航空發(fā)動機葉片表層除碳技術的研究

徐林

摘? 要：某型號航空用發(fā)動機渦輪葉片在工作后葉片涂層表面就會產生一層較難去掉的碳元素，這些積碳會降低葉片的維修品質并且增加相應的成本。文章針對常規(guī)的積碳消除工藝實施可行性研究，分別采用磨粒拋光法、光飾振動法進行相關試驗，根據外觀、尺寸和金相組織觀測等相關結果，確定光飾振動法針對積碳的消除效果較好，且對產品品質無傷害，可以作為該部件表面涂層上消除積碳工藝手段投入到實際應用中。

關鍵詞：航空用發(fā)動機;渦輪葉片;表面積碳

中圖分類號：V267.4? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）36-0083-02

Abstract： The coating surface of a certain type of aero-engine turbine blade will produce a layer of carbon which is difficult to remove after work， and these carbon deposits will reduce the maintenance quality of the blade and increase the corresponding cost. In this paper， aiming at the feasibility study of conventional carbon deposition elimination process， abrasive polishing method and light decoration vibration method are used to carry out related experiments， according to the appearance， size and metallographic structure observation and other related results， it is determined that the light decoration vibration method has a good effect on the elimination of carbon deposition and has no harm to the product quality， so it can be put into practical application as a means to eliminate carbon deposition on the surface coating of this part.

Keywords： aeronautical engine; turbine blade; surface carbon

引言

航空用發(fā)動機內部的渦輪葉片是一種可將溫度極高的燃氣所產生的熱能轉化成發(fā)動機轉子能量的核心部件，航空發(fā)動機工作時，葉片被高溫氣體包圍且該氣體始終處于溫度劇烈變化的狀態(tài)下，同時葉片上還承載著由于高速旋轉而產生的離心力的作用、氣體壓力及發(fā)動機本身振動發(fā)生的作用力等應力的同時作用下，除此以外，渦輪部件必須要承受高溫氣體帶來的熱力學腐蝕作用及高溫環(huán)境中對金屬的氧化作用，因此，渦輪葉片是制約航空用發(fā)動機整體使用年限的關鍵零部件之一[1]。某型號航空用發(fā)動機渦輪葉片主要包括榫頭、緣板、葉身等部分，其中葉身主要分為葉盆、葉背兩個組成部分，葉身的前緣是發(fā)動機的進氣的一邊、葉身的后緣是發(fā)動機的排氣的一邊。

因為渦輪葉片長時間處于高溫狀態(tài)下運行，造成航空燃油燃燒反應后生成的殘留的物質必然會附著在航空發(fā)動機渦輪葉片表層，葉片的表面涂層甚至本體材質受到高溫氧化反應后遭到腐蝕作用后所生成的熱蝕層，此類表面瑕疵一般來講稱為“積碳”，并且隨著發(fā)動機運行時間的增加，積碳層的厚度相應地也會持續(xù)變厚，由此使得渦輪工作狀態(tài)變差，葉片表面層的物理損傷也由于積碳的存在而被其遮蓋，影響日常維修保養(yǎng)[2]。此款航空發(fā)動機運行大約1100小時以后，葉片的表層就會附著褐色的一層積碳，這種情況給航空發(fā)動機的正常運行造成了巨大的潛在風險，因此相關技術人員亟需開發(fā)一類高效消除積碳的實際解決方案。

1 除碳方式的可行性研究

積碳層物質的材質非常堅硬，并且在葉片表層的黏附力較強，故消除表層積碳是一種相對比較艱難的任務。現(xiàn)階段，消除葉片表層積碳的方案一般可以歸結為水劑液清洗方法和物理及機械原理消除法這兩大類。

1.1 水劑液清洗方法

水劑液清洗解決方案與超聲波效應相結合的方案共同作用能夠大幅度提高積碳清洗后的去除率，符合大批量作業(yè)的要求。國際國內的航空發(fā)動機生產商近年來大力投身于開發(fā)、使用高性能及穩(wěn)定性好的清洗用溶液及清洗解決方案，且獲得了相當?shù)倪M步。然而清洗用的溶液依舊存在可能污染周邊自然環(huán)境及破壞葉片某些方面的特殊性能的潛在風險，其基本要求應該是無毒、無害的狀態(tài)，并且在清洗結束以后需要對葉片零件實施充分的驗證，保證清洗溶液對零件的性能沒有影響。

1.2 物理及機械原理消除法方法

現(xiàn)階段，常規(guī)的消除零部件表層積碳的物理及機械原理消除法有人工打磨、干吹砂方法、濕吹砂方法、磨粒流拋光等操作方案。

人工打磨對相關現(xiàn)場操作者的手法和技能等級需要比較嚴格，且勞動者工作強度較大，打磨中消除積碳層的尺寸不能準確把握，消耗的工時較多，無法批量操作，而且對于精細位置處的積碳的處理能力不足。干吹砂方法是借助壓縮氣體使磨料以極高的速度噴射到零件表層進而消除積碳，達到清潔零件表面的目的，經過對相應的氣體壓力的調控、磨料的型號、吹砂動作的時間等參數(shù)的調控，可以控制積碳的消除量，作業(yè)效率較人工打磨高很多針對毛坯及半成品零件表層的積碳消除效果較好，例如鍛鑄件表層的氧化物消除工作等，該方案用在消除精度較高的零件部位表層的積碳情況時，對于手法及方案的科學合理性要求較嚴格，并且消除積碳以后零件表層的粗糙度數(shù)值會有所降低[3]。

