局部热处理技术在整体叶盘维修中的应用

侯廷红 何勇 陈海生 叶勇松

摘要：整体叶盘叶片的服役损伤可采用熔焊、高能束增材制造、线性摩擦焊等技术进行修复。为避免热处理影响整体叶盘未修复区域的组织性能以及产生变形，一般在修复区域采用局部热处理来消除焊接应力和调整组织性能。本文综述了局部热处理的技术原理、系统组成、评定准则和模拟仿真，介绍了整体叶盘叶片损伤修复局部热处理技術的研究进展，分析了不同局部热处理技术面临的挑战和需要解决的应用基础问题。

关键词：整体叶盘；损伤；修复；局部热处理

Keywords：integral blade disc；damage；maintenance；local heat treatment

0 引言

整体叶盘是先进航空发动机实现结构创新和技术跨越的核心部件。整体叶盘维修保障是决定其能否实现工程应用的关键环节。国外航空发动机制造商非常重视研究先进发动机的维修保障技术，往往在设计研制阶段就开始并行研究。

整体叶盘在工作过程中大多为个别叶片的局部损伤。如果对仅修复个别叶片局部损伤的整体叶盘进行整体热处理，一方面将影响整体叶盘未修复区域的组织和性能，另一方面将导致整体叶盘产生变形。因此，在对整体叶盘叶片局部的修复过程中，无需对整个叶盘进行热处理，而需针对损伤修复部位进行局部热处理以去除熔焊、高能束增材制造、线性摩擦焊等高温过程产生的应力，并调控修复区域的组织和性能。

1 局部热处理技术

1.1 技术原理与现状

局部热处理是在零件局部进行的热处理工艺，主要用于熔焊、增材制造、线性摩擦焊等特种工艺的焊后热处理，适用于整体热处理无法应用或难以满足工艺要求的场合。局部热处理的作用是消除焊接残余应力和改善焊接接头的组织与性能。

局部热处理的影响因素很多，如零件材料、加热体、加热方式、工作负载、加热区域、加热温度和保温时间、加热和冷却速度等，目前对这些影响因素和过程机理的研究还不够全面和深入，导致各个国家、不同领域的局部热处理标准存在较大差异。对局部热处理研究相对系统、完善的是管道和压力容器领域，与局部热处理相关的主要规章包括焊接研究委员会的压力容器焊后局部热处理第452号公告[1]、美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范第VIII章[2]、英国标准5500[3]、澳大利亚标准1210[4]。在第452号公告中，零件局部热处理区域被划分为均热带（Soak Band）、加热带（Heated Band）和保温带（Gradient Control Band）三个部分（见图1）。其中，均热带包括焊缝、热影响区和焊缝附近部分基体；加热带是加热源覆盖零件表面并将其加热至所需热处理温度的区域，同时控制温度梯度以减小热应力，包括均热带和部分基体；保温带是隔热和放置加热热源的表面区域，同时控制温度梯度，包括均热带、加热带和部分基体。局部热处理工艺过程主要控制这三个温度带宽度，其中加热带宽度是最重要的工艺控制参数，它一方面保证均热区在要求的温度范围之内，另一方面获得消除残余应力的最佳效果。

1.2 系统组成

局部热处理设备主要包括加热体、加热控制、热电偶及记录仪器、设备安装要求等，现简述如下。

1）加热体

可供选择的局部热处理加热体类型和热源主要包括以下五种：直接辐照或聚焦反射的石英-卤素、钨-石英和红外加热元件；陶瓷加热板；按照零件外形尺寸设计的感应加热元件；通入以电阻加热元件受控加热的流动空气或其他保护气氛；缠绕或定位在待热处理区域的线圈电阻加热元件。

在上述五种加热体中，最常用的是感应加热元件，通过设计与零件待热处理区域匹配的感应线圈和功率，可实现零件高效局部热处理。虽然高能电子束和激光束也可用作加热源，但因其控制和实现较难而较少采用。

2）加热控制与工作负载

所选择的加热体必须配备加热控制装置，可以调节输出以维持热处理所要求的温度控制点和范围。每个热源均应配备独立的控制装置，同时提供超温保护。热处理工作负载应根据加热体类型采用气冷或水冷。

