항공기 엔진 블레이드는 오랫동안 복잡하고 가혹한 작업 환경에 있으며 다양한 유형의 손상 결함이 발생하기 쉽습니다. 블레이드를 대체하는 데 비용이 많이 들고 블레이드 수리 및 재 제조 기술에 대한 연구는 큰 경제적 이점을 가지고 있습니다. 항공기 엔진 블레이드는 주로 터빈 블레이드와 팬/압축기 블레이드의 두 가지 범주로 나뉩니다. 터빈 블레이드는 일반적으로 니켈 기반 고온 합금을 사용하는 반면, 팬/압축기 블레이드는 주로 티타늄 합금을 사용하고 일부는 니켈 기반의 고온 합금을 사용합니다. 터빈 블레이드 및 팬/압축기 블레이드의 재료 및 작업 환경의 차이로 인해 일반적인 유형의 손상이 발생하여 수리 후 달성 해야하는 수리 방법과 성능 지표가 생성됩니다. 이 논문은 항공기 엔진 블레이드의 두 가지 유형의 일반적인 손상 결함에 현재 사용되는 수리 방법 및 주요 기술을 분석하고 논의하며, 항공기 엔진 블레이드의 고품질 수리 및 재 제조를 달성하기위한 이론적 기초를 제공합니다.
항공기 엔진에서 터빈 및 팬/압축기 로터 블레이드에는 원심 부하, 열 응력 및 부식과 같은 장기적인 가혹한 환경이 적용되며 매우 고성능 요구 사항이 있습니다. 이들은 항공기 엔진 제조에서 가장 핵심 구성 요소 중 하나로 선정되었으며 제조업은 전체 엔진 제조 작업의 30% 이상을 차지합니다 [1-3]. 가혹하고 복잡한 작업 환경에 오랫동안 로터 블레이드는 균열, 블레이드 팁 마모 및 골절 손상과 같은 결함이 발생합니다. 블레이드 수리 비용은 전체 블레이드 제조 비용의 20%에 불과합니다. 따라서 항공기 엔진 블레이드 수리 기술에 대한 연구는 블레이드의 서비스 수명을 연장하고 제조 비용을 줄이며 큰 경제적 이점을 제공하는 데 도움이됩니다.
항공기 엔진 블레이드의 수리 및 재 제조에는 주로 다음 4 단계 [4]가 포함됩니다 [4] : 블레이드 전처리 (블레이드 청소 [5], 3 차원 검사 및 기하학적 재구성 [6-7] 등); 재료 증착 (고급 용접 및 연결 기술 사용을 포함하여 누락 된 재료의 충전 및 축적을 완료하고 [8-10], 성능 회복 열 처리 [11-13] 등); 블레이드 보수 공사 (연삭 및 연마와 같은 가공 방법 포함 [14]; 도 1에 도시 된 바와 같이, 복귀 후 치료 (표면 코팅 [15-16] 및 강화 처리 [17] 등을 포함하여 재료 증착은 수리 후 블레이드의 기계적 특성을 보장하는 열쇠이다. 항공기 엔진 블레이드의 주요 구성 요소와 재료는 그림 2에 나와 있습니다. 다른 재료 및 다른 결함 형태의 경우, 해당 수리 방법 연구는 손상된 블레이드의 고품질 수리 및 재 제조를위한 기초입니다. 이 논문은 니켈 기반의 고온 합금 터빈 블레이드와 티타늄 합금 팬/압축기 블레이드를 개체로,이 단계에서 다른 항공기 엔진 블레이드 손상 유형에 사용되는 수리 방법 및 주요 기술을 논의하고 분석하며 장단점을 설명합니다.
니켈 기반 고온 합금 터빈 블레이드 복구 방법
니켈 기반 고온 합금 터빈 블레이드는 오랫동안 고온 연소 가스와 복잡한 응력의 환경에서 작동하며 블레이드는 종종 피로 열 균열, 소규모 표면 손상 (블레이드 팁 마모 및 부식 손상) 및 피로 골절과 같은 결함이 있습니다. 터빈 블레이드 피로 골절 수리의 안전성은 상대적으로 낮기 때문에, 용접 수리없이 피로 골절이 발생한 후에 직접 대체됩니다. 터빈 블레이드의 두 가지 일반적인 유형의 결함과 수리 방법은 그림 3 [4]에 나와 있습니다. 다음은 각각 니켈 기반 고온 합금 터빈 블레이드 의이 두 유형의 결함의 수리 방법을 소개합니다.
