某发动机高压涡轮工作叶片故障与典型修理技术

康琦玉

【摘 要】 在修理过程中，需通过各种试验、测量检查和维修，保证叶片的状态和工作环境符合要求，才能确保叶片安全可靠地进行工作。

【关键词】 发动机 高压涡轮 叶片故障 修理技术

某高压涡轮工作叶片采用与K413相当的ЖС-6У材料无余量精铸而成。为使叶片满足高温、高强度工作条件的使用要求，除在结构设计上采用复杂的空心气冷式换热结构和空-空换热器对冷却叶片的二股气流进行冷却，提高对叶片的冷却效果外，在修理过程中也制定了相当严格的技术要求，如多项试验检查要求和修理技术要求，以保证其各项技术指标及安全措施实施到位。

1 主要修理技术指标和试验检查要求

为保证燃烧室出口温度场符合设计要求，修理中要对每个燃烧室出口温度场进行测量；为保证高压涡轮工作叶片内部冷却气流通畅，在对叶片进行超声波清洗后，按标准对其进行X光检查内腔清洁度；为保证叶片内各腔冷却气流量符合设计要求，要对每个叶片进行水流量检测，检查叶片内各腔的流量和总流量；为保证叶片在损伤限度内工作，要检查并控制叶片叶尖裂纹长度、数量、间距；为控制叶片蠕变量，要对叶片伸长量进行测量检查；为保证叶片型面符合设计要求，对经表面抛修过的叶片壁厚进行测量检查；定时抽样解剖检查叶片材料组织，定期进行恢复性能热处理；定时更换叶片表面涂层修理，保证其在高温下的防护作用，有效地避免零件基材因高温氧化和热腐蚀作用而导致机械性能显著降低，从而达到延长使用寿命的目的。

由此可见，在修理过程中，需通过各种试验、测量检查和维修，保证叶片的状态和工作环境符合要求，才能确保叶片安全可靠地进行工作。

2 叶片主要技术指标和故障情况

对于高压涡轮工作叶片，在发动机修理中所发现的主要故障主要包括以下几方面。

（1）叶片叶尖裂纹。为保证在规定翻修寿命期内，叶片能够在允许的损伤限内安全工作，修理中用荧光法检查叶片叶尖工作中产生的裂纹，根据叶片的工况条件等，规定了允许装机使用的叶尖裂纹长度、数量和裂纹之间间距的要求。修理中叶尖裂纹超过规定要求的叶片约占叶片总数的8%（主要是裂纹间距和数量超过规定）。

（2）叶片水流量。为保证叶片内各腔冷却气流量符合设计要求，叶片修理技术要求规定对叶片各腔冷却空气的流通能力进行水流量测试。在规定的温度、压力等条件下，从叶片底部供水，通过叶片前腔进气边孔排水量为（n～m）L/min；通过叶片后腔排气边缝排水量为（k～h）L/min。从检测结果看，部分叶片的水流量超出规定范围（偏大或偏小）。

（3）叶片伸长量。为保证叶片在寿命期内可靠地工作，修理中要求控制叶片蠕变量，对工作后叶片相对于原始状态的伸长量进行测量检查，要求伸长量不大于0.05mm。大修以来因伸长量超差而报废的高压涡轮工作叶片有千余片，其报废有3方面的原因：1）伸长量超过大修规定的故检标准；2）无原始叶片长度值；3）伸长量为负值。

（4）叶片壁厚。为保证叶片型面符合设计要求，在修理中规定，高涡叶片更换涂层时，对其进行酸洗去除原表面渗（涂）层，允许表面残余涂层0.015mm；对局部超过残留涂层标准的部位，允许采用局部打磨法去除涂层，对经修磨表面用超声波方法检查叶片壁厚，允许壁厚减薄不超过0.1mm。修理中有数百片叶片壁厚减薄超过规定要求。

（5）其他故障。在修理中，除上述故障外，还有一些叶片打伤、发动机工作超温导致叶片过热等故障。

3 修理技术要求和修复方法

经过对叶片叶尖裂纹、水流量、叶片伸长量、叶片壁厚超标故障的试验、统计分析和修理中故障情况统计可以知道，影响发动机工作可靠性和修理成本的主要故障是高压涡轮工作叶片叶尖裂问题，为此进行了以修复叶片叶尖裂纹为主的修复技术的研究。对产生叶尖裂纹故障的高压涡轮工作叶片进行激光熔焊的方法进行修复研究和热冲击试验及长期试车考核，以制定高压涡轮工作叶片叶尖裂纹修复方案。

