涡轮叶片常见故障维修论文.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流涡轮叶片常见故障维修论文.精品文档.西安航空职业技术学院 毕 业 设 计（论 文）论文题目： 涡轮叶片常见故障维修 所属系部： 航空维修工程系指导老师： 职 称： 高级工程师学生姓名： 班级、学号: 10504621专 业： 航空机电设备维修西安航空职业技术学院制2012年11月20日西安航空职业技术学院 毕业设计（论文）任务书题目：航空发动机涡轮叶片故障分析及修理任务与要求：论述航空发动机涡轮叶片的功用、组成及工作；重点分析涡轮叶片常见故障分析及修理方法时间： 2012 年09月 21 日 至2012 年 11月 19 日 共 8 周所属系

2、部： 航空维修工程系学生姓名： 学 号：10504621专业： 航空机电设备维修专业指导单位或教研室： 航空机电设备维修教研室指导教师： 职 称： 西安航空职业技术学院制2012年 9 月 28 日毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字2012年9月21日至9月23日学生和指导教师联系，明确毕业设计要求2012年9月24日至10月8日1 收集资料，阅读文献2完成毕业设计开题报告2012年10月9日至10月22日学生继续阅读文献，收集毕业论文资料并把收集到的有用资料电子化2012年10月23日至11月5日完成毕业论文初稿2012年11月6日至11月19日1.

3、学生完成毕业论文正式稿2. 提交装订好的毕业设计论文打印稿2012年11月20日后准备毕业答辩教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。 涡轮叶片常见故障维修【摘要】本文主要阐述了航空发动机涡轮叶片的结构、功用、组成及工作特点；其次论述了叶片的检查程序和方法；重点叙述了涡轮叶片常见故障分析及修理方法,如裂纹、表面缺陷，叶身细颈和过热（烧伤）等常见的故障及其产生的原因；最后详细说明了各种故障的修理技术及工艺参数；同时还简要阐述国外先进的修理技术。通过对涡轮叶片各种叶片结构，生产方式，类型以及发展趋势进行故障分析与维护，文章中结合了一些故障检查方法的应用，来进

4、行具体分析与维护。 关键词：航空发动机、涡轮叶片、故障分析、修理技术Abstract This paper mainly expounds the aeroengine turbine blade structure characteristics, Secondly discusses the blade inspection procedures and methods; The description is emphasized on crack, surface defect, leaf area fine neck and superheat degree and common fa

5、ult and its reasons; Finally a detailed description of all kinds of fault repair technology and process parameters, Also this paper briefly describes the foreign advanced repair technology. Through the turbine blade all kinds of blade structure, mode of production, types and development trend for fa

6、ilure analysis and maintenance, the article combines some fault inspection application, to carry out specific analysis and maintenance.Key words： Aircraft engine, turbine blade, fault analysis, repair technology 目录【摘要】11. 航空发动机涡轮叶片的结构特点41.1 叶片的形状和功用41.1.1转子叶片41.1.2静子叶片42. 航空发动机涡轮叶片的的工作特点53. 涡轮叶片的常见故

7、障分析53.1 叶片自身质量产生的离心力63.2 作用在叶片上的弯曲应力63.3 振动应力63.4 热冲击73.5 转子叶片的震动分类与基本振型73.5.1 尾流激振73.5.2 颤振73.5.3 随机振动84. 涡轮叶片失效的诊断技术84.1 叶片的失效模式84.2 叶片的低周疲劳断裂失效94.3 叶片扭转共振疲劳断裂失效94.4 叶片的弯曲振动疲劳断裂失效94.5 转子叶片的高温疲劳与热损伤疲劳断裂失效104.6 转子叶片微动疲劳断裂失效104.7 叶片腐蚀损伤疲劳断裂失效115. 涡轮叶片的检测技术125.1 机上孔探检测125.2 修理车间检测前的预清洗处理125.3 叶片完整性检测1

8、26. 提高涡轮叶片强度的几种措施136.1 合理选材136.1.1 改进工艺136.1.2 表面强化146.1.3 表面防护146.1.4 合理维护和使用147. 涡轮叶片的叶片的故障修理147.1 转子叶片故障修理147.2 导向叶片故障修理167.3 预防性修理187.4 国内外先进的叶片修理技术187.4.1 表面损伤的修理187.4.2 叶顶的修复197.4.3 热静压197.4.4 喷丸强化技术207.4.5 涂层修复20结束语22谢 辞23参考文献241. 航空发动机涡轮叶片的结构特点 1.1 叶片的形状和功用 叶片是压气机或涡轮的气流通道内实现气流功能转换与改变气流方向的重要零

