摘要：在航空制造领域，修复技术蕴含着巨大的经济效益，尤其是针对航空发动机叶片这类复杂且昂贵的部件。由于企业将修复技术视为关键竞争力并加以保密，相关技术文献相对匮乏。本综述旨在梳理已有的涡轮叶片再生技术资料，挖掘其科学原理，并揭示当前尚未解决的技术难题，重点聚焦于加工

导读：在航空制造领域，修复技术蕴含着巨大的经济效益，尤其是针对航空发动机叶片这类复杂且昂贵的部件。由于企业将修复技术视为关键竞争力并加以保密，相关技术文献相对匮乏。本综述旨在梳理已有的涡轮叶片再生技术资料，挖掘其科学原理，并揭示当前尚未解决的技术难题，重点聚焦于加工环节。发动机叶片损伤形式多样，导致再生工艺需根据具体部件灵活调整。文章介绍了通用的叶片再生工艺链，并对修复方法进行分类；深入探讨再加工过程，详细分析加工前与加工过程中面临的挑战；评估加工后的工件质量。研究表明，实现工艺集成规划、优化夹紧与加工策略、精确预测残余应力等，是提升叶片再生质量与效率的关键，对推动该领域技术发展具有重要意义。

在当前的经济环境下，成本压力是一个普遍存在的问题。降低成本的一种方法是对组件中的单个部件进行修复。在某些应用中，与更换再制造部件相比，再生可节省高达 70% 的成本。由于在成本节约方面具有巨大潜力，大多数公司都试图将修复过程的相关知识据为己有。尽管 Yilmaz 对叶片修复方法的科学研究进行了概述，但文献中关于再生过程单个步骤的信息仍然很少。

人们在发动机维修、修理和大修（MRO）的工艺改进方面投入了大量精力。一台发动机大约由 30,000 个部件组成，其维修在发动机业务中占据了相当大的份额，并且呈增长趋势。此外，Rupp 指出，材料成本占发动机维护成本的 50%。

铸件、密封鳍片 / 迷宫式密封和凹槽等部件的修复大多是手工完成的。在再生过程中，特别受关注的发动机部件是压气机、涡轮叶片和导叶，因为它们价值高昂。大多数关于这些部件再生的参考文献都涉及材料沉积，而关于再加工（最终形状切削）的信息更难获取。然而，工件的最终形状切削对于后续的工件质量至关重要。发动机叶片是对精度和质量要求高、形状复杂且材料加工难度大的工件代表。

通常的再加工过程包含许多手工操作步骤，例如在干涉轮廓区域进行手动磨削。实现最终轮廓和合适的表面形貌是最重要的目标，而恢复最佳的亚表面性能（如残余应力分布）则是次要目标。无论如何，关于修复（分别针对再加工）的工业工艺开发的已发表研究较少，应用方法是 MRO 公司的核心知识，因此严格保密。所以，有必要收集基于科学的方法。

为了限制出现的损伤种类，这些损伤类型包括：

任何损伤都至少可归结为三个主要原因之一：热影响、机械影响或化学影响（见图 1）。本文对航空工业相关的再生过程进行文献综述，并从加工角度收集和归纳详细信息。从参考文献中提取的科学基础知识可应用于其他机械工程领域。

图 1：发动机中的损伤情况

第二章简要介绍再生过程，阐述各个工艺步骤。第三章深入研究再加工过程，该过程在材料沉积后恢复叶片轮廓，重点关注加工薄叶片状工件时面临的挑战。形状和材料特性的变化需要适应性的工艺策略，同时介绍了当前针对此问题的研究以及刀具选择的相关方法。此外，还讨论了加工后可达到的表面质量和相应的表面区域性能。总体而言，重点关注当前的研究现状和应用技术。

如前所述，MRO 公司对优化再生策略有着浓厚兴趣，因此将其技术专长视为机密。图 2 展示了文献中常见的发动机叶片和导叶再生的通用工艺链。尽管不同领域的经验重点有所不同，但所有考虑的工艺链结构相似，差异主要体现在使用的材料、工件形状和科学研究重点上。输入参数包括损伤类型、基础材料、应用领域和形状。文献中考虑的方法可分为四个基本阶段：预处理、材料沉积、再加工和后处理。公司和研究机构为每个再生步骤开发了大量不同的方法，但这些步骤仍高度依赖人工操作。以下通过实际应用和研究现状，对预处理、材料沉积和后处理这三个工艺步骤进行介绍，再加工步骤将在第三章详细讨论。