니켈 기반 슈퍼 합금 터빈 블레이드 균열 수리
브레이징 및 고체 용접 복구 방법은 일반적으로 터빈 블레이드 균열 결함을 수리하는 데 사용됩니다.
Shan et al. [18]은 빔 진공 브레이징 방법을 사용하여 NI-CR-B-SI 및 NI-CR-ZR 브레이징 필러를 사용하여 CHS88 니켈 기반 합금 블레이드에서 균열을 복구했습니다. 결과는 NI-CR-B-SI 브레이징 충전제 금속과 비교하여, NI-CR-ZR 브레이징 필러 금속의 ZR은 확산이 쉽지 않으며, 기판은 상당히 부식되지 않으며, 용접 된 관절의 인성이 더 높다는 것을 보여 주었다. NI-CR-ZR 브레이징 필러 금속의 사용은 CHS88 니켈 기반 합금 블레이드에서 균열의 수리를 달성 할 수 있습니다. Ojo et al. [19]는 Inconel718 니켈 기반 합금의 확산 브레이즈 조인트의 미세 구조 및 특성에 대한 갭 크기 및 공정 파라미터의 효과를 연구했다. 갭 크기가 증가함에 따라, NI3AL 기반 금속 간 화합물 및 Ni- 풍부 및 CR- 풍부 보리드와 같은 단단하고 부서지기 쉬운 단계의 출현은 관절 강도와 인성의 감소의 주된 이유이다.
일시적 액체상 확산 용접은 등온 조건 하에서 고형화되고 평형 조건 하에서 결정화에 속하며, 이는 조성 및 구조의 균질화에 도움이된다 [20]. Pouranvari [21]는 Inconel718 니켈 기반의 고온 합금의 과도 액체 위상 용접을 연구했으며, 충전제의 CR 함량 및 매트릭스의 분해 범위가 등온 응고 구역의 강도에 영향을 미치는 주요 요인임을 발견했습니다. Lin et al. [22]는 GH99 니켈 기반 고온 합금 조인트의 미세 구조 및 특성에 대한 과도 액체 위상 확산 용접 공정 파라미터의 영향을 연구했다. 결과는 연결 온도의 증가 또는 시간의 연장에 따라, 침전 구역에서 Ni- 풍부 및 CR- 풍부 보리드의 수가 감소하고, 강수 구역의 입자 크기가 더 작음을 보여 주었다. 실내 온도 및 고온 인장 전단 강도는 유지 시간의 연장에 따라 증가했습니다. 현재, 일시적 액체상 확산 용접은 낮은 응력 영역에서 작은 균열을 복구하고 무너진 날의 팁 손상을 재건하는 데 성공적으로 사용되었습니다 [23–24]. 일시적 액체 위상 확산 용접이 다양한 재료에 성공적으로 적용되었지만, 작은 균열 (약 250μm)의 수리로 제한됩니다.
