高壓渦輪導(dǎo)管再制造技術(shù)研究

摘? ? 要：為研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)管再制造技術(shù)，在對(duì)渦輪導(dǎo)管易磨損部位噴涂碳化鎢涂層、鎳鉻鐵鉬涂層后，通過(guò)宏觀形貌觀察、微觀形貌分析、表面硬度測(cè)試、彎曲性能測(cè)試及結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)比了再制造后的幾何參數(shù)，開展了長(zhǎng)試試車考核驗(yàn)證。研究得出，在對(duì)高壓渦輪導(dǎo)管采用噴涂碳化鎢、鎳鉻鐵鉬涂層修復(fù)再制造試驗(yàn)中，所選加工參數(shù)合理，噴涂、加工工藝科學(xué)可行，具有較好的實(shí)踐價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高壓渦輪導(dǎo)管;再制造技術(shù);鎳鉻鐵鉬涂層;碳化鎢涂層;長(zhǎng)試試車

中圖分類號(hào)：V263.2? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-7394（2020）04-0086-09

高壓渦輪導(dǎo)管是高壓渦輪轉(zhuǎn)子的重要組件，它的前端與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子接觸，后端與高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡組件配合。航空發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)工作1 000小時(shí)后就進(jìn)入大修階段。在大修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，高壓渦輪導(dǎo)管前端接觸面和后端配合面的磨損都較為嚴(yán)重，高壓渦輪導(dǎo)管與高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡組件的縫隙變大，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量隨之惡化[1]，影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和工作效率[2-4]。因此，亟需開展高壓渦輪導(dǎo)管再制造技術(shù)的研究。

張偉等認(rèn)為，熱噴涂技術(shù)是零件損傷恢復(fù)、性能提升的重要技術(shù)手段，并介紹了其在多個(gè)領(lǐng)域零件再制造中的應(yīng)用實(shí)例[5]。喬新義等采用熱噴涂技術(shù)在零件表面噴涂恢復(fù)涂層，對(duì)零件進(jìn)行再制造，并詳細(xì)介紹了零件熱噴涂、加工等再制造過(guò)程[6]。李博等對(duì)碳化鎢涂層的磨削技術(shù)及質(zhì)量控制進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)人員、材料、設(shè)備、維護(hù)、加工參數(shù)的控制，得到較好的產(chǎn)品質(zhì)量;對(duì)在鈦合金表面噴涂碳化鎢涂層工藝進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)粉末、噴涂參數(shù)、保護(hù)工裝等的控制，得到較優(yōu)質(zhì)量[7-8]。

在參考上述研究思路及方法的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)高壓渦輪導(dǎo)管前端涂層脫落超差問(wèn)題，開展了高壓渦輪導(dǎo)管前端涂層再制造技術(shù)研究;針對(duì)高壓渦輪導(dǎo)管后端尺寸磨損超差問(wèn)題，開展了高壓渦輪導(dǎo)管后端尺寸修復(fù)再制造技術(shù)研究。

1? ? 高壓渦輪導(dǎo)管再制造總體方案制定

1.1? 高壓渦輪導(dǎo)管前端再制造總體方案

高壓渦輪導(dǎo)管前端涂有碳化鎢涂層，與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子接觸，起到耐磨損的作用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，碳化鎢涂層存在脫落情況，需要對(duì)渦輪導(dǎo)管前端的碳化鎢涂層進(jìn)行維修。首先需要對(duì)導(dǎo)管前端殘留的碳化鎢涂層進(jìn)行清除，然后采用等離子熱噴涂方法噴涂碳化鎢涂層，最后采用磨削加工的方法對(duì)碳化鎢涂層進(jìn)行磨削，保證高壓渦輪導(dǎo)管前端碳化鎢涂層尺寸滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。

主要工藝路線為：集件→高壓渦輪導(dǎo)管前端碳化鎢涂層去除→等離子噴涂碳化鎢涂層→碳化鎢涂層磨削。

1.2? 高壓渦輪導(dǎo)管后端再制造總體方案

高壓渦輪導(dǎo)管后端與高壓渦輪轉(zhuǎn)子配合。航空發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，渦輪導(dǎo)管后端與高壓渦輪轉(zhuǎn)子配合面磨損嚴(yán)重，需要對(duì)其后端配合面進(jìn)行維修。首先將高壓渦輪導(dǎo)管與高壓渦輪轉(zhuǎn)子配合面處理光滑，然后采用等離子熱噴涂方法在渦輪導(dǎo)管后端配合面噴涂鎳鉻鐵鉬材料，最后采用精車削的方法對(duì)鎳鉻鐵鉬涂層進(jìn)行車削，保證高壓渦輪導(dǎo)管配合面尺寸滿足與高壓渦輪轉(zhuǎn)子配合的要求。