图 2：叶片再生的通用工艺链

发动机叶片的涂层去除和接头准备是再生过程的起始步骤。涂层由防止过热的热障涂层和粘结涂层组成，常用喷砂和化学剥离等方法全部或部分去除涂层。Geffert 使用一种系统来检测涂层的各层高度，这样可以仅去除必要的部分，从而实现多次再生。

接下来，合适的沉积方法选择取决于损伤类型。根据需要更换的材料量，材料沉积可采用焊接、钎焊或修补（见图 3）。此外，所使用的沉积方法直接影响再加工过程的选择和程度。

图 3：不同的修复方法

一种常见的修复程序是在叶片尖端填充材料，即尖端修复，通过磨损损失的材料通常用熔覆进行替换。整体断裂则通过焊接技术连接的补丁进行更换，补丁修复的优点是材料特性差异最小，因为补丁与原始发动机叶片的材料一致。裂纹修复包括焊接或钎焊方法。

材料沉积面临的挑战来自两个不同方面（见图 3）。一方面，涡轮叶片使用的单晶或多晶材料需要合适的沉积焊接技术，例如镍基合金在焊接后容易产生裂纹，因此钎焊是这类材料常用的方法。另一方面，整体叶盘（blisks）的修复由于叶片可达性差，需要不同的沉积策略。目标是实现近净形，以减少材料使用和再加工过程中的进一步成本，并且使基础材料受沉积过程的影响尽可能小。在这方面，激光焊接具有优势，因为其影响范围极小，可达 10μm。Geffert 和 Eberlein 建议使用等离子弧焊修复整体叶盘，无氧环境可提高焊缝质量。扩散钎焊是修复小裂纹的一种方法，它可以在不产生常见焊接缺陷（如裂纹或变形）的情况下进行材料沉积。一般来说，工业上的做法是利用毛细作用通过钎焊填充深裂纹，而近表面区域的损伤则通过焊接修复。这两种方法都会对叶片的机械性能产生负面影响，从而降低疲劳极限。

下游的热处理通常用于减少焊接和铣削过程中产生的残余应力。Eberlein 表明，对补丁修复的涡轮叶片进行局部热处理可以降低焊接区域的应力。Miglietti 和 Summerside 对焊接的 Inconel（IN738）涡轮叶片进行回火热处理，提高了激光焊接区域的应力断裂性能。Kim 研究了热等静压（HIP）作为焊接镍基材料后处理的应用，结果表明材料的抗拉强度和屈服强度有所提高。

本章主要关注再加工过程，它是修复部件的最终形状切削环节。MRO 公司采用不同方法恢复修复后涡轮叶片的原始轮廓，损伤识别、再加工方法选择和再加工操作都需针对每个工件单独进行。由于损伤种类繁多，刚性的 G 代码数据无法适用，工业上压气机叶片的再加工通常通过砂带磨削完成。

为确保工件质量的一致性，逐步提高再加工过程的自动化程度是有益的，但由于上述损伤的多样性，这一目标难以实现。因此，本章将探讨因自动化过程目标而产生的问题，重点关注工件的个体形状和损伤情况。

工件数字化是当前发展中的一个重要课题，准确的 CAD 数据对于自适应再加工过程至关重要。Walton 指出，基于数字化工件形状生成正确的刀具路径，以及机床与配套 CAD/CAM 系统之间的双向通信非常重要。正确的形状重建对于刀具路径规划和后续加工过程至关重要，因为每个表面都存在微小的个体差异，会影响加工结果。MRO 公司在工件数字化、表面重建和刀具路径规划的整体解决方案上投入了大量精力。

工件数字化带来了为工件提供个性化夹紧位置，以及通过计算机辅助恢复实际几何形状以进行后续工艺规划的挑战。研究主要集中在开发损伤定位、形状恢复的新策略，以及再加工过程的路径规划。此外，当前研究还讨论了正确的刀具选择、可达到的表面质量以及加工参数的考虑。

由于材料沉积，再加工需要满足不同的要求，以获得理想的最终形状和足够的表面区域性能。图 4 以一个在右上角进行补丁修复和尖端焊接的发动机叶片为例，展示了再加工的主要问题。主要问题源于每个修复工件都需要进行个性化的再生过程，与原始轮廓相比，每个发动机叶片都有各自的变形。在制造过程以及在发动机中的使用过程中，实际叶片会因高温和高离心力导致的蠕变等因素发生变形，因此不同应用中的加工表面存在差异，每个刀具路径都需要根据实际形状进行调整。此外，不同工件的焊缝、基础材料和热影响区的材料特性也有所不同。因此，在规划过程中测量并考虑表面和焊缝的几何信息非常重要。

