Repair Technologies for Blades of Aero-engine Turbine◎孙护国霍武军/海军航空工程学院青岛分院介绍了涡轮叶片的清洗、无损检测、叶型完整性检测等预处理，以及包括表面损伤修理、 叶顶修复、热静压、喷丸强化及涂层修复等在内的先进修理技术涡轮叶片的工作条件非常恶劣，因此，在性能先进的航空发动机上，涡轮叶片都采用了 性能优异但价格十分昂贵的镍基和钻基高温合金材料以及复杂的制造工艺，例如，定向凝固 叶片和单晶叶片在维修车间采用先进的修理技术对存在缺陷和损伤的叶片进行修复，延长 其使用寿命，减少更换叶片，可获得可观的经济收益为了有效提高航空发动机的工作可靠 性和经济性，涡轮叶片先进的修理技术日益受到发动机用户和修理单位的重视，并获得了广 泛的应用修理前的处理与检测涡轮叶片在实施修理工艺之前进行必要的预处理和检测，以清除其表面的附着杂质；对 叶片损伤形式和损伤程度做出评估，从而确定叶片的可修理度和采用的修理技术手段1. 清洗由于涡轮叶片表面黏附有燃料燃烧后的沉积物以及涂层和(或)基体经过高温氧化腐蚀 后所产生的热蚀层，一般统称为积炭积炭致使涡轮效率下降，热蚀层会降低叶片的机械强 度和叶片表面处理的工艺效果，同时积炭也掩盖了叶片表面的损伤，不便于检测。
因此，叶 片在进行检测和修理前，要清除积炭积炭质地坚硬，黏附力强，因此，清除积炭是一项较困难的工作长期以来，各国的航 空发动机维修基地都在致力研究高效和高可靠性的清洗液和清洗工艺，目前已取得相当的成 果西安航空发动机公司在从英国引进技术的基础上，研制出四种不同成分配方、不同清除 功用的清洗液和分步的清洗工艺，在某型发动机上使用表明清洗效果良好美国则推行无毒 清洗技术，如用碱性清洗液和塑料丸取代氯氟烃溶剂；而一些航空公司已经采用在清理表面 积附时间长、易于用水清洗不留残物的凝胶工艺(SPOPL)SNECMA公司在20世纪80年代开 发了氟化氢(HF)离子清理技术，后来被美国FAA及诸如GE公司等发动机制造商广泛应用， 这种方法特别适用于进行叶片表面处理(如化学气相沉积)前的预先清理，而且不污染环境2. 无损检测在修理前，使用先进的检测仪器对叶片的叶型完整性和内部结构进行检测，以评估磨损、 烧熔、腐蚀、掉块、裂纹、积炭和散热孔堵塞等损伤缺陷情况，从而指导叶片的具体修理工 艺对于涡轮叶片的不同部位，无损检测的侧重点也不相同如导向叶片，主要检查叶根焊 接部位是否有裂纹以及叶身的烧蚀情况而对于工作叶片，叶顶部位，主要检查硫化程度和 磨损状况；叶身部位，检查热障涂层的退化情况和基本的烧蚀、腐蚀情况；叶根部位，承受 着相当大的离心力和高频振动，会因热蠕变、疲劳和材料工艺缺陷产生裂纹，因此要重点检 查。
目视检查是最简单也是最常用的方法，可发现叶片表面较明显和尺寸较大的损伤，淘汰 不具有修理意义的叶片但这种方法具有很大的人为不确定因素，检测误差较大光学显微 检查可发现叶片表面较细微的裂纹，磁粉、涡流等无损检测技术手段也已广泛应用于涡轮叶 的检测中，较为先进的是用超声波和CT检测叶片结构完整性早在20世纪80年代初，美国SONOSCAN公司就已开发激光扫描声显微镜代表的超声检 测技术，用于叶片的实时光成像检测后来，美国NUCON检测设备公司又研制了检测大型发 动机转子及转子叶片完整性和内部裂纹的NIPSCAN系统，此系统由超声波传感器夹具、超声波裂纹探测器和一个计算机系统组成目前，CT已经成为适用于测量涡轮叶片壁厚和内部裂纹的主要方法一台CT机由X辐 射源和专用计算机组成检测时，辐射源以扇形释放光子，通过被检叶片后被探测器采集 其光子量和密度被综合后，产生一幅二维层析X光照片，即物体的截面图，从中分析叶片内 部组织结构，得出裂纹的准确位置及尺度连续拍摄物体的二维扫描，可生成数字化三维扫 描图，用于检测整个叶片的缺陷，还可检测空心叶片冷却通道的情况CT可探测到10-2mm 级的裂纹3. 叶型的精确检测目前，在坐标测量机（CMM）的基础上，编制微机控制自动检测所用的应用软件，发展研 制了检测涡轮叶片的叶身几何形状的坐标测量系统（CMMS），可自动检测叶身的几何形状，并 与标准叶型比较；自动给出偏差检测结果，来判断叶片的可用度和所需采用的修理手段。
