seguir [4]: pré-tratamento da lâmina (incluindo limpeza da lâmina [5], inspeção tridimensional e reconstrução geométrica [6–7], etc.); Deposição de material (incluindo o uso de tecnologia avançada de soldagem e conexão para concluir o preenchimento e o acúmulo de materiais ausentes [8–10], tratamento térmico de recuperação de desempenho [11–13], etc.); reforma da lâmina (incluindo métodos de usinagem como moagem e polimento [14]); O tratamento pós-reparo (incluindo o revestimento de superfície [15–16] e o fortalecimento do tratamento [17], etc.), como mostrado na Figura 1. Entre eles, a deposição do material é a chave para garantir as propriedades mecânicas da lâmina após o reparo. Os principais componentes e materiais das lâminas do motor da aeronave são mostrados na Figura 2. Para diferentes materiais e diferentes formas de defeito, o método de reparo correspondente pesquisa é a base para alcançar reparos e remanufatura de alta qualidade de lâminas danificadas. Este artigo leva lâminas de turbinas de alta temperatura baseadas em níquel e lâminas de ventilador/compressor de liga de titânio como objetos, discute e analisam os métodos de reparo e as principais tecnologias usadas para diferentes tipos de danos à lâmina do motor de aeronave nesse estágio e explica suas vantagens e desvantagens.
Método de reparo de lâmina de alta temperatura à base de níquel de alta temperatura
As lâminas de turbinas de liga de alta temperatura baseadas em níquel funcionam em um ambiente de gás de combustão de alta temperatura e estresse complexo por um longo tempo, e as lâminas geralmente têm defeitos como rachaduras térmicas de fadiga, danos à superfície de área pequena (desgaste da ponta da lâmina e dano à corrosão) e fraturas por fadiga. Como a segurança do reparo da fratura por fadiga da lâmina da turbina é relativamente baixa, elas geralmente são substituídas diretamente após a fratura por fadiga ocorre sem reparo de soldagem. Os dois tipos comuns de defeitos e métodos de reparo de lâminas de turbinas são mostrados na Figura 3 [4]. A seguir, introduzirá os métodos de reparo desses dois tipos de defeitos de lâminas de turbinas de liga de alta temperatura à base de níquel, respectivamente.
Reparo de crack da lâmina de turbina de níquel à base de níquel
Os métodos de reparo de soldagem de fase sólida são geralmente usados para reparar defeitos de trincas da lâmina da turbina, incluindo principalmente: brasagem a vácuo, ligação de difusão de fase líquida transitória, soldagem de difusão ativada e métodos de reparo de remanufatura de metalurgia em pó.
Shan et al. [18] usaram o método de brasagem de vácuo de feixe para reparar rachaduras nas lâminas de liga de níquel CHS88 usando preenchimentos de brasagem Ni-Cr-B-Si e Ni-Cr-Zr. Os resultados mostraram que, em comparação com o metal de preenchimento de brasagem Ni-Cr-B-Si, o ZR no metal de preenchimento de brasagem Ni-Cr-ZR não é fácil de difundir, o substrato não é significativamente corroído e a tenacidade da articulação soldada é maior. O uso de metal de preenchimento de brasagem Ni-Cr-ZR pode obter o reparo de rachaduras nas lâminas de liga à base de níquel CHS88. Ojo et al. [19] estudaram os efeitos do tamanho e dos parâmetros do processo na microestrutura e nas propriedades das juntas soldadas de difusão da liga baseada em níquel Inconel718. À medida que o tamanho do espaço aumenta, o aparecimento de fases duras e quebradiças, como compostos intermetálicos baseados em Ni3al e ricos em Ni e borídeos ricos em Ni, é a principal razão para a diminuição da força e tenacidade da articulação.
