燃气轮机单晶叶片修复的全方位解决方案

涡轮叶片技术的进步增加了新部件的成本。单晶叶片的成本是类似尺寸和复杂程度的传统铸造叶片的两到三倍。单晶部件的高成本可以激励业主最大限度地延长部件的使用寿命。

作为降低更换组件成本的解决方案，Liburdi 创建了旨在延长组件寿命的流程。其中一种工艺是全固溶再生热处理 (FSR)。FSR 将合金微观结构和机械性能恢复到新状态。单晶合金 FSR 热处理的主要问题是在具有残余应力的表面上形成再结晶晶粒。考虑到单晶合金中晶界强化合金添加剂的含量较低，这是一个风险。单晶合金中的再结晶和/或杂散晶粒导致高温疲劳寿命和应力断裂强度降低。因此，它们会受到原始制造商的检查并被拒绝。这是单晶铸件价格上涨的因素之一!

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图 1：由单晶合金组成的服役叶片示例，出现裂纹。沿着翼型中杂散颗粒的晶界到护罩半径可以看到裂纹（由红色箭头表示）

Liburdi进行了一次试修，以进一步评估单晶涡轮叶片FSR热处理的可行性，在修复加工过程中，确保叶片的关键表面不发生塑性变形以避免随后的再结晶至关重要。此外，有必要采用有效的无损检测方法来检查关键表面的再结晶情况。使用由 CMSX-4 单晶合金组成的报废西门子 SGT-100 HP 涡轮叶片进行演示修复和破坏性分析，如图 2 所示。叶片运行了 28,000 小时。维修一次后，又运行了 12,000 小时。总服务时间为 36,000 小时，OEM 通知运营商零件已过期！

图 2：用于修复演示的叶片的收到外观（凹面和凸面）。请注意，叶片后缘上有“凹口”，表明它们无法使用

该组中的一个代表性刀片在“收到时”状态下进行了破坏性检查，以建立冶金条件的基线。其余五个叶片需要修复，其中包括：

*涂层的去除

*尺寸和渗透探伤

*全溶液回春热处理

*更换外部铂铝化物涂层

对“收到时”和“修复后”状态下的叶片进行破坏性分析，包括：

*基础合金的扫描电子显微镜（伽马形态）

*取自翼型的微型平板样品的应力断裂测试

*内部和外部表面的显微镜检查

图 3：维修后的显微照片，收到的外部（左）和内部（右）翼型表面状况。

翼型外表面包含铝化铂涂层，如图 3 所示。虽然涂层部分消耗，但它为之前的维修间隔提供了有效的保护，因为没有观察到对底层基础合金的损坏。

内部翼型表面未涂层，图 3 右。在内表面观察到轻微的基础合金氧化，渗透深度<25微米（0.001英寸）。>

图 4：维修后的显微照片，收到的外部（左）和内部（右）翼型表面状况。

去除涂层后，通过荧光渗透探伤 (FPI) 检查叶片是否存在表面暴露的裂纹或缺陷。没有发现任何迹象。

检查确定这些叶片是良好的修复对象。使用超声波技术来测量壁厚。

FSR 热处理后，通过化学蚀刻对叶片关键区域的再结晶晶粒进行无损检查。五个叶片中的四个在关键区域出现了再结晶晶粒（示例如图 4 所示）。

破坏性检查证实，至少一个叶片的再结晶深度超出了可用极限（并非所有再结晶区域都经过破坏性检查）。

基于这一发现，另外 12 个寿命到期的叶片被提交进行进一步分析。该组包括来自同一最初测试的六个刀片组的七个刀片和来自不同刀片组的五个刀片。所有刀片均经过修复，包括涂层去除和 FSR 热处理工艺，然后对再结晶晶粒进行宏观蚀刻检查。

所有叶片最初在关键区域都不同程度地出现了一些再结晶晶粒。刀片经历机械去除晶粒并重新检查的循环，直到从所有关键区域消除再结晶晶粒。最后，对八个叶片进行破坏性检查（七片一组中的五片，五片一组中的三片）以验证检查结果并评估剩余壁厚。第一组的所有七个叶片均被发现处于维修限度内，第二组的五分之四叶片被发现处于维修限度内。

图 5：经过 FSR 处理和化学蚀刻后翼型件上的再结晶晶粒（由红色箭头表示）示例。这些颗粒似乎是由于与使用相关的轻微影响而对凸形前缘形成核的。

在每个经过破坏性检查的叶片的根部锯齿上观察到了一层相对均匀的细小再结晶晶粒层，渗透深度约为 125 µm（0.005 英寸），图 5。再结晶层表明根部表面可能已在原始状态下经过喷丸处理。

图 6：典型的再生修复后牙根表面状况的显微照片，显示表面有一层再结晶晶粒。

FSR 修复后，根据 ASTM E139 对取自两个叶片压力侧翼型中部弦的微型扁平样本进行应力断裂测试，其中计量部分位于翼型中部高度的中心。测试在 997°C (1826°F) 下进行，施加的负载为 250MPa (36,300 psi)。

根据所进行的破坏性和非破坏性测试，尽管已达到 OEM 寿命极限，但所检查的叶片仍处于可用状态。在未知寿命限制损伤机制的情况下，谨慎的做法是应用 FSR 热处理对常规测试无法检测到的任何预裂纹损伤累积进行退火。使用后，机翼主体中收到的微观结构和应力断裂性能没有明显下降。然而，试验修复表明，所采用的热处理方案产生的微观结构与制造时的微观结构相当，其应力断裂特性相当于文献中发表的完全热处理的 CMSX-4 合金的应力断裂特性。

正如新的单晶铸件要接受铸后晶粒检查一样，FSR 修复的叶片也需要进行再结晶检查，这两种工艺的成品率预计都不会达到 100%。在所检查的叶片中，十七个叶片中至少有两个在超出修复极限的关键区域出现了再结晶晶粒。然而，事实证明，通过机械去除颗粒、重新检查和随后的无损壁厚测量的循环，很大一部分测试叶片在修复限度内得到了恢复。

事实证明，单晶叶片的 FSR 修复是可以实现的。修复后合金的显微组织和应力断裂性能相当于“如新”状态。再结晶的倾向取决于制造、使用和/或维修加工之前的塑性变形。在进行此类修复时，需要对再结晶晶粒进行有效的非破坏性检查技术，就像对新的单晶铸件进行晶粒检查一样。虽然由于关键区域的再结晶超出修复极限，可能会出现一些后果，但试验证明高修复率是可行的。