航空機のエンジンブレードは、長い間、複雑で厳しい職場環境にあり、さまざまなタイプの損傷欠陥が生じやすいです。刃を置き換えるのは費用がかかり、刃の修理および再製造技術に関する研究には大きな経済的利益があります。航空機のエンジンブレードは、主にタービンブレードとファン/コンプレッサーブレードの2つのカテゴリに分かれています。タービンブレードは通常、ニッケルベースの高温合金を使用しますが、ファン/コンプレッサーブレードは主にチタン合金を使用し、一部はニッケルベースの高温合金を使用します。タービンブレードとファン/コンプレッサーブレードの材料と作業環境の違いにより、異なるタイプの損傷が生じ、修理後に達成する必要がある異なる修理方法と性能指標が生じます。このペーパーでは、航空機エンジンブレードの2つのタイプの一般的な損傷欠陥に現在使用されている修理方法と主要なテクノロジーを分析および説明します。
航空機エンジンでは、タービンとファン/コンプレッサーローターブレードは、遠心荷重、熱応力、腐食などの長期的な過酷な環境の影響を受け、性能要件が非常に高いです。それらは、航空機のエンジン製造で最もコアコンポーネントの1つとしてリストされており、その製造はエンジン製造全体のワークロードの30％以上を占めています[1–3]。長い間、過酷で複雑な作業環境にあるため、ローターブレードは、亀裂、刃のチップ摩耗、骨折損傷などの欠陥を起こしやすいです。ブレードの修復コストは、ブレード全体を製造するコストのわずか20％です。したがって、航空機のエンジンブレード修理技術に関する研究は、刃のサービス寿命を延長し、製造コストを削減することを助長し、経済的利益をもたらします。
航空機のエンジンブレードの修復と再製造には、主に次の4つのステップ[4]が含まれます。ブレード前処理（ブレードクリーニング[5]、3次元検査、幾何学的再建[6–7]など）。材料堆積（不足している材料の充填と蓄積を完了するための高度な溶接および接続技術の使用[8–10]、パフォーマンス回復熱処理[11–13]など）;ブレードの改修（研削や研磨などの機械加工方法[14]を含む）;図1に示すように、修復後治療（表面コーティング[15–16]および強化治療[17]など）。その中で、材料堆積は修復後の刃の機械的特性を確保するための鍵です。航空機のエンジンブレードの主な成分と材料を図2に示します。さまざまな材料と異なる欠陥形態について、対応する修復方法の研究は、損傷した刃の高品質の修復と再製造を達成するための基礎です。このホワイトペーパーでは、ニッケルベースの高温合金タービンブレードとチタン合金ファン/コンプレッサーブレードをオブジェクトとして採用し、この段階でのさまざまな航空機エンジンブレードの損傷タイプに使用される修復方法と主要な技術について説明および分析し、その利点と欠点を説明します。
ニッケルベースの高温合金タービンブレード修復方法
ニッケルベースの高温合金タービンブレードは、高温燃焼ガスと複雑なストレスの環境で長時間機能し、ブレードには疲労熱亀裂、小面表面損傷（刃の先端摩耗および腐食損傷）、疲労骨折などの欠陥がしばしばあります。タービンブレードの疲労骨折修復の安全性は比較的低いため、疲労骨折が溶接修復なしで発生した後、一般的に直接置き換えられます。タービンブレードの2つの一般的なタイプの欠陥と修復方法を図3 [4]に示します。以下は、ニッケルベースの高温合金タービンブレードのこれら2つのタイプの欠陥の修復方法をそれぞれ導入します。
ニッケルベースのスーパーアロイタービンブレード亀裂修復
ろう付けおよび固相溶接修復方法は、一般に、主に真空ろう付け、一時的な液相拡散結合、活性化拡散溶接、粉末冶金再製造修復方法を含むタービン刃亀亀裂欠陥を修復するために使用されます。
