涡轮叶片常见故障分析与修理技术

1、涡轮叶片常见故障分析与修理技术【摘要 】本论文主要阐述了 WP-5发动机涡轮叶片的常见故障及其修理技术，并适当介绍其它发动机修理技术。 涡轮叶片是航空发动机的主要部件， 它的使用环境苛刻，数量多，几何形状复杂，材料化学成分和组织状态要求严格。因此，制造工序多，工艺复杂；在使用过程中出现的故障直接影响到发动机的使用寿命和飞行安全。是航空发动机检查和维修的工作重点。关键词：涡轮叶片，常见故障，修理技术，使用寿命，飞行安全Abstract:This paper mainly expounds the common fault of WP-5 turbineblades and repair tech

2、nology, and appropriate to introduce other enginerepair technology. Turbine blades are the main component of aviationengine,itsuseinharshenvironment,quantity,complexgeometry,material chemical composition and microstructure of strict. Therefore,manufacturingprocess,complex process;faultappearinginthe

3、useprocess directlyaffectthe servicelifeof the engine and flightsafety.The aircraft engine is the focus of the work of inspection and repair.Key words: Turbine blade,commonfailure,repairtechnology,the servicelife, flight safety1目 录1 XXXX错误！未定义书签。1.1XXXXX31.1.1 XXXX31.1.2 XXXX错误！未定义书签。2 XXXX32.1XXXXX

4、32.1.1 XXXX32.1.2 XXXX错误！未定义书签。结 束 语错误！未定义书签。谢 辞错误！未定义书签。文 献错误！未定义书签。21 涡轮概述1.1 涡轮的功用涡轮的功用是使高温燃气膨胀做功， 把燃气中的部分热能转换为机械能， 输出无论功带动压气机和其他附件工作。1.2 涡轮的工作原理涡轮是利用燃气膨胀做功原理来工作的。 从涡轮导向器流出来的气流冲击动叶叶栅时，就会在动叶叶栅上产生很大的气动作用。 叶盆上的静压比叶背上的大得多。于是，叶盆和叶背的压差形成了巨大的推动力，其方向指向叶背，推动涡轮动叶（工作叶轮）做功。1.3 涡轮的结构涡轮的单级由 1 个导向器和 1 个工作叶轮组成。2

5、 涡轮转子2.1 涡轮转子的组成涡轮转子由叶片、涡轮盘和涡轮轴组成。2.1.1 涡轮叶片涡轮叶片包括叶身和叶根（榫头）两个部分。叶身是叶片工作的部分，其外形是按燃气的流动规律进行制造；叶根用以连接涡轮盘和叶片，目前多采用枞树形状，其上还有榫齿。在工作时叶根是受力最大的部分，因此，不仅要求它具有足够的强度，而且应有尽量小的重量。现在大多数工作叶片是实心的，这样构造简单且制造容易。工作叶片在巨大离心力（ 10 吨左右）与高温条件下工作，所以才用优质高温合金制造。目前用的最多的是GH437（镍基合金），可在 800 850工作，温度更高时可采用 GH437A。叶片均由模锻毛坯经机械加工制造。3 涡轮

6、叶片的常见故障分析及修理技术涡轮叶片常见故障分为三类： 裂纹、表面缺陷、叶身细颈和过热（烧伤）。3.1 涡轮的常见故障及概率3.1.1裂纹 涡轮叶片常见的有榫槽裂纹、 叶身裂纹 、固定锁键裂纹等。从 200600h 寿命的发动机统计，故障率（按台计）如下：其一，第一榫槽裂纹3WP-5（ 5.518.3 ）%；WP-5（ 4.815） %；WP-5（ 2.38.2 ）%（200 400h），P -4（ 15.7 7206） %，（100 700h）。其二，叶身排气边裂纹（0 1.25 ） %其三，固定键裂纹（ 1.25 8.8 ）%。以上统计可见， 第一榫槽裂纹故障最为突出，它与叶片寿命有明显的

