徐林

摘  要：某型号航空用发动机涡轮叶片在工作后叶片涂层表面就会产生一层较难去掉的碳元素，这些积碳会降低叶片的维修品质并且增加相应的成本。文章针对常规的积碳消除工艺实施可行性研究，分别采用磨粒抛光法、光饰振动法进行相关试验，根据外观、尺寸和金相组织观测等相关结果，确定光饰振动法针对积碳的消除效果较好，且对产品品质无伤害，可以作为该部件表面涂层上消除积碳工艺手段投入到实际应用中。

关键词：航空用发动机;涡轮叶片;表面积碳

中图分类号：V267.4         文献标志码：A         文章编号：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

航空用发动机内部的涡轮叶片是一种可将温度极高的燃气所产生的热能转化成发动机转子能量的核心部件，航空发动机工作时，叶片被高温气体包围且该气体始终处于温度剧烈变化的状态下，同时叶片上还承载着由于高速旋转而产生的离心力的作用、气体压力及发动机本身振动发生的作用力等应力的同时作用下，除此以外，涡轮部件必须要承受高温气体带来的热力学腐蚀作用及高温环境中对金属的氧化作用，因此，涡轮叶片是制约航空用发动机整体使用年限的关键零部件之一[1]。某型号航空用发动机涡轮叶片主要包括榫头、缘板、叶身等部分，其中叶身主要分为叶盆、叶背两个组成部分，叶身的前缘是发动机的进气的一边、叶身的后缘是发动机的排气的一边。

因为涡轮叶片长时间处于高温状态下运行，造成航空燃油燃烧反应后生成的残留的物质必然会附着在航空发动机涡轮叶片表层，叶片的表面涂层甚至本体材质受到高温氧化反应后遭到腐蝕作用后所生成的热蚀层，此类表面瑕疵一般来讲称为“积碳”，并且随着发动机运行时间的增加，积碳层的厚度相应地也会持续变厚，由此使得涡轮工作状态变差，叶片表面层的物理损伤也由于积碳的存在而被其遮盖，影响日常维修保养[2]。此款航空发动机运行大约1100小时以后，叶片的表层就会附着褐色的一层积碳，这种情况给航空发动机的正常运行造成了巨大的潜在风险，因此相关技术人员亟需开发一类高效消除积碳的实际解决方案。

1 除碳方式的可行性研究

积碳层物质的材质非常坚硬，并且在叶片表层的黏附力较强，故消除表层积碳是一种相对比较艰难的任务。现阶段，消除叶片表层积碳的方案一般可以归结为水剂液清洗方法和物理及机械原理消除法这两大类。

1.1 水剂液清洗方法

水剂液清洗解决方案与超声波效应相结合的方案共同作用能够大幅度提高积碳清洗后的去除率，符合大批量作业的要求。国际国内的航空发动机生产商近年来大力投身于开发、使用高性能及稳定性好的清洗用溶液及清洗解决方案，且获得了相当的进步。然而清洗用的溶液依旧存在可能污染周边自然环境及破坏叶片某些方面的特殊性能的潜在风险，其基本要求应该是无毒、无害的状态，并且在清洗结束以后需要对叶片零件实施充分的验证，保证清洗溶液对零件的性能没有影响。

1.2 物理及机械原理消除法方法

现阶段，常规的消除零部件表层积碳的物理及机械原理消除法有人工打磨、干吹砂方法、湿吹砂方法、磨粒流抛光等操作方案。

人工打磨对相关现场操作者的手法和技能等级需要比较严格，且劳动者工作强度较大，打磨中消除积碳层的尺寸不能准确把握，消耗的工时较多，无法批量操作，而且对于精细位置处的积碳的处理能力不足。干吹砂方法是借助压缩气体使磨料以极高的速度喷射到零件表层进而消除积碳，达到清洁零件表面的目的，经过对相应的气体压力的调控、磨料的型号、吹砂动作的时间等参数的调控，可以控制积碳的消除量，作业效率较人工打磨高很多针对毛坯及半成品零件表层的积碳消除效果较好，例如锻铸件表层的氧化物消除工作等，该方案用在消除精度较高的零件部位表层的积碳情况时，对于手法及方案的科学合理性要求较严格，并且消除积碳以后零件表层的粗糙度数值会有所降低[3]。

磨粒流抛光方案的处理积碳等表面附着物的原理为采用挤压的形式把可流动的磨料持续置于相关工件表层实施充分研磨作业，实现叶片外层精细加工处理的目标。使用磨粒流抛光方案处理零件的表层时，需要依照零件的具体尺寸单独配备相应的特定的夹具，相对来讲成本比较高昂。