9、件。在压气机中，叶片以环状排列在气流通道内组成叶栅，每圈叶片数目由十几片至百多片不等，随着压气机和涡轮级数的增加，一台燃气涡轮发动机上可能有几千片叶片。制造叶片的工作量约占制造全台发动机总工作量的1/41/3。在这里我们只研究涡轮叶片，涡轮叶片由叶身与叶根（或叫榫头）两部分组成。叶身是叶片在气流通道内带有叶型的部分，叶根（榫头）是叶片安装的部分。叶片包括转子叶片和静子叶片。 1.1.1转子叶片又称动叶，是随同转子高速旋转的叶片，通过叶片的高速旋转实现气流与转子间的功能转换。转子叶片在旋转时承受很大的离心力力、较大的气动力、振动载荷和热冲击。因此转子叶片是直接影响发动机性能、可靠性和寿命的关键零

10、件。转子叶片的设计、材料选择和制造都有十分严格的要求，如叶身须保持准确的气动外形和很光滑的表面，材料内部不允许有缺陷，晶粒不得过大等。转子叶片可以用销钉或燕尾形榫头，枞树型榫头，与轮盘可靠地连接。叶片与轮盘也可以制成一体，形成整体转子，但加工比较困难，材料利用也不合理，只用于小型燃气涡轮发动机上。现代高温涡轮常常采用空冷转子叶片，以提高涡轮的进口温度。 1.1.2静子叶片又称静叶、整流叶片、导向叶片，用以引导气流，改变气流的速度、方向和压力。它们可以两端插入相配合的环内,以焊接或其他方法固定，也可用安装板借螺纹固定。叶片数量很大，可采用精密锻压、无余量精密铸造、轧制和电解加工等方法制造。风扇和

11、压气机叶片一般用铝合金、钛合金或不锈钢制作，涡轮叶片则用各种镍基、钴基和铁基耐热合金制作。随着对航空发动机性能和总寿命的要求，涡轮工作叶片的设计结构也越复杂和严格。到目前有带冠的、中间根、带阻尼台以及气膜冷却式的工作叶片，如图1-1是各种叶片的结构形式。 图11叶片2. 航空发动机涡轮叶片的的工作特点涡轮叶片时直接利用高温高速燃气做功的关键部件，温度高负荷大应力状态复杂工作环境非常恶劣。涡轮叶片在高温燃气的工作条件下，高温氧化和燃气腐蚀则是其主要的表面损伤形式。氧和硫是影响镍基合金高温合金氧化抗力最有害的两种元素。氧化晶界扩散与晶界上的Cr。Al.。和Ti等元素发生化学反应形成氧化物，然后氧化

12、物开裂，使疲劳裂纹萌生与扩展。硫以引起晶界脆化的方式加速疲劳裂纹的萌生与扩展。涡轮转子叶片在工作中一直处于高温工作状态，因此热疲劳和高温蠕变性能也是涡轮转子叶片的重要失效抗力指标。同时，作用在涡轮转子叶片上还有很多力，有叶片自身质量产生的离心力；作用在叶片上的弯曲应力；热冲击；热应力及振动应力。 3. 涡轮叶片的常见故障分析叶片的故障和故障模式随不同的工作环境影响有所不同。常见的故障现象有裂纹，表面缺陷，叶身细颈和过热（烧伤）、强度不足和高低周疲劳损伤，其中以疲劳损伤为多。下面我们对涡轮叶片工作和常见故障分析。涡轮叶片是航空发动机最主要的部件之一，高温1600-1800度长期工作、要承受300

13、米/秒左右的风速、高负荷（根据作用力的大小确定）、结构复杂的典型热端机械构件，它的设计制造性能和可靠性直接关系到整台发动机的性能水平耐久性和寿命。为了提高发动机的推重比，叶片设计时常采用比强度高的新材料；采用先进复杂的冷却结构及工艺；降低工作裕度等措施来实现。因此，研究涡轮叶片失效分析对提高发动机工作安全及正确评估叶片的损伤形式和损伤程度有重要意义。 3.1 叶片自身质量产生的离心力涡轮叶片任一垂直于叶片轴线横截面上的离心拉应力，等于该截面上的离心力沿叶片轴线方向的分量与截面面积之比。常用数值积分法求不同截面上的离心拉伸应力，将叶片分成n段，从叶尖到叶根有0，1，2，n，共n+1个截面，该叶片