7、规律；各种机种的故障率也有差异。3.1.2 表面的缺陷叶片表面的缺陷有六种， 即晶界显示、 龟裂、掉晶、发纹、燃气腐蚀和表面打伤。叶身和榫槽表面缺陷比较普遍，寿命在 200h 以上的叶片，约有 60%都程度不同的存在这种故障。因故障界限不明确， 所以难以统计准确。 只对燃气腐蚀做过粗略统计，故障率（按台计）约在（ 1115） %之间。制造、翻修和使用都发现这类故障最多，研究者争论也最多，到目前为止，仍未有一致的结论。3.1.3叶身细颈和过烧细颈大多发生在叶身高三分之二的排气边。200600h寿命期间，故障率（按台计）为（1.3 2.5 ）%。可见它与寿命无明显关系。叶身的过热比细颈要少得多，而

8、且与寿命无关。3.2 叶片榫槽与榫头裂纹3.2.1叶片第一榫槽裂纹（1）叶片第一榫槽裂纹的宏观形态这种裂纹都出现在第一榫槽底的圆弧R 部位。在叶片背面（凸面）裂纹常在槽底中央；在叶片凹面则在榫槽靠近排气边两侧的槽底上。（2）叶片第一榫槽裂纹的微观形态沿晶裂纹这种裂纹在榫槽便面有严重的晶界显示缺陷，裂纹从显示晶界开始扩展，逐渐连成裂纹。穿晶裂纹这种裂纹在榫槽表面没有缺陷，却有穿晶裂纹生成并扩展。（ 3）叶片第一榫槽裂纹检查和修理 去层电解抛光 在第一榫槽底部圆角处，用机械加工的办法磨掉硬化层， 然后用电解抛光的方法， 将磨削加工产生的硬化层除去。磨削的深度为 0.1 0.15mm（单面），电解抛

9、光层为 0.02mm（单面）。经磨削和电抛光后，保持槽底的间距（ K）不少于 13.1mm。 喷丸强化 高速弹丸撞击金属零件表面， 使之产生残余压应力并影城亚晶冷作硬化层， 从而提高零件疲劳强度和抗应力腐蚀的能力。3.2.23.2.3叶片第二榫槽裂纹及其修理技术叶片第一齿工作面细碎裂纹3.3 叶片的叶身和锁键裂纹及修理43.3.1 叶身排气边裂纹叶身排气边裂纹一经出现， 扩展速度很快， 而后造成叶片断裂，并打坏涡轮外环而飞出；还可能打坏机身中的电缆、导管、邮箱；加之还会引发涡轮转子的不平衡度增大，使得飞机激烈振动，导致燃油管断裂、轴承损坏；造成发动机空中停车或发动机起火。（ 1）排气边裂纹的形

10、态这种裂纹大多出现在叶身排气边叶身高度的 2/3 处，但也有些裂纹出现在叶片高度 1/3 处和叶高的中部。大多数排气边裂纹萌生的部位无表面缺陷； 少数裂纹萌生于叶盆面， 并向叶背扩展，它的扩展方向与叶片高度方向垂直。断口金相观察发现， 这种裂纹全部为穿晶裂纹，断口上的疲劳特征明显；金相组织观察可见裂纹部位为粗大晶粒，并且晶粒大小不均匀。（ 2）排气边裂纹产生的原因传统观点叶片排气边裂纹是高温、大应力和燃气腐蚀等综合因素的作用下，萌生于表面的微裂纹扩展后形成的疲劳裂纹；这种微裂纹起源于叶片表面的氧化晶界、表面缺陷等处。涡轮叶片延寿研究中形成的新观点通过一些实验、长期试车和金属性能的分析，发现叶片