图 4：加工前的挑战

这对再加工工艺链中使用的技术提出了重大挑战。需要提供工件的灵活夹紧，以应对形状偏差和不同的材料沉积区域。每个工件都需要进行数字化和逆向工程，以进行刀具路径规划。为了获得精确的加工结果，该过程必须补偿材料特性和切削体积的变化。

在夹紧工件时，需要对参考情况做出总体决策，可以采用基于夹紧的参考、基于工件的参考或载体系统。基于夹紧的参考是指工件在夹紧系统中始终保持相同的位置，这样可以快速频繁地更换工件，并保持参考的一致性，但这种夹紧系统只能针对一种工件类型进行设计。基于工件的参考允许使用更灵活的夹紧系统，但每次夹紧情况发生变化时都需要进行参考运行，可使用低温熔化合金和精确夹紧系统来实现这种方法。载体系统在工业应用中经常使用，工件被放置在载体上的参考位置，在再加工的不同步骤中，载体进行零点参考。

参考本身可以通过触觉或光学测量来完成。由于易于集成且精度较高，触觉测试成为机床中常用的选择，但使用触觉测量探头时，点密度明显受限。光学测量技术可以实现更高的点密度，Bichmann 对激光三角测量传感器的集成进行了研究。

工件偏差带来了另一个挑战，因此工件上的参考并不一定与整体形状信息一致。通常需要对工件形状进行假设，文献中描述了多种 CAD 技术，可从一定数量的测量点（点云）重建发动机叶片的实际形状。

文献中介绍了不同的方法，大多数作者描述了逆向工程过程，即从数字化的工件数据逐步重建原始发动机叶片。重建过程可通过对三维测量数据进行三角测量，或通过二维轮廓的拉伸来完成。叶片恢复的各个步骤大多在 CAD 环境中进行，这需要多个单独的操作。随后的刀具路径生成既可以基于重建的形状，也可以直接从点数据生成。再生路径规划中的一个主要问题是使刀具路径适应实际叶片形状。

一方面，每个工件的叶片形状都有所不同，因此需要将通用刀具路径应用于单个扫描的发动机叶片。有人应用自由形式变形方法，自动将名义刀具路径调整到修改后的表面，从而减少工件偏差。Chui 开发了一种基于数字化测量点的刀具路径生成方法，通过一系列滤波方法，获得复杂自由曲面的三维三角网格，表面法线作为刀具路径生成的输入数据，可变刀具轴位置的精度在很大程度上取决于对数字化点应用的滤波方法，在尖锐边缘或垂直表面可能会出现算法遗漏的问题。另一方面，焊缝区域未知的材料条件和局部形状变化会影响加工结果，因此在工艺规划中必须考虑这些因素。Lopez de Lacalle 的应用是面向技术的数控规划的一个常见例子，他引入了一种系统，该系统生成的刀具路径能使刀具挠度最小化。对于沿加工表面定义的计算点，根据预先计算的切屑体积评估不同方向的加工力，由此生成的刀具路径可使挠度最小，从而形状误差也最小。

一般来说，Yilmaz 认为加工公差和刀具路径控制点的数量，是获得铣削叶片状工件精确形状的重要参数。发动机叶片的前缘和后缘是关键区域，因为边缘半径比刀具半径小得多，因此建议在该区域增加控制点数量，以避免 gouging 效应。此外，Yilmaz 通过考虑刀具半径、局部曲率半径和 scallop 高度，用数学方法确定路径间隔。

可以看出，再加工过程的设计越来越依赖逆向工程技术，主要目标是获得原始叶片形状的虚拟副本，为每个工件提供个性化的加工过程。在数字化和再加工过程中使用单一夹紧位置的自适应策略，对于高效的自动化过程至关重要，可最大程度减少精度损失。像 TTL 和 BCT 这样的专业公司，提供了考虑工件偏差的自适应再加工所需的软件和机床。然而，目前的刀具路径规划通常是单独进行的，很少考虑实际的焊缝几何形状或特性，再加工过程的路径规划中也很少考虑残余应力或变形等技术因素。