14、第i个截面面积为Ai则该截面上的离心拉伸应力为（3-1）叶片分段愈小，计算结果就越精确。离心拉伸应力在叶尖截面处为零。向叶根方向逐渐增大，根部截面的离心拉伸应力最大。 3.2 作用在叶片上的弯曲应力燃气驱动涡轮转子叶片，有很大的横向其体力作用在叶片上，从而产生弯曲应力，还会引起扭转应力。若转子叶片各截面重心的连线不与z轴重合，则叶片旋转时产生的离心力还将引起离心力弯矩。作用在转子叶片某一截面上的总弯矩应等于作用在该截面上的气体力弯矩和离心力弯矩的代数和。对于涡轮叶片转子，不仅工作温度高，而且叶型厚度变化大。在燃气的冲击下，会产生很大的热应力。此外。发动机工作状态的变化，使叶片的温度也随之变化，

15、尤其在启动停车时温度变化更为剧烈。在发动机使用过程中，每启动和停车一次，涡轮叶片上就会出现一次交变的热应力。一般可用下列公式进行简单的计算热应力对涡轮转子叶片强度的影响是不可忽视的。一方面材料的力学性能随温度升高而降低，另一方面叶片上的某些部位总应力将增大，这就使叶片的安全裕度明显下降。为了提高涡轮叶片的安全裕度应采取措施减小热应力，其中包括：1。在满足气动性能的前提下，尽量减小叶片的厚度差，特别是排气边缘不可过薄。有时可将叶片设计成空心的，以使壁厚尽可能均匀。2。采取适当的冷却方法，使叶片的温度下降，温差减小，以降低热应力。3。选用导热性能好的叶片材料，使叶片上的温度分布尽快趋向均匀，以减少

16、热应力。 3.3 振动应力由于气流的扰动等原因会激起叶片振动，使叶片产生交变的弯曲应力和扭转应力。大量失效分析结果表明，涡轮叶片的断裂失效，大多数是由于在离心应力的基础上叠加了振动应力所致。 3.4 热冲击由于燃烧室产生的热气流冲击涡轮，使其高速旋转带动做功，所以涡轮要受到很大的热冲击力，久而久之就会使涡轮产生形变导致多种故障，如裂纹，烧蚀等 3.5 转子叶片的震动分类与基本振型涡轮叶片在实际工作中出现振动，按振动的表现形式分，主要有强迫振动、颤振、旋转失速和随机振动四种；按照叶片振动里的来源分，有强迫振动和自激振动；按作用在叶片上的应力分有振动弯曲应力和扭转应力。对于实际叶片振动分析，主要是

17、自振频率、振型、振动应力和激振力的来源四个因素。在一般清快下，频率越高，振幅越小，危险性也就越小，大幅低频振动最为危险。振型是指叶片以某阶自振频率振动时，叶片各部分的相对振动关系。典型的振型有一弯、二弯、三弯和一扭、二扭等。对于涡轮转子来说，主要是一弯和一扭振型。 3.5.1 尾流激振在发动机环形气流通道中存在障碍物，当叶片转子经过这些障碍物时，叶片所受的气动力将有所改变，会引起激振力。火焰筒出口流场分布是不均匀的，对于涡轮转子会产生类似于均布障碍物的影响也会引起激振力。 3.5.2 颤振颤振属于自激振动，叶片的振型与频率都与尾流激振大致相同，它与强迫振动不同之处在于它不伴有任何带频率的激振力

18、。颤振的频率基本上由叶片本身的几何尺寸和材料性质所决定，因而称为“自激振动”。颤振有亚音速失速、亚音速非失速、超音速失速、超音速非失速及堵塞颤振等。叶片自激振动时必然要从气流中吸取能量，以补偿震动的阻尼场。发生颤振的必要条件是气流攻角大于临界攻角，叶背气流分离引起升力变化，导致颤振。颤振多发生在压气机转子叶片，而涡轮转子叶片很少见到颤振。颤振的危害性很大，可在极短时间内使叶片发生断裂失效，而且往往使一个扇形面内的多个叶片断裂。 3.5.3 随机振动随机振动在各个频率下都有激振力，这些激振力作用在叶片上，会引起叶片普遍的强迫振动，而在某几个频率下引起共振，这几个频率就是叶片的自振频率。随机振动的

