激光技術(shù)在風(fēng)扇/壓氣機 整體葉盤結(jié)構(gòu)修理中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2013-08-24 新聞來源：一覽航空航天英才網(wǎng)
一覽航空航天英才網(wǎng) 航空發(fā)動機風(fēng)扇和壓氣機整體葉盤結(jié)構(gòu)是將葉片和輪盤設(shè)計成一個整體的結(jié)構(gòu)。它省去了傳統(tǒng)連接需要的榫頭、榫槽和鎖緊裝置，減少了結(jié)構(gòu)自重和支撐重量，大大減輕了轉(zhuǎn)子質(zhì)量；減少級間凹處的風(fēng)阻損失，從而提高性能；省去安裝邊以及螺栓、螺母、鎖片等連接件，從而大大減少零件數(shù)量；無榫槽泄漏，使壓氣機轉(zhuǎn)子溫度較低，從而提高轉(zhuǎn)子壽命。沒有榫槽，避免出現(xiàn)榫槽損傷及斷裂等潛在故障，從而大大提高可靠性。據(jù)報道，采用整體葉盤結(jié)構(gòu)可使發(fā)動機重量減輕20%~30%，效率提高5%~10％，零件數(shù)量減少50% 以上。
整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通道開敞性差、加工精度要求高，葉片型面為空間自由曲面，因而其本身制造難度極高，并且與常規(guī)的榫頭與榫槽連接結(jié)構(gòu)不同，整體葉盤結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)損傷時不能簡單地單獨更換葉片，因而有可能因一片葉片損壞而報廢整個整體葉盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子。在整體葉盤的加工初期難免會出現(xiàn)一些修補，而在發(fā)動機使用過程航空發(fā)動機上的風(fēng)扇/壓氣機葉片經(jīng)常被打壞，在以往的常規(guī)設(shè)計中，遇到這種情況時通常是更換受損的葉片就可以了，但是葉盤結(jié)構(gòu)不能因為一個葉盤上有幾個葉片打傷而報廢一個葉盤，所以發(fā)展整體葉盤中個別損壞葉片的修理技術(shù)至關(guān)重要。GE公司在發(fā)展了特殊的修理技術(shù)之后，才在F414中使用了5個整體葉盤[1]。在IHPTET計劃實施中，利用激光曲線焊接方法對整體葉盤進行修復(fù)，葉片修復(fù)后強度與原葉片差不多，至此，整體葉盤結(jié)構(gòu)才具有了生命力，因此就能夠在航空發(fā)動機上得到更廣泛的應(yīng)用。
整體葉盤的修理一般包括：（1）機加掉剩余部分；（2）修理前化學(xué)清潔；（3） 對葉片進行焊接或沉積；（4）初步無損探傷（FPI/X射線檢驗）；（5）熱處理前化學(xué)清潔；（6）熱處理；（7）切削葉型包線，切到最終形狀；（8）拉撥/磨光葉型，按流路彎曲葉根半徑；（9）最終的無損探傷（NDF）；（10）堿法清潔，去掉拉撥/磨光的殘留物；（11）按需要對葉型進行修整（粗邊，尖角等）；（12）藍(lán)刻陽極檢驗；（13）噴丸硬化。針對一些關(guān)鍵步驟，世界知名航空發(fā)動機產(chǎn)品研制商和工藝開發(fā)商研發(fā)了激光金屬沉積、激光低熱輸入精密金屬沉積工藝和激光沖擊強化表面處理工藝等先進且可行的激光工藝，并將其應(yīng)用到整體葉盤等先進產(chǎn)品中，取得了很好的效果[2-4]。因而，綜述其特點、發(fā)展和應(yīng)用可為中國新一代航空發(fā)動機風(fēng)扇/壓氣機整體葉盤結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供參考與借鑒。
激光扭曲焊接修理工藝
