李洋
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江哈尔滨 150066
摘要：航空发动机叶片修理检测包含检测前处理、目视、无损、叶型精测、叶尖间隙检测以及后期修复等工作，本文主要研究叶型精测和叶片叶尖间隙检测技术。
关键词：航空发动机；叶尖间隙；检测技术
1.检测前的处理
叶片类零件分为压气转子叶片、压气机整流叶片、涡轮导向器叶片、涡轮工作叶片等。其中涡轮叶片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，建议使用水吹砂法。
2.叶片检验检测
2.1 目视检查
准备好十倍放大镜、手电筒及探针等。叶片注意检查擦伤、划伤、凹坑、裂纹等故障，尤其是进气边、排气边和叶尖等位置，需要重点检查。
2.2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。
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。
2.3 叶型的精确检测
叶型的精确检测可使用接触式测量和非接触式测量
2.3.1 接触式测量
接触式测量一般使用三坐标测量机，是一种高精度的三维空间检测设备，具有检测精度高、检测重复性好、自动化程度高等优点，适合叶片类复杂曲面的精密测量。近年来，随着我国航空工业的发展，三坐标测量机在叶片生产厂家已经较为普及，且开发出专用于叶型检测的测量系统，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。具有：抗干扰能力强；检测结果精度高；前尾缘测量准确的特点。
2.3.2 非接触式测量
非接触式测量是指不接触被测物体的前提下进行精准测量。其测量精度可以达到μm。非接触式测量仪利用CCD采集变焦镜下样品的影像，再配合XYZ轴移动平台及自动变焦镜，运用影像分析原理，通过计算机处理影像信号面对叶型进行精密几何数据的测量。
其中，蓝光检测可实现产品逆向建模，对比标准叶型，清晰叶片变形或磨损量。通过混合式结构光投影光斑处理，轻松应对最困难叶型测量挑战，如超高亮表面、复合碳纤维花纹、等等。
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图 软件对叶型界面分析
2.4 叶片叶尖间隙检测
2.4.1 超声波法
超声波传感器测量法是即时叶尖间隙测量的最佳选择。该方法有很多优点：它适应于金属和非金属叶片；允许非接触测量；能在恶劣环境下工作；安装便捷；它属于数字测量，适用于先进的数字控制系统。超声波传感器能够生成兆赫兹超声波，能在高温条件下工作，包括一个大功率脉冲发生器/接收器和一个高速数据处理系统，因此超声波传感器能够实现即时间隙测量。
超声波传感器的操作原理非常简单，被传感器激励的超声波通过叶尖间隙并在叶尖被反射回来，反射回来的声波被传感器探测到。
2.4.2 激光法
激光光学测量法的特点是：不受转子叶片本身材料的限制，各种转子叶片都可测量，适用于精度高、频响快、高温涡轮叶尖间隙测量；能在恶劣的环境下工作，适用于静态和动态的实时检测；成本低、光纤探头体积较小、易安装等。但由于端面窄小，同时炭黑、油垢、灰尘等污损光学系统和叶尖反射面等原因，光学镜头易污染，导致精度下降，测量寿命缩短；它适宜用于试验机中的测量而不宜于长期运转的实际燃气轮机，宜测叶尖最大间隙值而不宜于单个叶尖间隙值或平均值。因此，激光光学测量法的主要技术工作是设法解决反射光量减小的问题。此外，由于运转时的高温、高压和振动，应对光学系统和仪器采取保护措施，这对防止仪器破坏和测量精度下降颇有意义。
3.叶片修理技术
3.1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。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。
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。
3.2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
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求的叶片高度。
3.3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。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。
3.4 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。
4 结束语
由于叶片工作环境恶劣、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。
参考文献：
[1] 刘晶.叶片数字化检测中的模型配准技术及应用研究[D],博士论文,西北工业大学,2006年
[2] 《航空发动机检验技术手册》编委会，航空发动机检验技术手册，北京：航空工业出版社，2008.7
论文作者:李洋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/25
标签：叶片论文; 测量论文; 裂纹论文; 涡轮论文; 间隙论文; 涂层论文; 表面论文; 《防护工程》2018年第13期论文;