■ 曹志濤 韓松 魏錢鋅/中國航發(fā)研究院

20世紀60年代初期，清潔度控制標準首先起源于航空和汽車工業(yè)并逐漸擴展到其他工業(yè)領(lǐng)域，極大地推動了各行業(yè)高精尖技術(shù)發(fā)展。航空發(fā)動機作為高精尖工業(yè)產(chǎn)品的代表，通過推行清潔度控制，極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。中國航發(fā)編制發(fā)布一系列航空發(fā)動機零部件清潔度控制標準，是進一步提升產(chǎn)品研制水平的關(guān)鍵。

零部件清潔度是用來表征零部件清潔水平的指標，是清洗工序后零部件表面殘留顆粒污染物的限量值，涉及顆粒污染物種類、大小、數(shù)量和質(zhì)量等。清潔度控制水平對產(chǎn)品的配合精度、壽命和可靠性等都有重大影響，隨著技術(shù)水平的不斷進步和認知的不斷擴展，航空、汽車、半導(dǎo)體、電子、生物醫(yī)療等高科技領(lǐng)域中關(guān)鍵零部件的清潔度控制要求越來越受到重視。

零部件清潔度控制的起源

清潔度控制的前身是污染物控制，重點關(guān)注肉眼可見的大顆粒污染物對產(chǎn)品的影響。

在第二次世界大戰(zhàn)時期，對于幾十微米的顆粒污染物即可導(dǎo)致精密控制系統(tǒng)功能失效的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了從污染物控制向清潔度控制的轉(zhuǎn)變，研究人員開始更加關(guān)注微米級尺度顆粒污染物對精密機械系統(tǒng)的影響。

20世紀60年代初，美國汽車工程師協(xié)會（SAE）和美國航空航天工業(yè)協(xié)會（AIA）開始采用統(tǒng)一的清潔度標準，從美軍標（MIL）《產(chǎn)品清潔度等級》演化而來的環(huán)境科學(xué)和技術(shù)標準《產(chǎn)品清潔度等級——應(yīng)用、要求和定級》推動了半導(dǎo)體、數(shù)據(jù)存儲、醫(yī)療設(shè)備、通信、航空和精密儀表等行業(yè)的清潔度控制水平的提升。

十幾年前，航空發(fā)動機領(lǐng)域開始引入清潔度控制標準開展零部件全生命周期控制。GE航空集團、普惠等代表性企業(yè)都在國際標準化組織（ISO）、美軍標（MIL）、協(xié)會團體（SAE、美國材料試驗協(xié)會等）標準的基礎(chǔ)上編制了更加符合行業(yè)特點和需求的企業(yè)標準，配合美軍標、各行業(yè)協(xié)會標準，用于指導(dǎo)企業(yè)和全球供應(yīng)商的發(fā)動機產(chǎn)品清潔度控制。

航空發(fā)動機清潔度控制的意義

據(jù)統(tǒng)計，用于汽車發(fā)動機清潔的工作量約占制造過程總量的10%～20%，不同企業(yè)在裝配前的清洗工藝與清洗質(zhì)量的不同，可導(dǎo)致零部件運轉(zhuǎn)壽命相差10～100倍，因此清潔度是發(fā)動機十分重要的質(zhì)量屬性，與使用壽命緊密相關(guān)[1]。航空發(fā)動機更是一種要求有極致質(zhì)量和可靠性的精密機械產(chǎn)品。從幾何尺寸角度看，其轉(zhuǎn)子軸承的徑向間隙范圍為14～93μm，接觸零件的油膜厚度為10～20μm，要嚴格控制微米級尺度的顆粒污染物的量，即開展清潔度控制。研究表明，造成航空發(fā)動機清潔度問題的主要根源是顆粒污染物，尤其是硬質(zhì)顆粒。德國舍弗勒公司曾研究不同硬度污染物顆粒對軸承產(chǎn)品的壽命影響，試驗及分析結(jié)果如圖1所示，隨著污染物顆粒的硬度增加，顆粒造成的壓痕深度增加，軸承壽命明顯降低，與無污染物試驗相比最多出現(xiàn)了99%以上的壽命損失，這種結(jié)果對于可靠性要求極高的航空發(fā)動機來說是不可接受的。