加工过程中会出现各种挑战，如刀具或工件振动、切削刃啮合条件变化或台阶形成。此外，由于工件承受高负载，加工过程中产生的残余应力也不容忽视。

图 5 简要展示了焊缝区域的局部要求，并指出了加工不均匀工件时存在的问题。在再加工的特定情况下，现有文献在应对这些挑战方面存在不足。五轴机床因其先进的运动学特性，相比三轴机床更常用于通过铣削对复杂形状的工件进行再加工。高阻尼、高刚度以及夹紧位置的数量对于实现高精度至关重要。Brecher 研究了在一台机床中集成材料沉积和再加工的方法，这样可以避免因重新夹紧工件而产生的误差。基于机器人的再加工是机床的一种更灵活的替代方案，但由于刚度不足，在铣削过程中存在困难，因此一些研究集中在力控磨削过程。

图 5：加工过程中的挑战

如 Brinksmeier 所指出的，发动机部件再加工过程对尺寸精度、表面粗糙度和材料微观结构有很高的要求。以 Ti-6Al-4V 为材料进行铣削实验，作为参考过程，以获取所需的加工和刀具参数，并确保再加工后工件的高质量。他强调与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的磨损更小，并建议在再加工中使用溢流冷却润滑剂。然而，需要注意的是，所评估的切削数据是基于顺铣方向的槽铣实验，并未涉及再加工焊缝几何形状的情况。Yilmaz 的研究提出了一种用于薄弯曲 Inconel 718 发动机叶片尖端修复的三轴方法，用于去除焊缝，使总修复时间缩短了近 30%。此外，根据材料特性和刀具的高磨损情况，制定了粗加工、半精加工和精加工的不同切削策略。研究表明，通过合适的夹紧、加工和刀具路径策略，可以控制形状偏差和表面形貌。使用涂层硬质合金球头立铣刀对叶片尖端的侧面进行再加工，使用平底立铣刀去除叶片尖端的沉积物。

Boess 使用球头铣刀对焊接的实心 Ti-6Al-4V 工件进行再加工，以研究不同焊缝引起的不均匀性对加工过程的影响。他得出结论，对于 Ti-6Al-4V 的加工，焊缝形状对加工力的影响比焊接引起的材料不均匀性更大。这两种影响都被纳入多体素模拟中，用于预测考虑焊缝内不同材料特性的任意啮合条件下的加工力。

再加工的另一个挑战是在去除焊缝时，由于刀具偏差导致的台阶形成。Moehring 使用球头铣刀对铸铁进行加工，并使用可移动的混合运动学加工单元对大型金属成型模具进行维护，测量到偏差高达 150μm。他认为这是由于焊缝和热影响区的硬度高于周围材料。Yilmaz 也强调了叶片和刀具偏转的挑战，并指出需要先进的刀具路径规划来消除这些干扰。

根据文献可以得出，球头铣刀因其使用方便，且其球形形状适合 CAD/CAM 自适应策略，常用于再加工。但其缺点是生产率较低。尽管再加工时使用的高长径比刀具可能会导致颤振，但刀具振动问题在文献中并未得到足够重视。对于未来整体叶盘的再生，这一问题尤为突出，因为与单个叶片相比，其刀具路径策略更为有限。目前，再加工过程中的啮合条件仅在科学研究中被考虑，尚未应用于工业自适应过程。

加工后可达到的表面质量，例如，取决于材料、使用的铣削刀具以及刀具偏转情况。除了获得最终的叶片形状外，另一个目标是使材料表面区域具有合适的应力条件（见图 6）。由于材料沉积过程，材料结构不均匀，这对最终的材料性能有重要影响。研究焊接过程和再加工对残余应力的定量影响是一个重要课题。

图 6：加工后的挑战

恢复足够的几何形状、表面质量和合适的工件性能是再加工的最重要目标。例如，Butler 描述了翻新后表面形貌（通过喷砂和抛光处理）的重要性，以及其对发动机效率的影响。所需的表面粗糙度值取决于工件和操作环境，涡轮级的叶片和导叶通常会进行涂层处理，因此与压气机级相比，对表面质量的要求相对较低。Huang 将高压涡轮叶片（钴铬镍合金）磨削后的表面粗糙度量化为 Ra=2.3μm，抛光后为 Ra=1.5μm。

通过使用具有刀具磨损补偿功能的机器人系统，与手动操作相比，总循环时间缩短了 42%。Yilmaz 的研究表明，铣削也能达到类似的质量。他在再加工过程中增加刀具路径步数，使得薄高压压气机叶片（Inconel 718 合金）的粗糙度达到 Ra = 2.5μm。采用较小的径向切削深度和进给量可产生较小的残留高度，进而获得较高的表面质量，这对于机翼尺寸和表面粗糙度要求来说已足够。

