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纳米电刷镀技术在发动机叶片再制造中的应用

放大字体  缩小字体发布日期:2012-05-02  浏览次数:903

 成都航利集团

[摘要]某型发动机高压压气机整流叶片,材料为镍基高温合金。服役过程中因叶片榫头两侧与机匣榫槽发生微动磨损,尺寸减小,导致叶片停用。通过采用现代纳米电刷镀方法,对报废叶片进行再制造,使叶片重新满足使用要求。

关键词:发动机高压整流电刷镀再制造

某型发动机高压压气机整流叶片共十级。包括进口整流叶片、第一至八级整流叶片、高压压气机出口整流叶片。进口整流叶片为双支点支撑;而第一至八级整流叶片、高压压气机出口整流叶片为悬臂式支撑。进口整流叶片、第一级和第二级整流叶片为可变弯度叶片,可根据n2пр换算转速进行协调转动;高压压气机出口整流叶片由两排叶片组成,焊接在外环上。外环和叶片的材料为镍基高温合金,工作温度范围164~496℃,叶片工作最大压力3.65MPa。

第三到八级整流叶片设计规定,叶片与压气机机匣榫槽的配合为“间隙0.01mm,过盈0.01mm”,服役过程中因榫头两侧与机匣榫槽发生微动磨损,尺寸减小,导致叶片停用。如能采用现代方法,对报废叶片进行再制造,使叶片重新满足使用要求,不仅能突破俄方技术封锁,解决型号任务的急需,而且同替换新件相比成本更低(一般只有新件制造成本的15%),符合国家节能减排和保障部队作战训练需求的发展方向。因此,开展某型发动机高压压气机整流叶片榫头再制造技术工艺的研究势在必行。

1·研究内容

1.1失效分析

微动磨损是发生在相对静止的机件上,因两个接触表面之间没有宏观相对运动,但在外界变动载荷的影响下却有小振幅的相对振动[1]。某型发动机高压压气机第3至8级整流叶片(每台共648片,每级叶片数量分布如表1所示)在服役过程中,因采用悬臂式支撑,叶片在气流载荷的作用下,叶片榫头与榫槽之间发生了小振幅振动和滑移,最终导致零件产生微动磨损(如图1、图2所示)。微动磨损使叶片与榫槽配合精度下降,变松,使零件不符合装配要求。发动机大修时,微动磨损故障发生率约5%,如果按年修理发动机50台计算,每年需再制造的叶片约1600片,总价值达800多万元。

1.2现状分析

我国现行工艺为先镀镍镀铬、热喷涂,再磨削、精加工等多道工序才能完成。镀铬工艺环境污染大,成本高,效率低,易对基体产生氢脆;热喷涂技术制备涂层硬度高、结合强,但设备投资成本高、操作难度大、工序麻烦[2]。纳米颗粒复合电刷镀技术是近年发展起来的高新技术。纳米复合刷镀液中分散有近90%数量的固体颗粒,镀层相对耐磨性为普通电刷镀镍层的2.1倍以上,对原基材而言有强化作用。同时,镀层结合强度增加,镀层孔隙率降低,镀层微观结构更加致密,镀层强度、耐磨性、耐温性等综合性能显着增加。因此结合发动机叶片结构和损伤特点,开发以纳米电刷镀为主导的发动机叶片再制造技术并实现工程化应用,对于完善我国发动机再制造体系,提高航空装备保障能力,延长使用寿命和降低使用成本都具有积极的推动作用。

1.3工艺流程设计

通过实验,结合零件实际特点,设计专用夹具,并在工艺中增加了特殊镍打底层(1~4μm的镍),以增加镀层结合强度,优化工艺如下:丙酮除油→干燥→非镀面绝缘→水砂纸打磨→去污粉除油→自来水清洗→电刷镀特殊镍→电刷镀纳米镍→自来水清洗→去绝缘保护漆→除氢。

工艺参数[3]如下所示:

·电刷镀特殊镍电压:18V冲击镀5S,12V镀60S;

·电刷镀(纳米)电压:(5~12)V;

·相对速度(:6~10)m/min;

·镀液温度:室温45℃。

1.4叶片再制造后性能检测

针对叶片的实际使用情况和恢复尺寸的厚度,纳米电刷镀层选择镍包纳米三氧化二铝(如图3所示)和镍包纳米二氧化硅,普通刷镀选择刷镀快镍,分别对3种工艺进行性能测试。

1.4.1结合强度测试

镀层结合强度按GB 5270选用机械剪切和冷热循环进行试验,机械剪切是在试片上加工完镀层后进行,不应有镀层的剥落。冷热循环试验:300℃保温15min——室温水淬5次。试验以GH2150为试片,按照上述工艺加工3种镀层进行检测,结果3种镀层未见脱落,结合强度均合格。

1.4.2硬度测试

镀层硬度采用显微硬度计检测,载荷为50g。以GH2150为试片,检测以5个点的平均值作为镀层硬度,结果如表2所示。

1.4.3再制造过程对基体渗氢量测试

以GH2150为试片,分别按相同的工艺加工,氢含量测试结果见表3。

1.4.4镀层摩擦磨损性能评价

刷镀层磨损失重测试结果见表4、表5。以快速镍刷镀层的相对耐磨性为1.0,分析几种复合刷镀层的相对耐磨性能,结果见表4所示。

1.4.5镀层的抗接触疲劳性能评价

镀层的抗接触疲劳性能评价如表6所示。

1.4.6镀层的接触疲劳寿命性能评价

镀层的接触疲劳寿命性能评价如表7所示。

综合镀层结合强度、硬度、渗氢量、磨擦磨损性能以及接触疲劳寿命的检测结果,采用纳米电刷技术制备的以特殊镍作为底层,镍包纳米三氧化二铝、镍包纳米二氧化硅作为面层的纳米颗粒复合镀层,在保证了镀层与基体结合强度的同时大幅提高了镀层的硬度,这将使镀层的耐磨性得到提升,同时降低了刷镀过程中渗氢对基体材料造成的氢脆危害。

2·结束语

与普通镀层相比,含有纳米颗粒的复合电刷镀镀层硬度显着提高,渗氢量大幅降低,可以用于再制造某型发动机高压压气机整流叶片。

采用纳米颗粒电刷镀技术再制造的某型发动机高压压气机整流叶片在发动机上通过了300h长期试车考核,电刷镀层无磨损和脱落现象,镀层结合力良好,满足使用要求。通过技术验证、考核与批量应用,再制造叶片性能优于原设计要求,使用寿命由再制造前的300~500h延长至再制造后至少1000h。

该技术在某型发动机高压压气机整流叶片榫头再制造中的成功应用,解决了引进装备关键零部件再制造的难题,具有重大军事效益。同时该项目的成果可在其他机型发动机上应用,具有广阔的推广应用前景。

参考文献

[1]周仲荣.微动磨损.北京:科学出版社,2002.

[2]梁志杰.刷镀技术实用指南.北京:中国建筑工业出版社,1998.

[3]徐滨仕.MS-100纳米电刷镀设备工艺指导书.北京:装甲兵工程学院,2000.

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