主要工藝路線為：集件→高壓渦輪導(dǎo)管后端配合面光滑處理→等離子噴涂鎳鉻鐵鉬涂層→鎳鉻鐵鉬涂層車削。

2? ? 高壓渦輪導(dǎo)管再制造可行性分析

2.1? 高壓渦輪導(dǎo)管前端再制造可行性分析

高壓渦輪導(dǎo)管前端基體材質(zhì)為TC4鈦合金材料，為確定等離子熱噴涂碳化鎢涂層噴涂工藝的穩(wěn)定性，按照表1參數(shù)在試片上進(jìn)行等離子熱噴涂試驗(yàn)。然后，進(jìn)行噴涂涂層宏觀形貌觀察、微觀形貌分析、表面硬度測(cè)試、表面結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，進(jìn)而驗(yàn)證并選取合適的高壓渦輪導(dǎo)管前端等離子熱噴涂參數(shù)。

2.1.1 碳化鎢涂層宏觀形貌觀察

對(duì)涂層試樣進(jìn)行表面肉眼觀察表明，噴涂試片涂層外觀呈均勻的淺灰色，無(wú)過(guò)燒變色，表面沒有裂紋，沒有翹起、剝落等現(xiàn)象，符合企標(biāo)的要求。

2.1.2 碳化鎢涂層微觀形貌分析

對(duì)碳化鎢涂層進(jìn)行金相分析（見圖1）。從圖1可以看出，噴涂的碳化鎢涂層組織質(zhì)地比較致密、氧化物分布均勻、涂層污染少、結(jié)合良好，孔洞小，符合企標(biāo)要求。

2.1.3碳化鎢涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)按照表1工藝參數(shù)噴涂的碳化鎢涂層做拉力試樣，重復(fù)進(jìn)行4組，每組3個(gè)試樣。然后按照企標(biāo)對(duì)試樣進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，所得拉伸結(jié)合強(qiáng)度結(jié)果見表2。由表2可見，在鈦合金表面噴涂的碳化鎢涂層試樣，測(cè)試結(jié)果都符合拉伸結(jié)合強(qiáng)度≥7.9 MPa的技術(shù)要求。

2.1.4碳化鎢涂層表面硬度測(cè)試

對(duì)按照表1工藝參數(shù)噴涂的碳化鎢涂層做表面硬度試樣，重復(fù)進(jìn)行4組，每組3個(gè)試樣。按企標(biāo)對(duì)試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，所得涂層表面硬度測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可見，涂層的表面硬度值HR15N≥83，符合涂層表面硬度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，對(duì)高壓渦輪導(dǎo)管前端基體材料TC4鈦合金試片進(jìn)行等離子熱噴涂碳化鎢涂層后，通過(guò)對(duì)噴涂涂層宏觀形貌觀察、微觀形貌分析、表面硬度測(cè)試、表面結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，表明碳化鎢涂層等離子熱噴涂工藝合理。

2.2? 高壓渦輪導(dǎo)管后端再制造可行性分析

高壓渦輪導(dǎo)管后端基體材質(zhì)為TC4鈦合金材料，為確定等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層噴涂工藝的穩(wěn)定性，按照表4參數(shù)在試片上進(jìn)行等離子熱噴涂試驗(yàn)，然后進(jìn)行噴涂涂層宏觀形貌觀察、微觀形貌分析、彎曲性能測(cè)試及拉伸結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試等工藝試驗(yàn)，進(jìn)而確定高壓渦輪導(dǎo)管后端等離子熱噴涂參數(shù)。

2.2.1 鎳鉻鐵鉬涂層宏觀形貌觀察

噴涂涂層宏觀形貌觀察試驗(yàn)分4組，每組3個(gè)試樣，其宏觀表面形貌見圖2。由圖2可見，4組試片涂層外觀呈均勻的灰色，表面平整，涂層與基體之間無(wú)裂紋或翹起，涂層無(wú)剝落、掉塊等現(xiàn)象，符合企標(biāo)要求。