除了表面形貌和形状精度，残余应力是再加工工件状况的另一个重要因素。拉伸残余应力可能会导致裂纹更容易萌生和扩展，降低疲劳寿命，因此必须加以避免。Thomson 和 Anderton 的研究表明，修复对疲劳极限有显著影响。他研究了燃气发动机压气机机翼后缘修复的影响，得出修复后的试样疲劳极限相比未受损机翼降低了约 41% 的结论。Eberlein 也指出，再生后需要达到特定的残余应力水平，这对于发动机再生的验证和认证过程至关重要。他认为焊接 / 钎焊和再加工是残余应力产生的两个主要来源，最终的残余应力状态对再生过程十分关键。

然而，科学家们试图预测再生过程中产生的应力，如焊接引起的残余应力及其对工件变形的影响。就加工而言，对于像铣削这样常用于再加工的复杂加工过程，目前还无法令人满意地预测残余应力。Denkena 等人指出，切削刃半径是再加工后残余应力形成的一个重要因素。此外，所谓的表面生成力（在计算切屑厚度时仅考虑最终表面）适用于刚性工件的残余应力预测。Altan 强调了传统制造工艺，如电火花加工、激光束材料去除和硬加工，对模具表面完整性的影响。因此在实际操作中，再加工后通常会进行局部热处理，或采用喷丸等额外工艺，以防止拉伸残余应力的产生。现有文献中对焊接和后续加工引起的残余应力之间的相互关系描述有限。

Dattoma 对 Fe 430 焊接板在铣削和切削过程中残余应力场的变化和演变进行了数值研究。第一步，他忽略了加工引起的残余应力，将材料去除视为简单的应力释放过程。然而，仅通过应力释放，最大拉伸应力在纵向的位置就因切削过程发生了显著变化。此外，材料厚度方向的应力分布也出现了从压应力到拉应力以及反之的转变。

在加工技术问题方面的结论是，再加工后的表面质量受路径规划、夹紧和切削策略的影响很大，因此必须根据具体的修复情况来确定。这意味着再加工过程和工艺策略的选择因情况而异。在残余应力方面，只能通过喷丸等后处理工艺获得特定的、均匀的残余应力场，而无法通过再加工过程的模拟预先设定。

为了提高产品质量并缩短再生过程的周期时间，未来的发展应朝着对各个工艺（如材料沉积和再加工）进行集成规划的方向推进。许多研究致力于在焊接过程中实现填充金属的近净形应用。因此，修复后的发动机叶片需要精确的 CAD 模型来进行沉积规划，因为它与原始 CAD 模型不同。

再加工过程通常在薄壁部件（如压气机叶片）上进行。作为统一工艺规划的工件，一个核心问题是开发高效可靠的夹紧方法，并考虑重新夹紧时可能出现的精度损失。在给定适当工艺设计的情况下，当前的机床可以进行再加工操作。然而，加工引起的残余应力在很大程度上取决于加工过程中机床的性能。薄壁叶片结构的振动会导致刀具啮合条件不断变化，进而使加工引起的表面和亚表面性能发生改变。预估的表面性能和表面粗糙度将不再匹配。因此，在处理这些工艺时，必须准确了解机床的性能。深入研究一系列参考工艺，有助于确定特定机床的工艺变量。

下一步是将加工参数及其对材料状况的影响转化为自适应加工模型，这也将包括机床的特性。在开发新的路径规划策略以最小化形状误差的过程中，可以找到基于技术的刀具路径规划的基本方法。从长远来看，基于模拟的方法是最有前景的途径。对于给定的工艺，可以计算啮合条件。因此，需要从材料沉积中获取工件的几何信息。综合考虑加工力和表面性能的计算模型，能够预测单个工艺的加工结果。

整体叶盘在飞机发动机中的应用越来越广泛，因此也必须将修复技术应用于这些部件。目前已有相关研究在关注这个问题。Grylls 旨在通过先进的堆焊方法获得尽可能精确的最终形状，但他也提到在整体叶盘修复中还需要考虑后续步骤，包括材料的最终形状切削。一个复杂的问题是如何将再生过程中的气动和结构要求与激光及加工参数相结合。采用集成再生工艺，除了修复本身的问题外，在集成过程中还必须考虑叶片的个体特征，这在整体叶盘再生中尤为重要。

DOI 10.1007/s00170-015-7256-2

来自：SciExplor

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