清潔度控制是一個全生命周期概念，在航空發(fā)動機零部件設(shè)計、加工、裝配、包裝運輸和使用維護過程中都涉及清潔度問題。易于存蓄顆粒污染物且難以清洗的零部件結(jié)構(gòu)問題來源于設(shè)計過程；毛刺、金屬屑等加工殘余過量問題和沙粒、剛玉等外來硬質(zhì)顆粒輸入問題則來源于加工、裝配和包裝過程中的疏于管理；合格的清潔零部件的再污染/損傷等問題多數(shù)來源于包裝運輸和使用維護過程中外來輸入污染物的威脅。

圖1 顆粒污染物硬度對軸承壽命影響試驗

做好零部件清潔度控制可以全面提升行業(yè)競爭力。在產(chǎn)品層面，通過清潔度控制可在很大程度上避免燃滑油異常及過燒、油路系統(tǒng)堵塞、傳動部件磨損、軸承干研、轉(zhuǎn)靜子刮磨等故障[2]，節(jié)省大量型號研制時間和成本。在工藝層面，清潔度控制是焊接、噴涂等附著力要求較高的工藝過程的重要工序，油液等有機污染物殘留會大大降低焊接點和涂層性能，因此清潔度控制水平是決定工藝過程成敗的關(guān)鍵要素[3]。在設(shè)備層面，冷加工過程中的清潔度控制可以有效保障設(shè)備加工精度及測量精度，熱加工過程中的清潔度控制可以避免零部件殘留有機物揮發(fā)污染設(shè)備，提高設(shè)備的高精度穩(wěn)定運行周期。因此，零部件清潔度控制對于航空發(fā)動機研制水平的提升，以及提高航空發(fā)動機產(chǎn)品質(zhì)量、性能、可靠性和降低直接使用成本等都具有重要意義[4]。

清潔度控制技術(shù)

清潔度控制分級

清潔度分級主要面向?qū)α悴考p害最大的顆粒污染物，其基礎(chǔ)在于對磨損機理的深入研究。從磨損機理得知，直接危及產(chǎn)品壽命的是顆粒污染物的硬度、大小與數(shù)量分布情況[5]。將可定義并可檢測的損害產(chǎn)品壽命的因素與清潔度級別相互關(guān)聯(lián)的操作就是清潔度分級，分為顆粒計數(shù)法分級和稱重法分級，其中顆粒計數(shù)法分級是稱重法分級的基礎(chǔ)依據(jù)。

顆粒計數(shù)法分級在于建立顆粒尺寸大小、一定尺寸范圍內(nèi)的顆粒數(shù)量以及顆粒硬度與清潔度級別的關(guān)聯(lián)關(guān)系，其中硬度一般作為測量對象的范圍界定要素來考慮，不納入分級模型中。針對另外兩類壽命相關(guān)要素，美國環(huán)境科學(xué)和技術(shù)部標準《產(chǎn)品清潔度等級——應(yīng)用、要求和定級》中提出了顆粒尺寸分布與對應(yīng)等級的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了清潔度的顆粒計數(shù)分級。

零部件清洗技術(shù)

零部件清洗過程是將吸附在基體上的污染物解析下來從而使基體表面清潔的過程，包括對基體和污染物的潤濕和界面間滲透，使污染物與基體表面分離，以及防止已分離污染物再沉積于基體表面的過程。普遍采用的清洗方法分為干式清洗和濕式清洗兩大類，根據(jù)具體的清洗方式、清洗介質(zhì)、輔助手段和清洗階段又有更加詳細的方法劃分，具體如圖2所示。