激光扭曲焊接是利用激光束和填充材料間的相互反應(yīng)，利用CNC程序控制堆焊物的形狀，將結(jié)構(gòu)型材堆焊在基座上。程控焊接過程讓零件在激光噴嘴組件下面的X-Y水平面上移動。粉末填充材料流入由激光束生成的小型熱焊接熔池中，焊接沉淀物利用熱熔材料的凝固而成形。多層焊道，根據(jù)需要的每個定位生成適當(dāng)?shù)牟牧夏ｓw，最后形成理想外形的三維立體實體。
激光扭曲焊接工藝的研究始于1988年，研究結(jié)果表明不論是在鈦基（Ti6-4）還是鎳基（IN718）材料上都具有很好發(fā)展前景，因而，GE公司對這一工藝申請了專利（5038014）,并將該工藝應(yīng)用到GE公司在綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)（IHPTET）研究計劃XTC46驗證機壓氣機上，驗證激光扭曲焊接修理方法。
XTC46驗證機壓氣機采用帶有整體360°的中間箍環(huán)的整體葉盤。在試驗中，一片葉片由高循環(huán)疲勞造成損壞，導(dǎo)致全部葉冠順次被損壞，而殘留下的葉型不可修理。通過去掉原有的葉型，在葉冠形成的外流路表面上構(gòu)建全新的葉型，損壞的葉盤得以重新修復(fù)。
GE公司研究了改進的整體葉盤激光彎曲焊接修理方法，一般采用可分離的葉片和轉(zhuǎn)子，以把加工中與損壞葉盤有關(guān)的因素降到最小。這種方法可在不拆下壓氣機的情況下，通過更換葉片快速修理轉(zhuǎn)子葉片組。另一個優(yōu)勢是如果葉片被損壞或試驗中需要不同的葉片，可快速更換葉片，但它不能準(zhǔn)確地反映葉片和葉盤的性能差異。激光扭曲焊接可降低與加工損失和葉片失效有關(guān)的危險。但是，由于目前修理設(shè)備缺少高功率激光器，這一方法還未投入應(yīng)用。
激光扭曲焊接修理工藝很適合采用整體葉盤的研制計劃。GE公司通用的經(jīng)驗是在研制試驗期間采用單個的葉片和轉(zhuǎn)子，以使與損傷整體葉盤有關(guān)的加工風(fēng)險最小。采用這一方法可以通過更換葉片快速地替代損傷的或新的轉(zhuǎn)子葉片，不需拆下壓氣機。
激光金屬沉積修理工藝
激光金屬沉積工藝就是利用激光將金屬（一般多為金屬粉末）熔化后再沉積到基體上，從而在基體上形成一層或多層沉積物，以達(dá)到對基體缺陷進行修復(fù)的目的。激光金屬沉積工藝的速度和效率與激光束的強度、沉積金屬（粉末）的給料速度、噴嘴行進速度，以及每道沉積物相互之間的搭接量有關(guān)。通過控制上述相關(guān)參數(shù)來控制整個沉積物的質(zhì)量和效率。激光金屬沉積工藝是維修整體葉盤的最經(jīng)濟且最有效的解決方案之一。
激光金屬沉積工藝最大的優(yōu)點是利用一種工藝修補不同的損傷，從而簡化了修理方案。在整體葉盤維修中，利用金屬激光沉積工藝替代電子束焊和氬弧焊堆焊等修補工藝，可使維修后的整體葉盤具有更長的使用壽命，由此可大大降低發(fā)動機的全壽命成本。金相分析表明，激光金屬沉積工藝所獲得的沉積物具有均勻細(xì)致的組織結(jié)構(gòu)，并與基體組織有著良好的熔接性。
適用于激光金屬沉積修復(fù)工藝的材料品種很多，如不銹鋼、鈦合金、高溫合金等。而用于沉積的金屬可以是線材或絲材，但使用較多的是金屬粉末。與釬焊、熱噴涂和等離子噴涂相比激光金屬沉積可使沉積材料與基體材料完全熔合。
激光金屬沉積工藝可以修復(fù)整體葉盤的葉片、單晶或定向結(jié)晶葉片以及渦輪轉(zhuǎn)子封嚴(yán)段等。它不但是一種經(jīng)濟有效的發(fā)動機零部件修復(fù)方法，還可用于對零部件進行選擇性金屬添加，從而構(gòu)筑出精致的結(jié)構(gòu)，使零部件達(dá)到設(shè)計所要求的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀。由于激光金屬沉積工藝應(yīng)用時的溫度較高，一般達(dá)到或高于沉積金屬的熔點，易對焊接零部件或金屬沉積零部件自身的結(jié)構(gòu)和性能造成不良的影響，不適用于基體是由焊接或沉積方法加工而成的零部件。