11、排气边裂纹和下列因素有关：a. 出现排气边裂纹的叶片大多数都在使用 400h 以前，并且叶片表面的缺陷都很轻微。b. 排气边裂纹都是穿晶裂纹。 尽管有些裂纹起始于叶片表面的龟裂或掉晶，但是裂纹扩展与这些缺陷无关，而且排气边裂纹都是从叶盆向叶背扩展。c. 机械振动，尤其是复合共振是引起叶身裂纹的主要原因。（ 3）排气边裂纹的修理技术在发动机维护和修理中， 必须高度重视对排气边的检查，一经发现必须更换。研究发现，采用喷丸强化的叶片，经过254h 长期试车，叶片中寿命达到1420h，未发现排气边裂纹。 这证明喷丸强化技术是预防排气边裂纹的有效方法。3.3.2 叶背裂纹叶背裂纹只发生在叶身背部凸面的排

12、气边、叶尖和叶根榫槽处，在叶片凹面未发现过；它的长度在3 5mm，深度约为 0.5mm，总是同时出现几条；裂纹扩展方向与叶身轴向一致，并沿晶界扩展；这种裂纹的原因目前尚不清楚。叶背裂纹的故障率要比叶身裂纹少得多，在发动机维护和修理中，这种裂纹一经发现就必须更换叶片。3.3.3 锁键裂纹与修理技术5（ 1）固定锁键裂纹 固定锁键裂纹的部位，在固定锁键的转角处。 由于该处圆角很小，裂纹产生在转角的最尖的地方。 裂纹长度在 0.5mm左右。优势与龟裂同时产生。这种裂纹虽然出现较多，但是从未发生过固定锁键断裂事件。故障原因可能是构造上的缺陷，因为固定锁键转角处圆角很小。同时，在装配活动锁键时，对固定锁

13、键也有一个预紧力，如果预紧力过大，就会引发裂纹。经长期的试车证明，可将已产生裂纹的固定锁键改为活动锁键， 用 1Cr18Ni9Ti材料制造，在叶片上开槽，把活动锁键压上，这就从根本上排除了此类故障。（ 2）活动锁键裂纹该裂纹大都出此案在拐弯部位的圆角上，有单条和成片的龟裂两种。单条贯穿整个锁键，属于过渡性故障，可能引起断裂；成片的龟裂不贯穿整个锁键，属于稳定性故障，不具有危险性，仍可使用。活动锁键裂纹的原因与制造工艺及热处理有关，与发动机工作条件、 零件的手里状态关系不大。3.4 叶片表面故障及修理技术3.4.1 叶片常见的表面故障叶片的表面故障， 按照其形态可分为六类， 即晶界显示、 龟裂、

14、掉晶、发纹、腐蚀和表面打伤。（ 1） 晶界显示 晶界显示又名晶界腐蚀， 在放大镜下能清晰地看出晶粒的界线，比较严重时，镜下可见晶界线变宽、发黑。晶界显示是叶片表面缺陷中最轻的一种。该故障发生多发生在叶身和榫头，叶片工作 200h 后就开始出现，属于稳定性故障。（ 2） 龟裂 龟裂是晶界显示的进一步发展， 在放大镜下可见晶界有局部的开裂。龟裂会成片出现，但又不连续； 龟裂大多伴随着晶界显示而出现。（ 3） 掉晶 掉晶是晶界显示进一步发展后出现的缺陷。 在放大镜下可见一个或数个晶粒掉出，形成坑点，并成片散布。掉晶出现后，叶片表面凹凸不平。掉晶常与晶界显示、龟裂同时存在。（ 4） 发纹 发纹是一种冶

15、金缺陷， 它是在金属冶炼过程中存在的非金属夹杂造成的；一般存在于叶身表面，呈细长条纹，深度在 0.01mm一下，宽度有的较宽 0.1 0.2mm之间。发纹沿叶片的纤维方向分布， 多为数条同时出现。（ 5） 燃气腐蚀 该缺陷表现为叶片表面有许多坑点（或称麻点、麻坑） 。严重时麻点密集，表面呈黑色氧化状，无金属光泽。坑点比掉晶要大得多，有时很深。放大镜下所见的坑点多数沿晶界开始，有时与晶界显示同时存在。6（ 6） 叶片打伤叶片打伤是外因故障。由于喷气发动机吸入的空气不清洁，有少量沙粒、杂物，会将叶身打伤。3.4.2 预防叶片表面故障的措施（ 1）在叶身表面镀铬镍 此工艺对叶片的疲劳和持久性能没有好

