局部熱處理技術在整體葉盤維修中的應用

侯廷紅 何勇 陳海生 葉勇松

摘要：整體葉盤葉片的服役損傷可采用熔焊、高能束增材制造、線性摩擦焊等技術進行修復。為避免熱處理影響整體葉盤未修復區域的組織性能以及產生變形，一般在修復區域采用局部熱處理來消除焊接應力和調整組織性能。本文綜述了局部熱處理的技術原理、系統組成、評定準則和模擬仿真，介紹了整體葉盤葉片損傷修復局部熱處理技術的研究進展，分析了不同局部熱處理技術面臨的挑戰和需要解決的應用基礎問題。

關鍵詞：整體葉盤；損傷；修復；局部熱處理

Keywords：integral blade disc；damage；maintenance；local heat treatment

0 引言

整體葉盤是先進航空發動機實現結構創新和技術跨越的核心部件。整體葉盤維修保障是決定其能否實現工程應用的關鍵環節。國外航空發動機制造商非常重視研究先進發動機的維修保障技術，往往在設計研制階段就開始并行研究。

整體葉盤在工作過程中大多為個別葉片的局部損傷。如果對僅修復個別葉片局部損傷的整體葉盤進行整體熱處理，一方面將影響整體葉盤未修復區域的組織和性能，另一方面將導致整體葉盤產生變形。因此，在對整體葉盤葉片局部的修復過程中，無需對整個葉盤進行熱處理，而需針對損傷修復部位進行局部熱處理以去除熔焊、高能束增材制造、線性摩擦焊等高溫過程產生的應力，并調控修復區域的組織和性能。

1 局部熱處理技術

1.1 技術原理與現狀

局部熱處理是在零件局部進行的熱處理工藝，主要用于熔焊、增材制造、線性摩擦焊等特種工藝的焊后熱處理，適用于整體熱處理無法應用或難以滿足工藝要求的場合。局部熱處理的作用是消除焊接殘余應力和改善焊接接頭的組織與性能。

局部熱處理的影響因素很多，如零件材料、加熱體、加熱方式、工作負載、加熱區域、加熱溫度和保溫時間、加熱和冷卻速度等，目前對這些影響因素和過程機理的研究還不夠全面和深入，導致各個國家、不同領域的局部熱處理標準存在較大差異。對局部熱處理研究相對系統、完善的是管道和壓力容器領域，與局部熱處理相關的主要規章包括焊接研究委員會的壓力容器焊后局部熱處理第452號公告[1]、美國機械工程師協會鍋爐和壓力容器規范第VIII章[2]、英國標準5500[3]、澳大利亞標準1210[4]。在第452號公告中，零件局部熱處理區域被劃分為均熱帶（Soak Band）、加熱帶（Heated Band）和保溫帶（Gradient Control Band）三個部分（見圖1）。其中，均熱帶包括焊縫、熱影響區和焊縫附近部分基體；加熱帶是加熱源覆蓋零件表面并將其加熱至所需熱處理溫度的區域，同時控制溫度梯度以減小熱應力，包括均熱帶和部分基體；保溫帶是隔熱和放置加熱熱源的表面區域，同時控制溫度梯度，包括均熱帶、加熱帶和部分基體。局部熱處理工藝過程主要控制這三個溫度帶寬度，其中加熱帶寬度是最重要的工藝控制參數，它一方面保證均熱區在要求的溫度范圍之內，另一方面獲得消除殘余應力的最佳效果。

1.2 系統組成

局部熱處理設備主要包括加熱體、加熱控制、熱電偶及記錄儀器、設備安裝要求等，現簡述如下。

1）加熱體

可供選擇的局部熱處理加熱體類型和熱源主要包括以下五種：直接輻照或聚焦反射的石英-鹵素、鎢-石英和紅外加熱元件；陶瓷加熱板；按照零件外形尺寸設計的感應加熱元件；通入以電阻加熱元件受控加熱的流動空氣或其他保護氣氛；纏繞或定位在待熱處理區域的線圈電阻加熱元件。

在上述五種加熱體中，最常用的是感應加熱元件，通過設計與零件待熱處理區域匹配的感應線圈和功率，可實現零件高效局部熱處理。雖然高能電子束和激光束也可用作加熱源，但因其控制和實現較難而較少采用。

2）加熱控制與工作負載

所選擇的加熱體必須配備加熱控制裝置，可以調節輸出以維持熱處理所要求的溫度控制點和范圍。每個熱源均應配備獨立的控制裝置，同時提供超溫保護。熱處理工作負載應根據加熱體類型采用氣冷或水冷。

