封嚴環配合止口等離子噴涂再制造工藝

王洪明

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043）

0 引言

低壓渦輪轉子是航空發動機的4大核心轉子之一，封嚴環是低壓渦輪轉子的重要組成部分[1]，位于低壓渦輪第1、2級盤之間，與低壓渦輪第2級盤通過配合止口定位，與第1級盤采用定位銷子周向定位，起到封嚴的作用。在航空發動機大修過程中發現，封嚴環與低壓渦輪第1級盤配合止口磨損較為嚴重，二者之間的縫隙變大，封嚴環的活動量也隨之增大，使航空發動機的整體振動趨于惡化[2-4]，影響其使用壽命和工作效率[5-7]。若更換封嚴環新品，其配件制造周期長、成本高，亟需開展封嚴環再制造技術研究。

封嚴環再制造主要采用等離子熱噴涂技術，通過在磨損表面噴涂涂層修復磨損尺寸，從而延長零件使用壽命。等離子熱噴涂技術廣泛應用于零件表面修復[8]，經驗成熟，且已建立表面修復技術體系[9-10]。等離子熱噴涂技術的應用，在保證飛機和發動機翻修等方面起到了重要作用[11-12]。范吉明等[13]系統地研究了等離子熱噴涂Cr3C2-NiCr涂層以及在表面修復中的具體應用；程林等[14]分析了不同等離子熱噴涂制度對GH4169合金涂層力學性能的影響。但是，GH38合金基材上等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層及涂層修復技術尚未發現相關報道。

本文針對航空發動機封嚴環與低壓渦輪第1級盤配合止口尺寸磨損進行了等離子噴涂再制造修復，形成了穩定的等離子噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復配合止口噴涂工藝、封嚴環配合止口車削加工工藝。

1 封嚴環再制造總體方案制定

封嚴環的壁厚約為5 mm，直徑約為500 mm，屬于薄壁件。在發動機工作過程中的振動使封嚴環與低壓渦輪第1級盤配合止口發生碰磨，使用1000 h后，封嚴環與低壓渦輪第1級盤配合止口磨損嚴重，表面質量較差，需要把二者修理光滑，采用等離子熱噴涂的方法噴涂鎳鉻鐵鉬材料增材，并采用精車削的方法對鎳鉻鐵鉬涂層進行車削，保證封嚴環配合止口尺寸滿足與低壓渦輪第1級盤配合要求。主要工藝路線如下：

集件→封嚴環配合止口車削→配合止口等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層→封嚴環配合止口涂層車削。

2 封嚴環配合止口再制造可行性分析

封嚴環的基體材質為GH38合金，對等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層進行增材，為確定鎳鉻鐵鉬涂層在GH38合金基材上的等離子熱噴涂工藝的穩定性，在試片上進行等離子人工噴涂試驗（噴涂參數見表1），包括噴涂涂層后外觀檢查、彎曲性能檢查、金相組織檢查及噴涂涂層后拉伸結合強度檢查等工藝試驗，進而確定封嚴環止口等離子噴涂鎳鉻鐵鉬涂層參數，以保證封嚴環配合止口再制造的可行性。

表1 噴涂參數

2.1 噴涂涂層后外觀檢查

噴涂涂層后的彎曲性能檢查、金相組織檢查、拉伸結合強度檢查試驗均進行4組，對噴涂的4組試片（如圖1所示）進行外觀檢查。從圖中可見，噴涂鎳鉻鐵鉬涂層后外觀呈均勻的灰色，表面平整、均勻，噴涂涂層與GH38合金基體之間無裂紋或翹起，涂層無剝落、掉塊等現象，符合企業標準要求，噴涂涂層后外觀檢查合格。

圖1 噴涂試片

2.2 噴涂涂層彎曲性能檢查

噴涂涂層彎曲性能檢查試驗共進行4組，每組有3片試件。每片試件等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層后，將試樣彎曲大于170°（如圖2所示）后檢查噴涂涂層質量，外觀無剝落，無裂紋，符合企業標準要求，噴涂涂層彎曲性能檢查合格。

圖2 GH38合金彎曲試樣

2.3 噴涂涂層金相組織檢查

噴涂涂層金相組織檢查試驗共進行4組，每組有1個試件，如圖3所示。在200倍光學顯微鏡下觀查噴涂涂層與基體界面組織結構發現，噴涂涂層與基體界面污染物均小于20%，符合企業標準要求，噴涂涂層金相組織檢查合格。

圖3 GH38合金基體材料噴涂后金相組織

2.4 噴涂涂層后拉伸結合強度檢查

拉伸結合強度檢查試驗共進行4組，每組有3個試件。噴涂涂層后拉伸結合強度應不小于48.2 MPa。其拉伸結合強度見表2。該拉伸結合強度符合企業標準要求。

表2 GH38合金基體材料噴涂涂層后拉伸結合強度MPa

對封嚴環基體GH38合金試件進行等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層增材后，通過噴涂涂層后外觀檢查和彎曲性能檢查、金相組織檢查及拉伸結合強度檢查等工藝試驗，試驗結果均合格，鎳鉻鐵鉬涂層在GH38合金基材上的等離子熱噴涂工藝穩定。可以按照噴涂參數對封嚴環噴涂鎳鉻鐵鉬涂層進行再制造。

