某型发动机进气机匣联动环跑道裂纹修复技术研究

张科夫 吴学岗 龙贻鑫 罗奎林 黄向荣/ 成都航利（集团）实业有限公司 空装驻成都地区第二军代表室

0 引言

某型发动机进气机匣为大型薄壁件，是发动机的主要承力机匣，平均厚度为2mm，平均直径超过950mm，厚径比0.2%，制造时大量采用焊接、超塑成形工艺。服役使用中，其壳体联动环跑道产生一系列复杂穿透型裂纹，最大长度约70mm（见图1、图2），严重影响了装备的安全使用。为此，需研究进气机匣联动环跑道裂纹产生的机理和修复技术。

1 机匣联动环跑道裂纹机理研究

进气机匣是发动机的承力部件，由钛合金制成。壳体表面采用氩弧焊，焊接一环形集气腔，从高压压气机5 级后引来热空气，以防止固定叶片和整流罩结冰。如图3 所示，进气机匣设有15 个可变弯度的导向叶片，导向叶片前部为固定叶片，采用先进的超塑成型和扩散焊接连接工艺制成；后部为变弯度可转叶片，由两个作动筒通过联动环驱动，联动环上的支撑销支撑在机匣壳体跑道位置。

进气机匣的制造工艺为环形件毛坯锻造+焊接+机械加工，机匣壳体的显微组织为等轴双态组织，α 相约70%，β 相约30%，有明显的轧制形变带。

由进气机匣壳体联动环跑道处的截面图可知，壳体外壁有一斜面，斜面的两端与附近平面有过渡转折，转折位置如图4 中蓝圈所示。结合进气机匣上裂纹的形貌和机匣转折处的机加痕迹可知，裂纹是从图1 中右侧的止裂孔位置萌生的，沿周向扩展3cm 后转向并进一步扩展4cm 至左侧止裂孔位置。

图1 壳体联动环跑道裂纹

图2 壳体联动环跑道“山”形裂纹

图3 进气机匣结构图

图4 进气机匣穿透型长裂纹萌生、扩展位置

综合分析多台进气机匣联动环跑道裂纹形貌和扩展路径，可知该类钛合金机匣穿透型长裂纹的萌生位置都位于机匣外壁的变截面附近。另外，仔细观察可发现，该变截面处的机加工接痕明显，沿机匣周向有多道深浅不一的沟壑，在疲劳应力的作用下，此处容易萌生裂纹，并沿着周向逐渐扩展。该结论与实际裂纹多沿着周向扩展的现象吻合。

结合该型发动机进气机匣的使用情况可知，机匣联动环跑道本身的强度储备不足，在发动机振动载荷和风扇一级转子叶片气流激振作用下，进气机匣承力系统载荷最集中或强度最低部位容易产生疲劳裂纹。由于变截面处应力集中、表面粗糙度高，疲劳裂纹首先在机匣外壁的变截面处萌生，并在振动载荷下沿着周向扩展，最终导致失效。

根据失效件断口形貌和理论计算，初步确定风扇第一级转子叶片在激振耦合因素作用下使进气机匣承受了强度较高的扭转应力。

2 机匣联动环跑道裂纹修复研究

图5 穿透型长裂纹的激光熔覆试验（第一次）

进气机匣是直径大、壳体壁薄的零件，形位、尺寸要求较高，但自身刚度不足，待修复裂纹的位置接近定位基准面，焊接修复过程中容易造成零件发生较大变形。普通焊接将造成上安装边凹陷、外壁跑道凹陷、安装止口不对中以及机匣同轴度、圆度等形位公差的改变。这些变形将导致装配困难。

因此，从以下三个角度研究机匣的修复形变控制技术，以克服变形问题。

1）减少整体热输入量，采用激光熔覆技术修复主裂纹、手工氩弧焊修复止裂孔的思路，以控制焊后形变。

控制修复变形量的核心是控制热输入量、减少热影响区，从而降低残余应力水平，达到减少形变量的目的。综合发挥激光熔覆技术和手工氩弧焊技术各自的优势，以小能量的激光熔覆修复主裂纹，以工艺成熟的手工氩弧焊修复止裂孔。按照该思路，利用工艺件进气机匣模拟故障裂纹，在优化组合激光熔覆工艺参数的基础上，以控制热输入为手段，实现控制形变量的目的。

如图5 所示，激光熔覆使用单道多层、低功率工艺，熔覆坡口深1.8mm，宽4mm，熔覆完成后的宽度为6mm。

将基准面的内侧变形量结果，与使用氩弧焊修复整条裂纹的结果进行对比比，机匣的变形量明显减小，从6mm减少到0.5mm。但机匣的轴向变形量较大，熔覆区域中段的变形量为0.5mm 以上，因此应考虑使用导热的固定夹具。