3）熱電偶及溫度記錄裝置

在局部熱處理溫度范圍內，測溫裝置的精度應不低于最高溫度的±0.5%。采用的熱電偶應符合ASTM E220和E320標準，熱電偶計量檢測時應滿足零件不同外形和修理區域的要求。溫度傳感器和記錄裝置應符合AMS 2750標準。

4）設備安裝要求

結合整體葉盤葉片修復需求，局部熱處理設備的安裝應滿足如下要求：根據需進行熱處理的零件和加熱設備選擇加熱體，將其定位并安裝在包括熱影響區的整個修復區域中；采用多個單元加熱體時應保證足夠的重疊寬度，以避免單元加熱體之間產生冷隔區；加熱體可放置在修復區域兩側或一側，如果放在一側，在加熱體相對側應放置玻璃布毯或陶瓷纖維；局部熱處理區域周圍不需進行熱處理的區域應采用隔熱材料進行隔離；按照局部熱處理工藝要求至少采用兩根熱電偶監控熱處理溫度。

1.3 評定準則

結合管道和壓力容器領域的相關經驗，對上述兩個評定準則進行如下解釋。

1）基于殘余應力消除效果的直接評定準則

該評定準則的基礎是評定局部熱處理后的殘余應力，即基于粘彈塑性有限元方法，在應力松弛過程中考慮包括彈性應變、塑性應變、蠕變應變和熱應變，模擬熱處理過程中的應力變化及最終的殘余應力水平。評定過程的實質是在局部熱處理條件下找到一個最優的加熱帶寬度，獲得與整體熱處理相當的殘余應力去除效果。汪建華等[5]的研究結果表明，局部熱處理后的最大殘余應力隨加熱帶寬度的增加而降低，當加熱帶寬度達到一定值時，殘余應力變化十分緩慢，且與熱處理時的殘余應力十分接近，該寬度為臨界加熱寬度。

2）基于改善焊接接頭性能的均熱區溫差準則

局部熱處理的主要目的是為了提高接頭的韌性和降低硬度。為此，在局部熱處理過程中，應保證包含焊縫和熱影響區在內的均熱帶不超過規定的最高溫度并在容許的溫差范圍內。焊接接頭性能的改善主要與均熱帶的溫差有關。基于傳熱有限元分析可建立均熱帶溫差與零件厚度的關系曲線。汪建華等[5]的研究結果表明，零件厚度是均熱帶溫差的主要影響因素，臨界加熱帶半寬隨零件厚度增加而急劇增加。

1.4 模擬仿真

采用計算機技術可以模擬仿真局部熱處理過程，分析熱處理過程中的溫度場和應力場，為熱處理工藝制定和應用提供參考依據。

劉紅[6]基于溫度、應力應變和微觀結構之間的耦合效應關系，采用JMatPro軟件建立了70Cr3Mo鋼激光局部熱處理的多場耦合模型，分析了熱處理過程中的溫度場和殘余應力場分布。

胡美娟等[7]以ANSYS有限元軟件為平臺，對2mm、6mm和12mm等不同厚度TC4鈦合金平板電子束焊接和局部熱處理時的溫度場和應力場進行了數值模擬計算，分析了局部熱處理對電子束焊接溫度場和殘余應力場的影響，為鈦合金平板電子束焊接和局部熱處理復合工藝的制定和應用提供了參考。

Phillip等[8]參照NBIC和ASME規范，采用有限元軟件設計優化了壓力管道局部熱處理加熱體構型及均熱帶、加熱帶和保溫帶大小，模擬仿真了熱處理過程中的穩態溫度場、殘余應力場和塑性應變場分布，為局部熱處理工藝的制定提供了參考和指導。

Lee等[9-12]采用有限元軟件建立了焊后局部熱處理數值模型，并據此模擬分析了焊接接頭的力學行為、殘余應力分布、應力松弛、組織轉變以及對接頭的完整性評價，為優化局部熱處理工藝提供了理論依據。

2 局部熱處理技術在整體葉盤維修中的應用

為避免整體葉盤修復后整體熱處理對未修復區組織和性能的影響以及可能導致的變形，整體葉盤修復后必須采用局部熱處理方法進行處理，對于采用雙合金、雙組織設計的整體葉盤尤其如此。由于整體葉盤葉片型面復雜、空間位置狹窄且可達性差，因此，實施局部熱處理的限制因素較多，應主要解決以下五個方面的問題。

