探究航空发动机叶片缺陷成因与再制造工艺

摘要：多年来，我国航空工业一直在不断的创新科技，使得我国航空工业制造的先进性水平得以大幅度提升。对于航空器的运行来说，保证发动机的稳定运行，是保障航空器飞行安全的关键，而实际上航空发动机叶片出现缺陷的概率比较高，对发动机的性能发挥会产生不良的影响。本次研究将先分析航空发动机叶片的损伤类缺陷成因以及附着类缺陷成因，然后围绕航空发动机叶片再制造工艺开展研究。

关键词：航空发动机；叶片缺陷；成因；再制造工艺

引言

可以说航空发动机就是航空飞行器生命运转的心脏，发动机的性能会直接影响到飞行的安全和效率，而发动机的核心组成是叶片，叶片的运作是在高温、高压和高应力的复杂工作环境中进行，保证叶片的质量，于发动机可靠性保障而言显得尤为重要。导致叶片出现缺陷的成因很多，需要深入研究这些成因，有针对性地采取预防措施和减少缺陷的发生。而再制造工艺的研究需要持续进行，实现不断提升叶片制造精度，延长叶片使用寿命，从而为航空工业可持续发展做出更多贡献。

1航空发动机叶片损伤类缺陷成因分析

1.1疲劳裂纹

航空发动机叶片的运行环境比较复杂，也尤为恶劣，叶片长期运转期间也需要长时间的承受发动机运转而产生的应力作用，长此以往材料内部的微观结构逐渐发生损伤累积，就容易出现疲劳裂纹缺陷。航空发动机运行过程中，叶片需要经历多次启动、停机，并且在不同工况叶片的温度和压力状态也会产生变化，使得叶片材料内部产生交变应力，当应力作用超过材料的疲劳极限时，微小的裂纹便会在材料的薄弱区域开始形成并逐渐扩展，还有在叶片作业时若是表面有夹杂物，会进一步加速裂缝的扩大。

1.2磨损

在航空发动机运行期间，叶片需要保持高速旋转状态，并且叶片旋转的环境温度和压力水平都偏高，叶片会受到各种机械力和热力的综合施压，叶片表面也是与空气、燃料以及燃烧产物有着直接的接触，长期运转下叶片的表面材料会逐渐被磨损。磨损问题形成后会导致叶片表面粗糙度增加，叶片的形状也会随之产生微小的变化，其气动性能和机械强度就会受到不良的影响。叶片磨损缺陷的形成有多方面原因，发动机工作期间，空气中的尘埃、沙粒等硬质颗粒可能会进入发动机内部，对叶片表面造成机械冲击和切割，导致磨损；发动机运转期间内部温度分布处于不均匀的状态，会导致叶片表面不同区域的热膨胀程度出现差异，产生的热应力会导致叶片表面材料的微小剥落，进而形成磨损；发动机叶片在高温环境下工作时，表面材料容易与氧气发生化学反应，形成的氧化层在机械力的作用下容易剥落，导致材料损失，从而形成磨损。

1.3腐蚀

航空发动机叶片出现腐蚀的概率也比较高，发动机运转以及叶片旋转都会产生大量的热能，形成高温高压环境，再加上发动机燃烧、冷却系统的运行等，会创造出极具复杂特性的化学环境，进而会产生化学或电化学反应，导致材料表面或内部结构的逐渐破坏，出现点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀等缺陷。其中，在叶片表面形成微小的腐蚀坑称之为点蚀缺陷，这些坑点会逐渐扩展导致叶片材料的局部穿孔；而应力腐蚀是指在应力和腐蚀环境共同作用下，叶片表面或内部产生裂纹，裂纹持续扩展会导致叶片断裂；晶间腐蚀则是指腐蚀沿着材料晶粒边界进行，导致材料的机械强度显著下降。

2航空发动机叶片附着类缺陷成因分析

2.1积碳

航空发动机叶片出现积碳缺陷，是因为发动机燃烧期间，燃料消耗不完全，会产生碳氢化合物，其在高温下分解会生成碳黑和其他有机物，逐渐积累在叶片表面，形成坚硬的积碳层。而导致燃料燃烧不完全的情况发生，则是多方面因素造成的，比如燃料品质不佳，存在杂质，就会导致燃烧过程中产生更多的碳氢化合物，从而增加积碳的风险。或者是燃烧室的温度没有得到规范的控制，温度过高会导致燃料分解不完全，而温度过低则会导致燃料燃烧不充分，这都会导致叶片积碳。