采用直接金屬激光沉積工藝對整體葉盤受損葉片修復(fù)的一般步驟是：首先，利用機械方法對葉片的缺損部位進行修整；再應(yīng)用直接金屬激光沉積工藝對修補部位進行多層金屬沉積；最后對金屬沉積物進行精加工，使其符合葉片的葉型要求。
激光金屬沉積工藝可用一種工藝修補不同損傷，簡化了修理方案。在整體葉盤維修中，利用激光金屬沉積工藝可替代電子束焊和氬弧焊堆焊等修補工藝，從而使維修后的整體葉盤具有更長的使用壽命，由此大大降低發(fā)動機的全壽命成本。在發(fā)生卷邊、掉塊等缺陷時，由于單晶或定向結(jié)晶葉片組織的特定性，很難利用電子束焊和氬弧焊堆焊等工藝進行修補。而采用激光金屬沉積工藝對基體組織的熱影響較小，且修補部位相對較小，從而使修補后的葉片依然可以保持其整體性能。激光金屬沉積工藝特別適用于修復(fù)高價值的航空發(fā)動機零部件，特別是整體葉盤。目前航空發(fā)動機零部件維修所采用的激光金屬沉積設(shè)備均為國外產(chǎn)品。
國內(nèi)的相關(guān)工藝和設(shè)備尚處于研發(fā)階段，與國外相比有較大的差距。
激光低熱輸入精密金屬沉積修理工藝
激光低熱輸入精密金屬沉積工藝是H&R技術(shù)公司的專利工藝與系統(tǒng)。激光低熱輸入精密金屬沉積工藝主要是利用激光熔解金屬扁鋼絲而一層一層地進行堆積，與其他金屬沉積不同的是，這種技術(shù)無需在沉積前的加工件上建立熔池。激光低熱輸入精密金屬沉積工藝每單位沉積所需要的熱量比傳統(tǒng)技術(shù)的少，而產(chǎn)生的沉積率高，并且不會造成較大的變形，修理費用也相對低廉。該項技術(shù)不僅能夠修復(fù)受損腐蝕部件，而且還能夠通過材料沉積提高葉型的抗腐蝕能力。表1列出了激光低熱輸入精密金屬沉積的一些具體特點。
美國海軍和空軍將激光低熱輸入精密金屬沉積工藝成功地應(yīng)用于修理受損的整體葉盤，省掉3次安裝步驟，使修理時間縮短、精度提高、費用減少、壽命延長，也可以減少操作者的失誤。采用激光超低熱輸入精密金屬沉積工藝修理一般包括以下4個步驟。
（1）將像T700發(fā)動機壓氣機第1級整體葉盤這樣的欲修理部件安裝到激光超低熱輸入精密金屬沉積系統(tǒng)中，采用系統(tǒng)的圖形用戶界面屏幕（GUI），推到按鈕，以掃描損傷的葉片；該系統(tǒng)的軟件將存儲這些數(shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)學(xué)表面評估，復(fù)原真實部件（反工程）。
（2）采用系統(tǒng)的圖形用戶界面屏幕（GUI），對損傷的區(qū)域進行沉積前的機加；完成工具路徑的動畫，確保操作的安全和高質(zhì)量。
（3）采用系統(tǒng)的圖形用戶界面屏幕（GUI），開始對損傷的區(qū)域進行金屬沉積，以在損傷區(qū)域堆積金屬，完成沉積工具路徑的動畫，確保操作的安全和高質(zhì)量。
（4）采用系統(tǒng)的圖形用戶界面屏幕（GUI）對部件進行最后的機加/表面處理，以使部件母體表面與修理區(qū)域平滑過渡。
在T700發(fā)動機壓氣機第1級整體葉盤上得到驗證后，針對AM355和Ti-6242合金進行激光低熱輸入精密金屬沉積工藝進行開發(fā)，對這些材料的冶金和高循環(huán)疲勞試樣進行了相關(guān)的試驗和評估。另外，還專門針對F135發(fā)動機整體葉盤，制備了Ti-6242 激光低熱輸入精密金屬沉積工藝冶金試樣，并通過了試驗。
在此基礎(chǔ)上，H&R公司將進一步對激光低熱輸入精密金屬沉積工藝進行以下開發(fā)與驗證：
（1）由美國海軍或國防部對T700發(fā)動機第1級壓氣機葉片進行高循環(huán)疲勞試驗，以達(dá)到TRL6；
（2）完成用于最終機加的PMDTM GUI軟件的開發(fā)，確保最終機加修理后的葉片表面光滑、前緣造型準(zhǔn)確、與其余葉型匹配良好，達(dá)到TRL7；
