航空发动机涡轮叶片修复中的裂纹控制

航空发动机涡轮叶片修复中的裂纹控制
航空发动机是飞机的动力核心，随着我国航空事业的发展，我国加快了对于航空发动机的研制步伐，通过引进、研发、生产的这一发展战略提高我国航空发动机的效率和使用寿命。

在航空发动机的各组成部件中，涡轮叶片是其中最为重要同时也是受负荷最大的部件，涡轮叶片在工作的过程中会承受着高温燃气的高速冲刷、撞击、黏着磨损等从而使得涡轮叶片的使用效率和使用寿命持续下降。

并导致涡轮叶片的叶冠间隙增大进而影响到涡轮叶片叶冠的阻尼效果，严重的会导致涡轮叶片在工作中断裂从而威胁到飞机的飞行安全。

在航空发动机使用一段时间进行检修时需要对涡轮叶片进行检查处理，通过采用焊接的方式消除涡轮叶片叶冠阻尼凸台缺陷，并注意做好堆焊处理后涡轮叶片焊接处的裂纹控制和处理。

提高涡轮叶片的使用效率和使用寿命。

标签：涡轮叶片；叶冠；裂纹；堆焊
前言
航空发动机涡轮叶片在长时间的使用后会导致涡轮叶片叶冠出现阻尼凸台，这一缺陷的存在会对航空发动机的正常使用造成较大的危害。

通过采用氩弧焊堆焊的方式来对涡轮叶片叶冠阻尼凸台进行处理的过程中发现在涡轮叶片叶冠焊接处存在焊接热裂纹，为确保涡轮叶片的使用寿命，在做好涡轮叶片叶冠阻尼凸台焊接裂缝分析的基础上通过对涡轮叶片叶冠阻尼凸台氩弧焊堆焊工艺进行改进用以消除热裂纹缺陷，保障航空发动机涡轮叶片的安全、高效的使用。

1 航空发动机涡轮叶片叶冠阻尼凸台焊接热裂纹产生的原因
某航空发动机在长时间使用后进行检修的过程中发现涡轮叶片叶冠存在阻尼凸台从而使得航空发动机涡轮叶片的阻尼效果变差。

航空发动机涡轮叶片采用K403型号的材质，为做好航空发动机涡轮叶片的维修通过采用航空发动机涡轮叶片叶冠阻尼凸台氩弧焊堆焊的处理方法，在对航空发动机涡轮叶片叶冠阻尼凸台焊接处理后检查后发现航空发动机涡轮叶片焊接处存在焊缝热影响区裂缝，从而对航空发动机涡轮叶片的安全使用埋下了安全隐患。

为提高航空发动机使用的安全性需要做好航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹产生的原因分析并针对性的对航空发动机涡轮叶片的热焊接工艺进行改进优化，以确保航空发动机涡轮叶片的修复质量。

在对航空发动机涡轮叶片焊接热影响区进行分析时为避免裂纹对显微观测结果造成影响，在对航空发动机涡轮叶片进行分析的过程中采用金相分析、电镜扫描观测、能谱仪相配合的方式来做好对于裂纹的分析，用以对航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹的产生机理进行分析用以对后续的航空发动机涡轮叶片热焊接工艺进行改进，提高航空发动机涡轮叶片的焊接效果。

航空发动机涡轮叶片裂纹观测结果：
通过对航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹采用上述方法进行观测后发现，裂纹主要产生于叶片热焊缝与基体相融合的区域和焊接热影响区，裂纹整体呈横向分布，裂纹的长度极小为0.3mm，裂纹呈枣核形状中间粗两头细，且向焊缝和航空发动机涡轮叶片的叶身的方向密集延伸，对于航空发动机涡轮叶片的使用效果造成的影响较大。

裂缝断面在检查中并未发现与焊接缺陷相关的疲劳裂纹源以及重融、边界熔化等的缺陷现象。

因此排除了航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹是由于焊接缺陷所导致的。

此外，出现航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹的叶片经过试车和未经过试车的各占50%左右，因此可以排除航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹是由于焊接后的试车所导致。

通过对航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹进行断面观测后发现，在航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹处有着极为明显的蓝色显示，通过对蓝色显示区域进行清洗后蓝色显示区域仍然存，井检查分析后确定为有蓝色为氧化色，这一蓝色区域能够有力的证明航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹是在高温下所产生的，并与高温有着密切的联系。

在對航空发动机涡轮叶片进行氩弧焊堆焊的处理过程中需要经过退火和试车这两个高温状态，而航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹的产生与这两个工艺环节密切相关。

在此对蓝色显示区域进行详细的观测，发现显示区域颜色有着较为明显的分层，因此可以初步断定航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹形成于退火工艺环节。

航空发动机涡轮叶片所使用的K403合金属于镍基高温合金其能够在高温条件下仍保有良好的高温强度，但是其焊接性较差容易在焊接的过程中导致焊接热裂纹的产生，结合航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹所显现的形态，初步断定航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹为航空发动机涡轮叶片热焊接后所产生的焊后延迟裂纹，在了解航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹产生原因的基础上可以通过对航空发动机涡轮叶片氩弧焊堆焊焊接的工艺进行相应的改进，提高焊接质量，消除裂纹隐患。