2.2残留涂层

在航空发动机的叶片的制造和维修期间会在表面涂覆一些保护涂层，为的是防止高温、氧化和腐蚀等环境因素对叶片造成损害。后期在涂层的去除过程中，如果使用的化学溶剂或机械打磨方法不当，可能会导致涂层去除不彻底，留下一些残留物，涂层残留物会对损害叶片表面的质量。

3航空发动机叶片再造工艺研究

3.1激光熔覆技术

激光熔覆技术主要应用于航空发动机叶片的表面修复和强化领域，该技术将高能密度的激光束作为热源，使用金属粉末或丝材熔覆在基体表面，形成与基体冶金结合的熔覆层，以此可以显著提高叶片的耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性，从而延长叶片的使用寿命。激光熔覆技术应用期间必须要精确控制激光功率、扫描速度、光斑大小和粉末送进速度等参数，从而保证熔覆层厚度、成分和微观结构达到标准要求，其中单次熔覆厚度可在0.2～2.0mm范围内灵活调整，熔覆过程中还可以采用镍基、钴基和铁基合金多种金属粉末，以满足不同应用场景的需求。

比如某次修复叶片表面，采用了锐科激光4000W光纤激光器，加工效率可以达到回转体2m2/h，在平面件和复杂曲面上，在单边厚度达到0.6mm时可以达到1 m2/h的加工效率，修复叶片表面的现场情况可见图1和图2。

3.2热焊接技术

热焊接技术的应用主要是通过高温焊接过程，来实现将损坏或磨损的叶片进行修复和再制造，让叶片恢复至原有的性能状态和使用寿命。在高温焊接处理期间，需要对焊接的温度水平进行严格控制，保持温度范围规范的前提下，也要保证焊接过程温度的恒定，不能忽高忽低。焊接时观察焊接区域是否达到充分融合状态，对焊接时间进行合理控制，避免出现未焊透或过烧的现象。另外，根据叶片的材料特性和使用环境，选择合适的焊接材料，比如纳米材料和复合材料都属于比较优质的焊接材料，可以显著提升焊接区域的力学性能和耐高温性能，优化修复效果。

3.3水基类型清洗技术

航空发动机叶片在长期服役过程中，表面会形成积碳、油污等污染物，水基类型清洗技术利用专业清洗剂，通过降低污染物之间的界面张力，将顽固的附着物从叶片表面剥离。清洗中需要注意，不同材质的叶片对清洗剂的耐受性不同，例如，高温合金叶片和钛合金叶片对清洗剂的pH值、成分等都有着不同的要求。需要根据叶片的材质、结构和污染程度，选择合适的清洗剂配方和清洗工艺参数，才能在保证清洗效果的同时，避免对叶片基材造成腐蚀或损伤。

3.4机械物理去除技术

研磨技术通过使用不同粒度的磨料和研磨工具，可以有效地去除叶片表面的微小损伤和磨损层，研磨期间需严格控制磨料的粒度和研磨压力，以确保叶片表面的精度和光洁度。还可以应用喷砂技术，利用高速喷射的砂粒或其他磨料颗粒来去除叶片表面的氧化层、积碳、残留涂层以及其他附着物，同时还能起到清理和抛光的作用。

4结语

近些年，我国航空业的发展势头迅猛，而航空器械飞行期间，所有的动力来源于发动机，发动机设备运行的质量对于航空器飞行的质量以及安全都有决定性的影响。航空发动机的叶片在长期运转下出现相应的缺陷问题是无法完全避免的，因而对各类缺陷形成的特征以及机理进行明确非常必要，从而更好的预防缺陷单的形成，并在缺陷发生时能够采取措施有效的处理，避免影响发动机运转质量。同时要持续开拓研究航空发动机再制造技术，合理应用激光熔覆技术、热焊接技术等先进的制造手段，来强化发动机叶片制造品质的可靠性，为航空工业的可持续发展提供更多助力。

参考文献：

[1] 刘国库;王威.航空发动机叶片制造及再制造技术研究[J].科技创新与应用，2022（33）

[2] 单兴东;赵国龙.航空发动机叶片缺陷成因与再制造工艺分析[J].中国机械，2024（36）

[3] 谢学远.航空发动机叶片制造变形原因分析与加工应对方法研究[J].新型工业化，2020（06）

[4] 李文辉;温学杰;李秀红;杨胜强.航空发动机叶片再制造技术的应用及其发展趋势[J].金刚石与磨料磨具工程，2021（04）

作者简介：王军（1988-），男，汉族，籍贯云南省祥云县，本科，工程师，从事机加工艺设计工作。