19、激振源是强大的噪声，故又将此引起的叶片疲劳成为噪声疲劳，噪声源是叶片对气流的干扰和气流燃烧。噪声越大，激振力越强，叶片受损可能性越大。4. 涡轮叶片失效的诊断技术 4.1 叶片的失效模式分析叶片产生失效的主要原因，归纳起来主要包括：热疲劳在内的低循环疲劳。振动引起的高循环疲劳，高温长时间载荷作用下的蠕变变形和蠕变应力断裂，高温燃气冲刷腐蚀和氧化、以及外物损伤等。转子叶片的失效模式随工作条件的不同而有所不同，主要是外物损伤、变形伸长和断裂三种失效形式。叶片的外物损伤失效主要表现为凹坑、掉块、表层剥落、弯曲变形、裂纹和折断等。其中凹坑、裂纹等损伤往往会成为腐蚀和疲劳断裂的初因。转子叶片变形伸长失效

20、的直接后果是叶身与机匣相磨，降低发动机的使用可靠性。其主要原因有：材料选用不当或热处理工艺不当使叶片的屈服强度偏低；叶片工作温度过高，是叶片强度降低；或者发动机超转，造成离心力过高。叶片变形失效在实际使用中出现的概率较低。判断叶片是否发生变形伸长的主要依据是检查机匣有无磨损的痕迹或检查叶片是否由于使用温度过高而发生蠕变。转子叶片出现断裂失效的概率最高，其危害性也最大，往往是一个叶片折断而打坏其他叶片，乃至使整台发动机无法工作而危及飞行安全。除叶片瞬时过载断裂外，绝大多数是由于各种原因引起的不同类型的疲劳断裂失效。叶片疲劳断裂失效主要是因为离心力叠加弯曲应力引起的疲劳断裂、由振动环境引起的颤振，

21、扭转共振、弯曲振动疲劳断裂以及由环境介质以及接触状态引起的高温疲劳、微动疲劳和腐蚀损伤导致的疲劳断裂。但由于叶片工作环境的复杂性，叶片实际的疲劳断裂往往并非上述某一模式。而是多种情况的叠加。 4.2 叶片的低周疲劳断裂失效转子叶片在实际运行过程中，一般情况下不容易出现低周疲劳断裂失效，但在以下三种情况下，会出现低周疲劳断裂失效：1.叶片危险截面上所受的正常工作应力虽低于材料的屈服强度，但当危险截面附近存在范围较大的严重区域性缺陷。在该区域中的缺陷使附近的较大区域内的盈利超过材料的屈服强度而产生大范围的塑性变形，在此情况下叶片会出现低周疲劳断裂失效。2.由于设计考虑不周是叶片危险截面上局部区域的

22、工作应力接近或超过材料的屈服强度，且危险截面处存在不必要的缺陷，则叶片会提前出现低周疲劳断裂失效。3.当转子叶片出现如颤振、共振、超温等非正常情况，叶片的危险截面上的整体应力水平该于材料的屈服强度，叶片也会出现低周疲劳断裂失效。低周疲劳断裂失效大都与设计因素有关，大多出现在叶片根部附近，典型的叶片低周疲劳断口上一般不存在明显的疲劳弧线。 4.3 叶片扭转共振疲劳断裂失效叶片扭转共振疲劳断裂失效一般为高周疲劳断裂失效。具有如下典型特征： 1).发生在扭转共振节线上的掉角； 2).叶片疲劳断口上存在的疲劳弧线清晰可见，但疲劳线条非常细密。 3).断裂一般始于叶背，向叶盆扩散，疲劳区占据大部分断裂面