紫外線臭氧、激光、干冰等干式清洗屬于殘留較小的新式清洗方法，分別利用紫外線和臭氧的激發(fā)氧化效應(yīng)、高能量密度激光激發(fā)的熱能、干冰顆粒沖擊冷卻效應(yīng)來去除污染物。濕式清洗主要依靠水基或油基清洗液對污染物的浸潤和剝離來達到去除的目的。相對于干式清洗存在液態(tài)清洗劑的殘留問題，濕式清洗中的機械、壓力、噴射和超聲清洗方法主要依靠接觸、高壓、沖擊和高頻振動等輔助手段增強清洗液對污染物的浸潤和剝離效果，完成較難去除污染物的清洗；酸堿、有機溶劑和電化學(xué)拋磨清洗依靠氧化還原反應(yīng)和有機溶劑與油料污染物的互溶性來增強清洗效果；去離子水、旋轉(zhuǎn)清洗和干燥主要用于最終清洗，用于去除前述幾種濕式清洗方法的液體殘留。

顆粒污染物檢測技術(shù)

清潔度檢測方法根據(jù)使用場景不同可分為在線檢測和取樣檢測兩種。取樣檢測根據(jù)目的不同又可以分為顆粒元素種類檢測和普通取樣檢測等類別。在線監(jiān)測方法主要用于發(fā)動機工作過程中的燃油、滑油污染物監(jiān)測，常見方法為油液磁塞監(jiān)測法；顆粒元素種類檢測多用于故障分析中的顆粒物來源研究，常見方法為鐵譜分析法和光譜分析法等[6]。普通取樣檢測主要用于清洗后零部件的清潔度等級確認，常見方法為質(zhì)量檢測法和顆粒計數(shù)檢測法，兩種方法都需要先完成顆粒污染物的提取。顆粒物提取與清洗操作近似，是將已清洗過零部件的殘留顆粒污染物萃取到提取液中的過程，常見的提取方式包括晃動法、壓力沖洗法和超聲波清洗法等。顆粒污染物提取所選擇的提取液和提取方式與零部件材料、結(jié)構(gòu)等諸多因素相關(guān)，為了保證檢測結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性，同一種零件的顆粒物提取操作應(yīng)該保持一致。

圖2 清洗方法分類

顆粒物質(zhì)量檢測法又名稱重法，通常將萃取顆粒污染物的全部提取液完全通過已知質(zhì)量的潔凈濾膜，干燥后稱量攜帶顆粒污染物濾膜的總質(zhì)量，減掉濾膜質(zhì)量就可以得到顆粒污染物的質(zhì)量，一般需要使用真空泵來加速過濾。顆粒計數(shù)法需要統(tǒng)計多個尺寸范圍的顆粒污染物數(shù)量，常用的方法包括顯微分析法和自動顆粒計數(shù)儀法兩種，相對于傳統(tǒng)的目視手動計數(shù)法來說具有更高的準確度和效率。其中顯微分析法是用圖像處理的方法對濾膜上不同尺寸范圍的顆粒進行自動計數(shù)，自動顆粒計數(shù)儀法是通過遮光、電阻、電子成像原理直接測定待測液樣并進行顆粒計數(shù)。

中國航發(fā)清潔度控制標準及其應(yīng)用

中國航發(fā)編制發(fā)布了一系列航空發(fā)動機零部件清潔度控制標準，主要包括清潔度等級、清潔度控制要求、控制工藝、顆粒物提取和檢測方法等。如圖3所示，系列零部件清潔度控制標準建立在清潔度等級規(guī)定的基礎(chǔ)上，由清潔度控制標準提出零部件全生命周期的基本控制要求，控制工藝和提取檢測標準則從具體操作的角度提供指導(dǎo)，標準的具體分工如下。

圖3 系列清潔度控制標準的分工協(xié)作關(guān)系

清潔度等級類標準規(guī)定了等級劃分方法和相應(yīng)指標；清潔度控制要求類標準主要從產(chǎn)品全生命周期的角度提出為達到相應(yīng)清潔度等級要求需要考慮的通用基礎(chǔ)要求，包括設(shè)計、工藝、檢測、裝配和包裝等；清潔度控制工藝要求類標準承接控制要求標準，主要從工藝的角度對人、機、料、法、環(huán)、測等生產(chǎn)要素給出詳細限制規(guī)定，實現(xiàn)等級標準要求指標；顆粒物提取和檢測方法類標準規(guī)定了多種可選的提取和檢測方法，以相對穩(wěn)定和準確的檢測結(jié)果確定清洗過的零部件所達到的清潔度等級。