A soldagem de difusão de fase líquida transitória é solidificada sob condições isotérmicas e pertence à cristalização sob condições de equilíbrio, que é propício à homogeneização da composição e estrutura [20]. Pourranvari [21] estudou a soldagem de difusão de fase líquida transitória da liga de alta temperatura baseada em níquel Inconel718 e descobriu que o teor de Cr no preenchimento e a faixa de decomposição da matriz são os principais fatores que afetam a força da zona de solidificação isotérmica. Lin et al. [22] estudaram a influência dos parâmetros de processo de soldagem de difusão de fase líquida transitória na microestrutura e propriedades das juntas de liga de alta temperatura baseadas em níquel GH99. Os resultados mostraram que, com o aumento da temperatura da conexão ou a extensão do tempo, o número de boretos ricos em Ni e rico em Cr na zona de precipitação diminuiu e o tamanho dos grãos da zona de precipitação foi menor. A temperatura ambiente e a resistência ao cisalhamento de tração de alta temperatura aumentaram com a extensão do tempo de retenção. Atualmente, a soldagem de difusão de fase líquida transitória foi usada com sucesso para reparar pequenas rachaduras em áreas de baixo estresse e reconstruir o dano da ponta das lâminas não coroadas [23–24]. Embora a soldagem de difusão de fase líquida transitória tenha sido aplicada com sucesso a uma variedade de materiais, é limitada ao reparo de pequenas rachaduras (cerca de 250μm).
Quando a largura da trinca é maior que 0. 5 mm e a ação capilar é insuficiente para preencher a rachadura, o reparo da lâmina pode ser alcançado usando a soldagem de difusão ativada [24]. Su et al. [25] usaram o método de brasagem de difusão ativada para reparar a lâmina de liga de alta temperatura baseada em níquel IN738 usando material de brasagem DF4B e obteve uma articulação soldada de alta resistência e resistente a oxidação. A fase 'precipitada na articulação tem um efeito de fortalecimento, e a resistência à tração atinge 85% do material pai. A articulação quebra na posição de borídeo rico em Cr. Hawk et al. [26] também usaram soldagem de difusão ativada para reparar a ampla rachadura da lâmina de liga de alta temperatura baseada em níquel René 108. A remanufatura de metalurgia em pó, como um método recém-desenvolvido para a reconstrução original de superfícies avançadas de materiais, tem sido amplamente utilizada no reparo de lâminas de liga de alta temperatura. Ele pode restaurar e reconstruir a força tridimensional quase isotrópica de grandes defeitos de gap (mais de 5 mm), como rachaduras, ablação, desgaste e orifícios nas lâminas [27]. A Liburdi, uma empresa canadense, desenvolveu o método LPM (Metalurgia em Pó Liburdi) para reparar lâminas de liga à base de níquel com alto teor de AL e Ti com baixo desempenho de soldagem. O processo é mostrado na Figura 4 [28]. Nos últimos anos, o método de metalurgia em pó de laminação vertical baseada nesse método pode realizar o reparo de defeitos de brasagem único de 25 mm [29].
Reparar de dano na superfície de lâminas de turbinas de alta temperatura à base de níquel
Quando os arranhões e os danos de corrosão de pequenas áreas ocorrem na superfície das lâminas de liga de alta temperatura à base de níquel, a área danificada geralmente pode ser removida e ranhurada pela usinagem e depois preenchida e reparada usando um método de soldagem apropriado. A pesquisa atual se concentra principalmente na deposição de fusão a laser e reparo de soldagem de arco de argônio.
Kim et al. [30] from the University of Delaware in the United States performed laser cladding and manual welding repair on Rene80 nickel-based alloy blades with high Al and Ti contents, and compared the workpieces that had undergone post-weld heat treatment with those that had undergone post-weld heat treatment and hot isostatic pressing (HIP), and found that HIP can effectively reduce small-sized pore defects. Liu et al. [31] Da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, usou a tecnologia de revestimento a laser para reparar defeitos de sulco e orifícios em componentes de turbina de liga de níquel de 718 níquel e exploraram os efeitos da densidade de potência do laser, velocidade de varredura a laser e formulário de revestimento no processo de reparo, como mostrado na Figura 5.