23、面积。 4).叶片的断裂均起源于电腐蚀坑或外物打伤处。叶片扭转共振疲劳断裂有两个重要因素，一是出现扭转共振，而是叶片表面普遍存在的点腐蚀或遭受到外物打击。 4.4 叶片的弯曲振动疲劳断裂失效弯曲振动疲劳断裂失效也是叶片常见的断裂失效，且通常为高频失效，其断裂循环周次（N），对于涡轮叶片一般N在105106之间。叶片的疲劳断裂位置与弯曲振动振型密切相关。在弯曲振动引起的疲劳断裂失效中，一弯振型最为常见，且危害性大。这是因为一弯振动出现在叶片根部，振动应力值最高，离心力也大。当叶片出现一阶弯曲共振时，由于弯曲振动应力的作用，叶片有可能出现断裂疲劳失效。为防止叶片在叶身处出现疲劳断裂失效的最有效方法

24、就是避免叶片出现一弯共振，即控制叶片的静频，同时可以考虑增加叶片的振动阻尼，有效地抑制叶片的震动。另外，可以从控制冶金材质、表面、加工工艺等方面采取措施，以提高叶片的疲劳抗力。 4.5 转子叶片的高温疲劳与热损伤疲劳断裂失效涡轮转子叶片是在高温环境下工作，承受温度交变和应力交变作用，因而有可能出现蠕变损伤和疲劳损伤。工程上将因蠕变与疲劳发生作用而导致的断裂失效称为高温疲劳断裂失效。转子叶片出现断裂失效必须同时具备以下三个条件时，才可以判断为高温疲劳断裂失效：（1）叶片疲劳断口的源区呈沿晶断裂特征；（2）叶片断裂处的温度超过材料的临界蠕变温度；（3）叶片疲劳断裂处只承受呈方波形状的离心拉伸应力，

25、其手里水平超过临界值，即超过材料在该温度下的蠕变极限或疲劳极限。一般情况下转子叶片很少出现高温疲劳断裂失效。但涡轮转子在实际应用中因热损伤出现的疲劳断裂失效则较为常见。发动机在使用过程中，由于非正常工况（如喘振、进气道畸变、燃油调节不良、喷油雾化不良及操作失误等）引起短时间超温而使零件受过热或过烧损伤的现象称为过热损伤。遭受热损伤的转子叶片易发生疲劳断裂。由热损伤引起的疲劳断裂基本特征如下：（1）叶片断裂部位通常在叶片的最高温度区内，断面垂直于叶片轴线；（2）断裂起始于叶片进气边边缘，源区断面呈深黑色，氧化严重，扩展区断面较平坦，颜色明显不如源区深，有疲劳弧线，瞬断区转子叶片出现热损伤疲劳断裂

26、失效的原因是发动机在超过规定温度的情况下运转造成的，根据其严重程度可以分为过热超温和过烧超温。还可以根据时间长短分为短期超温和长期超温。短期朝闻是指时间在几秒钟到几分钟之内，其产生原因主要是发动机喘振，进气道畸变或操作失误等情况；长期超温时间一般在几十分钟以上，主要产生原因是由于发动机温度裕度不足，燃油雾化不良或燃油调节器故障等。 4.6 转子叶片微动疲劳断裂失效当两个零件的接触表面之间存在法向压力并做小幅值的相对滑动时，由于机械和化学的联合作用，会产生包括微动疲劳、微动磨损、微动腐蚀在内的微动损伤。微动疲劳产生微裂纹、微动磨损改变尺寸而丧失正常的配合关系，以及微动腐蚀引起的表面腐蚀损伤等都会

27、大大降低零件的疲劳抗力。同时微动损伤部位在两零件的表面接触处，不分解很难进行有效的监控和检测。在微动过程中对微动损伤起作用的主要参数有：1.匹配零件两接触面之间的相对滑动幅值与频率；2.两接触面间应力大小、方向及其变化；3.匹配零件的材料及接触表面的状态；4.两接触面间的温度及环境。这些参量的相互作用及影响不同，微动损伤的表现形式也不同，其中以微动疲劳损伤对构件的疲劳寿命影响最大。由微动损伤引起的疲劳断裂失效有如下两种情况：1.戴冠叶片的叶冠微动磨损引起叶冠之间的间隙增大，使叶片所受的振动应力、扭转应力也相应的增大，当其综合应力超过允许值时，就会在叶片的危险截面处出现疲劳断裂。2.转子叶片与轮