シャン等。 [18]は、NI-CR-B-SIおよびNI-CR-ZRろう付けフィラーを使用したCHS88ニッケルベースの合金ブレードの亀裂を修復するために、ビーム真空ろう付け方法を使用しました。結果は、NI-CR-B-Siろう付けフィラー金属と比較して、NI-CR-ZRろう付けフィラー金属のZRは拡散が容易ではなく、基質は大幅に腐食しておらず、溶接接合部の靭性が高くなることを示しました。 NI-CR-ZRろう付けフィラー金属の使用は、CHS88ニッケルベースの合金ブレードの亀裂の修復を実現できます。 Ojo et al。 [19]は、Connel718ニッケルベースの合金の拡散ろう付けの関節の微細構造と特性に対するギャップサイズとプロセスパラメーターの効果を研究しました。ギャップサイズが増加すると、Ni3ALベースの金属間化合物やNiが豊富でCrが豊富なホウ素などの硬質および脆性相の出現が、関節強度と靭性の低下の主な理由です。
一時的な液相拡散溶接は等温条件下で固化し、平衡条件下で結晶化に属し、組成と構造の均質化を助長します[20]。 Pouranvari [21]は、Inconel718ニッケルベースの高温合金の過渡液相拡散溶接を研究し、フィラーのCR含有量とマトリックスの分解範囲が等温固化ゾーンの強度に影響する重要な要因であることを発見しました。 Lin et al。 [22]は、GH99ニッケルベースの高温合金関節の微細構造と特性に対する一時的な液相拡散溶接溶接プロセスパラメーターの影響を研究しました。結果は、接続温度の上昇または時間の延長により、降水ゾーンのNiが豊富でCrに富むボリドの数が減少し、降水ゾーンの粒子サイズが小さくなることを示しました。室温と高温引張せん断強度は、保持時間の延長とともに増加しました。現在、一時的な液相拡散溶接は、低ストレス領域の小さな亀裂を修復し、非crownedなブレードの先端損傷を再構築するために成功裏に使用されています[23–24]。過渡液相拡散溶接はさまざまな材料に正常に適用されていますが、小さな亀裂の修復（約250μm）に限定されています。
亀裂幅が0。5mmより大きく、毛細血管作用が亀裂を埋めるには不十分である場合、活性化拡散溶接を使用してブレードの修復を実現できます[24]。 Su et al。 [25]活性化拡散ろう付け方法を使用して、DF4Bろう付け材料を使用してIN738ニッケルベースの高温合金ブレードを修復し、高強度の酸化耐性ろう付けジョイントを取得しました。ジョイントで沈殿した '相は強化効果があり、引張強度は親材料の85％に達します。関節は、Crが豊富なボリドの位置で壊れます。 Hawk et al。 [26]また、活性化拡散溶接を使用して、ルネ108ニッケルベースの高温合金ブレードの広い亀裂を修復しました。高度な材料表面の元の再構築のための新しく開発された方法としての粉末冶金の再製造は、高温合金ブレードの修復に広く使用されています。ブレードの亀裂、アブレーション、摩耗、穴など、大きなギャップ欠陥（5 mmを超える）の3次元のほぼ等方性強度を回復し、再構築できます[27]。カナダの会社であるLiburdiは、LPM（Liburdi Powder Metallurgy）メソッドを開発し、溶接性能が低いALおよびTIの含有量を備えたニッケルベースの合金ブレードを修復しました。プロセスを図4 [28]に示します。近年、この方法に基づく垂直ラミネーションパウダー冶金法は、25 mmの幅のある欠陥の1回限りのろう付け修復を実行できます[29]。
修理 ニッケルベースの高温合金タービンブレードの表面損傷
ニッケルベースの高温合金ブレードの表面に小面積の傷と腐食損傷が発生すると、通常、破損した領域を機械加工によって除去して溝を付け、適切な溶接法を使用して埋めて修理できます。現在の研究は、主にレーザー融解堆積とアルゴンアーク溶接修復に焦点を当てています。
