航空发动机典型修理工艺

1、发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺l概述概述l气焊气焊 翻修中常用气焊排除和修复低碳钢和有色金属零件上翻修中常用气焊排除和修复低碳钢和有色金属零件上的裂纹、磨损等故障。对热处理后强度为的裂纹、磨损等故障。对热处理后强度为90-140公斤公斤毫米毫米2的结构钢件，焊修后要重新进行热处理。的结构钢件，焊修后要重新进行热处理。 l手工电弧焊手工电弧焊 翻修中常用于结构钢零件的局部焊修。翻修中常用于结构钢零件的局部焊修。 发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺l氩弧焊（氩弧焊（GAS-SHIELDED TUNGSTEN ARC WELDING）介绍介绍氩弧焊是气体保护电弧焊的一种，它和一般手工电弧氩弧

2、焊是气体保护电弧焊的一种，它和一般手工电弧焊的主要区别是用保护气体（氩弧焊就是用氩气）将焊的主要区别是用保护气体（氩弧焊就是用氩气）将电弧、熔池与空气隔开，杜绝空气的有害作用，以获电弧、熔池与空气隔开，杜绝空气的有害作用，以获得性能良好的焊缝。得性能良好的焊缝。发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺根据焊丝在焊接过程中的作用范围不同，氩弧焊可分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊。熔化极氩弧焊的焊丝既是焊料又是电极，用于厚度大于2mm的薄板和中厚板。非熔化极氩弧焊焊丝仅作为焊料，主要用于薄板。氩弧焊的主要设备和工具包括氩弧焊机、氩气瓶和氩弧焊枪。发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺钨极氩弧焊应用在惰性

3、气体的保护下，利用钨电极与工件之间产生的电弧热熔化母材和填充焊处的焊接方法称钨极惰性气体保护焊。在发动机翻修中，钨极氩弧焊主要应用于铝合金，镁合金，铜合金，钛合金，高温合金，不锈钢等薄壁构件的焊接以及零件的补焊。 发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺钨极氩弧焊工艺特点：钨极氩弧焊工艺特点：在通风的场地施工操作时，应注意避免流动的空气所引起的扰动，最好采用挡风装置。氩气的作用：在焊接过程中，氩气将焊接熔池和处于高温状态下的焊缝与空气隔绝，有效的避免了焊缝的氧化，同时氩气提供形成电弧的电离介质。氩气流量的选择取决于焊枪结构与尺寸、喷嘴到工件的距离、焊接速度、焊接电流以及接头形势等。焊接材料：氩弧焊

4、的焊接材料或填充材料的成分要与母材（基材）一致，形状为圆形截面的丝材（焊丝）。在发动机翻修手册中，对每种焊接修理所选用的焊材都会给出明确的说明，实际修理时应特别注意。 发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺l等离子弧焊等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。钨极氩弧焊使用的热源是常压状态下的自由电弧，简称自由钨弧。等离子弧焊用的热源是将自由钨弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，称等离了弧，又称压缩电弧。两者在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同。经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高。 发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺等离子弧焊主要应用于铜合金，镍合金，

5、钛合金以及不锈钢等。等离子弧焊工艺特点：（1）由于等离子弧弧柱温度高，能量密度大，因而对焊件加热集中，熔透能力强，在同样熔深下其焊接速度比TIG焊高，故可提高焊接生产率。此外，等离子弧对焊件的热输入较小，焊缝截面形状较窄，深宽比大，呈“酒杯”状。热影响区窄，其焊接变形也小。发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺（2）由于等离子弧呈圆柱形，扩散角小，挺直度好，所以焊接熔池形状和尺寸受弧长波动的影响小，因而容易获得均匀的焊缝成形，而TIG焊随着弧长的增加，其熔宽增大，而熔深减小。发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺（3）由于等离子弧的压缩效应及热电离充分。所以电弧工作稳定，即使等离子弧在小电流焊时，