2 做好航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹的消除
航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹属于热焊接后的延迟裂纹，在氩弧焊堆焊焊接后的建材过程或者能够由于裂纹作用在焊接热影响区域的内部并未扩展至叶片的表面导致使用荧光探伤法未能及时检出裂纹，为提高航空发动机涡轮叶片氩弧焊堆焊修理后的质量需要采用合理的焊后检测方法。

改用射线探伤法来取代荧光检测法，利用射线探伤法的穿透特性来对焊接区域进行探伤检测，用以更强精确、高效的对航空发动机涡轮叶片焊接热影响区的裂纹进行检测。

由于射线检测法存在着精度差的诟病，为提高射线检测法对航空发动机涡轮叶片焊接后热影响区裂纹的检测精度需要在结合射线检测法检测原理的基础上通过对射线照射法所成像的对比度、颗粒度以及清晰度进行处理，通过采取提高对比度、降低成像后的不清晰度，通过进一步地细化成像胶片的颗粒用以获得更好的航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹检测质量。

通过对成像的对比度进行分析后发现，在透照方向上的厚度差越大则底片的梯度也相应的越大，从而使得成像照片的对比度越高。

在降低成像照片的不清晰度方面，通过公式分析后发现，焦点尺寸与焦距成反比关系，工件的厚度越薄则成像后的不清晰度越低，能够获得更高质量的成像精度。

颗粒度是卤化银颗粒的尺寸和颗粒在乳剂中分布的随机性的数据反映。

做好射线探伤法的成像，提高成像精度还可以通过减少底片颗粒度的方
式，底片的颗粒度与底片中所含有的卤化银以及射线探伤时的射线能量、曝光量有着密切的联系。

综上分析，在提高航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹的检测时需要注意做好对于航空发动机涡轮叶片的放置，以航空发动机涡轮叶片的叶冠来作为透照面使得其与射线探伤法时射线的方向保持垂直，用以提高射线的透射度，提高照片中的对比度。

在确保射线穿透力和底片黑度的情况下尽可能的采用低电压、长时间、大焦距的透照参数，降低不清晰度。

通过对航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹进行金相检查，依据金相检查中所显现出来的裂纹形态，怀疑为航空发动机涡轮叶片热焊接处理工艺中所残留的热应力所造成的。

为了提高航空发动机涡轮叶片的修复质量消除热应力所造成的裂纹，在改进检测工艺确保能够对航空发动机涡轮叶片修复缺陷进行合理的检验外同时还需要对航空发动机涡轮叶片氩弧焊堆焊的工艺流程进行改进消除航空发动机涡轮叶片氩弧焊堆焊后航空发动机涡轮叶片内的热应力残留。

将原有的焊接修复工艺更改为退火-磨削-焊接-缓冷-退火-磨削-探伤检测。

更改后的航空发动机涡轮叶片热焊接工序增加了一道退火的工序，这一道退火工序能够使得航空发动机涡轮叶片修复焊接时所产的热应力堆积得到部分的舒缓，从而有效的避免了航空发动机涡轮叶片中的原有应力与航空发动机涡轮叶片焊接所产的热应力叠加，从而降低了航空发动机涡轮叶片氩弧焊焊接后焊接热影响区产生裂纹的可能性。

在航空发动机涡轮叶片使用氩弧焊堆焊修复焊接后需要及时的将航空发动机涡轮叶片使用石棉包裹好后及时放入温度控制在200℃的保温箱内进行2个小时的保温，待到2个小时后再继续对航空发动机涡轮叶片进行退火处理。

这一保温过程中能够有效的减缓热应力的释放速度，通过降低热应力的释放及堆叠来避免航空发动机涡轮叶片焊接热影响区裂纹的产生。

在磨削后增加退火工序，在对航空发动机涡轮叶片进行磨削加工时要保持低进给量，在磨削过程中需要做好对于航空发动机涡轮叶片的冷却，减少在磨削加工中的应力堆积。

同时在磨削加工后再加入退火工序用以完全消除磨削所产生的应力。

通过对航空发动机涡轮叶片的修复焊接工艺进行了改进有效的提高了航空发动机涡轮叶片的焊接质量。

提高了航空发动机涡轮叶片的使用效果和使用寿命。

3 结束语
在航空发动机涡轮叶片氩弧焊堆焊修复过程中形成裂纹的原因十分复杂，材料、工艺以及去应力手段等都容易导致航空发动机涡轮叶片在修复后出现裂纹。

在对航空发动机涡轮叶片进行焊接修复的过程中需要对各项影响因素進行综合的考虑，并做好对于各项因素的控制通过合理的选择处理工艺及加工工序确保航空发动机涡轮叶片的修复质量。

参考文献：
[1]孙红梅，陈飞，王晓娟，等.航空发动机高压涡轮叶片叶冠焊后裂纹分析及控制[J].失效分析与预防，2014，9（3）：162-166.
[2]宋文清，曲伸，石竖鲲，等.高涡叶片叶冠堆焊耐磨层热影响区裂纹故障分析[J].电焊机，2014（6）：89-93.
[3]范秀杰，刘涛，经留洋.某低压涡轮转子叶片故障再现疲劳试验验证[J].科技创新与应用，2017（15）：126.。