張伯年，謝 克，馬金波

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

目前軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)（包括其配套動(dòng)力裝置飛附機(jī)匣、燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)等）均使用180號洗滌汽油進(jìn)行表面除污清洗工作，存在靜電起火的安全隱患，使用管控成本較高。為了有效規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)，需尋找安全、經(jīng)濟(jì)的替代清洗介質(zhì)。經(jīng)過調(diào)研，在民航飛機(jī)維護(hù)、零部件修理、汽車保養(yǎng)和機(jī)械加工等領(lǐng)域均開始使用干冰清洗技術(shù)，安全性高、清洗效果好。

但該項(xiàng)技術(shù)尚未在飛機(jī)修理行業(yè)開展使用，干冰清洗會(huì)不會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)主體材料表層也不得而知，在運(yùn)用這項(xiàng)新技術(shù)之前必須研究干冰除污對軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)主體金屬材料表面的影響，設(shè)計(jì)并制定一套發(fā)動(dòng)機(jī)部件局部表層干冰清洗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在保證不影響發(fā)動(dòng)機(jī)表面技術(shù)狀態(tài)的前提下，達(dá)到或超越現(xiàn)有洗滌汽油清洗效果，并完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)洗滌汽油，減少安全隱患。

干冰清洗是把壓縮空氣作為動(dòng)力源，將干冰顆粒噴射到被清洗物件表層。干冰顆粒在對物體表面撞擊的過程中，使油污、殘留雜質(zhì)等污垢快速冷凝、脆化，并從物體表面剝離，隨氣流清除[1]，從而達(dá)到清洗效果。干冰清洗示意圖如圖1所示。

圖1 干冰清洗示意圖

使用干冰清洗有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。節(jié)約費(fèi)用：干冰能夠在清洗時(shí)直接揮發(fā)，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。同時(shí)還能節(jié)約了大量的設(shè)備操作時(shí)間，提高效率，使產(chǎn)量大幅提高。干燥的清洗過程：同比蒸汽和水清洗，干冰清洗對傳感器、電路板等元器件都沒有損傷。清洗后，大大降低了產(chǎn)品銹蝕的可能性。環(huán)境安全性：二氧化碳是一種無毒、無害的物質(zhì)，利用干冰清洗可以替代化學(xué)物質(zhì)清洗，使人的身體可以避免化學(xué)物質(zhì)的傷害。

1 干冰清洗技術(shù)

1.1 干冰的特性

干冰是一種固態(tài)的二氧化碳，也是一種無色無味的氣體。

其特性分析：在-78℃低溫二氧化碳（CO2）以固體形式存在。而固態(tài)二氧化碳（CO2）可以直接升華，無需液化過程；二氧化碳（CO2）是一種無毒，易升化的氣體，價(jià)格便宜并且易于保存，不導(dǎo)電且沒有可燃性。二氧化碳物理特性見表1。

表1 二氧化碳（CO2）的物理特性

1.2 干冰清洗原理

以壓縮空氣為動(dòng)力源，把低溫（-78℃）的干冰經(jīng)過加速后，沖擊被清洗物外層污垢，污垢迅速降溫致使表面脆化、爆裂，使顆粒狀干冰進(jìn)入污垢的裂縫，在幾千分之一秒內(nèi)迅速升華，通過體積膨脹近幾百倍，瞬時(shí)去除物件表面污垢[2]。

2 工藝試驗(yàn)

渦扇系列發(fā)動(dòng)機(jī)是我國第三代主力戰(zhàn)斗機(jī)的配套核心動(dòng)力裝置。其機(jī)體構(gòu)成部件（殼體和導(dǎo)管）主要成分為鈦合金、不銹鋼等材料。目前工廠存放、維護(hù)的是俄制某型發(fā)動(dòng)機(jī)和國產(chǎn)某型發(fā)動(dòng)機(jī)，通過兩型發(fā)動(dòng)機(jī)航材目錄的查找，發(fā)現(xiàn)其動(dòng)力裝置的主體及部件的材料主要為以下牌號（見表2）。

從原理可以看出干冰清洗主要通過干冰顆粒的低溫和沖擊速度這一獨(dú)特的熱力學(xué)性能，影響粘附污垢的機(jī)械性能。所以首先應(yīng)該分析清洗過程中干冰顆粒對清洗母體金屬表層的影響，再分析干冰顆粒沖擊對清洗母體金屬表層粗糙度和硬度的影響。

