航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片表面積碳去除工藝

黃艷松

（海軍駐長沙某軍代室，長沙410000）

0 引 言

渦輪工作葉片是把高溫燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子機(jī)械能的重要零件，工作時(shí)不僅被經(jīng)常變化著的高溫燃?xì)馑鼑?，并且還承受著高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力、氣體力和振動(dòng)負(fù)荷等，此外還要經(jīng)受高溫燃?xì)庖鸬臒岣g和高溫氧化，其是決定航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的主要零件之一[1]。某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片由榫頭、緣板、葉身組成，葉身部分分葉盆、葉背兩個(gè)面，葉身前端為進(jìn)氣邊、后端為排氣邊。根據(jù)工況要求，該渦輪工作葉片的基材選用高溫合金DZ22B，并通過電弧噴涂在葉身表面涂覆NiCoCrAlYTa涂層，厚度為50～80 μm，涂層進(jìn)一步提升了抗高溫氧化和燃?xì)鉄岣g的能力，并延長了葉片的使用壽命。

由于長期在高溫環(huán)境下工作，渦輪工作葉片表面會黏附由燃料燃燒后的沉積物及涂層或基體材料經(jīng)高溫氧化腐蝕后所產(chǎn)生的熱蝕層，一般通稱為“積碳”，且隨工作時(shí)間的延長，積碳厚度也在不斷增加，致使渦輪工作效率下降，同時(shí)也掩蓋了葉片表面的損傷，不便于修理檢測[2]。該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用1000 h后，渦輪工作葉片覆蓋著一層褐色的積碳，導(dǎo)致了用于檢測產(chǎn)品使用后是否產(chǎn)生裂紋的熒光檢查無法正常開展，同時(shí)葉型輪廓尺寸也偏離了設(shè)計(jì)要求，帶來了極大的安全隱患，如果采取換件修理，又將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以亟需找到有效去除積碳的工藝方法。

1 方法可行性分析

積碳質(zhì)地堅(jiān)硬、黏附力強(qiáng)，因此去除積碳是一項(xiàng)較困難的工作。目前，去除航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件表面附著物的工藝可分為水劑溶液清洗法和機(jī)械物理去除法。

1.1 水劑溶液清洗法

水劑溶液清洗效率高，與超聲波處理結(jié)合應(yīng)用可提升清洗效果，滿足批量生產(chǎn)需求。近幾年，國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商致力于研發(fā)、應(yīng)用高效和可靠的清洗液及清洗工藝，并取得了一定的成果。但清洗液存在污染環(huán)境和影響產(chǎn)品性能風(fēng)險(xiǎn)，其必須是無毒、無害，且使用后產(chǎn)品應(yīng)經(jīng)充分檢查驗(yàn)證。

德國CHEMETALL公司生產(chǎn)的ARDROX185等清洗液為航天航空行業(yè)常用除銹、除垢及除碳溶劑。前期，已嘗 試 采 用ARDROX185、ARDROX1873、ARDROX188 等清洗液分別對該渦輪工作葉片進(jìn)行超聲波處理，經(jīng)長時(shí)間清洗加工，積碳未出現(xiàn)松軟、鼓包、開裂等脫落跡象，除積碳效果不理想。

1.2 機(jī)械物理去除法

目前，常用去除零部件表面附著物的機(jī)械物理方法有手工打磨、干吹砂、濕吹砂、磨粒流拋光、振動(dòng)光飾等工藝。

手工打磨對操作技能要求高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，拋修去除厚度不易控制，生產(chǎn)效率低，不利于大批量生產(chǎn)，不適合精密部位的加工。干吹砂通過壓縮空氣將磨料高速噴射至零件表面去除附著物，達(dá)到清理和光飾的目的，可通過控制空氣壓力、磨料規(guī)格、吹砂時(shí)間等參數(shù)調(diào)整去除量，效率較手工打磨高，適合去除毛坯或半成品表面的附著物，如鍛鑄件表面氧化層去除等，當(dāng)用于去除尺寸精度部位附著物時(shí)，對操作方法和技能要求較高，且去除后表面粗糙度水平會有所下降[3]。濕吹砂是在干吹砂的基礎(chǔ)上，將液體與磨料混合后通過濕吹砂機(jī)噴射至零件加工面，在工藝參數(shù)相當(dāng)?shù)那闆r下，濕吹砂比干吹砂去除量小,加工后的部件表面較光滑。

磨粒流拋光的加工原理是利用擠壓方法將具有流動(dòng)性的磨料不斷在工件表面進(jìn)行反復(fù)研磨，實(shí)現(xiàn)拋光和去毛刺的效果。磨粒流拋光加工需配備磨粒流拋光機(jī)床,磨粒流必須構(gòu)成回路, 通常用于加工那些鉗工操作可達(dá)性差的內(nèi)腔、油路，當(dāng)用磨粒流拋光加工外表面時(shí)，必須根據(jù)零件外形尺寸制配工裝夾具，生產(chǎn)成本較高；振動(dòng)光飾是將零件與磨料混合于筒體內(nèi)，通過筒體振動(dòng)使磨料對加工面進(jìn)行磨削，達(dá)到拋光和去毛刺的效果，該方法能夠滿足大批量生產(chǎn)需求，生產(chǎn)效率高、成本低。