（1）补焊材料选择。根据叶片材料的主要化学成分及性能，在补焊材料的选材中充分考虑了补焊材料与基体材料要有良好的相容性、热膨胀系数相近和良好的高温力学性能、热疲劳性能等因素，选用填料为镍基高温合金（IMR-03）。

（2）叶片叶尖裂纹补焊修复。选出因叶尖裂纹报废的高压涡轮工作叶片（该叶片已工作时间500～600h），按高压涡轮工作叶片的大修要求对其进行了去除涂层的清洗、故检、荧光检查等工作后，基于满足激光焊工艺并使基体材料损伤最小、彻底清除裂纹的原则，根据裂纹是单直裂纹、密集度裂纹等具体情况，用机械打磨与着色跟踪法清除裂纹。用激光熔焊法进行裂纹修复，修后用超声波处理消除其焊接应力，结合大修工艺对叶片进行了外观检查、荧光检查、恢复性能热处理和复涂涂层等工作。

（3）激光补焊金相组织。金相检查结果表明，补焊区与基体材料为冶金结合，界面无裂纹、无缺陷，补焊区组织为细小的胞枝晶组织。

（4）热冲击试验。为考核采用激光熔焊修复叶尖裂纹叶片的抗冷热冲击能力，对焊修后的叶片进行了300h（折合1000次冷、热疲劳循环）的热冲击试验。根据试验结果可知，高涡叶片在很小的循环次数下就已经出现初始裂纹，但裂纹扩展速度相对比较缓慢，到了1000次循环，叶尖裂纹长度没有超过1.8mm，从裂纹形貌上看，应属于热疲劳裂纹。裂纹的数量和长度，都是符合大修技术要求的，叶片叶身出现不规则的微小显示属于龟裂。热冲击试验后，荧光检查叶尖补焊区未发现裂纹，对经过300h热冲击处理的主叶片进行了解剖，制成金相试样后检查叶盆补焊区，没有发现裂纹。用扫描电镜对叶背的激光补焊区分析时发现，补焊区两侧边缘处各有长约0.6mm的小裂纹存在，补焊区为正常的热处理组织，没有龟裂，补焊区与基体界面结合良好。

（5）工厂和长期试车考核。叶尖补焊的高涡叶片参加了某发动机的工厂试车后，选出2片叶片挂片装于长试发动机随机参加了历时300余小时的长期试车考核。考核结束后对叶片进行了故检和着色检查，2片高涡叶片的叶盆、叶背（补焊区和非补焊区）均出现了不同程度的裂纹，裂纹的数量和长度，都符合大修技术要求。为了解长期试车后叶片材料组织变化情况，对1片叶片叶背的裂纹补焊区位置附近进行了解剖断面金相检查，从金相检查结果看，补焊区有少量的富Cr、Mo、W的粒状相析出，补焊区和基体之间存在明显的扩散层，这是补焊材料和基体材料长期相互作用互扩散的结果，但界面仍为牢固的冶金结合。

4 结语

（1）对于工作中产生叶尖裂纹故障的高压涡轮工作叶片，以高W、Mo含量的Ni基超合金作为填料，采用电火花预置填料与固体激光脉冲优化路径积分焊工艺方法进行修复。修复后的高压涡轮叶片经超声波对激光补焊区去除应力处理、恢复性能热处理、重涂涂层等工作后，通过了300h（折合1000次冷、热循环）的热冲击试验和长期试车考核，叶片激光焊修部位未出现超出大修故检要求的裂纹，符合叶片修理的故检标准，满足发动机工作要求。该项深度修理工艺已纳入修理技术要求并投入产生，使大量因叶尖裂纹超标报废的叶片恢复了使用功能。

（2）修理中叶片壁厚超差故障主要是由于壁厚测量系统不稳定、精度低所致，为提高叶片壁厚测量精确度，已开展了采用X光测量叶片壁厚的研究工作，提高叶片测量系统的稳定性，消除测量误差。

通过对某发动机修理中高压涡轮工作叶片故障与典型修理技术研究，提出制定了满足使用要求的技术要求和修理方法，使高压涡轮工作叶片报废率由大修工作前期的约15%，降至目前的4%。经生产应用和发动机外场长期工作验证，其效果良好，该项研究降低了发动机修理成本，提高了叶片工作的可靠性。endprint