局部熱處理技術(shù)在整體葉盤維修中的應(yīng)用

侯廷紅 何勇 陳海生 葉勇松

摘要：整體葉盤葉片的服役損傷可采用熔焊、高能束增材制造、線性摩擦焊等技術(shù)進行修復。為避免熱處理影響整體葉盤未修復區(qū)域的組織性能以及產(chǎn)生變形，一般在修復區(qū)域采用局部熱處理來消除焊接應(yīng)力和調(diào)整組織性能。本文綜述了局部熱處理的技術(shù)原理、系統(tǒng)組成、評定準則和模擬仿真，介紹了整體葉盤葉片損傷修復局部熱處理技術(shù)的研究進展，分析了不同局部熱處理技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和需要解決的應(yīng)用基礎(chǔ)問題。

關(guān)鍵詞：整體葉盤；損傷；修復；局部熱處理

Keywords：integral blade disc；damage；maintenance；local heat treatment

0 引言

整體葉盤是先進航空發(fā)動機實現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和技術(shù)跨越的核心部件。整體葉盤維修保障是決定其能否實現(xiàn)工程應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。國外航空發(fā)動機制造商非常重視研究先進發(fā)動機的維修保障技術(shù)，往往在設(shè)計研制階段就開始并行研究。

整體葉盤在工作過程中大多為個別葉片的局部損傷。如果對僅修復個別葉片局部損傷的整體葉盤進行整體熱處理，一方面將影響整體葉盤未修復區(qū)域的組織和性能，另一方面將導致整體葉盤產(chǎn)生變形。因此，在對整體葉盤葉片局部的修復過程中，無需對整個葉盤進行熱處理，而需針對損傷修復部位進行局部熱處理以去除熔焊、高能束增材制造、線性摩擦焊等高溫過程產(chǎn)生的應(yīng)力，并調(diào)控修復區(qū)域的組織和性能。

1 局部熱處理技術(shù)

1.1 技術(shù)原理與現(xiàn)狀

局部熱處理是在零件局部進行的熱處理工藝，主要用于熔焊、增材制造、線性摩擦焊等特種工藝的焊后熱處理，適用于整體熱處理無法應(yīng)用或難以滿足工藝要求的場合。局部熱處理的作用是消除焊接殘余應(yīng)力和改善焊接接頭的組織與性能。

局部熱處理的影響因素很多，如零件材料、加熱體、加熱方式、工作負載、加熱區(qū)域、加熱溫度和保溫時間、加熱和冷卻速度等，目前對這些影響因素和過程機理的研究還不夠全面和深入，導致各個國家、不同領(lǐng)域的局部熱處理標準存在較大差異。對局部熱處理研究相對系統(tǒng)、完善的是管道和壓力容器領(lǐng)域，與局部熱處理相關(guān)的主要規(guī)章包括焊接研究委員會的壓力容器焊后局部熱處理第452號公告[1]、美國機械工程師協(xié)會鍋爐和壓力容器規(guī)范第VIII章[2]、英國標準5500[3]、澳大利亞標準1210[4]。在第452號公告中，零件局部熱處理區(qū)域被劃分為均熱帶（Soak Band）、加熱帶（Heated Band）和保溫帶（Gradient Control Band）三個部分（見圖1）。其中，均熱帶包括焊縫、熱影響區(qū)和焊縫附近部分基體；加熱帶是加熱源覆蓋零件表面并將其加熱至所需熱處理溫度的區(qū)域，同時控制溫度梯度以減小熱應(yīng)力，包括均熱帶和部分基體；保溫帶是隔熱和放置加熱熱源的表面區(qū)域，同時控制溫度梯度，包括均熱帶、加熱帶和部分基體。局部熱處理工藝過程主要控制這三個溫度帶寬度，其中加熱帶寬度是最重要的工藝控制參數(shù)，它一方面保證均熱區(qū)在要求的溫度范圍之內(nèi)，另一方面獲得消除殘余應(yīng)力的最佳效果。

