涡轮叶片常见故障维修 论文(4)

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果精度高；软件可扩充性好，只要改变标准叶型数据库就可以适合不同型号的叶片检测。

6. 提高涡轮叶片强度的几种措施

在涡轮叶片材质一定，即叶片固有疲劳强度一定的情况下，叶片的抗疲劳性能首先决定于其表面状态，因为材料表面层的晶格缺陷数目、组织以及化学成分的不均匀性远高于叶片的中心，因此，在涡轮叶片表面形成一个高承载能力的表面层对提高涡轮叶片的疲劳强度有重要意义。

6.1 合理选材

叶片疲劳强度是由材料的成分及其内部组织状态所决定的，不同的材料具有

不同的固有疲劳强度。在选择锻、铸造叶片的材料时，应选用纯度高、缺陷小、晶粒均匀、晶粒度适当的高疲劳强度材料，确保涡轮叶片的固有疲劳强度。

6.1.1 改进工艺

工艺因素对涡轮叶片疲劳强度的影响远大于尺寸因素的影响。先进、合理的工艺流程可以使叶片的疲劳性能稳定、并提高叶片的承载能力。

1.锻、铸造工艺

为了提高叶片的锻、铸造质量，因此在锻、铸造过程中要注意以下工作参数的选择：

（1）浇注温度的选区应以使型壳得到良好的填充和保证铸件获得最少的疏松为原则

（2）型壳温度的选择应与浇注温度相配合

（3）冷却速度。影响叶片蠕变性能的主要因素是铸造条件下的叶片冷却速度。对于高温的涡轮叶片，应选取高的冷却速度，以改善涡轮叶片的高温性能。

2.机械加工工艺:

（1）涡轮叶片的疲劳强度同时取决于机械加工和残余应力的大小，以及叶片的结构复杂性。因此，在机械加工过程中，主要从以下几个方面改进提高叶片表面光洁度，尽量皮面擦伤和划痕；

（2）使叶片的加工方向与最大主应力方向一致；

（3）在制造过程中，应避免在叶片表面层产生有害的拉伸残余应力。

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（4）采取时效处理。

（5）尽可能将叶片按设计流线型加工，确保叶片表面成流线型状态，减小应力集中。

6.1.2 表面强化

表面强化是提高涡轮叶片疲劳强度的有效方法之一，目前涡轮叶片常用的表面强化的主要措施有：化学热处理，表面淬火，喷丸处理和表面滚压。这些强化表面层的工艺措施可以提高涡轮叶片的表面硬度，从而减少涡轮叶片的表面损伤，而最主要的还是在涡轮叶片表面形成一层具有压缩残余应力的表面层。涡轮叶片的疲劳损坏是由其表面层所受的拉应力所引起的，表面层的残余压应力可以抵消一部分拉应力，从而使涡轮叶片的疲劳强度得到提高。

6.1.3 表面防护

涡轮叶片疲劳破坏一般都是从表面开始，而表面与高温燃气环境接触，这对疲劳强度影响很大。因此，采用合适的表面防护方法，使叶片表面与高温燃气环境隔离可以提高叶片的耐高温疲劳强度。目前涡轮叶片表面防护的主要措施是各种高温涂层。这些高温涂层主要包括扩散涂层、改性铝化物涂层、包覆涂层和热障涂层。

6.1.4 合理维护和使用

合理的维护和使用对提高涡轮叶片的疲劳强度也有重要意义。在外场维护的过程中，要严格按照维护手册和飞行条例操作。加强叶片的检测和维护，尽量减小叶片振动和避免出现叶片的共振，防止在叶片内部出现大的交变应力，防止叶片因腐蚀及打伤而加速叶片的振动疲劳。

7. 涡轮叶片的叶片的故障修理

7.1 转子叶片故障修理

为了使叶片能在1500℃以上的高温工作，叶片表面需要涂层。两级叶身表面都用化学气相沉积涂层PWA275(铝化合物), 化合物在真空炉高温下以气体形

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式分解成Al 吸附并沉积到叶片的表面上形成涂层。现在为使叶片内部和其他地方免受腐蚀，也应用保护涂层PWA275, 并在底座的袋状部喷上涂层PWA545（钴铝混合物）。发动机经常由于第一级叶片叶尖的烧蚀使EGT(发动机排气温度)裕度达不到要求，因而用更耐腐蚀、更耐磨的立方氮化硼(CBN)来代替现有的耐磨剂，对叶尖进行喷涂。这用到叫TURBOTIP的技术，一种类似真空钎焊的方法。当叶片被怀疑受高温破坏时，就要进行高温检验。把受检叶片沿前缘、后缘、中弦线和根部切成9个样本，经镶嵌，研磨，抛光后，放在1000倍的显微镜底下观看其金相组织结构。叶片长度如果以前被维修过，上面都会有编码，根据编码可判断维修情况。把叶片安装在特殊的工装上，测量出叶片的长度是否跟它以前的维修相吻合，以及是否需要进一步维修。

