浅析表面完整性再制造技术在航空发动机的应用

王 征，杜文川，程兴远

（1.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043；2.河北育新通用航空服务有限公司，河北 石家庄 050072）

1 表面完整性再制造的关键技术

伴随航空航天材料不断更新，新合金比以往任何时候都更可靠，但在使用过程中仍然会遇到严酷的环境条件，如高温和高度氧化的腐蚀，这些部件的损坏是不可避免的。因此，如何开发更高效、更经济的维修方案，已成为航空航天行业的一项重大挑战。为了解决这些问题，可以采用表面完整性再制造技术，该技术分为四大类：表面强化、焊接和钎焊、热处理，以及涂层和电镀。表面完整性再制造的一些关键技术和工艺介绍如下。

1.1 强化技术

表面强化技术是一种主要用来提高金属件疲劳性能的表面改性技术，已在工业领域得到广阔的应用，其原理是它利用冲击力或挤压力等形式的机械作用使金属材料近表面区域产生局部的弹塑性变形，导致在材料表面或是亚表层产生了残余压应力，并使材料显微结构发生改变，增强了其抵抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力[1]。常见的表面强化工艺主要包括喷丸强化，深滚压，冷挤压技术，其中喷丸技术包括传统喷丸（见图1）和先进喷丸技术，后者包括微粒子喷丸、激光喷丸、超声波/高能喷丸或冲击、高压水射流喷丸[2]。

其中超声波喷丸强化技术是目前最具有前景的金属材料冷加工表面强化处理工艺之一，它不但克服了传统喷丸的不足，且强化效果优于传统喷丸，有更好的工艺可控性[3]，如图2所示。

图2 超声喷丸设备[4]

1.2 堆焊与熔覆技术

现代焊接技术，如激光，气体钨电弧和等离子转移电弧焊和钎焊工艺，如瞬态液相粘合，扩散粘合，真空钎焊和宽间隙钎焊，用于将使用过的外露部件恢复到可使用状态及提高表面完整性。

熔覆的原理是在某种热源作用下，使熔覆材料和母材熔化，构成合金化熔池，经冷却结晶形成覆层；其主要参数为稀释率，反映熔覆材料的合金成分被母材的冲淡情况。

稀释率d的定义：

其中f为熔覆金属的面积，B为母材熔化区面积。其含义是B大于零，称为堆焊，B趋于零，称为熔覆。

堆焊与熔覆分类主要有：

（1）电弧堆焊，包括手工焊条堆焊/药芯焊丝自动堆焊/丝材或带材埋弧堆焊等。擅长堆焊大面积、大厚度，设备购置费约3万元。

（2）等离子弧喷焊，擅长在规则形面上制备耐热合金层。

（3）激光熔覆，擅长在复杂形面上制备合金层。

堆焊与熔覆适用条件为：

（1）零件磨损量大。

（2）零件服役工况恶劣。

（3）零件可焊性要好（无裂纹、不易变形、应力小）。

（4）涂层与基体冶金结合，结合强度大于500 MPa 级。

（5）能用于承受交变负荷的表面。

堆焊与熔覆的使用要领为：

熔覆层合金化设计（影响表面性能、可焊性及后续加工性能。

1.3 热处理技术

热处理技术包括再生热处理和矫直热处理两类：再生热处理涉及解决和老化步骤，使微结构恢复到其最佳形态。显示组件微观结构恢复，并且随后的应力破裂寿命恢复到适合继续使用的条件。在高温部件和材料降解等应力条件下工作的热部件发生变形，变形部件的尺寸有时需要调节（例如，涡轮导向叶片和压气机盘的后缘），这可以通过矫直热处理（即使材料塑性变形）来实现。

1.4 喷涂与电镀技术

随着先进热障涂层技术与固体氧化物燃料电池制造需求的发展，对陶瓷涂层组织结构调控的要求促进了等离子喷涂技术发展，由此提出了超高真空等离子喷涂技术、等离子喷涂物理气相沉积技术；伴随纳米材料与纳米结构涂层制备技术的发展，可制备纳米结构涂层的液料热喷涂方法得到发展[5]。

电刷镀是一种无槽液相电沉积技术,其原理是镀液中的金属离子在工件（阴极）上沉积，镀笔的运动可提高电流密度并有利于氢气排出。电刷镀的使用条件为：

（1）补偿尺寸：理想为0.2 mm以下，最大3 mm（需多层夹心镀）。

（2）外圆和平面镀积面积可大可小。内孔以镀笔能伸入镀液易流动为原则。

（3）镀积尺寸便于控制，如快速镍沉积率0.5～10 μm /min，设备上有安培小时计。

（4）基体温度常温态，零件不变形。

（5）通过选择镀积金属或添加纳米颗粒来调节表面性能。

（6）镀层与基体属外延式联生结晶，结合强度300 MPa级。

（7）常用于零件上与滚动轴承内外圈的配合面、密封件配合，面、花键侧面等，不宜用于受交变负荷的表面。

（8）便于现场施镀，便于对设备局部解体施镀。

空军某部利用纳米电刷镀技术再制造苏-XX飞机发动机压气机叶片，并已通过空军装备部组织的300小时台架考核和专家组鉴定。该技术已被空军批准用于飞机发动机零部件的批量再制造。

2 在航空发动机部件的应用

在航空发动机部件使用期间，裂纹、氧化、腐蚀、磨损、变形和材料退化是常见的表面损伤。通过基于表面完整性再制造技术提出的航空发动机再制造系统，修复了这些表面损伤并恢复了表面完整性。一些典型的应用示例如下：

示例1：叶片修理。

对于低压压气机/风扇叶片：国外航空发动机制造和维修企业如MTU、Chromalloy等已经掌握叶片部件修复的相关技术，大都采用激光熔覆结合自适应磨削加工的修复方法，叶片修复后的精度和性能良好[6]。

对于高压压气机叶片：热—机械疲劳裂纹和叶尖腐蚀是高压涡轮叶片的常见损伤方式。叶尖修复通过激光熔覆、再生热处理、TBC应用、放电加工，基于原始轮廓的长度来再制造航空发动机损伤叶片[7]。

对于涡轮导向叶片：涡轮导向叶片处于高温环境，采用材料为熔点较高的金属，而钎焊具有加热温度低，修复后部件变形较小，接头残余应力小等优点，适合焊接难熔化的金属，在受损的航空发动机和燃气轮机涡轮导向叶片的维修中被广泛应用[8]，如图3所示。

图3 涡轮导向叶片的边缘修复

示例2：燃烧室内衬的补丁修复。

由于高温气体的氧化，热腐蚀、热疲劳和局部热点、开裂和材料缺失是燃烧室内衬的常见破坏方式。贴片焊接修复用于修复大面积燃烧衬垫的表面损伤。

3 结语

再制造技术是实现可持续社会和表面完整性的关键因素，是绿色制造技术的新方向。随着当代科学技术的迅速发展，越来越多的新材料（如单晶高温合金和复合材料），结构（如整体叶盘或环）和工艺（如线性摩擦焊和激光喷丸）将用于先进的高性能航空发动机，未来随着航空航天工业大发展，其中大量的报废产品对再制造工程具有巨大的机会。同时，再制造应用存在相当大的挑战，表面完整性再制造的进步需要创新的再制造工艺技术，3D打印和纳米级加工等最先进的技术将为再制造带来新的活力。再制造是潜在的巨人，再制造产业是朝阳产业，有广阔的发展前途。再制造是地区经济发展新的增长点，再制造为企业的发展提供了新的途径，也为科技人员提供了施展才能的新课题。