3）热电偶及温度记录装置

在局部热处理温度范围内，测温装置的精度应不低于最高温度的±0.5%。采用的热电偶应符合ASTM E220和E320标准，热电偶计量检测时应满足零件不同外形和修理区域的要求。温度传感器和记录装置应符合AMS 2750标准。

4）设备安装要求

结合整体叶盘叶片修复需求，局部热处理设备的安装应满足如下要求：根据需进行热处理的零件和加热设备选择加热体，将其定位并安装在包括热影响区的整个修复区域中；采用多个单元加热体时应保证足够的重叠宽度，以避免单元加热体之间产生冷隔区；加热体可放置在修复区域两侧或一侧，如果放在一侧，在加热体相对侧应放置玻璃布毯或陶瓷纤维；局部热处理区域周围不需进行热处理的区域应采用隔热材料进行隔离；按照局部热处理工艺要求至少采用两根热电偶监控热处理温度。

1.3 评定准则

结合管道和压力容器领域的相关经验，对上述两个评定准则进行如下解释。

1）基于残余应力消除效果的直接评定准则

该评定准则的基础是评定局部热处理后的残余应力，即基于粘弹塑性有限元方法，在应力松弛过程中考虑包括弹性应变、塑性应变、蠕变应变和热应变，模拟热处理过程中的应力变化及最终的残余应力水平。评定过程的实质是在局部热处理条件下找到一个最优的加热带宽度，获得与整体热处理相当的残余应力去除效果。汪建华等[5]的研究结果表明，局部热处理后的最大残余应力随加热带宽度的增加而降低，当加热带宽度达到一定值时，残余应力变化十分缓慢，且与热处理时的残余应力十分接近，该宽度为临界加热宽度。

2）基于改善焊接接头性能的均热区温差准则

局部热处理的主要目的是为了提高接头的韧性和降低硬度。为此，在局部热处理过程中，应保证包含焊缝和热影响区在内的均热带不超过规定的最高温度并在容许的温差范围内。焊接接头性能的改善主要与均热带的温差有关。基于传热有限元分析可建立均热带温差与零件厚度的關系曲线。汪建华等[5]的研究结果表明，零件厚度是均热带温差的主要影响因素，临界加热带半宽随零件厚度增加而急剧增加。

1.4 模拟仿真

采用计算机技术可以模拟仿真局部热处理过程，分析热处理过程中的温度场和应力场，为热处理工艺制定和应用提供参考依据。

刘红[6]基于温度、应力应变和微观结构之间的耦合效应关系，采用JMatPro软件建立了70Cr3Mo钢激光局部热处理的多场耦合模型，分析了热处理过程中的温度场和残余应力场分布。

胡美娟等[7]以ANSYS有限元软件为平台，对2mm、6mm和12mm等不同厚度TC4钛合金平板电子束焊接和局部热处理时的温度场和应力场进行了数值模拟计算，分析了局部热处理对电子束焊接温度场和残余应力场的影响，为钛合金平板电子束焊接和局部热处理复合工艺的制定和应用提供了参考。

Phillip等[8]参照NBIC和ASME规范，采用有限元软件设计优化了压力管道局部热处理加热体构型及均热带、加热带和保温带大小，模拟仿真了热处理过程中的稳态温度场、残余应力场和塑性应变场分布，为局部热处理工艺的制定提供了参考和指导。

Lee等[9-12]采用有限元软件建立了焊后局部热处理数值模型，并据此模拟分析了焊接接头的力学行为、残余应力分布、应力松弛、组织转变以及对接头的完整性评价，为优化局部热处理工艺提供了理论依据。

2 局部热处理技术在整体叶盘维修中的应用

为避免整体叶盘修复后整体热处理对未修复区组织和性能的影响以及可能导致的变形，整体叶盘修复后必须采用局部热处理方法进行处理，对于采用双合金、双组织设计的整体叶盘尤其如此。由于整体叶盘叶片型面复杂、空间位置狭窄且可达性差，因此，实施局部热处理的限制因素较多，应主要解决以下五个方面的问题。