1.3 綜合分析

水劑溶液+超聲波的清洗方法生產(chǎn)效率較高，但渦輪工裝葉片加工效果不理想。由于長期高溫使用過程中沉淀的附著物黏附力很強(qiáng)，特別是與孔隙率較高的涂層表面的黏附力就更強(qiáng)，且成分復(fù)雜，很難在短時(shí)間內(nèi)研發(fā)或配制一種針對性的無害清洗液。因此，機(jī)械物理去除方法是目前的可行選擇。

每臺發(fā)動(dòng)機(jī)裝配30余件該渦輪工作葉片，每年需維修100余臺發(fā)動(dòng)機(jī)，因此年修理量達(dá)3000余件；葉身長度約30 mm、寬度約20 mm，榫頭長約20 mm、寬度約15 mm，涂層表面粗糙度要求為Ra2.2 μm外形結(jié)構(gòu)精致，葉型輪廓復(fù)雜,尺寸精度要求高。手工打磨、干吹砂及濕吹砂方法無法滿足該渦輪工作葉片批量修理和精度要求，且因產(chǎn)品外形小巧，導(dǎo)致手工操作性差，因此不宜作為該產(chǎn)品去除積碳的方法；磨粒流拋光、振動(dòng)光飾對操作技能要求不高，加工質(zhì)量主要靠設(shè)備和工藝參數(shù)保證，加工精度較高、表面粗糙度較好，適合批量修理。

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸、功率軸等細(xì)長軸的內(nèi)孔拋光和去毛刺加工廣泛采用磨粒流拋光工藝，振動(dòng)光飾也廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、盤、軸等零件外表面的拋光和去毛刺加工，均有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)和扎實(shí)的應(yīng)用基礎(chǔ)，可作為該渦輪工作葉片涂層表面積碳去除的試驗(yàn)方法，進(jìn)一步開展工藝參數(shù)研究。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

從同一臺發(fā)動(dòng)機(jī)的該渦輪工作葉片修理件中抽取8件作為試件，按1#～8#的順序編號,1#～4#試件作為磨粒流試件、5#～8#試件作為振動(dòng)光飾試件，經(jīng)檢查確認(rèn)表面均無碰劃傷、涂層脫落等缺陷。根據(jù)磨粒流拋光、振動(dòng)光飾的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該渦輪工作葉片的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，磨粒流試驗(yàn)采用φ5～φ10 μm圓形碳化硅軟質(zhì)磨料, 振動(dòng)光飾試驗(yàn)采用φ25×25 mm圓錐形樹脂磨料,其他試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)方法和參數(shù)

該渦輪工作葉片NiCoCrAlYTa涂層厚度設(shè)計(jì)要求為50～80 μm，因電弧噴涂工藝特點(diǎn)，造成涂層厚度存在一定的不均勻性，一般是進(jìn)氣邊、排氣邊較薄，而葉盆、葉背的中間部位較厚。此外，復(fù)雜的葉型結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致磨料與表面各部位的接觸情況存在差異，造成不同部位涂層去除量不均勻的現(xiàn)象。NiCoCrAlYTa涂層厚度是影響產(chǎn)品抗熱腐蝕的重要要素，因此對試驗(yàn)去除涂層量的評估至關(guān)重要。為此，將1#、3#、5#、7#試件確定為涂層去除量評估件，在葉身中部橫向垂直于基疊軸沿四周貼膠帶一圈（如圖1所示），使葉身膠帶覆蓋處的表面不與磨料接觸，保持使用后的狀態(tài)。試驗(yàn)后，沿膠帶邊剖切葉身，對剖口兩側(cè)涂層進(jìn)行金相組織檢查和對比計(jì)算，即可較精準(zhǔn)地確定各部位的涂層去除量。

為驗(yàn)證上述試驗(yàn)去除積碳的能力，以及對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度, 試驗(yàn)后開展以下4個(gè)方面檢查工作:1）外觀檢查表面積碳是否完全去除, 涂層是否出現(xiàn)鼓包、脫落、開裂等損傷；2）剖切試件進(jìn)行金相組織檢查，計(jì)算涂層厚度去除量；3）按圖樣要求對葉身進(jìn)行投影檢查，檢查是否滿足要求，并確認(rèn)涂層去除量的均勻性；4）按新品工藝規(guī)程開展熒光檢查，確認(rèn)去除積碳后熒光檢查能否順利進(jìn)行。

圖1 試件貼膠帶示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)外觀檢查，1#～8#試件涂層表面積碳均已完全去除，且涂層無損傷，呈金屬光亮色，涂層表面光滑，磨粒流拋光加工的1#～4#試件表面的光亮度較好，2種試驗(yàn)后試件外觀分別如圖2、圖3所示。