균열 폭이 0. 5 mm보다 크고 모세관 작용이 균열을 채우기에 불충분하면 활성화 된 확산 용접을 사용하여 블레이드 복구를 달성 할 수 있습니다 [24]. Su et al. [25]는 활성화 된 확산 브레이징 방법을 사용하여 DF4B 브레이징 재료를 사용하여 IN738 니켈 기반 고온 합금 블레이드를 복구하고 고강도의 산화 내성 브레이드 관절을 얻었다. 관절에서 침전 된 '상 위상은 강화 효과를 갖고, 인장 강도는 모재의 85%에 도달한다. 관절은 CR이 풍부한 보드의 위치에서 파손된다. Hawk et al. [26]은 또한 활성화 된 확산 용접을 사용하여 René 108 니켈 기반 고온 합금 블레이드의 넓은 균열을 복구했습니다. 고급 재료 표면의 원래 재구성을위한 새로 개발 된 방법으로서 분말 야금 재조정은 고온 합금 블레이드의 수리에 널리 사용되어왔다. 균열, 절제, 마모 및 블레이드의 구멍과 같은 큰 갭 결함 (5mm 이상)의 3 차원 근적 강도를 복원하고 재구성 할 수 있습니다 [27]. 캐나다 회사 인 Liburdi는 LPM (Liburdi Powder Metallurgy) 방법을 개발하여 용접 성능이 좋지 않은 높은 AL 및 TI 함량을 갖는 니켈 기반 합금 블레이드를 수리했습니다. 과정은 그림 4 [28]에 나와있다. 최근에,이 방법을 기반으로 한 수직 라미네이션 파우더 야금 방법은 25mm의 넓은 결함의 일회성 브레이징 복구를 수행 할 수있다 [29].
수리하다 니켈 기반 고온 합금 터빈 블레이드의 표면 손상
니켈 기반 고온 합금 블레이드의 표면에서 소규모 지역 긁힘 및 부식 손상이 발생하면, 손상된 영역은 일반적으로 가공에 의해 제거되고 그루브 될 수 있으며, 적절한 용접 방법을 사용하여 채우고 수리 할 수 있습니다. 현재의 연구는 주로 레이저 용융 증착 및 아르곤 아크 용접 수리에 중점을 둡니다.
Kim et al. [30] 미국 델라웨어 대학교 (University of Delaware)의 미국 델라웨어 대학교 (University of United United United United United United United United United United United United United United United United United United 미국) RENE80 니켈 기반 합금 블레이드에서 레이저 클래딩 및 수동 용접 수리가 높은 AL 및 TI 함량이 높은 RENE80 니켈 기반 합금 블레이드를 수행했으며, 후원 후 열처리를 겪은 워크 피스를 weld 열 처리 및 Hot isostatic 프레스 (HIP)와 함께 핫스피트 성 압축 (HIP)을 덜 감소시킬 수 있음을 발견했습니다. Liu et al. [31] Huazhong University of Science and Technology는 레이저 클래딩 기술을 사용하여 718 니켈 기반 합금 터빈 구성 요소에서 그루브 및 홀 결함을 수리하고 그림 5와 같이 수리 과정에 대한 레이저 전력 밀도, 레이저 스캐닝 속도 및 클래딩 형태의 효과를 탐색했습니다.
아르곤 아크 용접 수리 측면에서 Qu Sheng et al. 중국 항공 개발의 [32] Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co., Ltd.를 사용하여 DZ125 고온 합금 터빈 블레이드의 끝에서 마모 및 균열 문제를 복구하기 위해 Tungsten Argon 아크 용접 방법을 사용했습니다. . 결과는 전통적인 코발트 기반 용접 재료로 수리 한 후 열 영향 구역이 열 균열이 발생하기 쉽고 용접의 경도가 감소 함을 보여줍니다. 그러나, 적절한 용접 및 열처리 공정과 결합 된 새로 개발 된 MGS -1 니켈 기반 용접 재료를 사용하면 열 영향을받는 영역에서 균열이 효과적으로 발생하지 않으며 1000 도의 인장 강도는 기본 재료의 90%에 도달합니다. Song Wenqing et al. [33]은 K4104 고온 합금 터빈 가이드 블레이드의 결함을 주조하는 수리 용접 과정에 대한 연구를 수행했다. 결과는 필러 금속이 Zr 함량이 증가한 K4104 용접 와이어를 사용하면서 액체 금속의 유동성이 좋지 않으며, 용접 표면이 잘 형성되지 않고 균열이 발생하지 않고 균열이 발생하지 않으면 HGH3113 및 HGH3533 용접 와이어를 사용하여 용접 형성, 우수한 가소성 및 강한 균열 저항성을 갖는 것으로 나타났습니다. 블레이드 복구 과정에서 충전재의 선택이 중요한 역할을한다는 것을 알 수 있습니다.
