摘要：据悉，上海交通大学材料科学与工程学院、厦门钨业股份有限公司、中国科学院上海应用物理研究所、上海材料研究所有限公司、华南理工大学吴贤铭智能工程学院的科研人员综述报道了航空发动机涡轮叶片修复中的制造技术与材料研究进展。相关论文以“A Review of Manuf

长三角G60激光联盟导读

据悉，上海交通大学材料科学与工程学院、厦门钨业股份有限公司、中国科学院上海应用物理研究所、上海材料研究所有限公司、华南理工大学吴贤铭智能工程学院的科研人员综述报道了航空发动机涡轮叶片修复中的制造技术与材料研究进展。相关论文以“A Review of Manufacturing Technologies and Materials in Aeroengine Turbine Blade Repair”为题发表在《Journal of Materials Engineering and Performance》上。

航空发动机涡轮叶片通常在恶劣环境中工作，容易发生失效。与叶片更换方式相比，叶片修复是一种有效的成本节约策略。这要求机器制造和材料科学领域的工程师或研究人员积极开发新型修复技术和修复材料。

修复或再制造技术在先进的航空航天制造领域（特别是对于高价值、易损的涡轮叶片），有着巨大的经济潜力。除了考虑成本之外，可用的技术及其可靠性对于工程师和研究人员进行航空发动机涡轮叶片修复或再制造至关重要。本综述总结了基于传统焊接的修复方法的优缺点，并特别关注了包括激光增材制造和钎焊在内的先进制造技术。还介绍和讨论了涡轮叶片修复中可能使用的材料，以及相关的微观结构特征和由此产生的力学性能。最后，展望了当前技术的应用前景以及开发更有效、高效和经济的叶片修复解决方案所面临的关键挑战。

图 1一些典型的磨损涡轮叶片

图 2涡轮叶片的典型缺陷

图 3涡轮叶片修复中模拟与实验之间的再生步骤开发

图 4制备样品的宏观形貌：(a) CLP 沉积的 170 W、220 W 和 420 W，以及 (b) GLP 沉积的 d-2、d-3 和 d-5

图 5无过程控制的修复

图 6有过程控制的修复

图 7三种主要涡轮叶片材料示意图，分别为等轴晶、定向凝固（DS）和单晶（SC）材料

图 8激光熔覆填充涡轮叶片缺陷：(a) 带缺口的 CMSX-4 基体，(b)修复后的带缺口基体，(c) 横截面，以及 (d) 修复后带缺口基体的 EBSD 分析

图 9扫描路径对单晶（SC）涂层的影响

图 10闭环热控制系统实验装置

图 11在 1100 °C 下钎焊 6 小时的接头光学显微照片：(a) BNi-1a，和 (b) 50 wt.% BNi-1a 和 50 wt.% DF-4B

图 12航空及工业燃气轮机（IGT）叶片材料的发展过程

图 13 W-NPs浸渍过程后断口的 SEM 显微照片

图 14通过 Ni NPs 进行镍基高温合金连接的扩散动力学

图 15等温凝固过程中界面微观结构示意图

修复方法和材料根据磨损涡轮叶片中缺陷的位置和类型而有所不同。对于修复大范围的破损，传统焊接方法长期以来一直是主导方式。然而，为了实现叶片独特且精确的重建，诸如 LDD 和 LENS 等增材制造技术因其高可控性和灵活性而日益受到关注。在制造过程中，收集和分析大量的加工信号对于控制和预测制造形状和精度至关重要。尤其强烈建议将先进的原位监测技术与系统的后检测分析相结合，并值得进一步研究。在确保叶片形状精度的同时，结构的精确控制同样不可或缺，这对于广泛使用的单晶（SC）叶片来说是一个特殊需求。激光增材制造（LAM）是一种通过预热和沉积路径规划来制造单晶叶片的理想技术；然而，在复杂条件下修复单晶叶片中的缺陷，例如保持与基体显著不同的晶体学取向的一致性，以及解决修复表面区域的多晶状态问题，仍然是当前研究中的关键挑战。另一方面，包括瞬态液相（TLP）连接、宽间隙钎焊（WGB）、激光钎焊和复合钎焊在内的各种钎焊技术被认为是修复叶片表面裂纹的合适方法，并且修复后的叶片通常表现出改进的性能。然而，对于不同的应用场景，选择合适的钎焊技术并同时优化相关的工艺参数、填充材料和添加剂仍然存在几个需要解决的关键挑战。

探索先进的修复材料也成为研究的焦点。为了探索替代类金属元素（这些元素会形成脆硬相）的熔点降低元素（MPDs），新的钎焊填充材料体系已被研究，包括 Be、Hf、Mn 和 Ge 等元素。特别是，纳米技术的快速发展为修复材料带来了新的机遇。利用纳米尺度的尺寸效应，研究人员开发了新型的各种纳米颗粒，这些颗粒在修复应用中已展现出独特优势。然而，在实践中仍存在一些挑战；例如，确保纳米颗粒（NPs）的均匀分散和减少有机物质对材料性能的影响是目前亟待解决的问题。此外，用作填充金属的复合强化材料和高熵合金（HEAs）可以通过不同的强化机制进一步提高叶片的力学性能。未来关于复合强化材料的研究将集中于探索新型添加剂和推进材料制备技术。同时，高熵合金成分的设计与优化，以及提高这些合金与各种焊接工艺的相容性，预计将成为高熵合金未来主要关注的领域。此外，迫切需要智能制造工艺来优化这些先进修复材料的使用，特别是在修复高价值的航空发动机涡轮叶片方面。

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