キム等。 [30]米国のデラウェア大学から、高いALおよびTI含有量を備えたRENE80ニッケルベースの合金ブレードでレーザークラッディングと手動溶接修復を実施し、溶接後の熱処理と熱い等等等型プレスを受けた（hip）等等型のプレスを受けた患者との溶接後の熱処理を受けたワークピースを比較しました。 Liu et al。 [31] Huazhong Science of Science of Science and Technologyを使用して、レーザークラッディングテクノロジーを使用して、図5に示すように、718ニッケルベースの合金タービン成分の溝と穴の欠陥を修復し、修復プロセスにおけるレーザー走行速度、および留めたフォームの影響を調査しました。
Argon Arc溶接修理に関しては、Quheng et al。 [32]中国の航空開発Shekenyang Liming Aero Engine（Group）Co.、Ltd。のTungsten Argon Arc溶接法を使用して、DZ125高温合金タービンブレードの先端の摩耗と亀裂の問題を修復しました。 。結果は、従来のコバルトベースの溶接材料で修復した後、熱の影響を受けたゾーンが熱亀裂が生じ、溶接の硬度が低下することを示しています。ただし、新しく開発されたMGS -1ニッケルベースの溶接材料を適切な溶接および熱処理プロセスと組み合わせて使用すると、熱の影響を受けたゾーンで亀裂が発生し、1000度の引張強度が基本材料の90％に達します。 Song Wenqing et al。 [33] K4104高温合金タービンガイドブレードの鋳造欠陥の修復溶接プロセスに関する研究を実施しました。結果は、HGH3113およびHGH3533溶接ワイヤをフィラー金属として使用すると、優れた溶接形成、良好な可塑性、強い亀裂抵抗があることを示しましたが、ZR含有量の増加を伴うK4104溶接ワイヤが溶接され、溶接表面の流動性が十分に溶接されている場合、溶融表面は亀裂と非融合の欠陥が発生します。ブレード修理プロセスでは、充填材の選択が重要な役割を果たすことがわかります。
ニッケルベースのタービンブレードの修復に関する現在の研究では、ニッケルベースの高温合金には、Cr、Mo、Al、P、S、Bなどの微量元素などの固形溶液強化要素が含まれていることが示されています。溶接後、それらは構造的分離と脆性溶岩相の形成を起こしやすい。したがって、ニッケルベースの高温合金の修復に関するその後の研究には、そのような欠陥の構造と機械的特性の調節が必要です。
2チタン合金ファン/コンプレッサーブレード修理方法
操作中、チタン合金ファン/コンプレッサーブレードは、主に遠心力、空力力、および振動負荷にさらされます。使用中、表面損傷の欠陥（亀裂、ブレードチップ摩耗など）、チタン合金ブレードの局所破損欠陥、および大部分のエリア損傷（疲労骨折、大部分の損傷、腐食など）が発生することが多く、ブレードの全体的な置換が必要です。さまざまな欠陥タイプと一般的な修復方法を図6に示します。以下は、これら3種類の欠陥の修復の研究状況を導入します。
2.1チタン合金の修復刃の表面損傷の欠陥
操作中、チタン合金ブレードには、しばしば表面亀裂、小さな領域の傷、刃の摩耗などの欠陥があります。そのような欠陥の修復は、ニッケルベースのタービンブレードの修復と類似しています。機械加工は欠陥のある領域を除去するために使用され、レーザー融解堆積またはアルゴンアーク溶接は充填と修復に使用されます。
レーザー融解堆積の分野では、Zhao Zhuang et al。 [34] Northwestern Polytechnical Universityは、TC17チタン合金鍛造の深さの深さの0。5mm）の深さの小型の表面欠陥（表面直径2 mm、半球欠陥）に関するレーザー修復研究を実施しました。結果は、レーザー堆積ゾーンの柱の結晶が界面からエピタキシャンに成長し、粒界がぼやけたことを示しました。熱に影響を受けたゾーンの元の針型のラスと二次段階が成長し、粗くなりました。鍛造サンプルと比較して、レーザー修復サンプルには、高強度と低可塑性の特性がありました。引張強度は1077.7 MPaから1146.6 MPaに増加し、伸長は17.4％から11.7％に減少しました。 Pan Bo et al。 [35]同軸パウダーフィーシングレーザークラッディングテクノロジーを使用して、ZTC4チタン合金の円形の穴のプレハブ欠陥を何度も修復しました。結果は、親材料から修復領域への微細構造の変化プロセスが、層状相と顆粒相→バスケットウェーブ構造→マルテンサイト→widmanstatten構造であることを示しました。熱心なゾーンの硬度は、修理数の増加とともにわずかに増加しましたが、親素材と被覆層の硬度はあまり変わりませんでした。