16、处， 增大了翻修叶片故障的检查难度。因而，为投产使用。(2) 在叶身表面低温渗铝 此工艺已投产使用， 但这种工艺给故障检查带来了困难。在使用中观察，也叶片经过较长的使用，铝层有局部氧化现象，防护作用也随之而减弱。因此，防护效果也有限度。3.4.3 叶片表面故障的修理方法（1）毡轮抛光用抛光去除叶片表面一定厚度的金属层，就能将表面缺陷一并除去。不过这种办法导致积累性去材过多，影响叶片寿命，不宜长久使用。（2）喷丸强化喷丸处理后的叶片表面缺陷产生缓慢，对已有缺陷的发展亦有明显的抑制作用，并且大大增加了叶片的使用寿命。因此，得到广泛使用。3.5 涡轮叶片常见故障产生的原因(1) 机械振动引起的疲劳断

17、裂；（2）高温蠕变损坏；（3）化学损伤和热疲劳断裂。4 涡轮叶片检测与修理的先进技术4.1 检测涡轮叶片的先进技术（1）在发动机上用孔探仪检查叶片（2）在修理车间叶片检测前清洗（3）叶片完整性检测（4）叶片的无损检测4.2 先进发动机的涡轮叶片常见故障及排除方法为了使叶片能在1500以上的高温工作，叶片表面需要涂层。两层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式分解 Al 吸附并沉积到叶片表面上形成涂层。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PWA545（钴铝化合物）。发动机经常由第一级叶片叶尖的烧蚀使发动

18、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代替现有的耐磨剂，对叶尖进行喷涂。这种称为TURBOTIP的技术类似真空钎焊。当时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，7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，

19、用超声波设备检验壁厚。如果发现叶片需要进行进一步维修， 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。当发现发动机的压气机损坏时，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2存在，蓝色则表示没有任何涂层了。如果涂层剥落面积小于2.903cm ，而且表

20、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，继续喷上男魔材料，或用 TURBOTIP的修理技术，在顶部加上立方氮化硼物质。最后，要在气动平台上测量

21、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恢复正常， 否则就需要重新打孔， 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。 与夜间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。叶片前缘烧蚀或裂纹大于 2.54mm，或其厚度在测量的位置小于要求都是不允许的。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，即先堆焊上合适的材料 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

22、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8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钻孔。叶身有的裂纹只要没有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，将叶片在研磨石中研磨，是涂层的主要面应达到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

23、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； 最后进行气流检验是否达到要求。4.3 涡轮叶片的预防性修理为防止叶片出现过热损伤、 热疲劳、高温燃气腐蚀等故障，可采用提高材料的抗热性能，抗疲劳性能和抗高温燃气腐蚀性能的方法。在大修中， 对涡轮叶片全部进行真空等离子法喷涂扩展涂层，即 Ni-Cr-Al-W 系涂层；四元共渗后的涡轮叶片，塑性大大提高，耐热性及其他工作性能都有所提高，耐热稳定性好。随着使用时间的累积， 涡轮叶片金属材料的内部发生无数的微笑空洞。 这事金属材料都在高温下受交变应力而使晶粒分离的初期过程， 是金属老化的现象。 为使老化的材料恢复原有的性能， 采用在高温下将流体静压力加给材料的热等静压法是有效的。 若把老化的材料进行热等静压处理， 其疲劳寿命可恢复到与新材料相同的水平。热等静压处理装置最高压力可达 202.6MPa，温度高达 1450。4.4 国内外先进的叶片修理技术4.4.1 表面损伤的