1.3 全方位研究

水剂液配合超声波效应的清洗方案的作业效率相对较高，然而涡轮叶片制造成型的品质不太符合实际要求。因为长时间处于高温环境中，造成沉积下来的附着物不易去除，尤其是和诸如孔隙率比较高涂层接触的附着物的粘性可能会更加强大，并且组成成分错综复杂，短期内开发或研制一种指定的无毒无害的清洗溶液是比较困难的。故物理及机械原理消除法比较适合。

每台航空发动机内部含有40～50余件上文所述的涡轮叶片零件，按照维修100台计算，修理的工作量为5000件/年;叶片型面扭曲，尺寸精度非常高。手工打磨、干吹砂法及湿吹砂方法不适合此类涡轮叶片零件大批量维修保养及处理精度的规范要求，磨粒流抛光方案对相关操作者技能要求低，作业质量主要由相关装备及处理方案决定，一般精度很高、粗糙度达标，适合大批量零件的保养作业。

2 工艺方法试验

2.1 试验内容

相关技术人员从一台航空发动机内涡轮叶片待修理零件中随机抽取9件作试验用件，依照1号～9号的顺序进行编号，1号～4号试验用件进行磨粒流试验、5号～9号试验用件进行振动光饰试验。

此涡轮叶片的NiCoCrAlYTa涂层的尺寸理论规定为60～90纳米，由于电弧喷涂方法加工的模式的缺陷，导致涂层的实际厚度具有一定程度的不均匀特征。另外一方面，叶片的复杂结构会造成相关磨料和零件表层各位置的实际工作情况有显著的区别，使得最终零件的不同区域涂层消除量大相径庭。NiCoCrAlYTa涂层厚度关系到零件抵抗热能腐蚀的能力，对于试验过程中涂层厚度的消除厚度的精准控制是关键的环节。

2.2 试验结论

经过外观检查，1号～9号试验用件表层附着物都已完全消除，并且相关涂层没有受损，外观表现为金属亮色，相关涂层表层非常光滑洁净，磨粒流抛光方法处理过的1号～4号试验用件表层的光亮程度相对较好，磨粒流抛光处理后的试验用件外观表现见图1。

2.3 试验结论研究

经过外观、荧光法的检验，1号～9号试验用件处理的位置的表层附着物已被彻底消除，而且没有发生表层涂层裂开、发泡、剥落等等衍生问题，两类处理方案均能显著消除此涡轮叶片的表面涂层上的积碳。金相检查方案的结论表明，磨粒流抛光处理方案消除的涂层量较大，并且消除量分布不平衡，极易发生成品尺寸超差;振动光饰方法的特点是消除量小、表面品质均匀，基本上不会影响零件的外形及尺寸，作业进程中品质把控难度不大，能够适应批量维修的情况，并且作业成本不高。

3 试修方案验证

相同型号的航空发动机虽然总体参数和性能基本一致，但事实上由于需要考虑不同的飞机的各自列装区域、执行的任务不同、装备的兵种及部队存在较大差异，因此在服役的自然环境、运行负载状态、日常维护等方面存在很多不同之处，上述情况可能造成每一部发动机的叶片附着物也就是积碳的状况发生一定的不同。

根据试修方案的规定，5台航空发动机涡轮叶片属于分批次加工成型，采用振动光饰方案6分钟后检验附着物的消除状态，如果没能消除彻底则进行进一步处理，每间隔 1分钟再察看1次，记录处理的总时间。经过试修验证，当中4台发动机在处理6分钟后附着物被彻底消除，1台发动机处理7分钟之后附着物才被彻底消除，全部叶片表层无划伤，叶片的形状尺寸、探伤检查都达标，试修完成后各发动机试车考核均顺利通过。

4 结束语

经过针对常规的消除积碳的消除方法的合理性研究，本文使用磨粒流抛光方案、振动光饰方案实施可行性试验进行验证，并参考在零件上粘贴胶带作为相关涂层消除量评定试验用件的模式，最大限度地确保结论的合理性。经过实际试验和试修方案的验证，使用振动光饰的方案，能够符合此类涡轮叶片NiCoCrAlYTa涂层表层附着物的消除预期效果，既能提升保养后的操作水平，又能大量节省维护的费用。鉴于航空发动机采用后涡轮叶片表层积碳的厚度有一定的不同，维修过程中需要严格执行不同发动机分批次进行处理的规范，并且强调振动光饰处理进程中的检验程序。

参考文献：

[1]劉长福，邓明.航空发动机结构分析[M].西安：西北工业大学出版社，2006.

[2]孙护国，霍武军.航空发动机涡轮叶片修理技术[J].航空工程与维修，2001（6）：13-14.

[3]黄艳松.某发动机导向叶片表面积碳去除工艺研究[J].机械工程师，2015（11）：67-68.