2.2.2鎳鉻鐵鉬涂層微觀形貌分析

對(duì)鎳鉻鐵鉬涂層進(jìn)行金相分析（見圖3）。從圖3可以看出，涂層無(wú)裂紋，氧化物分布均勻，符合企標(biāo)要求。

2.2.3鎳鉻鐵鉬涂層彎曲性能測(cè)試

對(duì)按照表4工藝參數(shù)噴涂的鎳鉻鐵鉬涂層做拉力試樣，重復(fù)進(jìn)行4組，每組3個(gè)試樣。將試樣彎曲到將近[90°]時(shí)，4組涂層試樣的鈦合金基體均發(fā)生斷裂，但涂層無(wú)剝落、無(wú)裂紋。（見圖4）彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，由于鈦合金較脆，因此以其為基體的鎳鉻鐵鉬涂層試樣不能像變形高溫合金一樣彎曲[180°]。企標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中沒有涂層彎曲性能測(cè)試要求，因此可不對(duì)鈦合金基體材料表面鎳鉻鐵鉬涂層的高強(qiáng)度彎曲性能作強(qiáng)制要求。

2.2.4 鎳鉻鐵鉬涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)按照表4工藝參數(shù)噴涂的鎳鉻鐵鉬涂層做拉力試樣，重復(fù)進(jìn)行4組，每組3個(gè)試樣。然后，按照企標(biāo)對(duì)試樣進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，所得拉伸結(jié)合強(qiáng)度結(jié)果見表5。由表5可見，除第2組標(biāo)星號(hào)的值較小外（31.11 MPa），其余3組的測(cè)試結(jié)果都符合拉伸結(jié)合強(qiáng)度≥48.2 MPa的技術(shù)要求。

圖5為4組試樣的拉伸結(jié)合強(qiáng)度斷口表面形貌圖?？梢钥闯?，第2組有1個(gè)試樣（右下試樣）在涂層/FM1000膠界面發(fā)生開裂和斷裂，且膠表面變色，說(shuō)明該試樣存在粘接質(zhì)量問(wèn)題。因而，導(dǎo)致表5中對(duì)應(yīng)的測(cè)試值（標(biāo)星號(hào)的值）出現(xiàn)很大偏差，該試樣拉伸強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果無(wú)效。

綜上，對(duì)高壓渦輪導(dǎo)管后端基體材料TC4鈦合金試片進(jìn)行等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層后，對(duì)噴涂涂層進(jìn)行了宏觀形貌觀察、微觀形貌分析、表面硬度測(cè)試和表面結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，所有測(cè)試結(jié)果均符合企標(biāo)要求，表明碳化鎢涂層等離子熱噴涂工藝合理。

3? ?高壓渦輪導(dǎo)管再制造工藝方法研究

3.1? 導(dǎo)管前端再制造工藝方法

3.1.1 裝夾基準(zhǔn)、磨削刀具及加工參數(shù)的選擇

對(duì)高壓渦輪導(dǎo)管前端噴涂碳化鎢涂層后進(jìn)行磨削。將高壓渦輪導(dǎo)管前端放入涂層磨削夾具中，兩端分別用頂針頂緊，找正A面圓周對(duì)點(diǎn)跳動(dòng)?0.02 mm，B面圓周對(duì)點(diǎn)跳動(dòng)?0.04 mm，如圖6所示，然后進(jìn)行磨削。由于高壓渦輪導(dǎo)管前端碳化鎢涂層硬度值比較高，因此選擇金剛砂材料的砂輪進(jìn)行磨削，并且需要不斷對(duì)砂輪表面進(jìn)行清理。由于碳化鎢涂層脆性較高，因此切削深度要求?0.005 mm。

3.1.2 高壓渦輪導(dǎo)管前端再制造技術(shù)測(cè)量參數(shù)的確定

（1）涂層基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)量。選取5臺(tái)次前端碳化鎢涂層脫落超差的高壓渦輪導(dǎo)管，對(duì)其進(jìn)行噴涂碳化鎢涂層修復(fù)。然后，對(duì)渦輪導(dǎo)管前端碳化鎢涂層質(zhì)量、導(dǎo)管前端跳動(dòng)量、導(dǎo)管前端尺寸進(jìn)行對(duì)比分析，如表6所示。其結(jié)果表明，渦輪導(dǎo)管經(jīng)過(guò)噴涂碳化鎢涂層修復(fù)再制造后，渦輪導(dǎo)管前端尺寸、渦輪導(dǎo)管前端跳動(dòng)均符合設(shè)計(jì)要求，碳化鎢涂層質(zhì)量完好，并且較修理前有改善。