28、盘的榫头连接处，结合面之间往往存在微小的相对滑动，极易出现微动磨损伤面导致疲劳断裂失效。由于航空发动机转子叶片与轮盘在工作过程中存在着温度滞还，叶片和轮盘连接处不能采用过盈固装的办法来减小与防治微动，因此在其连接接触面之间存在相对滑动是必然的。在这种情况下，为了防止或减小二者之间的微动损伤，一般可采取以下措施：1.合理选材，尽量使叶片与轮盘材料的线膨胀系数相接近，或选用膨胀系数低的材料；2.在微动表面造成残余压应力，如采用喷丸，冷滚压等措施；3.在微动接触面上镀银或涂以干膜润滑等；4.根据材料的线膨胀系数，正确控制装配间隙。 4.7 叶片腐蚀损伤疲劳断裂失效涡轮转子叶片在环境中，往往易遭受化学

29、或电化学腐蚀损伤，其主要损伤形式有点腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、剥蚀和高温腐蚀等。如果转子叶片表面遭受上述形式的腐蚀损伤正好处在叶片的最大应力部位，则疲劳裂纹往往会在这些损伤处萌生，从而大大降低叶片材料的疲劳强度。涡轮叶片的高温腐蚀损伤主要有高温氧化、热腐蚀、碳化和烧蚀等。5. 涡轮叶片的检测技术涡轮叶片常见的检测技术有机上孔探检测、修理车间检测前的预清洗、叶片完整性检测以及无损探伤。 5.1 机上孔探检测涡轮叶片的机上孔探检查，就是利用发动机涡轮机匣壳体上的探视孔，使用孔探仪，对涡轮叶片进行可视检查。这种技术不必分解发动机，在飞机上就可以进行，简单快捷。孔探检查可以有效发现涡轮叶片的烧熔、腐蚀

30、、掉块、裂纹、积炭和冷却孔堵塞等损伤缺陷情况，从而有助于了解、掌握涡轮乃至整台发动机的技术状态和健康状况，完全彻底的检查出涡轮叶片部位的危及飞行安全的故障隐患、保证发动机正常可靠运转。 5.2 修理车间检测前的预清洗处理涡轮叶片表面粘附有燃料燃烧后的沉积物以及涂层和经高温氧化腐蚀后产生的热蚀层，一般通称为积炭。由于积炭增加了叶片的厚度，改变了叶间原有的燃气通道，致使涡轮效率下降；另一方面，热蚀层会降低叶片的机械强度；同时积炭叶也掩盖了叶片表面的损伤，不便于检测。因此叶片在进行监测和修理前，要进行除积炭清洗。 5.3 叶片完整性检测以前，通常用角规、卡尺等“硬”测量仪检测航空发动机涡轮叶片的叶身

31、尺寸，虽然技术简单易行，但存在易检测者人为因素的影响，检测精度低，检测效率等缺点。后来，在坐标测量机的基础上，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，自动检测叶身的几何形状，并于标准叶型进行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。尽管各种制造商的坐标测量机所采用的具体技术有所差别，但都有以下共同特点：自动化程度高；检测速度快，通常一个叶片在1min内检测完毕；检测结果精度高；软件可扩充性好，只要改变标准叶型数据库就可以适合不同型号的叶片检测。 6. 提高涡轮叶片强度的几种措施在涡轮叶片材质一定，即叶片固有疲劳强度一定的情

32、况下，叶片的抗疲劳性能首先决定于其表面状态，因为材料表面层的晶格缺陷数目、组织以及化学成分的不均匀性远高于叶片的中心，因此，在涡轮叶片表面形成一个高承载能力的表面层对提高涡轮叶片的疲劳强度有重要意义。 6.1 合理选材 叶片疲劳强度是由材料的成分及其内部组织状态所决定的，不同的材料具有不同的固有疲劳强度。在选择锻、铸造叶片的材料时，应选用纯度高、缺陷小、晶粒均匀、晶粒度适当的高疲劳强度材料，确保涡轮叶片的固有疲劳强度。 6.1.1 改进工艺工艺因素对涡轮叶片疲劳强度的影响远大于尺寸因素的影响。先进、合理的工艺流程可以使叶片的疲劳性能稳定、并提高叶片的承载能力。1.锻、铸造工艺为了提高叶片的锻、