6、仍能保证焊接过程非常稳定，故可以焊接超薄构件。（4）由于钨极内缩到喷嘴孔道里，可以避免钨极与工件接触，消除了焊缝夹钨缺陷。同时喷嘴至工件距离可以变长，焊丝进入熔池容易。发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺（5）采用小孔焊接技术，能实现单面焊双面成形焊接工艺。但）采用小孔焊接技术，能实现单面焊双面成形焊接工艺。但小孔焊接技术所能焊接的最大厚度受到一定限制，一般能稳定焊小孔焊接技术所能焊接的最大厚度受到一定限制，一般能稳定焊接的厚度在接的厚度在38mm范围，很少超过范围，很少超过13mm。 （6）等离子弧焊用的焊枪结构复杂，直径较粗，操作过程的可）等离子弧焊用的焊枪结构复杂，直径较粗，操作过程的可

7、达性和可见性较达性和可见性较TIG焊差。焊差。（7）等离子弧焊设备）等离子弧焊设备(如电源、电气控制线路和焊枪等如电源、电气控制线路和焊枪等)较复杂，较复杂，设备费用较高，焊接时对焊工的操作水平虽要求不很高，但要求设备费用较高，焊接时对焊工的操作水平虽要求不很高，但要求且有更多的焊接设备方面的知识。且有更多的焊接设备方面的知识。 发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺l点焊和缝焊点焊和缝焊 1点焊点焊是航空工业中用得最多的一种焊接方法。点焊时，把要焊的两个工件搭叠起来置于上下两个铜合金电极之间，施加电极压力将两个工件压紧，然后合上开关，接通变压器，由于工件本身有电阻，电流通过时使两焊件接触处加热

8、到熔化温度，形成透镜状的熔化核心，断电后，在压力的作用下凝固成焊点。 发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺2缝焊缝焊 缝焊又称滚焊，是点焊方法的发展，就其本质来说与点焊基本相同。发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺3特点特点 (1)点、缝焊多用搭接接头，与气焊、电孤焊使用的对接接头相比点、缝焊多用搭接接头，与气焊、电孤焊使用的对接接头相比较，其焊口的尺寸精度可低些。较，其焊口的尺寸精度可低些。 (2)通电时间短，产生的热量有效地用于生成的焊核，损失的热通电时间短，产生的热量有效地用于生成的焊核，损失的热量相对地较少，且大部分散往电极。与其它焊接方法比较，热影量相对地较少，且大部分散往电极。与其

9、它焊接方法比较，热影响区很小，由残余应力引起的零件变形也很小。响区很小，由残余应力引起的零件变形也很小。 (3)电弧焊、气焊、钎焊等方法，都需使用价格较高的消耗材料，电弧焊、气焊、钎焊等方法，都需使用价格较高的消耗材料，如焊条、氧气和乙炔、钎料和焊剂等，而点、缝焊主要消耗电流，如焊条、氧气和乙炔、钎料和焊剂等，而点、缝焊主要消耗电流，所以生产成本低。所以生产成本低。 发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺(4)生产率高。操作熟练时，一秒钟内可焊生产率高。操作熟练时，一秒钟内可焊45个焊点。个焊点。(5)点、缝焊时，不产生烟尘和有害气体，环境较卫生，点、缝焊时，不产生烟尘和有害气体，环境较卫生，劳

10、动强度也较低。劳动强度也较低。(6)点、缝焊操作简易，较易实现焊接过程的自动化。点、缝焊操作简易，较易实现焊接过程的自动化。如果与铆接相比更具有节省金属、减轻结构重量、表如果与铆接相比更具有节省金属、减轻结构重量、表面光滑、保证气密性、缩短制造周期等优点。面光滑、保证气密性、缩短制造周期等优点。 发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺缺点：缺点：主要是焊接质量不够稳定；缺乏可靠、有效的无损检验方法；设备复杂，维修困难；要求有大功率电源；可焊工件的厚度、尺寸与形状受到焊机功率、结构形状的限制；1.接头型式为搭接，不仅使接头重量增加，而且产生附加弯矩，使接头受力特性恶化。 发动机焊接翻修工艺发动机焊

