CN102953058A - 一种发动机中介机匣内壁磨损修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种发动机中介机匣内壁磨损修复方法，其特征在于：采用激光熔覆的方法，修复发动机中介机匣内壁磨损部位，修复工艺为：熔覆材料为BT20钛合金，其成分重量百分比为：Al 5.5～7.5、Zr1.5～2.5、Mo 0.5～2.0、V 0.8～1.8、Ti余量；单脉冲能量50J，频率4Hz，脉宽5ms，焦距150mm，光斑直径1.2mm，扫描速度1.2mm/s，氩气保护。采用该种方法可以延长航空发动机中介机匣的使用寿命，使中介机匣在完整的技术状态下工作，满足其使用性能。
Description
技术领域
本发明涉及发动机修理领域，特别提供了一种发动机中介机匣内壁磨损修复方法。
背景技术
发动机中介机匣是连接发动机高、低压压气机转子之间的重要的承力部件，是发动机轴向同心度的基准。其与弹性环之间为大的间隙配合。中介机匣在工作过程中，其
内壁会被与其配合的弹性环的凸台磨损出沟槽（面积约45×5），磨损深度不能大于0.04，而实际零件很多磨损超出0.04深度。目前，中介机匣磨损超差主要采用对弹性环转位装配，以此避开已磨损区域，而使中介机匣再服役使用。然而采用该方法，中介机匣处在其内壁的几何构形不均匀完整条件下工作，机匣内壁上的磨损坑有可能会导致机匣壁受力不均匀分布、滑油在腔体内分布不均匀，从而影响到工件的正常使用。并且机匣安装方位的变换次数是有限的，最终必然是报废。因此需要研究一种中介机匣磨损处的修复技术，使其恢复原始技术状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对发动机中介机匣磨损处进行构型重建的方法，采用该种方法可以延长航空发动机中介机匣的使用寿命，使中介机匣在完整的技术状态下工作，满足其使用性能。
中介机匣鼓筒内侧的磨损熔焊修复有两个问题需要解决，一是保证机匣焊接后不产生变形，即使发动机轴向同心度的基准保持不变，二是补焊材料在使用过程中不会出现剥落。基于以上技术要求，激光熔覆方法焊缝热影响区小，焊接变形小，因此我们选用激光熔覆的方法对其进行修复。采用激光熔覆方法修复中介机匣磨损还需解决以下关键问题：喇叭鼓筒壁薄，焊接时易熔透击穿；钛合金活性高，焊接易吸氢、吸氧，使焊缝变脆，需要很好的氩气保护。
本发明具体提供了一种发动机中介机匣内壁磨损修复方法，其特征在于：采用激光熔覆的方法，修复发动机中介机匣内壁磨损部位，修复工艺为：熔覆材料为BT20钛合金，其成分重量百分比为：Al 5.5～7.5、Zr1.5～2.5、Mo 0.5～2.0、V 0.8～1.8、Ti余量；
单脉冲能量50J，频率4Hz，脉宽5ms，焦距150mm，光斑直径1.2mm，扫描速度1.2mm/s，氩气保护。
本发明采用激光熔敷方法修复中介机匣内壁磨损处，可以实现BT20合金敷层与BT20合金基体的冶金结合，磨损试验结果证明熔敷层不会从基体剥离，且激光熔敷材料和本体相当，中介机匣磨损可以采用激光熔敷焊来修复。该修理方法使故障中介机匣恢复了原始技术状态要求，满足了发动机使用性能。修复一台中介机匣可获得经济效益约60万元。
附图说明
图1BT20基材上激光熔敷BT20合金层的组织图（放大100倍）；
图2BT20基材上激光熔敷BT20合金层的组织图（放大250倍）
图3激光熔敷BT20片硬度分布曲线；
图4磨头结构示意图；
图5磨损试验机结构示意图（其中：1、载荷；2、磨头；3、测试试样；4、旋转轮盘）；
图6低倍表面磨损形貌图；
图7磨损表面上犁沟形貌图；
图8磨损表面上细小裂纹形貌图；
图9表面磨损形貌图（熔敷层表面严重塑性变形，但未剥离）。
具体实施方式
实施例
中介机匣材料为BT20钛合金，其化学成分见表1，该合金属高Al当量的近α型钛合金，强度水平超过930MPa，工作温度可达500℃，瞬时（不超过5min）工作温度可达800℃，而在450℃下工作时，寿命可达6000h。
表1BT20钛合金的化学成分（wt％）
| Al | Zr | Mo | V | Ti |
| 5.5～7.5 | 1.5～2.5 | 0.5～2.0 | 0.8～1.8 | 其余 |
具体工艺步骤：
1）、故检：对中介机匣进行故检，测量磨损深度（一般深度为0.04～0.1，沿圆周均布10处）。