2.1 低溫對動(dòng)力裝置材料的影響

通過低溫試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，將熱電偶被埋入鋼件的不同深度，從表面到2mm深。反復(fù)對樣件進(jìn)行干冰清洗。清洗時(shí)間為30s，并記錄深度不同的溫度變化，見圖2。在最表層的熱電偶顯示出，每一次噴射時(shí)溫度下降值。經(jīng)比較，在不同深度里顯示值是緩慢降溫，30s后最深處的顯示值只下降了10℃。

圖2 不同深度熱電偶的溫度變化

2.2 沖擊速度對動(dòng)力裝置材料的影響

選取鈦合金（TC6）和不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）材料的樣塊各2件，如圖3和圖4所示，分別對材料樣塊中未使用干冰清洗和已使用干冰清洗進(jìn)行表面粗糙度和硬度的對比試驗(yàn)。

圖3 鈦合金（TC6）樣塊

圖4 不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)樣塊

首先將2件不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）材料樣塊分成1#、2#、3#、4#四個(gè)試驗(yàn)區(qū)域，2件鈦合金（TC6）材料樣塊分成5#、6#、7#、8#四個(gè)試驗(yàn)區(qū)域，其中1#、3#、5#、7#試驗(yàn)區(qū)域?yàn)楦杀逑疵妫?#、4#、6#、8#試驗(yàn)區(qū)域?yàn)樵济?。樣塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析報(bào)告見圖5、圖6。

圖5 樣件硬度試驗(yàn)報(bào)告

圖6 樣件表面粗糙度試驗(yàn)報(bào)告

樣塊對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，曲線分布圖見圖7、圖8。

表3 樣塊清洗前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 樣件硬度對比試驗(yàn)曲線圖

圖8 樣件表面粗糙度對比試驗(yàn)曲線圖

2.3干冰清洗技術(shù)試驗(yàn)結(jié)論

綜合上述驗(yàn)證研究表明（見圖2、5、6、7、8）：①溫度的降低只會(huì)發(fā)生在金屬表面，不會(huì)對金屬內(nèi)部造成破壞。瞬間降溫不會(huì)引起金屬表面脆化，對金屬表面處理層無影響。②干冰清洗的沖擊力對樣件表面粗糙度和硬度未發(fā)生明顯改變，干冰的硬度不大，并且在沖擊瞬間氣化，不會(huì)產(chǎn)生磨損。所以使用干冰清洗技術(shù)對所清洗的動(dòng)力裝置機(jī)體金屬表層無影響。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題及解決措施

3.1干冰清洗對發(fā)動(dòng)機(jī)部件的影響性研究

雖然干冰清洗技術(shù)已在民用領(lǐng)域廣泛使用，但對軍用發(fā)動(dòng)機(jī)材料體系、結(jié)構(gòu)形式的影響還不明確，研究干冰清洗對發(fā)動(dòng)機(jī)部件的影響，確定適用范圍是研究的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

通過制定試驗(yàn)方案，對低溫、沖擊對材料表面影響的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，論證了干冰清洗對金屬材料表面瞬間降溫，不會(huì)造成金屬材料表面脆性增大，還可以從金屬物質(zhì)上清除非金屬污垢；同時(shí)控制和調(diào)整干冰沖擊速度的快、慢，更有利于剝離金屬物上結(jié)合的污垢。

3.2制定清洗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確保清洗效果

干冰清洗技術(shù)的介質(zhì)形狀、大小、清洗壓力、出冰速率、清洗距離、清洗時(shí)間等對不同材料、不同結(jié)構(gòu)、不同污物的清洗效果有較大影響，研究制定具有針對性的干冰清洗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保清洗效果也是研究的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

分別通過低溫試驗(yàn)和清洗前、后對比試驗(yàn)方法，制定航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件局部表層的清洗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 干冰清洗在航空產(chǎn)品上的實(shí)際運(yùn)用

干冰清洗技術(shù)是利用低溫這一熱力學(xué)性能，影響粘附污垢的機(jī)械性能。在干冰顆粒與清洗表面間形成溫度差，將污垢層沖擊破碎。通過此次低溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)，充分證明了材料表面瞬間降溫，不會(huì)造成金屬材料表面脆性增大，還可以從金屬物質(zhì)上清除非金屬污垢。