（3）針對GE公司T700發(fā)動機壓氣機第1級整體葉盤開發(fā)第3階段的激光低熱輸入精密金屬沉積工藝，達(dá)到TRL8；
（4）完成最后的鑒定，達(dá)到TRL9。
另外，H&R公司針對普惠公司F135發(fā)動機的修理，開發(fā)并制備了Ti-6242 HCF試樣，并進行了相關(guān)的高循環(huán)疲勞試驗和評估，達(dá)到與T700發(fā)動機壓氣機整體葉盤相同的修理水平。表2列出了激光低熱輸入精密金屬沉積工藝第3階段的工作安排。
激光沖擊強化表面處理修理工藝
激光沖擊強化表面（Laser Shock Processing，LSP）工藝是利用強脈沖激光產(chǎn)生的沖擊波，從部件表面引入殘余壓應(yīng)力的一種革新且最熱門的表面強化技術(shù)。其原理是采用短脈沖（幾十納秒）的強激光輻射金屬部件表面涂覆的約束層（如流動的水等），并通過約束層作用于金屬表面涂覆的不透明涂覆層（如黑漆或膠帶），涂覆層吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，蒸發(fā)的氣體吸收剩余的激光產(chǎn)生快速膨脹的等離子流，限定在部件表面與約束層間的等離子流產(chǎn)生急速增大的高壓沖擊波，沖擊波產(chǎn)生的“冷作用”作用于金屬表面并向內(nèi)傳播，形成由塑性變形引發(fā)的殘余壓應(yīng)力[6-11]。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過被處理材料動態(tài)屈服強度時，材料表層不產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留很大應(yīng)力，同時微觀組織發(fā)生很大的變化，顯著提高材料的抗疲勞、耐磨損和防應(yīng)力腐蝕特性。
LSPT公司成功地研發(fā)了耐用的預(yù)生產(chǎn)型的激光沖擊系統(tǒng)RapidCoaterTM系統(tǒng)，并將其推廣應(yīng)用到配裝F-16A/B戰(zhàn)斗機的F110-GE-100發(fā)動機、配裝F-16C/D的F110-GE-129發(fā)動機、配裝F-15戰(zhàn)斗機的F100-PW-220發(fā)動機、配裝B777客機的Trent800發(fā)動機、配裝B787的TRENT1000發(fā)動機的風(fēng)扇/壓氣機葉片上。這一技術(shù)使FOD容限提高15倍，檢驗的工時與費用大大減少，飛行安全明顯改善。據(jù)報道，應(yīng)用于F110-GE-100和F110-GE-129發(fā)動機，為空軍每年節(jié)省了上百萬美元的維護費用，并且估計避免了較多的致命性的發(fā)動機故障。到2002年，已經(jīng)節(jié)省了5900萬美元。預(yù)計，對美國空軍機隊的壽命期內(nèi)可節(jié)省10億美元。美國金屬表面工程公司（MIC）公司將激光沖擊強化表面處理工藝用于軍民用噴氣發(fā)動機葉片以延長其疲勞壽命，不但提高了飛機發(fā)動機的安全可靠性，而且每月可節(jié)約幾百萬美元的飛機保養(yǎng)費用、幾百萬美元的零件更換費用。之后，又推廣應(yīng)用到風(fēng)扇/壓氣機整體葉盤結(jié)構(gòu)中。
在配裝F-22戰(zhàn)斗機的F119發(fā)動機的工程管理研制中，PW公司發(fā)現(xiàn)第4級高壓壓氣機整體葉盤轉(zhuǎn)子存在抗外來物損傷容限裕度明顯不足的問題。要想滿足F-22戰(zhàn)斗機的性能要求，F(xiàn)119發(fā)動機第4級高壓壓氣機整體葉盤轉(zhuǎn)子的門限值應(yīng)力強度因子需要提高3倍。如果進行重新設(shè)計，估計需要1000萬美元以上費用，并且需要較長時間。這不但增加F119發(fā)動機的研制費用，更嚴(yán)重的是影響了F-22戰(zhàn)斗機研制進度。為此，PW公司嘗試采用激光沖擊強化表面處理工藝處理這一費用昂貴且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的整體葉盤轉(zhuǎn)子，以提高其抗外來物損傷容限的裕度。