Em termos de reparo de soldagem de arco de argônio, Qu Sheng et al. [32] do Desenvolvimento da Aviação da China Shenyang Liming Aero Motor (Grupo) Co., Ltd. Utilizou o método de soldagem de arco de tungstênio para reparar os problemas de desgaste e rachaduras na ponta das lâminas de turbina de alta temperatura DZ125. . Os resultados mostram que, depois de reparar com materiais de soldagem à base de cobalto tradicionais, a zona afetada pelo calor é propensa a rachaduras térmicas e a dureza da solda é reduzida. No entanto, o uso do recém-desenvolvido MGS -1 materiais de soldagem baseado em níquel, combinado com os processos apropriados de soldagem e tratamento térmico, pode efetivamente evitar rachaduras na zona afetada pelo calor, e a resistência à tração a 1000 graus atinge 90% do material base. Song Wenqing et al. [33] conduziram um estudo sobre o processo de soldagem de reparo de defeitos de fundição das lâminas de guia de turbinas de alta temperatura K4104 de alta temperatura. Os resultados mostraram que o uso dos fios de soldagem HGH3113 e HGH3533 como metais de enchimento possui excelente formação de solda, boa plasticidade e forte resistência a trincas, enquanto que o fio de soldagem K4104 com o aumento do conteúdo de ZR é soldado, a fluidez dos líquidos de metal é ruim, a superfície da solda não é formada bem, e os crackes e os defeitos não-fusão ocorrem. Pode -se observar que, no processo de reparo da lâmina, a seleção de materiais de enchimento desempenha um papel vital.
A pesquisa atual sobre o reparo de lâminas de turbinas à base de níquel mostrou que as ligas de alta temperatura à base de níquel contêm elementos de fortalecimento da solução sólida, como elementos de CR, MO, AL e rastreamento, como P, S e B, o que os torna mais sensíveis à rachadura durante o processo de reparo. Após a soldagem, eles são propensos à segregação estrutural e à formação de defeitos de fase frágeis de lavancos. Portanto, pesquisas subsequentes sobre o reparo de ligas de alta temperatura baseadas em níquel exigem a regulação da estrutura e as propriedades mecânicas de tais defeitos.
2 Método de reparo de fãs/compressor de liga de titânio
Durante a operação, as lâminas de ventilador/compressor de liga de titânio são submetidas principalmente a força centrífuga, força aerodinâmica e carga de vibração. Durante o uso, defeitos de danos na superfície (rachaduras, desgaste da ponta da lâmina, etc.), defeitos de quebra local de lâminas de liga de titânio e danos nas áreas grandes (fratura por fadiga, danos e corrosão da área grande, etc.) geralmente ocorrem, exigindo a substituição geral de lâminas. Diferentes tipos de defeitos e métodos de reparo comuns são mostrados na Figura 6. A seguir, introduzirá o status da pesquisa do reparo desses três tipos de defeitos.
2.1 Reparo de defeitos de dano na lâmina de liga de titânio
Durante a operação, as lâminas de liga de titânio geralmente têm defeitos como rachaduras na superfície, pequenos arranhões de área e desgaste da lâmina. O reparo de tais defeitos é semelhante ao das lâminas de turbinas à base de níquel. A usinagem é usada para remover a área defeituosa e a deposição de fusão a laser ou a soldagem do arco de argônio é usada para encher e reparo.
No campo da deposição de fusão a laser, Zhao Zhuang et al. [34] da Universidade Politécnica do Noroeste conduziram um estudo de reparo a laser sobre defeitos de superfície de pequeno porte (diâmetro da superfície 2 mm, defeitos hemisféricos com uma profundidade de 0}. 5 mm) de titânio de titânio. Os resultados mostraram que os cristais colunares na zona de deposição a laser cresceram epitaxialmente a partir da interface e os limites dos grãos foram borrados. As ripas originais em forma de agulha e as fases secundárias na zona afetada pelo calor cresceram e grudadas. Comparados com as amostras forjadas, as amostras reparadas a laser tiveram as características de alta resistência e baixa plasticidade. A resistência à tração aumentou de 1077,7 MPa para 1146,6 MPa, e o alongamento diminuiu de 17,4% para 11,7%. Pan Bo et al. [35] usaram a tecnologia de revestimento a laser de alimentação coaxial para reparar os defeitos pré-fabricados em forma de orifício circular da liga de titânio ZTC4 por muitas vezes. Os resultados mostraram que o processo de alteração da microestrutura do material pai para a área reparada era fase lamelar e fase intergranular → Estrutura de onda de cesto → Martensita → Estrutura de Widmanstatten. A dureza da zona afetada pelo calor aumentou ligeiramente com o aumento do número de reparos, enquanto a dureza do material pai e a camada de revestimento não mudou muito.