結果は、熱処理前の修復ゾーンと熱に影響を受けるゾーンが、位相マトリックスに分布している超微細針のような位相であり、基本材料ゾーンが細かいバスケット構造であることを示しています。熱処理後、各領域の微細構造はLATHのような一次位相 +相変換構造であり、修復領域の一次相の長さは他の領域よりも大幅に大きくなります。修復部品の高サイクル疲労限度は490MPaで、基本材料の疲労境界よりも高くなっています。極端な低下は約7.1％です。手動のアルゴンアーク溶接は、刃の表面亀裂とチップ摩耗を修復するためにも一般的に使用されます。その欠点は、熱入力が大きく、大規模なエリアの修理が大きな熱応力と溶接変形を起こしやすいことです[37]。
現在の研究では、レーザー融解堆積またはアルゴンアーク溶接が修復に使用されるかどうかに関係なく、修復領域は高強度と低可塑性の特性を持ち、刃の疲労性能は修復後に簡単に減少することが示されています。研究の次のステップでは、合金組成を制御し、溶接プロセスパラメーターを調整し、プロセス制御方法を最適化して修復領域の微細構造を調節し、修復領域で強度と可塑性を達成し、優れた疲労性能を確保する必要があります。
2.2チタン合金ブレードの局所的な損傷の修復
チタン合金ローター刃の損傷欠陥の修復と、プロセスの観点からチタン合金3次元固体部分の添加剤製造技術の間に本質的な違いはありません。この修復は、図7に示すように、マトリックスとして損傷した部分を備えた骨折断面および局所表面上の二次堆積添加剤造形のプロセスと見なすことができます。異なる熱源によると、主にレーザー添加物の修復とアーク添加剤の修復に分割されます。近年、ドイツの871コラボレーション研究センターがARC添加剤の修復技術をチタン合金積分ブレードの修復の研究焦点にしており[38]、核化剤およびその他の手段を追加することで修復性能を改善したことは注目に値します[39]。
レーザー添加剤修復の分野では、Gong Xinyong et al。 [40] TC11合金粉末を使用して、TC11チタン合金のレーザー融解沈着堆積修復プロセスを研究しました。修復後、薄壁サンプルの堆積領域と界面リメルティング領域には、典型的なwidmanstatten構造特性があり、マトリックス熱に影響を受けるゾーン構造には、widmanstatten構造からデュアル状態構造に移行されました。堆積領域の引張強度は約1200 MPaで、界面遷移ゾーンとマトリックスのそれよりも高く、可塑性はマトリックスのそれよりもわずかに低かった。引張標本はすべてマトリックス内で壊れていました。最後に、実際のインペラは、ポイントバイポイントの融点堆積方法によって修復され、超速度テスト評価に合格し、インストールアプリケーションを実現しました。 Bian Hongyou et al。 [41] TA15粉末を使用して、TC17チタン合金のレーザー添加剤修復を研究し、微細構造と特性に対する異なるアニーリング熱処理温度（610度、630度および650度）の影響を調査しました。結果は、レーザー堆積によって修復された堆積したTA15/TC17合金の引張強度が1029MPaに達することを示したが、可塑性は比較的低く、4.3％のみで、それぞれ90.2％と61.4％に達する。異なる温度での熱処理後、引張強度と可塑性が大幅に改善されます。アニーリング温度が650度の場合、最高の引張強度は1102MPaで、TC17鍛造の98.4％に達し、骨折後の伸長は13.5％であり、堆積状態と比較して大幅に改善されます。