11、接翻修工艺4点、缝焊在航空工业上的应用点、缝焊在航空工业上的应用在发动机制造方面，由于喷气式发动机的大部分构件在发动机制造方面，由于喷气式发动机的大部分构件是采用板材的冲是采用板材的冲焊结构。焊结构。例如，火焰筒、燃烧室外套、燃油收集器、点火器、例如，火焰筒、燃烧室外套、燃油收集器、点火器、加力燃烧室、喷口鱼鳞片，整流支板等都用点、缝焊加力燃烧室、喷口鱼鳞片，整流支板等都用点、缝焊结构，估计喷气发动机上点、缝焊的工作量约占整个结构，估计喷气发动机上点、缝焊的工作量约占整个焊接工作量的焊接工作量的70。 发动机焊接翻修工艺发动机焊接翻修工艺l钎焊钎焊 热喷涂技术热喷涂技术l概述概述国内外航空涂层

12、的应用与发展国内外航空涂层的应用与发展 随着航空发动机向高性能、高翻修寿命、高可靠性、低耗油率、随着航空发动机向高性能、高翻修寿命、高可靠性、低耗油率、低成本方向的进步和热喷涂等表面工程技术的迅速发展，各种功低成本方向的进步和热喷涂等表面工程技术的迅速发展，各种功能涂层在航空领域的应用越来越广泛和重要。美国能涂层在航空领域的应用越来越广泛和重要。美国P&W公司自公司自20世纪世纪60年代以来，逐渐扩大了热喷涂的应用范围，诸如年代以来，逐渐扩大了热喷涂的应用范围，诸如JT3D、JT8D、JT9D等发动机的关键零部件等发动机的关键零部件风扇叶片、压气机叶片、风扇叶片、压气机叶片、燃油喷嘴组

13、件、燃烧室、涡轮叶片、导向叶片、轴颈、轴承座和燃油喷嘴组件、燃烧室、涡轮叶片、导向叶片、轴颈、轴承座和空气封严圈等空气封严圈等2800多个零件，用多个零件，用47种材料进行热喷涂，使种材料进行热喷涂，使JT3D发动机的大修期从发动机的大修期从4000h提高到提高到16000h。英国英国RR公司的斯贝公司的斯贝(SPEY)发动机上有发动机上有200多种零部件多种零部件采用了热喷涂涂层；采用了热喷涂涂层；RB211发动机燃烧室衬套采用镍发动机燃烧室衬套采用镍铬铝及氧化镁氧化锆热障涂层后，二次大修间的使铬铝及氧化镁氧化锆热障涂层后，二次大修间的使用寿命从用寿命从1000h提高到提高到40005000

14、h。加拿大太平洋航。加拿大太平洋航空公司，采用一系列热喷涂涂层后，使空公司，采用一系列热喷涂涂层后，使JT3D发动机寿发动机寿命从命从4000h提高到提高到24000h，而，而JT8D发动机寿命则从发动机寿命则从4000h提高到提高到16000h。 lR-R、GE、P&W公司生产的每台现代涡轮航空发动机中约公司生产的每台现代涡轮航空发动机中约有三十种以上表面工程改性涂层，这些涂层在航空发动机的有三十种以上表面工程改性涂层，这些涂层在航空发动机的每次大修时都将全部重新涂敷，以保证航发的性能和安全性。每次大修时都将全部重新涂敷，以保证航发的性能和安全性。其按功能分类有：热障涂层，抗高温氧化

15、腐蚀涂层，高、低其按功能分类有：热障涂层，抗高温氧化腐蚀涂层，高、低温耐磨涂层，抗微震磨损涂层，防火涂层，润滑涂层，高、温耐磨涂层，抗微震磨损涂层，防火涂层，润滑涂层，高、低温封严涂层，尺寸修复涂层等。图低温封严涂层，尺寸修复涂层等。图1标注出各种功能涂层标注出各种功能涂层在航空涡轮发动机中的分布情况，它们的主要功能与应用于在航空涡轮发动机中的分布情况，它们的主要功能与应用于涡轮航空发动机的具体部位如下：涡轮航空发动机的具体部位如下： 热喷涂技术热喷涂技术热喷涂技术热喷涂技术图2 航空涡轮发动机热障涂层应用的分布 热喷涂技术热喷涂技术高温耐磨涂层，主要应用于航发的过渡段，可承受800以下的高温