Os resultados mostram que a zona de reparo e a zona afetada pelo calor antes do tratamento térmico são uma fase de agulha ultra-fina distribuída na matriz de fase, e a zona de material base é uma estrutura de cesta fina. Após o tratamento térmico, a microestrutura de cada área é a estrutura de transformação da fase + fase + da fase de fase + do tipo ratina, e o comprimento da fase primária na área de reparo é significativamente maior que a de outras áreas. O limite de fadiga de alto ciclo da parte de reparo é de 490MPa, que é maior que o limite de fadiga do material base. A queda extrema é de cerca de 7,1%. A soldagem manual de arco de argônio também é comumente usada para reparar rachaduras na superfície da lâmina e desgaste da ponta. Sua desvantagem é que a entrada de calor é grande e os reparos em grandes áreas são propensos a grandes estresse térmico e deformação de soldagem [37].
A pesquisa atual mostra que, independentemente de a deposição de fusão a laser ou a soldagem do arco de argônio ser usada para reparo, a área de reparo tem as características de alta resistência e baixa plasticidade, e o desempenho da fadiga da lâmina é facilmente reduzido após o reparo. A próxima etapa da pesquisa deve se concentrar em como controlar a composição da liga, ajustar os parâmetros do processo de soldagem e otimizar os métodos de controle de processo para regular a microestrutura da área de reparo, alcançar a correspondência de força e plasticidade na área de reparo e garantir seu excelente desempenho de fadiga.
2.2 Reparo de danos locais de lâminas de liga de titânio
Não há diferença essencial entre o reparo dos defeitos de danos à lâmina do rotor da liga de titânio e a tecnologia de fabricação aditiva de peças sólidas tridimensionais de liga de titânio em termos de processo. O reparo pode ser considerado como um processo de fabricação de aditivos de deposição secundária na seção de fraturas e na superfície local com as peças danificadas como a matriz, como mostra a Figura 7. De acordo com as diferentes fontes de calor, é dividido principalmente em reparo aditivo para laser e reparo aditivo de arco. Vale a pena notar que, nos últimos anos, o Centro de Pesquisa Colaborativa alemã 871 fez da tecnologia de reparo de aditivos de arco um foco de pesquisa para o reparo de lâminas integrais da liga de titânio [38] e melhorou o desempenho do reparo adicionando agentes nucleadores e outros meios [39].
No campo do reparo aditivo a laser, Gong Xinyong et al. [40] usaram o pó de liga TC11 para estudar o processo de reparo de deposição de fusão a laser da liga de titânio TC11. Após o reparo, a área de deposição da amostra de paredes finas e a área de restrição da interface tinham características típicas da estrutura de Widmanstten, e a estrutura da zona afetada pelo calor da matriz passou da estrutura de Widmanstten para a estrutura de estado duplo. A resistência à tração da área de deposição era de cerca de 1200 MPa, que era maior que a da zona de transição da interface e da matriz, enquanto a plasticidade era ligeiramente menor que a da matriz. As amostras de tração foram todas quebradas dentro da matriz. Finalmente, o impulsor real foi reparado pelo método de deposição de fusão ponto a ponto, passou a avaliação do teste de super velocidade e percebeu o aplicativo de instalação. Bian Hongyou et al. [41] usaram o pó Ta15 para estudar o reparo aditivo a laser da liga de titânio TC17 e exploraram os efeitos de diferentes temperaturas de tratamento térmico de recozimento (610 graus, 630 graus e 650 graus) em sua microestrutura e propriedades. Os resultados mostraram que a resistência à tração da liga TA15/TC17 depositada reparada pela deposição a laser pode atingir 1029MPa, mas a plasticidade é relativamente baixa, apenas 4,3%, atingindo 90,2% e 61,4% dos esquecedores de TC17, respectivamente. Após o tratamento térmico em diferentes temperaturas, a resistência à tração e a plasticidade são significativamente melhoradas. Quando a temperatura de recozimento é de 650 graus, a maior resistência à tração é de 1102MPa, atingindo 98,4% dos pentos de TC17, e o alongamento após a fratura é de 13,5%, o que é significativamente melhorado em comparação com o estado depositado.