清潔度等級類標準

清潔度等級類標準屬于基礎(chǔ)標準，分級方法分為顆粒計數(shù)法分級和稱重法分級。相較而言，稱重法分級使用簡單方便，顆粒計數(shù)法分級可與產(chǎn)品可靠性掛鉤，在航空發(fā)動機領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。顆粒計數(shù)法分級針對5μm以上的顆粒進行了各個尺寸范圍的顆粒數(shù)量限制，規(guī)定所有零部件表面不允許出現(xiàn)200μm以上的顆粒污染物，并給出了其他尺寸范圍的粒度分級代號和不同清潔度等級下允許出現(xiàn)的固定受控表面上最多顆粒污染物數(shù)量，參照國際通用的等級劃分規(guī)則，顆粒計數(shù)法分級共劃分14個等級。稱重法分級給出了固定受控表面允許顆粒污染物的最大質(zhì)量，共分為8個等級。

除了給出顆粒計數(shù)法和稱重法的級別劃分以及每個級別的數(shù)量和質(zhì)量指標值之外，清潔度等級類標準還給出了檢測結(jié)果與清潔度等級的換算方式，以及不同等級要求的表達標識方式。

清潔度控制要求類標準

清潔度控制要求類標準規(guī)定了包括設(shè)計、工藝、檢驗、裝配、包裝防護運輸?shù)攘悴考芷诘耐ㄓ靡话阋?。其中設(shè)計方面要求占主體地位，提出了清潔度等級選擇應(yīng)考慮污染物對相關(guān)系統(tǒng)的影響、多種工作介質(zhì)需要考慮最高等級要求等原則，給出了不同典型零部件推薦的清潔度等級以及等級標識方法示例，提出有利于清潔度控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。從全方位控制角度出發(fā)，標準中還規(guī)定了液體（包括工作液和清洗液）的清潔度要求，以及零部件剩磁、退磁要求等。

清潔度控制工藝要求類標準

清潔度控制工藝要求類標準規(guī)定了人員準入要求，設(shè)備工具維護要求，清洗液使用/禁用規(guī)則，以及環(huán)境的清潔和照度要求。操作過程要求覆蓋了清洗前后、干燥、檢測和防護的工藝要求，并擴展說明了對成附件產(chǎn)品和裝配試車過程的清潔度控制要求等。

顆粒污染物提取和檢測方法類標準

顆粒污染物提取及檢測方法類標準具備一定的通用性，行業(yè)間的差異不大。顆粒污染物提取標準按照晃動、壓力沖洗、超聲波清洗以及模擬功能試驗4種方法介紹了提取液、儀器、環(huán)境和試驗程序。顆粒污染物檢測標準按照稱重法、顯微分析法和自動顆粒計數(shù)儀法3種方法介紹了檢測儀器裝置、環(huán)境、程序、結(jié)果及報告等方面的內(nèi)容。

結(jié)束語

航空發(fā)動機零部件清潔度控制是進一步提升產(chǎn)品研制水平的關(guān)鍵之一。清潔度控制系列標準的編制發(fā)布，可推動中國航空發(fā)動機研制從液體清潔度控制開始進入零部件清潔度控制的全新階段，也對從業(yè)人員意識、清潔度控制技術(shù)攻關(guān)、關(guān)鍵參數(shù)驗證、自動化設(shè)備設(shè)施以及經(jīng)驗數(shù)據(jù)積累等方面提出了需求。為盡快實現(xiàn)零部件清潔度可控，保障軍民用航空發(fā)動機產(chǎn)品性能和可靠性，需要大力支持相關(guān)軟硬件條件建設(shè)和技術(shù)研究，全面提升清洗、檢測、驗收和包裝運輸?shù)攘悴考鍧嵍瓤刂萍夹g(shù)能力，解決標準實施的瓶頸問題。標準應(yīng)用過程中建議強調(diào)設(shè)計輸入和管控，由專業(yè)人員對標準動態(tài)維護更新以及標準實施過程中的審核批準負責，在分階段試點實施和經(jīng)驗總結(jié)基礎(chǔ)上盡快推進標準的大范圍貫徹實施。