维修前，须先做检验。X射线用来检验叶片内部是否有裂纹，内腔有无不需要的材料、金属掉块以及壁厚形状有否突然变化。在去除涂层后，用超声波设备检验壁厚。如果发现叶片需做进一步维修，如顶部焊接或更换涂层，需在真空炉中先对叶片进行热应力释放。当发现叶片比较脏，首先是化学浸泡清洗，去掉里面的重腐蚀物；再用强力的循环清洗设备去掉残渣，再用沸水进一步清洗；最后把清洗完的叶片放在纯水中进行导电测试，确定有无杂质，以判断叶片是否彻底清洗干净。

当发动机有压气机破坏时，还需对10%的叶片做孔探检查。用热显像的方法来判断叶片表面涂层的状况。用吹砂使叶片表面光洁后，在580±13℃温度中保留1h，冷却后呈金黄色为表面涂层仍然存在，淡金黄色为扩散涂层存在，蓝色则表示没有任何涂层了。如果涂层剥落面积小于2.903cm2，而且表面没有腐蚀，可用铝硅混合物PWA596或钴铝混合物PWA545进行局部修补，也可用化学气相沉积直接覆盖上涂层PWA275。否则必先去除全部涂层，要先用铝氧干吹砂的方法去掉表面涂层，再用化学溶剂浸泡出扩散进机体的涂层，共进行三次的浸泡，约4h。然后除脂、超声波清洗并用热显像判断涂层是否完全除去。在叶身表面吹砂后，用化学气相沉积的方法在它上面附上一层涂层PWA275，用电炉干燥后（80℃、15分钟），再进行真空热处理使涂层进一步扩散进机体，底座涂层的热处理与叶身表面涂层的热处理可一起进行。

叶尖的涂层厚度有要求，当最小的厚度不到0.6mm时，就要进行维修，继续喷上耐磨材料，或用TURBOTIP的修理技术，在顶部加上立方氮化硼(CBN)物质。

最后要在气动平台上测量叶片两个通道的气流量。如果发现不正常时，可用探针设法使堵塞的孔回复正常，否则就需用EDM重新打孔，里面的残渣可用超声波清洗掉。去除涂层后，裂纹就更容易显现出来。与叶尖平行的轴向裂纹以及叶尖下大于2.5mm的裂纹是不允许的，而且裂纹间最小距离不能小于4.8mm。叶片

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前缘烧蚀或裂纹大于2.54mm，另外其厚度在测量位置小于要求也不允许。

对于叶片受损(主要是磨损、腐蚀和硫化)的顶部，可用等离子电弧焊及钨极惰性气体保护焊来修复，即先堆焊上台适的材料PWA795，把表面打磨光滑后，用激光堆焊以达到要求的厚度，接着进行手工研磨、抛光成形到需要的叶尖长度，再在真空炉中进行应力释放，当然不能堵住叶尖上的两个冷却孔。钴基合金抗热腐蚀性能好，是一种合适的堆焊材料。除焊修外，低压等离子喷涂McrAIY涂层，已成功地用于修复叶片的顶部了，涂层厚度为2.03mm。当用焊接方法修补叶片时，若叶片后缘或顶部的冷却孔被堵塞或在孔边产生了裂纹、可以先将孔焊死、再用高能电子束或激光束钻孔。

叶身上有的裂纹只要没超过限制是允许存在的，否则要打磨掉，但所有的腐蚀必须去除，这要用一种较强的铝氧干吹砂的方法或直接打磨。焊接完并上了涂层后，放叶片在研磨石中研磨，使涂层主要的面应达到1.6RA的光洁度，以保证发动机气流流动平稳。之后，要对叶根进行喷丸处理以提高表面压应力，提高抗疲劳、抗腐蚀能力，接着进行水流测试，以去除里面多余的杂质；再用X射线检查内部的状况；最后进行气流测试，检验是否达到要求。

