高压涡轮导管再制造技术研究

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　　摘    要：为研究航空发动机高压涡轮导管再制造技术，在对涡轮导管易磨损部位喷涂碳化钨涂层、镍铬铁钼涂层后，通过宏观形貌观察、微观形貌分析、表面硬度测试、弯曲性能测试及结合强度测试，对比了再制造后的几何参数，开展了长试试车考核验证。研究得出，在对高压涡轮导管采用喷涂碳化钨、镍铬铁钼涂层修复再制造试验中，所选加工参数合理，喷涂、加工工艺科学可行，具有较好的实践价值。
　　关键词：高压涡轮导管;再制造技术;镍铬铁钼涂层;碳化钨涂层;长试试车
　　中图分类号：V263.2              文献标识码：A             文章编号：2095-7394（2020）04-0086-09
　　高压涡轮导管是高压涡轮转子的重要组件，它的前端与高压压气机转子接触，后端与高压涡轮转子平衡组件配合。航空发动机累计工作1 000小时后就进入大修阶段。在大修过程中发现，高压涡轮导管前端接触面和后端配合面的磨损都较为严重，高压涡轮导管与高压涡轮转子平衡组件的缝隙变大，航空发动机的整体质量随之恶化[1]，影响航空发动机的使用寿命和工作效率[2-4]。因此，亟需开展高压涡轮导管再制造技术的研究。
　　张伟等认为，热喷涂技术是零件损伤恢复、性能提升的重要技术手段，并介绍了其在多个领域零件再制造中的应用实例[5]。乔新义等采用热喷涂技术在零件表面喷涂恢复涂层，对零件进行再制造，并详细介绍了零件热喷涂、加工等再制造过程[6]。李博等对碳化钨涂层的磨削技術及质量控制进行了研究，通过对人员、材料、设备、维护、加工参数的控制，得到较好的产品质量;对在钛合金表面喷涂碳化钨涂层工艺进行了研究，通过对粉末、喷涂参数、保护工装等的控制，得到较优质量[7-8]。
　　在参考上述研究思路及方法的基础上，本文针对高压涡轮导管前端涂层脱落超差问题，开展了高压涡轮导管前端涂层再制造技术研究;针对高压涡轮导管后端尺寸磨损超差问题，开展了高压涡轮导管后端尺寸修复再制造技术研究。
　　1    高压涡轮导管再制造总体方案制定
　　1.1  高压涡轮导管前端再制造总体方案
　　高压涡轮导管前端涂有碳化钨涂层，与高压压气机转子接触，起到耐磨损的作用。航空发动机大修时，碳化钨涂层存在脱落情况，需要对涡轮导管前端的碳化钨涂层进行维修。首先需要对导管前端残留的碳化钨涂层进行清除，然后采用等离子热喷涂方法喷涂碳化钨涂层，最后采用磨削加工的方法对碳化钨涂层进行磨削，保证高压涡轮导管前端碳化钨涂层尺寸满足设计图纸要求。
　　主要工艺路线为：集件→高压涡轮导管前端碳化钨涂层去除→等离子喷涂碳化钨涂层→碳化钨涂层磨削。
　　1.2  高压涡轮导管后端再制造总体方案
　　高压涡轮导管后端与高压涡轮转子配合。航空发动机大修时，涡轮导管后端与高压涡轮转子配合面磨损严重，需要对其后端配合面进行维修。首先将高压涡轮导管与高压涡轮转子配合面处理光滑，然后采用等离子热喷涂方法在涡轮导管后端配合面喷涂镍铬铁钼材料，最后采用精车削的方法对镍铬铁钼涂层进行车削，保证高压涡轮导管配合面尺寸满足与高压涡轮转子配合的要求。
　　主要工艺路线为：集件→高压涡轮导管后端配合面光滑处理→等离子喷涂镍铬铁钼涂层→镍铬铁钼涂层车削。
　　2    高压涡轮导管再制造可行性分析
　　2.1  高压涡轮导管前端再制造可行性分析
　　高压涡轮导管前端基体材质为TC4钛合金材料，为确定等离子热喷涂碳化钨涂层喷涂工艺的稳定性，按照表1参数在试片上进行等离子热喷涂试验。然后，进行喷涂涂层宏观形貌观察、微观形貌分析、表面硬度测试、表面结合强度测试，进而验证并选取合适的高压涡轮导管前端等离子热喷涂参数。