니켈 기반 터빈 블레이드의 복구에 대한 현재의 연구에 따르면 니켈 기반 고온 합금에는 Cr, Mo, Al 및 P, S 및 B와 같은 미량 원소와 같은 고체 용액 강화 요소가 포함되어 수리 과정에서 더 균열이 더 높아집니다. 용접 후, 이들은 구조적 분리가 발생하기 쉽다. 따라서, 니켈 기반 고온 합금의 복구에 대한 후속 연구는 이러한 결함의 구조 및 기계적 특성의 조절을 요구한다.
2 티타늄 합금 팬/압축기 블레이드 수리 방법
작동하는 동안, 티타늄 합금 팬/압축기 블레이드는 주로 원심력, 공기 역학적 힘 및 진동 하중에 적용됩니다. 사용하는 동안 표면 손상 결함 (균열, 블레이드 팁 마모 등), 티타늄 합금 블레이드의 국부 파손 결함 및 대규모 손상 (피로 골절, 대규모 손상 및 부식 등)이 종종 발생하여 블레이드의 전반적인 교체가 필요합니다. 다른 결함 유형과 일반적인 수리 방법이 그림 6에 나와 있습니다. 다음은이 세 가지 유형의 결함을 수리하는 연구 상태를 소개합니다.
2.1 티타늄 합금 블레이드 표면 손상 결함의 복구
작동 중에 티타늄 합금 블레이드는 종종 표면 균열, 작은 면적 긁힘 및 블레이드 마모와 같은 결함이 있습니다. 이러한 결함의 복구는 니켈 기반 터빈 블레이드의 수리와 유사합니다. 가공은 결함 영역을 제거하는 데 사용되며 레이저 용융 증착 또는 아르곤 아크 용접은 충전 및 수리에 사용됩니다.
레이저 용융 증착 분야에서, Zhao Zhuang et al. 노스 웨스턴 폴리 테크놀로지 대학 (Northwestern Polytechnical University)의 [34]는 소규모 표면 결함 (표면 직경 2mm, 깊이의 0. 5 mm)에 대한 레이저 수리 연구를 수행했다. 결과는 레이저 증착 구역의 원주 결정이 인터페이스로부터 에피축으로 성장하고 입자 경계가 흐려짐을 보여 주었다. 열 영향 구역의 원래 바늘 모양의 라스와 2 차 단계가 자라서 조잡했습니다. 단조 샘플과 비교하여, 레이저 리피어 샘플은 고강도 및 낮은 가소성의 특성을 가졌다. 인장 강도는 1077.7 MPa에서 1146.6 MPa로 증가했으며 신장은 17.4%에서 11.7%로 감소했습니다. Pan Bo et al. [35]는 동축 분말 공급 레이저 클래딩 기술을 사용하여 ZTC4 티타늄 합금의 원형 구멍 모양의 조립식 결함을 여러 번 복구했습니다. 결과는 모 재료에서 수리 영역으로의 미세 구조 변화 과정이 층상 상 및 곡물 간 위상 → 바스켓 weave 구조 → 마르텐 사이트 → widmanstatten 구조임을 보여 주었다. 수리 수가 증가함에 따라 열면 영향 구역의 경도는 약간 증가한 반면, 모 재료와 클래딩 층의 경도는 크게 변하지 않았습니다.
결과는 열처리 전 수리 구역 및 열 영향 구역이 위상 매트릭스에 분포 된 초 미세 바늘 모양의 위상이며, 기본 재료 구역은 미세 바구니 구조임을 보여줍니다. 열처리 후, 각 영역의 미세 구조는 라스-유사 1 차 위상 + 위상 형질 전환 구조이며, 수리 영역에서의 1 차 위상의 길이는 다른 영역의 것보다 상당히 큽니다. 수리 부품의 높은 사이클 피로 한계는 490mpa이며, 이는 기본 재료의 피로 한계보다 높습니다. 극단적 인 하락은 약 7.1%입니다. 수동 아르곤 아크 용접은 일반적으로 블레이드 표면 균열과 팁 마모를 수리하는 데 사용됩니다. 그 단점은 열 입력이 크고, 지역 수리가 큰 열 응력과 용접 변형이 발생하기 쉽다는 것입니다 [37].