不同CMMS制造商所采用的测量方法有所不同，但都有以下共同点：自动化程度高；检 测速度快，通常一个叶片在1分钟内检测完毕；检测结果精度高；软件扩充性好，只要修改 标准叶型数据库就可以适用不同型号的叶片的检测叶片修理技术采用先进的叶片修理技术，修复叶片表面以及内部的缺陷，恢复甚至增强其原有的性能 等，这都将大大降低发动机的寿命周期费用，有效提高其经济性目前国内外在涡轮叶片修 理中所应用的工艺和技术主要有以下几种1. 表面损伤的修理如果经检验，叶片表面的微小裂纹或者由烧蚀、腐蚀所导致的缺陷尺度在允许修理范围 内，则对其进行修补目前先进的修补方法有以下几种一是活化扩散愈合法，这是美国GE公司开发的一种以钎焊为基础的发动机热端部件延 寿手段其原理及工艺特点是借助低熔点焊接合金把高温合金粉末〃注入〃裂纹中，通过液相 烧结使焊接合金同时向高温合金粉末和基体金属中扩散，从而使裂纹得到愈合具体工艺是， 把由叶片基体材料成分相同的高温合金粉末以及钎焊黏结剂、低熔点活化扩散焊接合金（通 常含有铬、铝、钽及钻，并填加2.4%的硼以降低熔点）所组成的裂纹修补材料制成浆料，用 气压式灌注器填入裂纹中在真空或惰性气体中（如氩气），叶片被分段加热至1205°C并保 持30分钟，在液相烧结过程中，焊接合金熔化并使基体合金粉末〃铸造〃成裂纹形状与基体 金属融合。
用这种工艺可修理大约1.30mm宽的裂纹和不大于1.50mm的缺陷活化扩散愈合 法的显微金相检验表明，基体金属与修理后获得的金属都具有均匀的材质并有相近的物理性 质用于修补的混合物的组分、比例很重要，对修补的质量有决定性作用，其配方由维护手 册中给出或由试验所得另外一种方法是激光熔覆，是利用一定功率密度的激光束照射（扫描）覆于裂纹、缺陷处 的合金粉末，使之完全融化，而基材金属表层微熔，冷凝后在基材表面形成一个低稀释度的 包覆层，从而弥合裂纹及缺陷激光熔覆的熔化主要发生在外加的纯金属或合金中，基材表 层微熔的目的是使之与外加金属达到冶金结合，以增强包覆层与基材的结合力，并防止其他 元素与包覆元素相互扩散而改变包覆层的成分和性能激光熔覆所获得的包覆层组织细小， 一般无气孔和空穴2. 叶顶的修复对于叶片受损（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，再磨削到所要求的叶片高度钻基合金抗热腐蚀性能 好，是一种合适的堆焊材料美国GE公司采用Renel4 2合金作为叶尖修复材料，采用堆 焊法之前先将叶片在氮气中加热至高温以避免微裂纹的产生经验表明，Renei4 2合 金结合此工艺修复的叶片具有良好的结构完整性。