No campo do reparo aditivo de arco, Liu et al. [42] realizaram um estudo de reparo sobre uma amostra simulada de uma lâmina de liga de titânio TC4 ausente. Uma morfologia de grãos mistas de cristais equiaxados e cristais colunares foi obtida na camada depositada, com uma resistência à tração máxima de 991 MPa e um alongamento de 10%. Zhuo et al. [43] usaram o fio de solda TC11 para realizar um estudo de reparo aditivo de arco sobre liga de titânio TC17 e analisou a evolução microestrutural da camada depositada e da zona afetada pelo calor. A resistência à tração foi de 1015,9 MPa em condições sem aquecimento, e o alongamento foi de 14,8%, com bom desempenho abrangente. Chen et al. [44] estudaram os efeitos de diferentes temperaturas de recozimento na microestrutura e nas propriedades mecânicas das amostras de reparo da liga de titânio TC11/TC17. Os resultados mostraram que uma temperatura de recozimento mais alta foi benéfica para melhorar o alongamento das amostras reparadas.
A pesquisa sobre o uso da tecnologia de fabricação de aditivos metálicos para reparar defeitos de danos locais em lâminas de liga de titânio está apenas em sua infância. As lâminas reparadas não apenas precisam prestar atenção às propriedades mecânicas da camada depositada, mas também a avaliação das propriedades mecânicas na interface das lâminas reparadas é igualmente crucial.
3 lâminas de liga de titânio com grande área de dano de área Substituição e reparo da lâmina
Para simplificar a estrutura do rotor do compressor e reduzir o peso, as lâminas modernas do motor de aeronaves geralmente adotam uma estrutura de disco de lâmina integrante, que é uma estrutura de uma peça que torna as lâminas que funcionam e os discos da lâmina em uma estrutura integral, eliminando o tenon e o mortise. Ao alcançar o objetivo da redução de peso, também pode evitar o desgaste e a perda aerodinâmica do tenon e o mortise na estrutura convencional. O reparo dos danos na superfície e os defeitos de danos locais do disco de lâmina integral do compressor é semelhante ao método de reparo de lâmina separado acima mencionado. Para o reparo das peças quebradas ou ausentes do disco integral da lâmina, a soldagem linear de atrito é amplamente utilizada devido ao seu método e vantagens exclusivos de processamento. Seu processo é mostrado na Figura 8 [45].
Mateo et al. [46] usaram soldagem de atrito linear para simular o reparo de Ti -6246 liga de titânio. Os resultados mostraram que o mesmo dano reparado até três vezes teve uma zona mais estreita afetada pelo calor e uma estrutura de grão de solda mais fina. A resistência à tração diminuiu de 1048 MPa para 1013 MPa com o aumento do número de reparos. No entanto, as amostras de tração e fadiga foram quebradas na área do material base longe da área de solda.
Ma et al. [47] estudaram os efeitos de diferentes temperaturas de tratamento térmico (530 graus + 4 h resfriamento de ar, 610 graus + 4 h resfriamento de ar, 670 graus + 4 h titânio de resfriamento de ar linear de linear de titânio. Os resultados mostram que, à medida que a temperatura do tratamento térmico aumenta, o grau de recristalização de fase e fase aumenta significativamente. O comportamento da fratura das amostras de tração e impacto mudou de fratura frágil para fratura dúctil. Após o tratamento térmico a 670 graus, a amostra de tração fraturou no material base. A resistência à tração foi de 1262MPa, mas o alongamento foi de apenas 81,1% do material base.
Atualmente, pesquisas domésticas e estrangeiras mostram que a tecnologia de reparo de soldagem de fricção linear tem a função de óxidos auto-limpeza, o que pode remover efetivamente os óxidos na superfície de ligação sem defeitos metalúrgicos causados pelo derretimento. Ao mesmo tempo, pode perceber a conexão de materiais heterogêneos para obter discos de lâmina integral de liga dupla/dupla performance e pode concluir o rápido reparo de fraturas corporais da lâmina ou peças ausentes de discos de lâmina integrais feitos de diferentes materiais [38]. No entanto, ainda existem muitos problemas a serem resolvidos no uso da tecnologia de soldagem de fricção linear para reparar discos de lâminas integrais, como grande estresse residual nas articulações e dificuldade em controlar a qualidade das conexões de material heterogêneo. Ao mesmo tempo, o processo de soldagem de atrito linear para novos materiais precisa de uma exploração adicional.
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