33、铸造质量，因此在锻、铸造过程中要注意以下工作参数的选择：（1）浇注温度的选区应以使型壳得到良好的填充和保证铸件获得最少的疏松为原则（2）型壳温度的选择应与浇注温度相配合（3）冷却速度。影响叶片蠕变性能的主要因素是铸造条件下的叶片冷却速度。对于高温的涡轮叶片，应选取高的冷却速度，以改善涡轮叶片的高温性能。2.机械加工工艺:（1）涡轮叶片的疲劳强度同时取决于机械加工和残余应力的大小，以及叶片的结构复杂性。因此，在机械加工过程中，主要从以下几个方面改进提高叶片表面光洁度，尽量皮面擦伤和划痕；（2）使叶片的加工方向与最大主应力方向一致；（3）在制造过程中，应避免在叶片表面层产生有害的拉伸残余应力。（4

34、）采取时效处理。（5）尽可能将叶片按设计流线型加工，确保叶片表面成流线型状态，减小应力集中。 6.1.2 表面强化表面强化是提高涡轮叶片疲劳强度的有效方法之一，目前涡轮叶片常用的表面强化的主要措施有：化学热处理，表面淬火，喷丸处理和表面滚压。这些强化表面层的工艺措施可以提高涡轮叶片的表面硬度，从而减少涡轮叶片的表面损伤，而最主要的还是在涡轮叶片表面形成一层具有压缩残余应力的表面层。涡轮叶片的疲劳损坏是由其表面层所受的拉应力所引起的，表面层的残余压应力可以抵消一部分拉应力，从而使涡轮叶片的疲劳强度得到提高。 6.1.3 表面防护涡轮叶片疲劳破坏一般都是从表面开始，而表面与高温燃气环境接触，这对疲

35、劳强度影响很大。因此，采用合适的表面防护方法，使叶片表面与高温燃气环境隔离可以提高叶片的耐高温疲劳强度。目前涡轮叶片表面防护的主要措施是各种高温涂层。这些高温涂层主要包括扩散涂层、改性铝化物涂层、包覆涂层和热障涂层。 6.1.4 合理维护和使用合理的维护和使用对提高涡轮叶片的疲劳强度也有重要意义。在外场维护的过程中，要严格按照维护手册和飞行条例操作。加强叶片的检测和维护，尽量减小叶片振动和避免出现叶片的共振，防止在叶片内部出现大的交变应力，防止叶片因腐蚀及打伤而加速叶片的振动疲劳。7. 涡轮叶片的叶片的故障修理 7.1 转子叶片故障修理为了使叶片能在1500以上的高温工作，叶片表面需要涂层。两

36、级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成Al吸附并沉积到叶片的表面上形成涂层。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涂层PWA545（钴铝混合物）。发动机经常由于第一级叶片叶尖的烧蚀使EGT(发动机排气温度)裕度达不到要求，因而用更耐腐蚀、更耐磨的立方氮化硼(CBN)来代替现有的耐磨剂，对叶尖进行喷涂。这用到叫TURBOTIP的技术，一种类似真空钎焊的方法。当叶片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，放在1000倍的显微镜

37、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，用超声波设备检验壁厚。如果发现叶片需做进一步维修，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

38、洗干净。当发动机有压气机破坏时，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58013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，共进行三次的浸泡，约4h。然后除脂、超声波清洗并用热显像判断涂层是否完全除去。在叶身表面吹砂后，用化学气

39、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，继续喷上耐磨材料，或用TURBOTIP的修理技术，在顶部加上立方氮化硼(CBN)物质。最后要在气动平台上测量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回复正常，否则就需用EDM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。与叶尖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

40、。叶片前缘烧蚀或裂纹大于2.54mm，另外其厚度在测量位置小于要求也不允许。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，即先堆焊上台适的材料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，低压等离子喷涂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

41、束钻孔。叶身上有的裂纹只要没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，放叶片在研磨石中研磨，使涂层主要的面应达到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；最后进行气流测试，检验是否达到要求。第二级叶片与第一级不同的是：第二级的根部多了一个挡片，需经常更换。而且第二级叶片的涂层受到破坏比较少，这与它的周围环境有关。如叶片已断裂或裂纹太大，以及过烧使叶片组织完全损坏，则直接换件不予修