ARC添加剤修復の分野では、Liu et al。 [42]は、欠落しているTC4チタン合金ブレードのシミュレートされた標本に関する修理研究を実施しました。等軸結晶と柱状結晶の混合粒子形態が堆積層で得られ、最大引張強度は991 MPa、伸長は10％でした。 Zhuo et al。 [43] TC11溶接ワイヤを使用して、TC17チタン合金に関するARC添加剤修復研究を実施し、堆積層と熱影響を受けたゾーンの微細構造進化を分析しました。引張強度は非加熱条件下で1015.9 MPaであり、伸長は14.8％で、包括的なパフォーマンスが良好でした。チェン等。 [44]は、TC11/TC17チタン合金修復標本の微細構造および機械的特性に対する異なるアニーリング温度の影響を研究しました。結果は、アニーリング温度が高いことが、修復された標本の伸長を改善するのに有益であることを示しました。
チタン合金ブレードの局所的な損傷の欠陥を修復するための金属添加剤製造技術の使用に関する研究は、ちょうどその初期段階にあります。修復されたブレードは、堆積層の機械的特性に注意を払う必要があるだけでなく、修復されたブレードの界面での機械的特性の評価も同様に重要です。
大きな面積ダメージブレードの交換と修理を伴う3チタン合金ブレード
コンプレッサーローターの構造を簡素化し、重量を減らすために、最新の航空機エンジンブレードはしばしば積分ブレードディスク構造を採用します。これは、作業ブレードとブレードディスクを積分構造にし、ほぞを排除し、致命的な構造にするワンピース構造です。減量の目的を達成しながら、従来の構造での摩耗や空力の損失、および従来の構造における死亡を避けることもできます。表面損傷の修復とコンプレッサー積分ブレードディスクの局所損傷欠陥は、上記の別々のブレード修復方法に似ています。積分ブレードディスクの破損または欠落した部分を修復するために、その独自の処理方法と利点により、線形摩擦溶接が広く使用されています。そのプロセスを図8 [45]に示します。
Mateo et al。 [46]線形摩擦溶接を使用して、Ti -6246チタン合金の修復をシミュレートしました。結果は、最大3倍に修復された同じ損傷が、熱の影響を受けたゾーンとより細かい溶接粒子構造を持っていることを示しました。引張強度は1048 MPaから1013 MPaに減少し、修理数が増加しました。ただし、引張標本と疲労標本の両方が、溶接領域から離れた基本材料領域で壊れていました。
Ma et al。 [47]は、さまざまな熱処理温度の影響を研究しました（530度+ 4 H空冷、610度+ 4 H空冷、670度+ 4 h空冷）TC17チタンの微細構造および機械的特性に対する微量構造および機械的特性。結果は、熱処理温度が上昇すると、相の再結晶度と位相が大幅に増加することを示しています。引張および衝撃標本の骨折挙動は、脆性骨折から延性骨折に変化しました。 670度の熱処理後、引張標本は基本材料で破壊されました。引張強度は1262MPaでしたが、伸長は基本材料の81.1％に過ぎませんでした。
現在、国内および外国の研究では、線形摩擦溶接修復技術が自己洗浄酸化物の機能を持っていることが示されており、融解によって引き起こされる冶金の欠陥なしに結合表面の酸化物を効果的に除去できることが示されています。同時に、デュアルアロイ/デュアルパフォーマンスの積分ブレードディスクを取得するために不均一な材料の接続を実現することができ、刃の体骨折または異なる材料で作られた積分ブレードディスクの不足している断片の迅速な修復を完了することができます[38]。ただし、関節の大きな残留応力や不均一な材料接続の品質を制御する困難など、線形摩擦溶接技術を使用するために積分ブレードディスクを修復するために解決すべき多くの問題があります。同時に、新しい材料の線形摩擦溶接プロセスには、さらなる調査が必要です。
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