磨粒流拋光方案的處理積碳等表面附著物的原理為采用擠壓的形式把可流動的磨料持續(xù)置于相關工件表層實施充分研磨作業(yè)，實現(xiàn)葉片外層精細加工處理的目標。使用磨粒流拋光方案處理零件的表層時，需要依照零件的具體尺寸單獨配備相應的特定的夾具，相對來講成本比較高昂。

1.3 全方位研究

水劑液配合超聲波效應的清洗方案的作業(yè)效率相對較高，然而渦輪葉片制造成型的品質不太符合實際要求。因為長時間處于高溫環(huán)境中，造成沉積下來的附著物不易去除，尤其是和諸如孔隙率比較高涂層接觸的附著物的粘性可能會更加強大，并且組成成分錯綜復雜，短期內開發(fā)或研制一種指定的無毒無害的清洗溶液是比較困難的。故物理及機械原理消除法比較適合。

每臺航空發(fā)動機內部含有40～50余件上文所述的渦輪葉片零件，按照維修100臺計算，修理的工作量為5000件/年;葉片型面扭曲，尺寸精度非常高。手工打磨、干吹砂法及濕吹砂方法不適合此類渦輪葉片零件大批量維修保養(yǎng)及處理精度的規(guī)范要求，磨粒流拋光方案對相關操作者技能要求低，作業(yè)質量主要由相關裝備及處理方案決定，一般精度很高、粗糙度達標，適合大批量零件的保養(yǎng)作業(yè)。

2 工藝方法試驗

2.1 試驗內容

相關技術人員從一臺航空發(fā)動機內渦輪葉片待修理零件中隨機抽取9件作試驗用件，依照1號～9號的順序進行編號，1號～4號試驗用件進行磨粒流試驗、5號～9號試驗用件進行振動光飾試驗。

此渦輪葉片的NiCoCrAlYTa涂層的尺寸理論規(guī)定為60～90納米，由于電弧噴涂方法加工的模式的缺陷，導致涂層的實際厚度具有一定程度的不均勻特征。另外一方面，葉片的復雜結構會造成相關磨料和零件表層各位置的實際工作情況有顯著的區(qū)別，使得最終零件的不同區(qū)域涂層消除量大相徑庭。NiCoCrAlYTa涂層厚度關系到零件抵抗熱能腐蝕的能力，對于試驗過程中涂層厚度的消除厚度的精準控制是關鍵的環(huán)節(jié)。

2.2 試驗結論

經過外觀檢查，1號～9號試驗用件表層附著物都已完全消除，并且相關涂層沒有受損，外觀表現(xiàn)為金屬亮色，相關涂層表層非常光滑潔凈，磨粒流拋光方法處理過的1號～4號試驗用件表層的光亮程度相對較好，磨粒流拋光處理后的試驗用件外觀表現(xiàn)見圖1。

2.3 試驗結論研究

經過外觀、熒光法的檢驗，1號～9號試驗用件處理的位置的表層附著物已被徹底消除，而且沒有發(fā)生表層涂層裂開、發(fā)泡、剝落等等衍生問題，兩類處理方案均能顯著消除此渦輪葉片的表面涂層上的積碳。金相檢查方案的結論表明，磨粒流拋光處理方案消除的涂層量較大，并且消除量分布不平衡，極易發(fā)生成品尺寸超差;振動光飾方法的特點是消除量小、表面品質均勻，基本上不會影響零件的外形及尺寸，作業(yè)進程中品質把控難度不大，能夠適應批量維修的情況，并且作業(yè)成本不高。

3 試修方案驗證

相同型號的航空發(fā)動機雖然總體參數(shù)和性能基本一致，但事實上由于需要考慮不同的飛機的各自列裝區(qū)域、執(zhí)行的任務不同、裝備的兵種及部隊存在較大差異，因此在服役的自然環(huán)境、運行負載狀態(tài)、日常維護等方面存在很多不同之處，上述情況可能造成每一部發(fā)動機的葉片附著物也就是積碳的狀況發(fā)生一定的不同。

根據試修方案的規(guī)定，5臺航空發(fā)動機渦輪葉片屬于分批次加工成型，采用振動光飾方案6分鐘后檢驗附著物的消除狀態(tài)，如果沒能消除徹底則進行進一步處理，每間隔 1分鐘再察看1次，記錄處理的總時間。經過試修驗證，當中4臺發(fā)動機在處理6分鐘后附著物被徹底消除，1臺發(fā)動機處理7分鐘之后附著物才被徹底消除，全部葉片表層無劃傷，葉片的形狀尺寸、探傷檢查都達標，試修完成后各發(fā)動機試車考核均順利通過。

4 結束語

經過針對常規(guī)的消除積碳的消除方法的合理性研究，本文使用磨粒流拋光方案、振動光飾方案實施可行性試驗進行驗證，并參考在零件上粘貼膠帶作為相關涂層消除量評定試驗用件的模式，最大限度地確保結論的合理性。經過實際試驗和試修方案的驗證，使用振動光飾的方案，能夠符合此類渦輪葉片NiCoCrAlYTa涂層表層附著物的消除預期效果，既能提升保養(yǎng)后的操作水平，又能大量節(jié)省維護的費用。鑒于航空發(fā)動機采用后渦輪葉片表層積碳的厚度有一定的不同，維修過程中需要嚴格執(zhí)行不同發(fā)動機分批次進行處理的規(guī)范，并且強調振動光飾處理進程中的檢驗程序。

參考文獻：

[1]劉長福，鄧明.航空發(fā)動機結構分析[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2006.

[2]孫護國，霍武軍.航空發(fā)動機渦輪葉片修理技術[J].航空工程與維修，2001（6）：13-14.

[3]黃艷松.某發(fā)動機導向葉片表面積碳去除工藝研究[J].機械工程師，2015（11）：67-68.