1.2 系統(tǒng)組成

局部熱處理設(shè)備主要包括加熱體、加熱控制、熱電偶及記錄儀器、設(shè)備安裝要求等，現(xiàn)簡述如下。

1）加熱體

可供選擇的局部熱處理加熱體類型和熱源主要包括以下五種：直接輻照或聚焦反射的石英-鹵素、鎢-石英和紅外加熱元件；陶瓷加熱板；按照零件外形尺寸設(shè)計的感應(yīng)加熱元件；通入以電阻加熱元件受控加熱的流動空氣或其他保護氣氛；纏繞或定位在待熱處理區(qū)域的線圈電阻加熱元件。

在上述五種加熱體中，最常用的是感應(yīng)加熱元件，通過設(shè)計與零件待熱處理區(qū)域匹配的感應(yīng)線圈和功率，可實現(xiàn)零件高效局部熱處理。雖然高能電子束和激光束也可用作加熱源，但因其控制和實現(xiàn)較難而較少采用。

2）加熱控制與工作負載

所選擇的加熱體必須配備加熱控制裝置，可以調(diào)節(jié)輸出以維持熱處理所要求的溫度控制點和范圍。每個熱源均應(yīng)配備獨立的控制裝置，同時提供超溫保護。熱處理工作負載應(yīng)根據(jù)加熱體類型采用氣冷或水冷。

3）熱電偶及溫度記錄裝置

在局部熱處理溫度范圍內(nèi)，測溫裝置的精度應(yīng)不低于最高溫度的±0.5%。采用的熱電偶應(yīng)符合ASTM E220和E320標準，熱電偶計量檢測時應(yīng)滿足零件不同外形和修理區(qū)域的要求。溫度傳感器和記錄裝置應(yīng)符合AMS 2750標準。

4）設(shè)備安裝要求

結(jié)合整體葉盤葉片修復需求，局部熱處理設(shè)備的安裝應(yīng)滿足如下要求：根據(jù)需進行熱處理的零件和加熱設(shè)備選擇加熱體，將其定位并安裝在包括熱影響區(qū)的整個修復區(qū)域中；采用多個單元加熱體時應(yīng)保證足夠的重疊寬度，以避免單元加熱體之間產(chǎn)生冷隔區(qū)；加熱體可放置在修復區(qū)域兩側(cè)或一側(cè)，如果放在一側(cè)，在加熱體相對側(cè)應(yīng)放置玻璃布毯或陶瓷纖維；局部熱處理區(qū)域周圍不需進行熱處理的區(qū)域應(yīng)采用隔熱材料進行隔離；按照局部熱處理工藝要求至少采用兩根熱電偶監(jiān)控熱處理溫度。

1.3 評定準則

結(jié)合管道和壓力容器領(lǐng)域的相關(guān)經(jīng)驗，對上述兩個評定準則進行如下解釋。

1）基于殘余應(yīng)力消除效果的直接評定準則

該評定準則的基礎(chǔ)是評定局部熱處理后的殘余應(yīng)力，即基于粘彈塑性有限元方法，在應(yīng)力松弛過程中考慮包括彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變、蠕變應(yīng)變和熱應(yīng)變，模擬熱處理過程中的應(yīng)力變化及最終的殘余應(yīng)力水平。評定過程的實質(zhì)是在局部熱處理條件下找到一個最優(yōu)的加熱帶寬度，獲得與整體熱處理相當?shù)臍堄鄳?yīng)力去除效果。汪建華等[5]的研究結(jié)果表明，局部熱處理后的最大殘余應(yīng)力隨加熱帶寬度的增加而降低，當加熱帶寬度達到一定值時，殘余應(yīng)力變化十分緩慢，且與熱處理時的殘余應(yīng)力十分接近，該寬度為臨界加熱寬度。

2）基于改善焊接接頭性能的均熱區(qū)溫差準則

局部熱處理的主要目的是為了提高接頭的韌性和降低硬度。為此，在局部熱處理過程中，應(yīng)保證包含焊縫和熱影響區(qū)在內(nèi)的均熱帶不超過規(guī)定的最高溫度并在容許的溫差范圍內(nèi)。焊接接頭性能的改善主要與均熱帶的溫差有關(guān)?；趥鳠嵊邢拊治隹山⒕鶡釒夭钆c零件厚度的關(guān)系曲線。汪建華等[5]的研究結(jié)果表明，零件厚度是均熱帶溫差的主要影響因素，臨界加熱帶半寬隨零件厚度增加而急劇增加。