2）、焊前清理：对磨损处用砂布抛光。
3）、制作焊接试验片：测量磨损处的尺寸，选用焊接试验片，厚度为0.2mm，尺寸按实际磨损处尺寸剪裁（参考尺寸：45×5）。
4）、焊前清理：用丙酮和酒精将补焊处清洗干净。
5）、激光熔覆：采用JJ-D-400型Nd:YAG固体脉冲激光加工机进行激光熔敷BT20钛合金试验片，工艺条件为：单脉冲能量50J，频率4Hz，脉宽5ms，焦距150mm，光斑直径1.2mm，扫描速度1.2mm/s，氩气保护（10L/min）。
6）、磨加工：用风钻和砂轮对焊接处进行磨加工，保证和基体齐平，测量内壁尺寸，保证在尺寸要求范围内。
7）、焊接区着色检查，结果无裂纹。
8）、焊接区X光检查，结果无裂纹，气孔直径不大于0.2mm。
激光熔覆后BT20激光本体熔焊层组织状态：
激光熔敷层内还是与BT20基体结合界面处均无任何冶金缺陷，界面相容性好，热影响区不大，约在100μm左右。沿图1敷层左边第一个圆弧的中心测量其显微硬度分布（如图3），熔敷区的显微硬度稍高于基材，这同样是由于晶粒细化和部分β相发生马氏体转变的结果。
对于补焊材料在使用中是否容易剥落问题，我们进行相关的磨损试验来验证。磨损试验：
因中介机匣工作时与弹性环凸台摩擦而产生沟槽，因此为考核激光熔覆BT20合金层的耐磨程度是否与本体相当，进行了如下磨损试验：
首先将2mm厚BT20平板激光熔焊到钛块上，再用激光熔敷方式在BT20表面熔敷BT20薄层，制成测试试样3。为了激光熔敷修复层/磨头摩擦副更符合中介机匣实际工况，将弹性环上的钎焊铸铁部分切下焊接到磨头2顶端，打磨成圆弧状（如图4所示），进行磨损试验。
在EM5CB1-W3型往复式滑动磨损试验机（如图5）上进行磨损试验。磨头2（上试样）和测试试样3（下试样）均为自制，测试试样的尺寸为60mm×30mm×14.12mm，其中激光熔敷BT20钛合金层的尺寸为60mm×12.23mm×0.9mm。每个试样的磨损试验周期为100min，载荷分别为1.5，2，2.50kg。行程均为39mm，转数6000rad，转速为60rad/min。）相同载荷条件下多次测试，取平均值。
试验结果
1、磨损失重
由表2和表3的试验结果可知，随着载荷增加，激光熔敷层的磨损量基本是增加的，在载荷均为2.5Kg条件下，BT20激光熔敷层磨损失重19.4mg，BT20合金磨损失重18.1mg，二者相近，这表明激光熔敷修复区的耐磨性和基体相当。
表2铸铁/BT20激光熔敷层磨损试验结果
| 试样号 | 载荷/kg | 磨前质量/g | 磨后质量/g | 质量损失/g |
| 样1 | 1.5 | 113.5037 | 113.4875 | 0.0162 |
| 样2 | 2.0 | 113.4270 | 113.4112 | 0.0158 |
| 样3 | 2.5 | 113.4238 | 113.4044 | 0.0194 |
表3铸铁/BT20合金摩擦磨损数据表
| 试样号 | 载荷/kg | 磨前质量/g | 磨后质量/g | 质量损失/g |
| 样4 | 2.5 | 9.5062 | 9.4881 | 0.0181 |
2、磨损形貌
将激光熔敷BT20合金磨损试样在SEM扫描电镜下观察，在低倍下可以看到磨损表面有很多划痕（图6），划痕主要表现为犁沟和塑性形变（图7），并且在摩擦力法向方向上磨损表面存在细小裂纹(图8)，部分裂纹扩大成沟壑。但合金层与基体未出现起皮，剥离现象。划痕边界处也未出现与母体剥离，图9表明激光熔敷BT20合金层与基体连接紧密，在大载荷条件下仅出现法向裂纹，抗剥离。出现此类现象主要是由于钛合金与铸铁之间的摩擦系数较大（≈0.49），而钛合金的导热性又不佳，使得摩擦时摩擦力大，存在粘滞，导致裂纹出现。
Claims (1)
1.一种发动机中介机匣内壁磨损修复方法，其特征在于：采用激光熔覆的方法，修复发动机中介机匣内壁磨损部位，修复工艺为：
熔覆材料为BT20钛合金，其成分重量百分比为：Al 5.5～7.5、Zr1.5～2.5、Mo 0.5～2.0、V 0.8～1.8、Ti余量；
单脉冲能量50J，频率4Hz，脉宽5ms，焦距150mm，光斑直径1.2mm，扫描速度1.2mm/s，氩气保护。
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