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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。1.1XXXXX33错误！未定义书签。2 XXXX32.1XXXXX33错误！未定义书签。结 束 语错误！未
4、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 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。涡轮叶片涡轮
5、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
6、）。3.1 涡轮的常见故障及概率裂纹 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规律；各种机种的故障率也有差异。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
7、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。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，而且与寿命无关。3.2 叶片榫槽与榫头裂纹叶片第一榫槽裂纹（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
8、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
9、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。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4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
10、， 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
11、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。叶背裂纹叶背裂纹只发生在叶身背部凸面的排气边、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
12、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。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
13、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、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。