　　2.1.1 碳化钨涂层宏观形貌观察
　　对涂层试样进行表面肉眼观察表明，喷涂试片涂层外观呈均匀的浅灰色，无过烧变色，表面没有裂纹，没有翘起、剥落等现象，符合企标的要求。
　　2.1.2 碳化钨涂层微观形貌分析
　　对碳化钨涂层进行金相分析（见图1）。从图1可以看出，喷涂的碳化钨涂层组织质地比较致密、氧化物分布均匀、涂层污染少、结合良好，孔洞小，符合企标要求。
　　2.1.3碳化钨涂层结合强度测试
　　对按照表1工艺参数喷涂的碳化钨涂层做拉力试样，重复进行4组，每组3个试样。然后按照企标对试样进行结合强度测试，所得拉伸结合强度结果见表2。由表2可见，在钛合金表面喷涂的碳化钨涂层试样，测试结果都符合拉伸结合强度≥7.9 MPa的技术要求。
　　2.1.4碳化钨涂层表面硬度测试
　　对按照表1工艺参数喷涂的碳化钨涂层做表面硬度试样，重复进行4组，每组3个试样。按企标对试样进行硬度试验，所得涂层表面硬度测试结果见表3。由表3可见，涂层的表面硬度值HR15N≥83，符合涂层表面硬度验收标准。
　　综上，对高压涡轮导管前端基体材料TC4钛合金试片进行等离子热喷涂碳化钨涂层后，通过对喷涂涂层宏观形貌观察、微观形貌分析、表面硬度测试、表面结合强度测试，试验结果均符合相关标准，表明碳化钨涂层等离子热喷涂工艺合理。
　　2.2  高压涡轮导管后端再制造可行性分析
　　高压涡轮导管后端基体材质为TC4钛合金材料，为确定等离子热喷涂镍铬铁钼涂层喷涂工艺的稳定性，按照表4参数在试片上进行等离子热喷涂试验，然后进行喷涂涂层宏观形貌观察、微观形貌分析、弯曲性能测试及拉伸结合强度测试等工艺试验，进而确定高压涡轮导管后端等离子热喷涂参数。 　　2.2.1 镍铬铁钼涂层宏观形貌观察
　　喷涂涂层宏观形貌观察试验分4组，每组3个试样，其宏观表面形貌见图2。由图2可见，4组试片涂层外观呈均匀的灰色，表面平整，涂层与基体之间无裂纹或翘起，涂层无剥落、掉块等现象，符合企标要求。
　　2.2.2镍铬铁钼涂层微观形貌分析
　　对镍铬铁钼涂层进行金相分析（见图3）。从图3可以看出，涂层无裂纹，氧化物分布均匀，符合企标要求。
　　2.2.3镍铬铁钼涂层弯曲性能测试
　　对按照表4工艺参数喷涂的镍铬铁钼涂层做拉力试样，重复进行4组，每组3个试样。将试样弯曲到将近[90°]时，4组涂层试样的钛合金基体均发生断裂，但涂层无剥落、无裂纹。（见图4）弯曲试验结果表明，由于钛合金较脆，因此以其为基体的镍铬铁钼涂层试样不能像变形高温合金一样弯曲[180°]。企标标准中没有涂层弯曲性能测试要求，因此可不对钛合金基体材料表面镍铬铁钼涂层的高强度弯曲性能作强制要求。
　　2.2.4 镍铬铁钼涂层结合强度试验
　　对按照表4工艺参数喷涂的镍铬铁钼涂层做拉力试样，重复进行4组，每组3个试样。然后，按照企标对试样进行结合强度测试，所得拉伸结合强度结果见表5。由表5可见，除第2组标星号的值较小外（31.11 MPa），其余3组的测试结果都符合拉伸结合强度≥48.2 MPa的技术要求。
　　图5为4组试样的拉伸结合强度断口表面形貌图。可以看出，第2组有1个试样（右下试样）在涂层/FM1000胶界面发生开裂和断裂，且胶表面变色，说明该试样存在粘接质量问题。因而，导致表5中对应的测试值（标星号的值）出现很大偏差，该试样拉伸强度的测试结果无效。
　　综上，对高压涡轮导管后端基体材料TC4钛合金试片进行等离子热喷涂镍铬铁钼涂层后，对喷涂涂层进行了宏观形貌观察、微观形貌分析、表面硬度测试和表面结合强度测试，所有测试结果均符合企标要求，表明碳化钨涂层等离子热喷涂工艺合理。
　　3   高压涡轮导管再制造工艺方法研究
