渦輪葉輪熱噴涂修理分析及激光熔融沉積法的應用探討

摘要：波音和空客飛機發(fā)動機起動機上的核心部件渦輪葉輪均為鈦合金TC4材質，在使用過程中其軸承位會出現磨損超標情況，廠家推薦使用金屬熱噴涂鉬的方法來修復。本文對渦輪葉輪進行熱噴涂修復后的使用現狀進行了分析，并提出用激光熔融沉積法來修復此類鈦合金渦輪葉輪的可行性。

關鍵詞：渦輪葉輪；熱噴涂；激光熔融沉積法

Keywords：turbine wheel；thermal spraying；laser fusion deposition

1 渦輪葉輪簡介

為便于說明，以波音737NG飛機使用的3505945系列起動機的渦輪葉輪為例，簡要介紹其基本工作原理（見圖1）。預載螺母將渦輪葉輪、密封動環(huán)、徑向軸承、軸承襯套、中心齒輪等軸向固定在一起，預載彈簧給徑向軸承施加預載力，整個組件固定在支撐殼體上，渦輪葉輪的材質為鈦合金TC4，工作轉速可達到50000rpm。渦輪葉輪將氣體壓力能轉換為機械動能，常見的磨損處在與兩個徑向軸承內環(huán)過盈接觸的位置（見圖2）。

2 金屬熱噴涂修復后的渦輪葉輪的使用現狀

對于渦輪葉輪軸承位磨損的情況，廠家推薦使用金屬熱噴涂鉬的方法進行修復。實際生產過程中發(fā)現，使用金屬熱噴涂鉬方法修復后的渦輪葉輪有一部分比較耐磨，單次可以使用較長時間，而另一部分則不耐磨，單次使用時間很短，無法滿足生產需要。為此，對耐磨涂層和不耐磨涂層進行以下對比分析。

1）使用后的涂層情況對比分析

在相同載荷條件下，兩種涂層使用后的磨損情況不盡相同（見圖3），且兩者修復后的在翼使用時間相差很多。從圖3可以看出，耐磨涂層表面僅有局部的輕微磨損痕跡，其磨損處局部放大后也僅有比較輕微的接觸腐蝕跡象，而不耐磨涂層整個軸承接觸面幾乎均出現了嚴重的磨損，甚至有剝落的跡象。

2）涂層斷口的對比分析（見圖4）

將兩種涂層在低倍鏡下觀察，耐磨涂層整體較均勻、致密，孔洞比較小，分布很均勻；不耐磨涂層整體明顯較疏松且材料不均勻，孔洞大小不一，分布很雜亂。將兩種涂層在高倍鏡下觀察，耐磨涂層質地相對較為緊密，單位面積上分布的孔洞較少；不耐磨涂層質地明顯疏松，單位面積上分布的孔洞相對較多。

3）金屬熱噴涂修復渦輪葉輪方法小結

金屬熱噴涂修復渦輪葉輪的方法較為安全便捷但技術難度較大、噴涂質量不好把控和檢測，易造成涂層質量不一，直接影響產品的正常使用。同時，實踐表明，金屬熱噴涂修復后的渦輪葉輪在每次拆裝其過盈配合的徑向軸承過程中，均會對涂層產生嚴重磨損。因此，修理后的不耐磨涂層幾乎只能進行一次安裝使用，甚至會在短時間內磨損，容易造成非計劃性拆機，且熱噴涂的鉬與鈦合金是兩種不同的金屬，使用過程中容易出現剝落的情況。為此，提出用激光熔融沉積法修復鈦合金渦輪葉輪的探討。

3 激光熔融沉積法修復鈦合金渦輪葉輪的探討

3.1 激光熔融沉積法應用于鈦合金渦輪葉輪修復的可行性評估

1）修理方法的理論依據

波音公司標準操作程序手冊SOPM20-10-27中詳細給出了用激光熔融沉積法修復鈦合金Ti-6Al-4V（即鈦合金TC4）零件的通用操作程序，包括激光發(fā)生器的選型、操作環(huán)境控制、耗材選用、樣件參數調試、產品正式修理程序等。

波音公司標準操作程序手冊SOPM20-10-07中也詳細給出了鈦合金的通用加工操作程序，包括加工方式和切削速度的選取、加工環(huán)境的控制、冷卻液的選用、防火安全等。

本文提到的修復鈦合金TC4渦輪葉輪的激光熔融沉積法，是指以波音公司標準操作程序手冊SOPM20-10-27為指導，對鈦合金TC4渦輪葉輪磨損處進行增材處理，然后依據波音公司的標準操作程序手冊SOPM20-10-07，將增材處理后的渦輪葉輪加工到所需尺寸。整個修理過程均以波音公司認可的標準操作程序手冊為理論依據修理波音飛機上的零部件。

2）產品修理后的適航性

部件維修手冊CMM80-11-79中要求，對于需修理軸承位的渦輪葉輪，首先用機加工方法去除軸承位的損壞層，并要求去除損壞層后軸承位的剩余直徑d不得小于16.51mm（見圖5），然后再采用熱噴涂鉬增材處理、后期加工等工序進行修復，軸承位修復后的最大直徑為17.005mm。因此，由圖5可計算得出修復層的最大厚度為（17.005-16.51）/2=0.2475mm。