1）加热方式和加热体选择设计：结合整体叶盘修复需求和现有局部热处理设备、工艺、技术水平，选择接触式或非接触式加热方式，为接触式加热方式设计加热体构型。

2）专用工装夹具设计：针对整体叶盘的外形尺寸和修理位置，设计专用工装夹具，满足局部热处理过程中叶片待处理区域精准定位和位置调整的要求。

3）局部热处理对修复区组织和性能的影响：考察局部热处理对整体叶盘修复区组织和性能的影响。

4）局部热处理对非修复区组织、性能和应力变形的影响：考察局部热处理对整体叶盘加热区-非加热区界面、非修复区组织和力学性能、应力变形的影响。

5）局部热处理温度测量和闭环控制：针对整体叶盘基体材料和修复区域，选择局部热处理的测温位置、测温方式、控温方式和闭环反馈。

目前，在整体叶盘维修中常用的局部热处理方法有高能束（激光和电子束）、感应加热、惰性气体气氛加热、辐照/反射加热等四种。

2.1 高能束局部热处理

以激光和电子束为代表的高能束热源既可用于整体叶盘损伤修复，又可用于整体叶盘局部热处理，一般通过双能束复合来实现。以电子束焊后局部热处理为例，电子束以线或面热源形式通过对焊缝及热影响区内小面积范围进行散焦扫描来实现局部热处理。线或面热源电子束以不同的扫描速度在零件表面移动加热，匹配不同的冷却速度，可获得不同的热处理工艺规范。该技术存在操作空间受限、可达性差、温度场实时监测难、对遮挡区域不能实施局部热处理等缺点和不足，需重点发展红外热成像测温系统或完善高温热电偶测温系统来解决温度场监控问题。

2.2 感应加热局部热处理

感应加热局部热处理的应用代表是德国摩天宇公司。该公司申请了整体叶盘感应加热局部热处理方法专利，研制了感应加热局部热处理设备（见图2）并开展了感应加热局部热处理技术的研究和应用。该技术的关键在于感应加热元件的精确设计，需要解决的问题包括：整体叶盘狭窄受限空间内加热元件构型设计和非加热区隔热保护；设计优化均热带、加热带和保温带的范围及大小；需通过粗略估算、定性分析和多次优化试验来完成加热元件的设计。该技术存在受零件外形尺寸限制、温度场难控制、进/排气边同时加热存在热阻塞等缺点和不足，需重点解决温度场控制和热阻塞问题。

2.3 惰性气体气氛加热局部热处理

罗罗公司发明了整体叶盘叶片惰性气体气氛加热局部热处理方法（见图3）。该技术针对整体叶盘叶片修复区域设计专用加热套，在加热套内填充流动的可加热至热处理所需温度的氩气、氦气等惰性气体，形成局部热处理保护气氛。该技术存在加热套及配套设备复杂、气氛温度均匀性控制难、受叶片空间位置限制等缺点和不足，适用于叶片外形和空间较大的风扇整体叶盘。

2.4 辐照/反射加热局部热处理

通用公司和联合技术公司分别发明了采用石英-卤素灯、钨-石英灯和红外加热元件等作为热源的整体叶盘辐照/反射加热局部热处理方法。该技术采用聚焦反射装置将石英-卤素灯、红外灯等加热元件产生的热投射到整体叶盘上的待热处理区域，通过选择不同功率的加热元件来获得所需的热处理温度，具有设备简单、易于控制等特点。该技术存在辐照/反射装置对叶片外形尺寸的适应性较差、温度均匀性控制难等缺点和不足，适用于叶片型面简单、空间位置较大的整体叶盘。

3 结束语

整体叶盘是先进高性能航空发动机的关键核心部件，未来的发展趋势是风扇、压气机、涡轮都将采用整体叶盘结构，同时还将采用扭曲叶片、端弯叶片、带冠叶片等更加复杂的叶片结构。这对整体叶盘维修技术提出了新的、更高的要求。

局部热处理可有效消除焊接应力，调控修复区域的组织性能，是整体叶盘维修的关键技术之一，国内尚处于起步阶段，与国外相比还存在较大差距。本文介绍了整体叶盘叶片焊后局部热处理技术的研究进展，可供整体叶盘叶片修复时选择使用。今后应在复杂型面叶片适应性、加热带宽度设计与控制、温度场实时监测、温度均匀性控制以及新型局部热处理设备和加热元件等方面加强局部热处理技术研究，为整体叶盘维修保障提供技术支撑。

参考文献

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