某型航空发动机高压压气机转子叶片3D打印再制造技术研究

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1、某型航空发动机高压压气机转子叶片3D打印再制造技术研究3DPrintingRemanufacturingofHPCompressorRotorBlade■程小红侯廷红付俊波钱磊／成都航利(集团)实业有限公司摘要：针对某型涡扇发动机高压压气机转子叶片叶尖磨损故障．采用3D打印再制造技术进行修复。研究表明．采用3D打印再制造技术可实现该转子叶片的叶尖修复，解决7nt尖修理极限确定、逐层堆积过程中成形困难和复杂型面净近成形等难题。关键词：3D打印再制造；航空发动机：叶片Keywords：3Dprintingremanufactu

2、ring；aero—engine；blade0引言某型发动机高压压气机在工作过程中，叶片在高速旋转产生的离心力作用下发生伸长、湍流振动以及机匣变形，引起叶片与封严结构的接触磨损，导致叶片叶尖磨短，增大叶片与封严之间的气动间隙，降低发动机的工作效率。叶片故障检查结果表明，叶尖磨损损伤率为80％，报废率接近50％。由于叶片工艺复杂、加工精度要求高、制造难，价格昂贵，迫切要求对损伤叶片研究再制造技术并实现其再生使用。高压压气机转子叶片型面复杂，为三维变厚度空间截面，传统的焊接方法修复难度大，难以实现净近成形，对修复后叶片型面恢复

3、提出了很高的要求。随着3D打印再制造技术的快速发展⋯，采用先进的微弧等离子束3D打印再制造技术，利用微弧等离子热源具有高能量密度、分布局部集中、瞬时和快速移动等特点，可很好地解决上述难题，实现高压压气机转子叶片的3D打印再制造。13D打印再制造极限确定某型发动机高压压气机转子属高转速、高应力、高风险部件，为保证修理的可靠性，首先确定出3D打印再制造极限。根据叶片CAD图，利用UG6．0建立三维几何实体模型。采用HyperMesh进行有限元网格划分，建立有限元模型；通过ANSYS有限元分析软件，并施加适当的边界条件。具体情况

4、见图1。由图1可知，在设计转速与最大转速情况下应力分布未发生明显变化，最大应力出现在榫头边缘施加位移约束处，且叶身整体处于较低的应力水平，在伸根段附近存在轻度应力集中。o．23D打印再制造工艺2．1间隙元素控制钛合金压气机转子叶片工作时高速旋转，在不同部位上产生的离心、弯曲、扭转应第l阶振型的相对等效应力主要集中在叶背叶身伸恨段至叶高1／2处，最大相对等效应JJ在叶背叶身伸根段中部力不同。因此，叶片接长3D打印再制造区域需要具有较高的抗疲劳性能。氮、氧、氢等间隙元素含量的增加会提高接长区域组织的强度，但会大大降低接长区域组

5、织的塑性，从而降低抗疲劳性能。同时3D打印再制造组织中的气孔率也直接影响接长区域的抗疲劳性能。因此，焊缝中的氮、氧、氢元素含量和气孔率的控制是决定接长区域性能的关键因素。经过分析，3D打印再制造区域中的氮元素含量高于基体，氧和氢元素含量与基体相当，氮、氧、氢元素含量均图1振动应力分析—甄Ⅱ丑曩厢空维信与工程I口7AVIATIONMAINTENANCE占ENGINEER／～GV。低于叶片锻件要求。2．2TAll试样3D打印再制造金相组织分析TAll叶片采用模锻加工+双重退火处理(即900。C～925℃×1h，空冷；565℃～

6、595℃×8h，空冷)加工而成，试样TAll台金基体的金相组织(如图2)为标准的退火组织，拉长的等轴Or．相(灰色)和少量的变形p相(黑色)；在过渡区，靠基体侧界面为细小的片层结构，取向比较杂乱，靠3D打印侧为呈小区域排列的片层结构；在3D打印区为粗晶铸造组织，由晶内片状c【相和晶界Q相组成，D相存在于片状G【相之间。虽然在过渡区和焊缝区出现片层结构，但这种片层结构不同于钛合金典型魏氏组织的片层结构。魏氏组织的特点是原始D晶粒晶界完整，由连续的晶界Ot镶边，在13晶粒内有细长平直、互相平行的片状0【相。而过渡区和焊缝区的片

7、层结构要细小得多，由于取向无序，在较大范围内呈网篮结构分布。层与层之间的界面清晰干净，从局部看为取向交错的粗大的片层结构，从较大范围内看，相互交错的片层结构呈网篮分布，是一种独特的片层网篮结构。2．3GH4169试样3D打印再制造金相组织分析GH4169是一种以体心四方的v和面心立方的Y’沉淀强化的镍基高温合金。GH416911[-片3D打印再制造试样的金相组织如图3所示。试样基体具有复杂的组织结构，合金在标准热处理状态下的组织由Y基体、Y7、v”、6、NbC相组成，Y”相呈细小球状弥散分布，部分6相沿晶界析出；过渡区为细

8、晶组织，边缘保留部分Y7和v”强化相；层间打印区界面清晰，除边缘保留少量强化相外，其余部分为铸造细晶组织；多层3D打印区为典型的铸造等轴晶组织。2．4力学性能测试38l燃愿熙勰图2TAl1试样接长区域的微观组织图3GH4169试样接长区域的微观组织微弧等离子束3D打印试样的力学性能测试包括常温拉伸实验、