16、磨损；低温耐磨涂层，主要应用于航发的轴颈和4级封严环，在300以下具有优良的耐磨性能；热障涂层，主要应用于航发的高导叶片、火焰筒、过渡段、隔热屏等部位，兼有抗高温氧化和阻止热传导功能。抗微震磨损涂层主要应用于航发的压气机叶片和静子外环块，既有良好的耐磨性能，又具有优异的抗抗疲劳性能；封严涂层主要应用于航发的所有封严圈、盘（与蜂窝或可刮削涂层配合），具有动态密封作用，可提高发动机的功率和效率；热喷涂技术热喷涂技术低温可刮削（封严）涂层主要应用于航发的压气机匣及所有的封严环，具有低温动态密封作用，可提高发动机的功率和效率；高温可刮削（封严）涂层主要应用于航发的高压压气机匣和高导外环，具有高温动态密

17、封作用，可提高发动机的功率和效率；防火涂层主要应用于航发的高压压气机匣；润滑涂层主要应用于航发的密封环和密封套，具有润滑和密封作用；尺寸修复涂层主要应用于航发的磨损较严重零部件的尺寸恢复。 热喷涂技术热喷涂技术l7.1抗高温氧化与热障涂层的制备工艺抗高温氧化与热障涂层的制备工艺1.热障涂层（热障涂层（TBC）的构造和功能）的构造和功能 热障涂层的基本设计思想是利用陶瓷材料优越的耐高热障涂层的基本设计思想是利用陶瓷材料优越的耐高温、耐腐蚀、耐磨损和绝热等性能使其以涂层形式和温、耐腐蚀、耐磨损和绝热等性能使其以涂层形式和金属基体相复合，以提高金属结构件抵抗高温腐蚀的金属基体相复合，以提高金属结构件

18、抵抗高温腐蚀的能力，同时阻碍热能从表面向基体的传导。能力，同时阻碍热能从表面向基体的传导。 喷涂前的叶片(经清洗、去除残余涂层、基材修补等)喷涂后的叶片经5438h运行后，检修时的叶片原始形貌热喷涂技术热喷涂技术为改善涂层和基体的物理相容性和基体的抗高温氧化性能，常在基体和陶瓷涂层间加一金属粘结底层(过渡层)。为提高陶瓷涂层的抗热震性，TBC可设计成双层系统、多层系统和梯度层系统三种结构形式。 热喷涂技术热喷涂技术2.热障涂层（热障涂层（TBC）的制备工艺技术）的制备工艺技术 采用陶瓷作为高温合金表面的涂层，主要原因是叶片采用陶瓷作为高温合金表面的涂层，主要原因是叶片在工作时要承受不同的热载荷

19、和机械载荷。这种热障在工作时要承受不同的热载荷和机械载荷。这种热障涂层系统中的陶瓷涂层用来抵抗高温，而基体的镍基涂层系统中的陶瓷涂层用来抵抗高温，而基体的镍基高温合金主要负责承担机械载荷。高温合金主要负责承担机械载荷。 热喷涂技术热喷涂技术目前国际上普遍采用的是： 等离子喷涂（陶瓷面层+金属过渡层）、 超音速火焰喷涂（金属过渡层）、 爆炸喷涂（金属过渡层）1.电子束物理气相沉积(EBPVD) （陶瓷面层+金属过渡层）技术。 等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂(Plasma Spraying，简称PS)二十世纪五十年代等离子喷涂设备及工艺是采用等离子弧发生器(喷枪)将通入喷嘴内的气体(常用Ar、N2