3 封嚴環配合止口再制造工藝方法

3.1 等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層工藝方法的確定

（1）封嚴環清洗。為保證噴涂鎳鉻鐵鉬涂層的結合強度，用脫脂棉蘸丙酮擦拭清洗封嚴環待噴涂表面（如圖4所示），除去表面油污。

圖4 封嚴環待噴涂表面

（2）封嚴環保護及吹砂。對于封嚴環除待噴涂表面之外的表面，用壓敏膠帶保護，并用白剛玉砂粒進行吹砂。吹砂參數見表3。

表3 吹砂參數

（3）封嚴環保護及噴涂。采用高溫壓敏膠帶對封嚴環非噴涂表面進行保護。噴涂前用加溫槍預熱封嚴環，然后按照確定的熱噴涂參數對封嚴環噴涂表面噴涂鎳鉻鐵鉬涂層，噴涂厚度為0.2~1.0 mm。

（4）封嚴環清理。將保護封嚴環的高溫壓敏膠帶清理干凈。

3.2 噴涂前封嚴環配合止口去除量的確定

在工作過程中，與低壓渦輪第1級盤通過配合止口接觸時，封嚴環主要受低壓渦輪第1級盤給予的過盈力和封嚴環旋轉產生的離心力作用，導致配合止口發生不同程度的磨損，表面質量較差，存在較多的腐蝕物與積炭等，影響噴涂涂層的結合力。因此，在噴涂涂層前需要去除封嚴環配合止口部分基體材料。

3.2.1 封嚴環配合止口過盈力計算

封嚴環與低壓渦輪第1級盤配合止口過盈配合，最大過盈量為0.1 mm，二者接觸寬度A=3 mm。封嚴環配合止口平均壓力P0/MPa與過盈量關系為

式中：e為封嚴環與低壓渦輪第1級盤過盈量，mm。

取封嚴環dθ弧度（如圖5所示）為研究對象，則封嚴環在dθ弧度所受到的過盈力F0/N為

圖5 封嚴環dθ弧度

式中：S、A、D分別為封嚴環與低壓渦輪第1級盤dθ弧度接觸面積（m2）、接觸寬度（m）、及直徑（m）。

計算過盈力得

3.2.2 封嚴環配合止口離心力計算

設封嚴環的整體質量為m/kg，選取dθ弧度，則質量為，封嚴環在工作過程中以角速度ω高速旋轉，則封嚴環dθ弧度所受到的離心力為

式中：F1為封嚴環dθ弧度旋轉離心力，N；ω為封嚴環旋轉角速度，rad/s；r為封嚴環半徑，m。

計算離心力得

3.2.3 去除量尺寸的確定

封嚴環與低壓渦輪第1級盤配合止口所受的壓應力是過盈力與離心力之和，即

獲取臀部的軌跡要先對不同時刻的θ1、θ2進行測量.而測量θ1、θ2的角度可以依靠傳感器或者依靠圖像分析的方法.

封嚴環配合止口抗彎強度系數為

式中：W為抗彎強度系數；h為封嚴環配合止口厚度，m。則封嚴環配合止口所承受最大力矩M/N·m為

則封嚴環的抗彎強度σ/Pa為

將式（7）、（8）代入式（9）中得

封嚴環配合止口位置單邊厚度h原為10 mm，噴涂鎳鉻鐵鉬涂層時單邊厚度最大減小1 mm，則噴涂涂層去除基體量后的抗彎強度σ=144 MPa，小于許用抗彎強度[σ]，滿足強度要求。

3.3 封嚴環再制造技術工藝方法

3.3.1 封嚴環裝夾基準的選擇

將封嚴環（圖4）放至夾具中，以封嚴環圓周表面K作為徑向基準定位，封嚴環夾具蓋板壓緊封嚴環的端面（C面）進行端面定位。通過調整封嚴環，使封嚴環內環表面F的徑向跳動不大于0.05 mm，壓緊封嚴環夾具蓋板，準備進行車削。

3.3.2 刀具及加工參數的選擇

封嚴環基體GH38合金和噴涂涂層鎳鉻鐵鉬材料的硬度值均比較大，因此選取YD15硬質合金的刀具進行車削。封嚴環配合止口的根部為導圓轉接，為達到封嚴環的設計要求，采用成型刀具進行車削。噴涂涂層鎳鉻鐵鉬的脆性較大，因此切削深度要求不大于0.02 mm。

3.4 封嚴環再制造技術測量參數的確定

3.4.1 基礎參數測量

選取5件配合止口需要噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復的封嚴環，分別對其配合止口尺寸、配合面跳動量及不平衡量等數據進行測量、對比分析，結果見表4。從表中可見，經過噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復再制造的封嚴環的各參數均符合設計要求，并且較修理前有所改善。

表4 封嚴環修復前、后測量結果對比

3.4.2 封嚴環配合止口形位公差測量

選取5件封嚴環，分別對其配合止口車削后表面的粗糙度、相對于K面的同心度進行測量，結果見表5。從表中可見，經過噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復再制造的封嚴環，其配合止口粗糙度及相對于K面的同心度均符合設計要求。

表5 封嚴環車削后測量結果

4 封嚴環配合止口再制造技術長試驗證

長試考核驗證是在地面試車臺模擬實際工況及航空發動機實際工作時長，對各零組件的性能和強度進行考核驗證。封嚴環是航空發動機的重要旋轉件，再制造后，需要通過長試考核，以驗證噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復配合止口尺寸的穩定性。將修復合格的封嚴環搭載發動機進行長試考核，試車后在封嚴環配合止口處鎳鉻鐵鉬涂層無脫落、無掉塊，涂層狀態及檢查結果均完好。

5 結論

（1）采用噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復封嚴環配合止口的噴涂工藝穩定；

（2）封嚴環配合止口加工選擇參數合適、加工工藝方法穩定；

（3）封嚴環配合止口再制造后通過長試考核驗證，涂層不存在脫落和掉塊問題，狀態良好，封嚴環再制造技術穩定。