第二级叶片与第一级不同的是：第二级的根部多了一个挡片，需经常更换。而且第二级叶片的涂层受到破坏比较少，这与它的周围环境有关。

如叶片已断裂或裂纹太大，以及过烧使叶片组织完全损坏，则直接换件不予修理。

7.2 导向叶片故障修理

发动机的最高温度位于高压涡轮第一级导向叶片的前面，所以导向叶片很容易受破坏。在检验导向叶片时，通常根据它的使用时间、工作状况来决定它适用于哪一级别的维修，当然这还需要通过一系列的检验来辅助判断。

通常，如果一个静止叶片表面较好的话，可通过热显像来判断涂层存在的状况。即先用较小的压力沿发动机气流方向在叶面上吹砂，使表面干净，然后把叶片放入580℃±13℃的炉中保留1h，冷却后在空气中观察。显金黄色表明附加涂层存在，呈褐色表明扩散涂层存在，而蓝色则表明只有底层金属了。如果涂层剥落面积小于3.226mm2，而且表面没有腐蚀，可用钴铝混合物来进行局部修补。检验涂层后，在气动平台上再通过气动流量测试检验其各个通道气流是否符合规定要求，不合格时需进行大修。

检修时，首先要去除表面的陶瓷涂层，这可以用铝氧干吹砂的方法(沿着发动机气流的方向，用0.42—0.55MPa的压力、102mm的距离去除这个涂层)。此

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外，用超高压水(压力为379.2MPa)是一种更强的去除陶瓷涂层的方法。去除陶瓷涂层后，接着用化学方法去除底涂层(扩散涂层)，主要用盐酸(60—71℃)多次浸泡，并通过上面提及的热显像来判断涂层是否全部移去。这种去除底涂层的方法会使叶片的厚度变薄，所以不能多次使用。去除涂层后，如果发现表面裂纹的宽度大于0.51mm，或者热腐蚀、磨损深度大于0.76mm，须用氩弧焊方法修理；如果小于这些数值则用真空钎焊来修补。在准备做钎焊之前，需先对导向叶片做壁厚测量(超声波测量)以确定是否能继续维修，并彻底将导向叶片清洗干净。清洗的方法通常有HF氟化氢脉冲清洗(去除氧化物)或H2清洗(去除氧化物)；此外，还可采用真空清洗(去除不连续的氧化物)，在真空炉中最高温度达llO0℃左右。可以用样品控制零件是否清洗干净，采用的方法是将样品同零件一起清洗，而后送到实验室做显微检查，以确认清洗是否合格。这种清洗有别于一般的化学浸泡清洗、超声波清洗和强力循环冲洗(只是去除叶片内部的颗粒)。零件清洗干净后，接着进行钎焊。填充材料由3种原料混合而成，40％Co-246(PWA1185—1)，60％Co-222(PWA1185—2)，另加10％凝固剂。填料不允许流进叶片的内腔，叶片的后缘要用石英针和介质堵住以阻止合金流入。在真空炉中进行扩散热处理后，用化学溶液浸出石英针，打磨掉多余的填料，用EDM打开堵住的底孔，并进行超声波清洗。接着在低真空状况下喷涂上多重等离子底涂层LVPS(Low Pressure Vacuum Plasma Spray Coating)，粉末类型为AMDRY386。在1079℃±14℃温度的真空炉中保留1h，让涂层充分扩散到叶片机体中。研磨成形后，接着喷上等离子陶瓷涂层APS(Air Plasma Spray Coating)，粉末类型为AL1075(92％ZrO28％Y2O3)。当然喷涂过程也要通过样块来控制(测其金相硬度是否达到规定要求)。研磨表面使叶身达到粗糙度Ra2.5μm，其他面达到粗糙度Ra3.25μm (在350kg研磨石、6kg研磨膏、2kg研磨粉、2L水的研磨机中研磨)。

清洗干净后进行激光钻孔(冷却孔)，再用超声波清洗并去除冷却孔的毛边，最后在气动平台上检查气流是否符合要求，整个修理过程即告结束。

第一级导向叶片还涉及到上下冷却挡板和内部冷却导流管的维修，它们都采用激光焊接的方法焊接上去，可在研磨石中研磨抛光后继续使用，每次去除涂层前都要先拆下并打磨它们，其他修理工作完毕后才焊上它们。由于第二级的导向叶片是双叶组，有分解与装配的问题，如果其中一个叶片需报废，只能换上另外一个新件，这主要因为其他旧件与底座的铆钉孔一般不能相配。第二级导向叶片有蜂窝状的封严，它的更换也采用真空钎焊的方法。

如叶片已断裂或裂纹太大，以及过烧使叶片组织完全损坏，则直接换件不予修理。

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