1.4 模擬仿真

采用計算機技術(shù)可以模擬仿真局部熱處理過程，分析熱處理過程中的溫度場和應(yīng)力場，為熱處理工藝制定和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

劉紅[6]基于溫度、應(yīng)力應(yīng)變和微觀結(jié)構(gòu)之間的耦合效應(yīng)關(guān)系，采用JMatPro軟件建立了70Cr3Mo鋼激光局部熱處理的多場耦合模型，分析了熱處理過程中的溫度場和殘余應(yīng)力場分布。

胡美娟等[7]以ANSYS有限元軟件為平臺，對2mm、6mm和12mm等不同厚度TC4鈦合金平板電子束焊接和局部熱處理時的溫度場和應(yīng)力場進行了數(shù)值模擬計算，分析了局部熱處理對電子束焊接溫度場和殘余應(yīng)力場的影響，為鈦合金平板電子束焊接和局部熱處理復合工藝的制定和應(yīng)用提供了參考。

Phillip等[8]參照NBIC和ASME規(guī)范，采用有限元軟件設(shè)計優(yōu)化了壓力管道局部熱處理加熱體構(gòu)型及均熱帶、加熱帶和保溫帶大小，模擬仿真了熱處理過程中的穩(wěn)態(tài)溫度場、殘余應(yīng)力場和塑性應(yīng)變場分布，為局部熱處理工藝的制定提供了參考和指導。

Lee等[9-12]采用有限元軟件建立了焊后局部熱處理數(shù)值模型，并據(jù)此模擬分析了焊接接頭的力學行為、殘余應(yīng)力分布、應(yīng)力松弛、組織轉(zhuǎn)變以及對接頭的完整性評價，為優(yōu)化局部熱處理工藝提供了理論依據(jù)。

2 局部熱處理技術(shù)在整體葉盤維修中的應(yīng)用

為避免整體葉盤修復后整體熱處理對未修復區(qū)組織和性能的影響以及可能導致的變形，整體葉盤修復后必須采用局部熱處理方法進行處理，對于采用雙合金、雙組織設(shè)計的整體葉盤尤其如此。由于整體葉盤葉片型面復雜、空間位置狹窄且可達性差，因此，實施局部熱處理的限制因素較多，應(yīng)主要解決以下五個方面的問題。

1）加熱方式和加熱體選擇設(shè)計：結(jié)合整體葉盤修復需求和現(xiàn)有局部熱處理設(shè)備、工藝、技術(shù)水平，選擇接觸式或非接觸式加熱方式，為接觸式加熱方式設(shè)計加熱體構(gòu)型。

2）專用工裝夾具設(shè)計：針對整體葉盤的外形尺寸和修理位置，設(shè)計專用工裝夾具，滿足局部熱處理過程中葉片待處理區(qū)域精準定位和位置調(diào)整的要求。

3）局部熱處理對修復區(qū)組織和性能的影響：考察局部熱處理對整體葉盤修復區(qū)組織和性能的影響。

4）局部熱處理對非修復區(qū)組織、性能和應(yīng)力變形的影響：考察局部熱處理對整體葉盤加熱區(qū)-非加熱區(qū)界面、非修復區(qū)組織和力學性能、應(yīng)力變形的影響。

5）局部熱處理溫度測量和閉環(huán)控制：針對整體葉盤基體材料和修復區(qū)域，選擇局部熱處理的測溫位置、測溫方式、控溫方式和閉環(huán)反饋。

目前，在整體葉盤維修中常用的局部熱處理方法有高能束（激光和電子束）、感應(yīng)加熱、惰性氣體氣氛加熱、輻照/反射加熱等四種。

2.1 高能束局部熱處理

以激光和電子束為代表的高能束熱源既可用于整體葉盤損傷修復，又可用于整體葉盤局部熱處理，一般通過雙能束復合來實現(xiàn)。以電子束焊后局部熱處理為例，電子束以線或面熱源形式通過對焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)小面積范圍進行散焦掃描來實現(xiàn)局部熱處理。線或面熱源電子束以不同的掃描速度在零件表面移動加熱，匹配不同的冷卻速度，可獲得不同的熱處理工藝規(guī)范。該技術(shù)存在操作空間受限、可達性差、溫度場實時監(jiān)測難、對遮擋區(qū)域不能實施局部熱處理等缺點和不足，需重點發(fā)展紅外熱成像測溫系統(tǒng)或完善高溫熱電偶測溫系統(tǒng)來解決溫度場監(jiān)控問題。