（2）涂層形位公差測(cè)量。對(duì)所選5臺(tái)次高壓渦輪導(dǎo)管前端碳化鎢涂層磨削后表面的粗糙度，導(dǎo)管前端相對(duì)于A、B面的同心度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表7所示。 通過(guò)表7可知，經(jīng)過(guò)噴涂碳化鎢涂層修復(fù)再制造的高壓渦輪導(dǎo)管，其前端碳化鎢涂層粗糙度，導(dǎo)管前端相對(duì)于A、B面的同心度均符合設(shè)計(jì)要求。

3.2? 導(dǎo)管后端再制造工藝方法

3.2.1 裝夾基準(zhǔn)、車削刀具及加工參數(shù)的選擇

在對(duì)導(dǎo)管后端噴涂鎳鉻鐵鉬涂層前、后進(jìn)行車削時(shí)，要將高壓渦輪導(dǎo)管放入導(dǎo)管后端車削夾具中，找正A面圓周對(duì)點(diǎn)跳動(dòng)?0.02 mm，B面圓周對(duì)點(diǎn)跳動(dòng)?0.04 mm，如圖7所示。由于導(dǎo)管后端鎳鉻鐵鉬涂層硬度值比較高，因此選擇YD15材料的刀具進(jìn)行車削。鑒于導(dǎo)管后端鎳鉻鐵鉬涂層脆性較高，切削深度要求?0.01 mm。

3.2.2 高壓渦輪導(dǎo)管后端再制造技術(shù)測(cè)量參數(shù)的確定

（1）涂層基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)量。選取5臺(tái)次后端需要進(jìn)行噴涂鎳鉻鐵鉬修復(fù)的高壓渦輪導(dǎo)管，對(duì)其進(jìn)行噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復(fù)。然后，對(duì)渦輪導(dǎo)管后端跳動(dòng)量、導(dǎo)管后端尺寸對(duì)比分析，結(jié)果如表8所示。由此可見，渦輪導(dǎo)管后端經(jīng)過(guò)噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復(fù)再制造后，導(dǎo)管后端尺寸、跳動(dòng)均符合設(shè)計(jì)要求。

（2）涂層形位公差測(cè)量。對(duì)所選5臺(tái)次高壓渦輪導(dǎo)管后端鎳鉻鐵鉬涂層車削后表面的粗糙度，導(dǎo)管后端相對(duì)于A、B面的同心度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表9所示。由表9可知，經(jīng)過(guò)噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復(fù)再制造的高壓渦輪導(dǎo)管，導(dǎo)管后端鎳鉻鐵鉬涂層粗糙度，導(dǎo)管后端相對(duì)于A、B面的同心度均符合設(shè)計(jì)要求。

4? ? 高壓渦輪導(dǎo)管再制造技術(shù)長(zhǎng)試驗(yàn)證

長(zhǎng)試考核驗(yàn)證是在地面試車臺(tái)模擬實(shí)際工況，模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)長(zhǎng)，對(duì)各零件和組件的性能和強(qiáng)度進(jìn)行考核驗(yàn)證。高壓渦輪導(dǎo)管是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要旋轉(zhuǎn)件，經(jīng)過(guò)碳化鎢涂層、鎳鉻鐵鉬涂層維修再制造后，需要通過(guò)長(zhǎng)試考核，驗(yàn)證其質(zhì)量的穩(wěn)定性。將維修合格的高壓渦輪導(dǎo)管搭載長(zhǎng)試試車進(jìn)行考核驗(yàn)證。試車后，碳化鎢涂層、鎳鉻鐵鉬涂層無(wú)脫落和掉塊問(wèn)題，質(zhì)量狀態(tài)完好。

5? ? 結(jié)論

（1）高壓渦輪導(dǎo)管前端碳化鎢涂層修復(fù)加工參數(shù)選擇合適、加工工藝可行，噴涂質(zhì)量穩(wěn)定。

（2）高壓渦輪導(dǎo)管后端噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復(fù)，加工參數(shù)選擇合適，加工工藝可行，噴涂質(zhì)量穩(wěn)定。

（3）高壓渦輪導(dǎo)管再制造后，通過(guò)長(zhǎng)試試車考核驗(yàn)證，涂層無(wú)脫落、掉塊問(wèn)題，質(zhì)量狀態(tài)良好，表明該技術(shù)具有較好的實(shí)踐價(jià)值。

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責(zé)任編輯? ? 王繼國(guó)