2）热导法控制焊接形变，制造熔覆焊接辅助工装夹具。

为了进一步减小机匣形变量，采用控制焊后变形的第二种思路，即及时导走焊接过程中的热量，减少焊接热量对基体的影响范围，使焊接应力产生的塑性形变区域尽可能小。为此，根据裂纹形貌和机匣尺寸设计了相应的铜夹具，利用紫铜良好的导热性能，及时导走熔覆、焊接的多余能量。铜夹具及使用情况如图6 所示。

图7 所示是在第一次激光熔覆试验工艺参数的基础上，增加自制铜夹具后进行的形变控制试验。熔覆坡口参数与第一次熔覆一致，深1.8mm，宽4mm，熔覆完成后的宽度为6mm。从试验的形变测试结果来看，机匣内侧的形变量由第一次的0.5mm 减少到0.3mm。由此看来，铜夹具可以减少40%的形变量。

3）优化坡口形式，在保证去除裂纹、氧化物的前提下，减少坡口尺寸，从而控制热输入。

采用该方法的核心思路是：减少在熔覆或焊接时的金属填充量，从而控制热输入，达到控制形变的目的。

图6 穿透型长裂纹激光熔覆修复专用铜夹具

图7 使用铜夹具后的激光熔覆效果（第二次）

图8 优化坡口形式后的激光熔覆效果（第三次）

在试验研究过程中，一共进行五种V 型坡口（宽度分别为2mm、2.5mm、3mm、4mm、5mm）和两种双V 型坡口的试验。从熔覆质量和形变量两个方面对不同参数的坡口进行评价，选取结果最优的进行模拟熔覆试验。

如图8 所示，在第二次试验的基础上，改变铜夹具的装夹方式，并进一步改善激光工艺参数和坡口尺寸，减少金属熔覆量，减少热输入量。

由试验测试结果可知，机匣内侧的形变量由第二次的0.3mm 减小到0.10～0.2mm，外侧变形量由第二次的0.33mm 减 小 到0.10～0.16mm。该 结 果表明，将铜夹具仿型打磨与机匣紧密贴合、减少坡口横截面，减少金属的填充量后，能够明显降低形变量。

因此，利用导热法原理，自制铜夹具进行导热，可以减少40%的形变量；通过改变坡口形式、减少金属熔覆填充量，可以减少30%的形变量；改变激光熔覆的工艺参数，控制热输入量、单位能量密度，可以使形变量进一步减少，满足了产品尺寸和形位要求。

通过产品修复发现，焊接变形存在突变位置，根据焊接过程及焊接前后的外观观察对比，应是氩弧焊止裂孔造成的，而激光熔覆造成的形变量非常小。其中，安装边和壳体联动环跑道变形稍大，其余均在允许变形范围内。外壁跑道变形可以通过调整发动机α1调节系统的安装座、支点、外壁修型、内壁修型等达到安装要求。

3 改进及预防措施

针对进气机匣联动环跑道裂纹故障，主要的控制措施如下：

2）检查联动环跑道表面及前后部倒角处的粗糙度，不超过Ra1.6 且表面不允许存在机加接痕。

预防措施：

图9 进气机匣涂敷阻尼胶带位置

图10 带加强筋进气机匣

1）为预防故障发生，针对旧结构进气机匣检验试车合格后，对联动环跑道10cm 范围内的表面涂敷阻尼胶带，位置如图9 所示。模态试验和动应力测试结果表明，涂敷阻尼胶带的进气机匣的振动应力降低明显，在激振因素未发生改变的情况下，动应力由95MPa 降低至22MPa，可有效预防该故障。

2）为彻底杜绝进气机匣联动环跑道裂纹故障，设计部门在进气机匣联动环跑道和后安装边之间增设了加强筋（见图10），以增加该部位的刚性，彻底杜绝故障的发生。

4 结论

根据进气机匣联动环跑道裂纹断口分析结果并结合仿真计算分析，得到产生裂纹机理，因此提出以下故障修复方法：

1）联动环跑道处的机加接痕明显，沿机匣周向有多道深浅不一的沟壑，发动机工作过程中风扇第一级转子叶片激起机匣振动，导致在故障部位萌生裂纹并扩展，机匣本身强度储备不足，联动环凸台存在尖边，应力集中是重要影响因素。

2）利用导热法原理，自制铜夹具进行导热，可以减少40%的形变量；通过改变坡口形式、减少金属熔覆填充量，可以减少30%的形变量；改变激光熔覆的工艺参数，控制热输入量、单位能量密度，可以使形变量进一步减少，满足了产品尺寸和形位要求。

3）在进气机匣联动环跑道和后安装边之间增加加强筋，增加该部位的刚性，能彻底解决上述故障。