1）加熱方式和加熱體選擇設計：結合整體葉盤修復需求和現有局部熱處理設備、工藝、技術水平，選擇接觸式或非接觸式加熱方式，為接觸式加熱方式設計加熱體構型。

2）專用工裝夾具設計：針對整體葉盤的外形尺寸和修理位置，設計專用工裝夾具，滿足局部熱處理過程中葉片待處理區域精準定位和位置調整的要求。

3）局部熱處理對修復區組織和性能的影響：考察局部熱處理對整體葉盤修復區組織和性能的影響。

4）局部熱處理對非修復區組織、性能和應力變形的影響：考察局部熱處理對整體葉盤加熱區-非加熱區界面、非修復區組織和力學性能、應力變形的影響。

5）局部熱處理溫度測量和閉環控制：針對整體葉盤基體材料和修復區域，選擇局部熱處理的測溫位置、測溫方式、控溫方式和閉環反饋。

目前，在整體葉盤維修中常用的局部熱處理方法有高能束（激光和電子束）、感應加熱、惰性氣體氣氛加熱、輻照/反射加熱等四種。

2.1 高能束局部熱處理

以激光和電子束為代表的高能束熱源既可用于整體葉盤損傷修復，又可用于整體葉盤局部熱處理，一般通過雙能束復合來實現。以電子束焊后局部熱處理為例，電子束以線或面熱源形式通過對焊縫及熱影響區內小面積范圍進行散焦掃描來實現局部熱處理。線或面熱源電子束以不同的掃描速度在零件表面移動加熱，匹配不同的冷卻速度，可獲得不同的熱處理工藝規范。該技術存在操作空間受限、可達性差、溫度場實時監測難、對遮擋區域不能實施局部熱處理等缺點和不足，需重點發展紅外熱成像測溫系統或完善高溫熱電偶測溫系統來解決溫度場監控問題。

2.2 感應加熱局部熱處理

感應加熱局部熱處理的應用代表是德國摩天宇公司。該公司申請了整體葉盤感應加熱局部熱處理方法專利，研制了感應加熱局部熱處理設備（見圖2）并開展了感應加熱局部熱處理技術的研究和應用。該技術的關鍵在于感應加熱元件的精確設計，需要解決的問題包括：整體葉盤狹窄受限空間內加熱元件構型設計和非加熱區隔熱保護；設計優化均熱帶、加熱帶和保溫帶的范圍及大小；需通過粗略估算、定性分析和多次優化試驗來完成加熱元件的設計。該技術存在受零件外形尺寸限制、溫度場難控制、進/排氣邊同時加熱存在熱阻塞等缺點和不足，需重點解決溫度場控制和熱阻塞問題。

2.3 惰性氣體氣氛加熱局部熱處理

羅羅公司發明了整體葉盤葉片惰性氣體氣氛加熱局部熱處理方法（見圖3）。該技術針對整體葉盤葉片修復區域設計專用加熱套，在加熱套內填充流動的可加熱至熱處理所需溫度的氬氣、氦氣等惰性氣體，形成局部熱處理保護氣氛。該技術存在加熱套及配套設備復雜、氣氛溫度均勻性控制難、受葉片空間位置限制等缺點和不足，適用于葉片外形和空間較大的風扇整體葉盤。

2.4 輻照/反射加熱局部熱處理

通用公司和聯合技術公司分別發明了采用石英-鹵素燈、鎢-石英燈和紅外加熱元件等作為熱源的整體葉盤輻照/反射加熱局部熱處理方法。該技術采用聚焦反射裝置將石英-鹵素燈、紅外燈等加熱元件產生的熱投射到整體葉盤上的待熱處理區域，通過選擇不同功率的加熱元件來獲得所需的熱處理溫度，具有設備簡單、易于控制等特點。該技術存在輻照/反射裝置對葉片外形尺寸的適應性較差、溫度均勻性控制難等缺點和不足，適用于葉片型面簡單、空間位置較大的整體葉盤。

3 結束語

整體葉盤是先進高性能航空發動機的關鍵核心部件，未來的發展趨勢是風扇、壓氣機、渦輪都將采用整體葉盤結構，同時還將采用扭曲葉片、端彎葉片、帶冠葉片等更加復雜的葉片結構。這對整體葉盤維修技術提出了新的、更高的要求。

局部熱處理可有效消除焊接應力，調控修復區域的組織性能，是整體葉盤維修的關鍵技術之一，國內尚處于起步階段，與國外相比還存在較大差距。本文介紹了整體葉盤葉片焊后局部熱處理技術的研究進展，可供整體葉盤葉片修復時選擇使用。今后應在復雜型面葉片適應性、加熱帶寬度設計與控制、溫度場實時監測、溫度均勻性控制以及新型局部熱處理設備和加熱元件等方面加強局部熱處理技術研究，為整體葉盤維修保障提供技術支撐。

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