圖2 磨粒流拋光后試件外觀

圖3 振動(dòng)光飾后試件外觀

1#、3#、5#和7#試件剖口兩側(cè)涂層厚度的金相組織檢查結(jié)果如表2所示，經(jīng)對比計(jì)算,試件葉身進(jìn)氣邊、葉盆、葉背、排氣邊各部位涂層去除量如表3所示。由表3可見，磨粒流拋光去除涂層量大，隨著循環(huán)次數(shù)增加而增加，各部位去除量均勻性差，進(jìn)氣邊和葉盆部位去除量較大，經(jīng)5個(gè)循環(huán)加工后，進(jìn)氣邊的涂層厚度已不合格；振動(dòng)光飾去除涂層量少、均勻，加工時(shí)間增加對涂層去除量影響不大，經(jīng)10 min加工后涂層厚度仍合格。

表2 涂層去除深度評估件的金相組織檢查結(jié)果 μm

表3 試件涂層去除量μm

經(jīng)葉型投影儀檢測，2#試件葉型輪廓尺寸雖然在公差內(nèi)但不圓滑，4#試件葉型輪廓尺寸不合格，6#和8#試件葉型輪廓尺寸均合格。對2#、4#、6#和8#試件進(jìn)行熒光檢查，涂層表面均無熒光液吸附現(xiàn)象，表明各試件加工后涂層無開裂現(xiàn)象，表面積碳已去除干凈。

2.3 結(jié)果分析

經(jīng)外觀、熒光檢查表明，1#～8#試件加工部位的表面積碳已去除干凈，且無涂層開裂、起泡、脫落等問題，2種工藝方法均可有效去除該渦輪工作葉片的涂層積碳。金相組織檢查結(jié)果反映，磨粒流拋光加工存在去除涂層量大、不均勻的問題，容易導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸超差；而振動(dòng)光飾具有去除涂層量小、均勻的優(yōu)點(diǎn)，對產(chǎn)品尺寸基本無影響，且去除量受加工時(shí)間影響不大，加工過程質(zhì)量控制難度較小，適合批量修理，加工成本較低。綜上分析認(rèn)為，樹脂磨料、振頻為25 Hz、振幅為5 mm、時(shí)間5～10 min的振動(dòng)光飾方法可以作為該渦輪工作葉片NiCoCrAlYTa涂層表面積碳去除工藝方法。

3 試修驗(yàn)證

同型號航空發(fā)動(dòng)機(jī)雖然設(shè)計(jì)功能和性能要求一致，但因各自列裝區(qū)域、使命任務(wù)、使用部隊(duì)不盡相同，在使用環(huán)境、工作載荷、日常維護(hù)等方面有所區(qū)別，這些都將導(dǎo)致每臺發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片的積碳情況存在差異性。

為充分驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用效果，選取4臺列裝區(qū)域、使命任務(wù)、使用部隊(duì)有所區(qū)別的該型號發(fā)動(dòng)機(jī)大修機(jī)，共120余件渦輪工作葉片開展了振動(dòng)光飾試修加工。

根據(jù)試修工藝要求，4臺發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片分批加工，振動(dòng)光飾5 min后檢查積碳去除情況，未去除干凈則繼續(xù)加工，每隔1 min再檢查1次，如實(shí)記錄加工時(shí)間。經(jīng)試修，其中3臺發(fā)動(dòng)機(jī)加工5 min后積碳去除干凈，1臺發(fā)動(dòng)機(jī)加工7 min后積碳才完全去除，所有葉片涂層無損傷，葉型尺寸、熒光檢查均合格，試修后各發(fā)動(dòng)機(jī)通過了整機(jī)試車考核。根據(jù)試修驗(yàn)證情況，在工藝規(guī)程中增加了每臺發(fā)動(dòng)機(jī)葉片分批加工、加工5 min后每隔1 min檢查積碳去除情況的要求。

4 結(jié) 語

通過對常見去除積碳工藝方法的可行性分析，選用磨粒流拋光、振動(dòng)光飾方法開展工藝試驗(yàn)，并采取在葉身上貼膠帶作為涂層去除量評估試件的方法，提高了試驗(yàn)效率，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過工藝試驗(yàn)及試修驗(yàn)證，采用樹脂磨料、振頻為25 Hz、振幅為5 mm、時(shí)間為5～10 min的振動(dòng)光飾方法，能夠滿足該航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片NiCoCrAlYTa涂層表面積碳的去除需求，既提高產(chǎn)品質(zhì)量，也節(jié)約修理成本。鑒于不同發(fā)動(dòng)機(jī)使用后渦輪工作葉片表面積碳的厚度存在差異性，修理中應(yīng)嚴(yán)格落實(shí)不同發(fā)動(dòng)機(jī)分批加工的原則，并加強(qiáng)振動(dòng)光飾加工過程的檢查工作。