　　3.1  导管前端再制造工艺方法
　　3.1.1 装夹基准、磨削刀具及加工参数的选择
　　对高压涡轮导管前端喷涂碳化钨涂层后进行磨削。将高压涡轮导管前端放入涂层磨削夹具中，两端分别用顶针顶紧，找正A面圆周对点跳动?0.02 mm，B面圆周对点跳动?0.04 mm，如图6所示，然后进行磨削。由于高压涡轮导管前端碳化钨涂层硬度值比较高，因此选择金刚砂材料的砂轮进行磨削，并且需要不断对砂轮表面进行清理。由于碳化钨涂层脆性较高，因此切削深度要求?0.005 mm。
　　3.1.2 高压涡轮导管前端再制造技术测量参数的确定
　　（1）涂层基础参数测量。选取5台次前端碳化钨涂层脱落超差的高压涡轮导管，对其进行喷涂碳化钨涂层修复。然后，对涡轮导管前端碳化钨涂层质量、导管前端跳动量、导管前端尺寸进行对比分析，如表6所示。其结果表明，涡轮导管经过喷涂碳化钨涂层修复再制造后，涡轮导管前端尺寸、涡轮导管前端跳动均符合设计要求，碳化钨涂层质量完好，并且较修理前有改善。
　　（2）涂层形位公差测量。对所选5台次高压涡轮导管前端碳化钨涂层磨削后表面的粗糙度，导管前端相对于A、B面的同心度进行测量，结果如表7所示。 通过表7可知，经过喷涂碳化钨涂层修复再制造的高压涡轮导管，其前端碳化钨涂层粗糙度，导管前端相对于A、B面的同心度均符合设计要求。
　　3.2  导管后端再制造工艺方法
　　3.2.1 装夹基准、车削刀具及加工参数的选择
　　在对导管后端喷涂镍铬铁钼涂层前、后进行车削时，要将高压涡轮导管放入导管后端车削夹具中，找正A面圆周对点跳动?0.02 mm，B面圆周对点跳动?0.04 mm，如图7所示。由于导管后端镍铬铁钼涂层硬度值比较高，因此选择YD15材料的刀具进行车削。鉴于导管后端镍铬铁钼涂层脆性较高，切削深度要求?0.01 mm。
　　3.2.2 高压涡轮导管后端再制造技术测量参数的确定
　　（1）涂层基础参数测量。选取5台次后端需要进行喷涂镍铬铁钼修复的高压涡轮导管，对其进行喷涂镍铬铁钼涂层修复。然后，对涡轮导管后端跳动量、导管后端尺寸对比分析，结果如表8所示。由此可见，涡轮导管后端经过喷涂镍铬铁钼涂层修复再制造后，导管后端尺寸、跳动均符合设计要求。
　　（2）涂层形位公差测量。对所选5台次高压涡轮导管后端镍铬铁钼涂层车削后表面的粗糙度，导管后端相对于A、B面的同心度进行测量，结果如表9所示。由表9可知，经过喷涂镍铬铁钼涂层修复再制造的高壓涡轮导管，导管后端镍铬铁钼涂层粗糙度，导管后端相对于A、B面的同心度均符合设计要求。
　　4    高压涡轮导管再制造技术长试验证
　　长试考核验证是在地面试车台模拟实际工况，模拟航空发动机实际工作时长，对各零件和组件的性能和强度进行考核验证。高压涡轮导管是航空发动机的重要旋转件，经过碳化钨涂层、镍铬铁钼涂层维修再制造后，需要通过长试考核，验证其质量的稳定性。将维修合格的高压涡轮导管搭载长试试车进行考核验证。试车后，碳化钨涂层、镍铬铁钼涂层无脱落和掉块问题，质量状态完好。
　　5    结论
　　（1）高压涡轮导管前端碳化钨涂层修复加工参数选择合适、加工工艺可行，喷涂质量稳定。
　　（2）高压涡轮导管后端喷涂镍铬铁钼涂层修复，加工参数选择合适，加工工艺可行，喷涂质量稳定。
　　（3）高压涡轮导管再制造后，通过长试试车考核验证，涂层无脱落、掉块问题，质量状态良好，表明该技术具有较好的实践价值。
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　　 责任编辑    王继国
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