2.2 感應(yīng)加熱局部熱處理

感應(yīng)加熱局部熱處理的應(yīng)用代表是德國摩天宇公司。該公司申請了整體葉盤感應(yīng)加熱局部熱處理方法專利，研制了感應(yīng)加熱局部熱處理設(shè)備（見圖2）并開展了感應(yīng)加熱局部熱處理技術(shù)的研究和應(yīng)用。該技術(shù)的關(guān)鍵在于感應(yīng)加熱元件的精確設(shè)計，需要解決的問題包括：整體葉盤狹窄受限空間內(nèi)加熱元件構(gòu)型設(shè)計和非加熱區(qū)隔熱保護；設(shè)計優(yōu)化均熱帶、加熱帶和保溫帶的范圍及大??；需通過粗略估算、定性分析和多次優(yōu)化試驗來完成加熱元件的設(shè)計。該技術(shù)存在受零件外形尺寸限制、溫度場難控制、進/排氣邊同時加熱存在熱阻塞等缺點和不足，需重點解決溫度場控制和熱阻塞問題。

2.3 惰性氣體氣氛加熱局部熱處理

羅羅公司發(fā)明了整體葉盤葉片惰性氣體氣氛加熱局部熱處理方法（見圖3）。該技術(shù)針對整體葉盤葉片修復區(qū)域設(shè)計專用加熱套，在加熱套內(nèi)填充流動的可加熱至熱處理所需溫度的氬氣、氦氣等惰性氣體，形成局部熱處理保護氣氛。該技術(shù)存在加熱套及配套設(shè)備復雜、氣氛溫度均勻性控制難、受葉片空間位置限制等缺點和不足，適用于葉片外形和空間較大的風扇整體葉盤。

2.4 輻照/反射加熱局部熱處理

通用公司和聯(lián)合技術(shù)公司分別發(fā)明了采用石英-鹵素燈、鎢-石英燈和紅外加熱元件等作為熱源的整體葉盤輻照/反射加熱局部熱處理方法。該技術(shù)采用聚焦反射裝置將石英-鹵素燈、紅外燈等加熱元件產(chǎn)生的熱投射到整體葉盤上的待熱處理區(qū)域，通過選擇不同功率的加熱元件來獲得所需的熱處理溫度，具有設(shè)備簡單、易于控制等特點。該技術(shù)存在輻照/反射裝置對葉片外形尺寸的適應(yīng)性較差、溫度均勻性控制難等缺點和不足，適用于葉片型面簡單、空間位置較大的整體葉盤。

3 結(jié)束語

整體葉盤是先進高性能航空發(fā)動機的關(guān)鍵核心部件，未來的發(fā)展趨勢是風扇、壓氣機、渦輪都將采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，同時還將采用扭曲葉片、端彎葉片、帶冠葉片等更加復雜的葉片結(jié)構(gòu)。這對整體葉盤維修技術(shù)提出了新的、更高的要求。

局部熱處理可有效消除焊接應(yīng)力，調(diào)控修復區(qū)域的組織性能，是整體葉盤維修的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)尚處于起步階段，與國外相比還存在較大差距。本文介紹了整體葉盤葉片焊后局部熱處理技術(shù)的研究進展，可供整體葉盤葉片修復時選擇使用。今后應(yīng)在復雜型面葉片適應(yīng)性、加熱帶寬度設(shè)計與控制、溫度場實時監(jiān)測、溫度均勻性控制以及新型局部熱處理設(shè)備和加熱元件等方面加強局部熱處理技術(shù)研究，為整體葉盤維修保障提供技術(shù)支撐。

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