由于激光沖擊強化表面處理工藝最初是針對處理單個葉片開發(fā)的，這就需要實現(xiàn)由處理單個葉片擴展到處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體葉盤轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)變。首先，LSPT公司與PW公司一起確定新的工藝參數(shù)，疲勞試驗與生產(chǎn)質(zhì)量保證程序；開發(fā)適用于整體葉盤處理的透明的和不透明的涂覆層。2003年3月，LSPT公司采用人工涂覆不透明涂覆層的方法，開始對F119發(fā)動機的第4級高壓壓氣機整體葉盤進行激光沖擊強化處理。同年，美國空軍和PW公司為F-22戰(zhàn)斗機建立了價值2億美元的激光沖擊強化生產(chǎn)線。由于在LSPT公司的自動RapidCoaterTM涂層涂敷機投入使用前要采用膠帶法完成定型試驗，最初的生產(chǎn)還是采用膠帶涂覆法。到2005年2月底，LSPT公司已經(jīng)向PW公司交付了經(jīng)過激光沖擊強化表面處理的96個F119發(fā)動機的第4級高壓壓氣機整體葉盤。經(jīng)過激光沖擊強化表面處理后，有微裂紋與疲勞強度不夠的受損傷葉片的疲勞強度為413.7MPa，完全滿足379MPa的設(shè)計要求。經(jīng)過激光沖擊處理的葉片楔形根部的微動疲勞壽命至少延長25倍以上。
由于整體葉盤的幾何形狀復(fù)雜，采用膠帶涂覆法進行激光沖擊強化，不但耗時長，而且勞動強度大。為此，需要進行了以下一些改進工作：
（1）改進現(xiàn)有的RapidCoaterTM系統(tǒng)，采用延長的噴嘴，以適應(yīng)進入整體葉盤緊密排列的葉片之間，處理像整體葉盤這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件。
（2）在整體葉盤激光沖擊強化間增加質(zhì)量控制監(jiān)控器，并集成到整體葉盤沖擊強化間內(nèi)；安置自動的激光束能量校準(zhǔn)系統(tǒng)。
（3）為整體葉盤改進應(yīng)用于RapidCoaterTM系統(tǒng)的涂覆層。
（4）建立滿足PW公司質(zhì)量系統(tǒng)要求的裝置與處理程序。
采用RapidCoaterTM系統(tǒng)，在目前的激光重復(fù)率（0.25 Hz）下使生產(chǎn)效率提高2~3倍；采用在ManTech研究計劃下開發(fā)的提高激光重復(fù)率1~2倍的技術(shù)，使生產(chǎn)效率進一步提高3倍左右；通過降低維護費用、縮短停工時間和提高工藝效率，降低了激光沖擊強化的費用。這樣，基本實現(xiàn)了使F119發(fā)動機第4級高壓壓氣機整體葉盤激光強化時間由原來的40h以上縮短到原來的1/9~1/6和費用至少降低50%~70%的目標(biāo)。
2004年，激光沖擊強化表面處理工藝大量用于F119-PW-100發(fā)動機第4級高壓壓氣機整體葉盤等部件的生產(chǎn)，還擴展應(yīng)用到F119發(fā)動機的其他幾級高壓壓氣機轉(zhuǎn)子上，也應(yīng)用在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機的JSF119發(fā)動機上。到2009年，75%的F119發(fā)動機高壓壓氣機整體葉盤都經(jīng)過了激光沖擊處理。這一技術(shù)的應(yīng)用使F-22戰(zhàn)斗機與F119發(fā)動機的維護檢查頻率降低30%~50%，單位飛行費用降低，任務(wù)準(zhǔn)備等級明顯提高。
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