除焊修外，低压等离子喷涂McrAlY 涂层，已成功地用于修复叶片的顶部了，涂层厚度为2.03mmJT8D.JT9D发动机叶片上用于密封的篦齿损伤后，也用上述的堆焊修复方法 在磨剩的残根上堆焊，可用等离子电弧焊、电子束焊或达波法惰性气体保护焊等焊接方法当用焊接方法修补叶片时，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束钻孔3. 热静压热静压是将叶片保持在1 0 0 0〜1 2 0 0 °C温度和100〜2 0 0 MPa压力的热 等压条件下，可用于以下目的修复：① 消除焊后存在于金属中的内应力；② 冶金成分退化修复，涡轮叶片在工作过程中会沿晶界出现脆生相，将降低叶片的塑性 和强度，热静压固溶处理可有效恢复叶片结构的退化情况；③ 低循环疲劳的修复；④ 蠕变损坏的修复热静压可恢复叶片原有的强度极限和延伸率，延长蠕变断裂寿命4. 喷丸强化喷丸是以高速弹丸流撞击受喷工件表面，在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工 方法叶片喷丸强化可提高抗疲劳和抗应力腐蚀性能它是利用高速弹丸在撞击叶片时，叶 片表面迅速伸长，从而引起表层材料在一定深度范围内的塑性流动□塑性变形。
变形层的 深度取决于弹丸撞击程度和工件材料的力学性能，通常变形层深度可达0. 12 mm〜0. 7 5 mm改变喷丸参数，也可以得到合适的变层深度当喷丸引起叶片表层材料塑性变形时， 与表层相邻的次表层材料也将由于表层变形而变形但与表层相比较，次表层的变形程度较 小，未达到该材料屈服点而保持弹性变形状态，因此，表层与次表层的这种不均匀塑性变形， 能引起材料受喷后的残余应力场（即应力分布）的改变试验表明，喷丸后表层呈现残余压 缩应力，而在一定深度的次表层则为拉伸应力表层的残余压缩应力可比次表层的拉伸应力 高达数倍这种残余应力分步模式很有利于疲劳强度和抗应力腐蚀性能的提高叶根处的喷丸尤为重要，通过残余压力场，增加表面残余压应力，使表面实际承受的交 变拉应力水平降低，提高抗疲劳性能，避免裂纹的生成5. 涂层修复许多性能先进的航空发动机涡轮叶片已应用涂层技术提高其抗氧化、抗腐蚀、耐磨、耐 高温性能以及涡轮的气动效率，但叶片在使用过程中涂层会不同程度地缺损，因此，在叶片 修理时都要对防护涂层进行修复，一般都要将原涂层剥落，重新涂覆新的涂层另外，原没 有涂层的涡轮叶片，也可以在叶片基体表面涂覆防护涂层，以提高叶片的工作可靠性和使用 寿命。
目前，涡轮叶片所应用的涂层种类主要有抗氧化耐腐蚀涂层、MCrAl Y金属基陶 瓷热障涂层、耐磨涂层□主要用于叶冠和叶根、封严涂层等，所采用的涂层制备工艺主要 有以下几种扩散渗金属法：将某种防腐蚀金属的化学成分在高温下从填充物中释放，转移到部件上 并扩散到里面，形成部件防腐的致密层热喷涂工艺：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧作热源，将金属、合金、金属陶瓷、 氧化物、碳化物等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化、喷射沉积到 工件表面而形成附着牢固的表层的方法物理沉积工艺及化学相沉积工艺：通过金属或化学成分的蒸气相迁移到基体金属表面 此工艺受到工装设备的限制，应用较少结束语由于涡轮叶片工作环境恶劣、合金材料价格贵，其机械状态检测和修理受到航空动力界 更多的重视多年的实践表明，先进的修理技术在航空发动机涡轮叶片的维修中的广泛应用， 在很大程度上有效提高了发动机的航线工作可靠性，降低了全寿命费用当然，采用何种检 测技术及修理工艺，也要充分考虑维修的经济性，因此，工艺复杂的维修技术一般只用于合 金材料昂贵、制造工艺难度大的叶片目前，在我国，航空发动机涡轮叶片的机上孔探检查已广泛使用，但叶片的先进的修理 技术应用不多，这与我国自己制造的发动机叶片材料并不十分昂贵有关。
但随着新型高性能 的发动机研制生产，也将采用先进的涡轮叶片材料和制造工艺，这会使涡轮叶片的造价大幅 增加因此，对于国产航空发动机来说，涡轮叶片精确检测与先进修理技术也有着非常广阔 的应用前景。