현재의 연구에 따르면 레이저 용융 증착 또는 아르곤 아크 용접이 수리에 사용되는지 여부에 관계없이 수리 영역은 고강도 및 가소성이 낮고 가소성의 특성을 가지며 블레이드의 피로 성능은 수리 후 쉽게 감소합니다. 다음 연구 단계는 합금 조성을 제어하고, 용접 공정 매개 변수를 조정하며, 프로세스 제어 방법을 최적화하여 수리 영역의 미세 구조를 조절하고 수리 영역에서 강도 및 가소성을 달성하며 우수한 피로 성능을 보장해야합니다.
2.2 티타늄 합금 블레이드의 국소 손상 수리
티타늄 합금 로터 블레이드 손상 결함의 수리와 공정 측면에서 티타늄 합금 3 차원 고체 부품의 첨가제 제조 기술 사이에는 필수적인 차이가 없습니다. 수리는도 7과 같이 손상된 부품을 갖는 골절 섹션 및 국소 표면에서 2 차 증착 첨가제 제조 공정으로 간주 될 수있다. 최근 몇 년 동안 독일 871 공동 연구 센터는 아크 첨가제 수리 기술을 티타늄 합금 통합 블레이드의 수리를위한 연구 초점으로 만들었으며 [38], 핵체 제제 및 기타 수단을 추가하여 수리 성능을 향상시켰다 [39].
레이저 부가 수리 분야에서 Gong Xinyong et al. [40]은 TC11 합금 분말을 사용하여 TC11 티타늄 합금의 레이저 용융 증착 복구 과정을 연구했습니다. 수리 후, 얇은 벽화 샘플의 증착 영역 및 인터페이스 리멜팅 영역은 전형적인 widmanstatten 구조 특성을 가졌으며, 매트릭스 열 영향 구역 구조는 widmanstatten 구조에서 이중 상태 구조로 전환되었다. 증착 영역의 인장 강도는 약 1200 MPa였으며, 이는 계면 전이 구역 및 매트릭스의 강도보다 높았으며, 가소성은 매트릭스의 것보다 약간 낮았다. 인장 시편은 모두 매트릭스 내부에서 깨졌습니다. 마지막으로, 실제 임펠러는 포인트 별 용융 증착 방법에 의해 수리되었고, 초고속 테스트 평가를 통과했으며, 설치 응용 프로그램을 실현했습니다. Bian Hongyou et al. [41]은 TA15 분말을 사용하여 TC17 티타늄 합금의 레이저 첨가제 복구를 연구하고, 미세 구조 및 특성에 대한 다양한 어닐링 열 처리 온도 (610도, 630도 및 650도)의 효과를 탐구했습니다. 결과는 레이저 증착으로 복구 된 증착 된 TA15/TC17 합금의 인장 강도가 1029MPA에 도달 할 수 있지만 가소성은 4.3%에 불과하며 TC17 용도의 90.2% 및 61.4%에 도달했습니다. 상이한 온도에서 열처리 후, 인장 강도 및 가소성이 크게 향상된다. 어닐링 온도가 650 도일 때, 가장 높은 인장 강도는 1102mpa이며, TC17 마초의 98.4%에 도달하고, 골절 후의 신장은 13.5%이며, 이는 증착 된 상태와 비교하여 상당히 개선된다.
아크 첨가제 수리 분야에서 Liu et al. [42]는 누락 된 TC4 티타늄 합금 블레이드의 시뮬레이션 된 시편에 대한 수리 연구를 수행했습니다. 퇴적 된 결정 및 원주 결정의 혼합 곡물 형태는 증착 된 층에서 수득되었으며, 최대 인장 강도는 991 MPa의 최대 인장 강도 및 10%의 신장을 얻었다. Zhuo et al. [43]은 TC11 용접 와이어를 사용하여 TC17 티타늄 합금에 대한 아크 첨가제 복구 연구를 수행하고, 증착 된 층의 미세 구조 진화 및 열 영향 구역을 분석 하였다. 가열되지 않은 조건 하에서 인장 강도는 1015.9 MPa였으며, 신장은 14.8%였으며, 포괄적 인 성능이 우수했습니다. Chen et al. [44]는 TC11/TC17 티타늄 합금 복구 시편의 미세 구조 및 기계적 특성에 대한 상이한 어닐링 온도의 효과를 연구했다. 결과는 더 높은 어닐링 온도가 수리 된 시편의 신장을 개선하는 데 유리하다는 것을 보여 주었다.