20、和H2等气体)加热和电离，形成高温高速等离子射流，熔化和雾化金属或非金属物料，并使其以高速喷射到经预处理的工件表面上形成涂层的方法。 等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂具有如下工艺特性：等离子喷涂具有如下工艺特性：1) 热源温度高（17000K），适用于难熔材料的喷涂2) 等离子射流速度大，可高达几十至几百米/秒，因此涂层与基体具有较高结合强度，且涂层较为致密；3) 喷涂过程中对基体热影响较小，可以对已成型工件进行表面喷涂；4) 喷涂工艺规程稳定，操作比较简便，喷涂效率较高。 超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂(HVOF)和爆炸喷涂(D - GUN)超音速火焰喷涂是应用火箭发动机的原理获得

21、温度较低（3400K），但速度却很高的喷涂燃流。超音速火焰喷涂最为突出的贡献是大幅度提高了涂层的结合强度、密度、硬度，同时降低了涂层中的氧化物含量，使涂层更加纯净。因此，超音速火焰喷涂涂层具有卓著的耐磨和抗腐蚀性能。此外，超音速火焰喷涂涂层内部的残余应力为压应力，所以其涂层厚度基本不受限制，可达到数毫米。 爆炸喷涂爆炸喷涂爆炸喷涂是利用氧和可燃性气体的混合气，经点火后在喷枪中爆炸, 利用脉冲式气体爆炸的能量, 将被喷涂的粉末材料加热、加速轰击到工件表面而形成涂层。由于爆炸波的传播速度高达由于爆炸波的传播速度高达3000m/s, 其中心温度可达其中心温度可达3450, 粉末粒子的飞行速度可达粉末

22、粒子的飞行速度可达1200m/s，所以其喷，所以其喷涂层涂层致密涂层涂层致密, 与基体的结合强度高。与基体的结合强度高。爆炸喷涂爆炸喷涂电子束物理气相沉积(EB-PVD) 电子束物理气相沉积(EB-PVD)是以电子束作为热源的一种蒸镀方法，其蒸发速率高，几乎可以蒸发所有的物质，而且沉积得到的涂层与基体的结合力非常好。电子束功率易于调节，束斑尺寸和位置易于控制，有利于精确控制膜厚和均匀性。由于坩埚通常采用水冷，因此避免了高温下蒸镀材料与坩埚发生化学反应，还避免了坩埚放气污染膜层。 电子束物理气相沉积法主要工艺过程为：电子束通过磁场或电场聚焦在涂层的蒸发源锭子上，使材料熔化，然后在真空的低气压环境

23、中，蒸发源材料的气相原子通常以直线从熔池表面运动到基片表面并在基片表面沉积成膜。电子束物理气相沉积(EB-PVD) 电子束物理气相技术与等离子喷涂技术相比具有以下优势：电子束物理气相技术与等离子喷涂技术相比具有以下优势：(1)柱状晶结构使EB-PVD涂层具有更高的应变容限，热循环寿命比等离子TBCs提高近8倍；(2)涂层更致密，抗氧化和热腐蚀性能更好； (3)涂层的界面以化学结合为主，结合力显著增强； (4)表面光洁度更高，有利于保持叶片的空气动力学性能；(5)需要控制的涂层制备工艺参数较少，而且通过改变工艺参数还可以控制陶瓷层的结构。 电子束物理气相沉积(EB-PVD) 热喷涂技术热喷涂技术

24、7.2 高、低温耐磨涂层的制备工艺高、低温耐磨涂层的制备工艺 航空涡轮发动机中的耐磨损涂层基本分三类：航空涡轮发动机中的耐磨损涂层基本分三类：l高温条件使用的高温耐磨涂层，材料以NiCr合金为主；l低温耐磨涂层，材料以WC/Co合金为主；A.抗微震磨损涂层，材料以CuNiIn和CuAl合金为主。 热喷涂技术热喷涂技术l7.3 封严涂层制备工艺封严涂层制备工艺 l航空涡轮发动机中封严涂层对发动机的功率和效率航空涡轮发动机中封严涂层对发动机的功率和效率有直接影响。封严涂层可分为非可刮削封严涂层，有直接影响。封严涂层可分为非可刮削封严涂层，以及与其相配合的蜂窝壁齿或可刮削涂层。以及与其相配合的蜂窝壁齿或可刮削涂层。 热喷涂技术热喷涂技术非可刮削封严涂层非可刮削