根據部件維修手冊CMM80-11-79進行熱噴涂鉬后得到的修復層的脆性很大，無法傳遞渦輪葉片產生的扭矩，而手冊規(guī)定剩余直徑d在不小于16.51mm的情況下就可以采用熱噴涂鉬方法來修復，由此可知，渦輪葉輪用于傳遞扭矩的強度取決于剩余直徑d，與修復層無關，修復層主要用于承受徑向載荷。由于修復層的最大厚度僅為0.2475mm，因此無論修復層為何種材料，對渦輪葉輪的整體重量都影響甚微。

修復鈦合金TC4渦輪葉輪的方法是在保證其剩余直徑d和符合部件維修手冊CMM80-11-79要求范圍的條件下進行的，因此認為修復后的渦輪葉輪傳遞扭矩的強度可以滿足要求。由于修復層很薄，不同材料對渦輪葉輪的整體重量影響幾乎可以忽略。而將TC4粉末用激光熔融沉積法得到的材料幾乎與渦輪葉輪原始材料一致，且該修復方法是依據波音公司標準操作程序手冊SOPM20-10-27、SOPM20-10-07和部件維修手冊CMM80-11-79進行的，因此這種方法修復后的渦輪葉輪軸承位承受徑向載荷的能力可以滿足要求。

綜上分析認為，激光熔融沉積法滿足中國民用航空規(guī)章第25部運輸類飛機適航標準CCAR-25-R4中D分部設計與制造的第25.601條、第25.603條和第25.605條對設計可靠性、材料適用性和耐久性、制造方法可行性的要求，采用該方法修理后的產品符合適航標準。

3）行業(yè)研究和工程應用

激光熔融沉積法很早被提出，許多機構均對此方法進行了研究。例如，文獻 [7] 中某機構采用激光沉積修復方法對TC4槽損傷和面損傷試樣進行了修復，并觀察了修復后試樣的組織和拉伸性能特點。另外，該方法也用在了對鈦合金零部件的修復上，如文獻 [8] 中某公司用激光熔覆的方法修復了航空發(fā)動機風扇機匣TC4鈦合金靜子葉片且驗收合格，修復后的風扇機匣重新得到使用。國內外對激光熔融沉積法用于修復鈦合金零件開展了大量理論研究和工程實際應用，這為本文提出的用激光熔融沉積法修復鈦合金TC4渦輪葉輪奠定了基礎。

3.2 激光熔融沉積法修復鈦合金TC4渦輪葉輪的基本方法

激光熔融沉積法修復鈦合金TC4渦輪葉輪的系統(tǒng)主要包括激光器、送粉機、數控中心、工作終端、惰性氣體發(fā)生器、氧氣濃度檢測儀、密閉室、葉輪支架工作臺以及待修葉輪（見圖6），修理的基本方法如下。

1）用渦輪葉輪樣件進行預操作來驗證相關參數。按照波音公司標準操作程序手冊SOPM20-10-27對渦輪葉輪樣件進行預處理，用氬氣流填充操作腔體，保證氧氣濃度小于1200PPM。選擇合適的激光功率、鈦合金粉末流量、氬氣填充流量等參數，使沉積后的材料無棕褐色或藍色、無孔洞或氣孔，然后按需調整參數直至獲得合格的結果，記錄相關參數。

2）對產品渦輪葉輪進行修復。按照波音公司標準操作程序手冊SOPM20-10-27對渦輪葉輪產品進行預處理，并將預操作得到的參數輸入數控中心及相關輔助設備，用氬氣流填充操作腔體，保證氧氣濃度小于1200PPM。用激光熔融沉積法在渦輪葉輪產品上沉積所需的厚度，得到合格的材料沉積結果后，依據波音公司標準操作程序手冊SOPM20-10-07和部件維修手冊CMM80-11-79的相關信息，將渦輪葉輪產品的軸承位加工至所需尺寸。

4 結束語

用金屬熱噴涂鉬來修復鈦合金渦輪葉輪的方法比較常見，但存在噴涂質量不好把控、修復后不耐磨、易剝落、重復使用性較差等問題，不利于實際生產。采用激光熔融沉積法修復此類鈦合金渦輪葉輪可以實現自動化操作，有利于過程控制和質量控制，理論上能使渦輪葉輪的磨損處在修復后達到原始設計要求并像新的渦輪葉輪一樣耐磨和重復安裝使用。建議航空附件修理廠家關注激光熔融沉積法修復鈦合金渦輪葉輪的新方法，不斷滿足航空類產品持續(xù)適航性的要求。

參考文獻

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[2] Boeing，SOPM20-10-27，Laser Deposited Titanium [Z] ，2016-3.

[3] Boeing，SOPM20-10-07，Machining Of Titanium [Z] ，2016-3.

[4] 趙永慶，陳永楠，張學敏，曾衛(wèi)東，王磊. 鈦合金相變及熱處理 [M].長沙：中南大學出版社，2012.

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作者簡介

馮志偉，工程師，研究方向為機械設計制造及其自動化。