티타늄 합금 블레이드의 국부 손상 결함을 복구하기 위해 금속 첨가제 제조 기술의 사용에 대한 연구는 초기 단계에 있습니다. 수리 된 블레이드는 증착 된 층의 기계적 특성에주의를 기울여야 할뿐만 아니라 수리 된 블레이드의 인터페이스에서 기계적 특성의 평가도 마찬가지로 중요합니다.
대형 면적 손상 블레이드 교체 및 수리가있는 3 개의 티타늄 합금 블레이드
컴프레서 로터 구조를 단순화하고 무게를 줄이기 위해 현대 항공기 엔진 블레이드는 종종 일체형 구조 인 통합 블레이드 디스크 구조를 채택하여 작동 블레이드와 블레이드 디스크를 통합 구조로 만드는 원피스 구조로서 텐본과 장밀을 제거합니다. 체중 감소의 목적을 달성하면서, 그것은 또한 테논의 마모 및 공기 역학적 손실과 기존 구조에서의 장교를 피할 수 있습니다. 압축기 적분 블레이드 디스크의 표면 손상 및 국소 손상 결함의 수리는 위에서 언급 한 개별 블레이드 수리 방법과 유사합니다. Integral Blade 디스크의 파손되거나 누락 된 조각의 수리를 위해, 독특한 처리 방법과 장점으로 인해 선형 마찰 용접이 널리 사용됩니다. 그 과정은 그림 8 [45]에 나와있다.
Mateo et al. [46]은 Ti -6246 티타늄 합금의 수리를 시뮬레이션하기 위해 선형 마찰 용접을 사용했습니다. 결과는 동일한 손상이 최대 3 배까지 수리 된 동일한 손상이 더 좁은 열 영향 구역과 더 미세한 용접 곡물 구조를 가졌다는 것을 보여 주었다. 인장 강도는 수리 수의 증가로 1048 MPa에서 1013 MPa로 감소했습니다. 그러나, 인장 및 피로 시편 모두 용접 영역으로부터 떨어진 기본 재료 영역에서 파손되었다.
Ma et al. [47]은 상이한 열처리 온도 (530도 + 4 H 공기 냉각, 610도 + 4 H 공기 냉각, 670도 + 4 H 공기 냉각)의 미세 구조 및 기계적 특성에 대한 영향을 연구했다. 결과는 열처리 온도가 증가함에 따라 위상 및 상의 재결정 정도가 크게 증가 함을 보여준다. 인장 및 충격 시편의 골절 거동은 부서지기 쉬운 골절에서 연성 골절로 바뀌 었습니다. 670도에서 열처리 후, 인장 시편은 기본 재료에서 파괴되었다. 인장 강도는 1262mpa 였지만 신장은 기본 재료의 81.1%에 불과했습니다.
현재 국내 및 외국 연구에 따르면 선형 마찰 용접 수리 기술은 자체 청소 산화물의 기능을 가지고 있으며, 이는 용융으로 인한 야금 결함없이 결합 표면의 산화물을 효과적으로 제거 할 수 있습니다. 동시에, 이기종 재료의 연결을 실현하여 이중 합금/이중 성능 인플 블레이드 디스크를 얻고 블레이드 바디 골절의 빠른 수리 또는 다른 재료로 만든 적분 블레이드 디스크의 빠른 수리를 완료 할 수 있습니다 [38]. 그러나 조인트의 큰 잔류 응력 및 이종 재료 연결의 품질을 제어하는 데 어려움과 같은 적분 블레이드 디스크를 복구하기 위해 선형 마찰 용접 기술을 사용하는 데 여전히 해결해야 할 많은 문제가 있습니다. 동시에, 새로운 재료를위한 선형 마찰 용접 공정은 더 많은 탐색이 필요합니다.
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