42、理。 7.2 导向叶片故障修理发动机的最高温度位于高压涡轮第一级导向叶片的前面，所以导向叶片很容易受破坏。在检验导向叶片时，通常根据它的使用时间、工作状况来决定它适用于哪一级别的维修，当然这还需要通过一系列的检验来辅助判断。通常，如果一个静止叶片表面较好的话，可通过热显像来判断涂层存在的状况。即先用较小的压力沿发动机气流方向在叶面上吹砂，使表面干净，然后把叶片放入58013的炉中保留1h，冷却后在空气中观察。显金黄色表明附加涂层存在，呈褐色表明扩散涂层存在，而蓝色则表明只有底层金属了。如果涂层剥落面积小于3.226mm，而且表面没有腐蚀，可用钴铝混合物来进行局部修补。检验涂层后，在气动平台上再

43、通过气动流量测试检验其各个通道气流是否符合规定要求，不合格时需进行大修。检修时，首先要去除表面的陶瓷涂层，这可以用铝氧干吹砂的方法(沿着发动机气流的方向，用0.420.55MPa的压力、102mm的距离去除这个涂层)。此外，用超高压水(压力为379.2MPa)是一种更强的去除陶瓷涂层的方法。去除陶瓷涂层后，接着用化学方法去除底涂层(扩散涂层)，主要用盐酸(6071)多次浸泡，并通过上面提及的热显像来判断涂层是否全部移去。这种去除底涂层的方法会使叶片的厚度变薄，所以不能多次使用。去除涂层后，如果发现表面裂纹的宽度大于0.51mm，或者热腐蚀、磨损深度大于0.76mm，须用氩弧焊方法修理；如果小于

44、这些数值则用真空钎焊来修补。在准备做钎焊之前，需先对导向叶片做壁厚测量(超声波测量)以确定是否能继续维修，并彻底将导向叶片清洗干净。清洗的方法通常有HF氟化氢脉冲清洗(去除氧化物)或H2清洗(去除氧化物)；此外，还可采用真空清洗(去除不连续的氧化物)，在真空炉中最高温度达llO0左右。可以用样品控制零件是否清洗干净，采用的方法是将样品同零件一起清洗，而后送到实验室做显微检查，以确认清洗是否合格。这种清洗有别于一般的化学浸泡清洗、超声波清洗和强力循环冲洗(只是去除叶片内部的颗粒)。零件清洗干净后，接着进行钎焊。填充材料由3种原料混合而成，40Co-246(PWA11851)，60Co-222(P

45、WA11852)，另加10凝固剂。填料不允许流进叶片的内腔，叶片的后缘要用石英针和介质堵住以阻止合金流入。在真空炉中进行扩散热处理后，用化学溶液浸出石英针，打磨掉多余的填料，用EDM打开堵住的底孔，并进行超声波清洗。接着在低真空状况下喷涂上多重等离子底涂层LVPS(Low Pressure Vacuum Plasma Spray Coating)，粉末类型为AMDRY386。在107914温度的真空炉中保留1h，让涂层充分扩散到叶片机体中。研磨成形后，接着喷上等离子陶瓷涂层APS(Air Plasma Spray Coating)，粉末类型为AL1075(92ZrO28Y2O3)。当然喷涂过程

46、也要通过样块来控制(测其金相硬度是否达到规定要求)。研磨表面使叶身达到粗糙度Ra2.5m，其他面达到粗糙度Ra3.25m (在350kg研磨石、6kg研磨膏、2kg研磨粉、2L水的研磨机中研磨)。清洗干净后进行激光钻孔(冷却孔)，再用超声波清洗并去除冷却孔的毛边，最后在气动平台上检查气流是否符合要求，整个修理过程即告结束。第一级导向叶片还涉及到上下冷却挡板和内部冷却导流管的维修，它们都采用激光焊接的方法焊接上去，可在研磨石中研磨抛光后继续使用，每次去除涂层前都要先拆下并打磨它们，其他修理工作完毕后才焊上它们。由于第二级的导向叶片是双叶组，有分解与装配的问题，如果其中一个叶片需报废，只能换上另外

47、一个新件，这主要因为其他旧件与底座的铆钉孔一般不能相配。第二级导向叶片有蜂窝状的封严，它的更换也采用真空钎焊的方法。如叶片已断裂或裂纹太大，以及过烧使叶片组织完全损坏，则直接换件不予修理。 7.3 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的产生，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。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微小的空洞。这是金属材料在高温下受交变应力而使结晶粒分离的初期过程，是金属老化现象。为使老化的材料恢复原有的性能，可采用在高温下将流体静压力加给材料的热等静压