黃艷松

（海軍駐長(zhǎng)沙某軍代室，長(zhǎng)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⑶疫€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(zhǎng)了葉片的使用壽命。

由于長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作，渦輪工作葉片表面會(huì)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(zhǎng)，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(cè)[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(cè)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(duì)該渦輪工作葉片進(jìn)行超聲波處理，經(jīng)長(zhǎng)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(duì)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(duì)操作方法和技能要求較高，且去除后表面粗糙度水平會(huì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(tái)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此年修理量達(dá)3000余件；葉身長(zhǎng)度約30 mm、寬度約20 mm，榫頭長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(tái)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(hào),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(huì)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(duì)試驗(yàn)去除涂層量的評(píng)估至關(guān)重要。為此，將1#、3#、5#、7#試件確定為涂層去除量評(píng)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(duì)剖口兩側(cè)涂層進(jìn)行金相組織檢查和對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)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(cè)，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(duì)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(duì)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(hào)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(tái)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(tái)列裝區(qū)域、使命任務(wù)、使用部隊(duì)有所區(qū)別的該型號(hào)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(tái)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)加工5 min后積碳去除干凈，1臺(tái)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(tái)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(duì)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(píng)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。