由于干冰顆粒本身密度較低，要達(dá)到所要的沖擊能量必須取決于干冰噴射的速度。通過樣件的表面粗糙度和硬度對比試驗(yàn)結(jié)論，在控制干冰沖擊速度和氣源壓力的大小，更有利于剝離金屬物上結(jié)合的污垢。

鑒于以上2項(xiàng)研究結(jié)果，確定了表層局部清洗的新工藝，①針對不同材質(zhì)的動(dòng)力裝置部位規(guī)定使用干冰清洗的介質(zhì)形狀、大?。虎跒閷?shí)現(xiàn)清洗物件表層的瞬間降溫，確定了清洗時(shí)間、清洗距離的要求及相關(guān)操作方法；③為了更有效的破壞金屬表層和污垢的結(jié)合，制定了清洗壓力、出冰速率的要求及相關(guān)操作方法：

4.1 干冰顆粒的選用

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)的材料主要為鈦合金，而部附件、導(dǎo)管等材料為不銹鋼材質(zhì)，其表層的油污需要大顆粒的干冰清洗才能達(dá)到最好的效果。因此適用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)表層、部附件等應(yīng)采用干冰顆粒規(guī)格為直徑3mm，如圖 9所示[3]。

圖9 干冰顆粒

4.2 鈦合金（T C 6）機(jī)體清洗工藝方法

鈦合金（TC6）機(jī)體清洗工藝方法見圖10.

1）調(diào)整干冰清洗設(shè)備供氣壓力，使壓力保持在0.7～0.8Mpa之間；

2）調(diào)整干冰清洗設(shè)備出冰速率，使出冰速率為0.015kg/s；

3）保證干冰噴射槍嘴距離清洗面為30～50cm之間；

觀點(diǎn)應(yīng)簡明扼要，并不是說句子越短越好，而是必須將意思表述清楚。本句即概括了以下所有意思，從反面指出顧忌與牽絆的關(guān)系。比如第二句分析“內(nèi)心足夠強(qiáng)大”便怎樣，“而相反的”又怎樣；第三句分析太多顧忌的危害，第四句則得出結(jié)論，從正反兩方面總結(jié)顧忌的危害及拋棄顧忌的必要性。

4）保證干冰噴射槍嘴垂直于清洗面；

5）平緩的移動(dòng)干冰噴射槍嘴，使干冰均勻噴射至產(chǎn)品表面，每一位置停留時(shí)間不超過5s。

圖10 機(jī)體結(jié)構(gòu)清洗

4.3 不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）部件及導(dǎo)管清洗工藝方法

不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）部件及導(dǎo)管清洗工藝方法見圖11。

1）調(diào)整干冰清洗設(shè)備供氣壓力，使壓力保持在0.6Mpa之間；

2）調(diào)整干冰清洗設(shè)備出冰速率，使出冰速率為0.01kg/s；

3）保證干冰噴射槍嘴距離清洗面為100～110cm之間；

5）平緩的移動(dòng)干冰噴射槍嘴，使干冰均勻噴射至產(chǎn)品表面，每一位置停留時(shí)間不超過5s。

圖11 部件、導(dǎo)管清洗

5 結(jié)論

通過對已成功應(yīng)用于88臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況進(jìn)行總結(jié)，清洗效果對比如圖12所示，發(fā)現(xiàn)干冰清洗工藝方法的清洗效果優(yōu)于洗滌汽油清洗效果，未發(fā)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)表面有任何影響，清洗效果良好。干冰清洗安全、可靠，代替洗滌汽油清洗可有效杜絕靜電起火的安全隱患，后續(xù)可向飛機(jī)其他產(chǎn)品推廣。

干冰清洗安全、可靠，無污染排放，減少了對環(huán)境的污染和對人員健康的影響。干冰價(jià)格低廉，無需廢油處理等環(huán)節(jié)，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。最重要的是，干冰清洗代替了汽油清洗，提高了清洗工作的安全性，徹底杜絕了發(fā)動(dòng)機(jī)清洗工作時(shí)靜電起火的安全隱患，提高了作業(yè)工效，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

綜合大量實(shí)際使用過程中的經(jīng)驗(yàn)可以看出，不同的材質(zhì)的部件，所用清洗的方法略有不同。按適合的清洗方法，才能使之達(dá)到最佳的清洗效果?？傊?，干冰獨(dú)特的超低溫和氣化這一特性，使干冰清洗技術(shù)對溫變敏感性的污垢均具有非常好的效果，其應(yīng)用領(lǐng)域已逐步深入航空維修行業(yè)。