曲文浩

（海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽110043）

0 引言

空心高壓渦輪葉片內(nèi)腔頑固沉積物的去除一直是影響產(chǎn)品合格率的主要因素，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)的制造修理中，該問題更加突出，造成大量葉片因內(nèi)腔頑固沉積物超標(biāo)而無法裝機(jī)使用，影響了制造質(zhì)量，制約了生產(chǎn)進(jìn)度，更為嚴(yán)重的是提高了制造成本。

眾所周知，空心高壓渦輪葉片長期工作在1000℃左右的環(huán)境中，在此高溫氧化作用下，燃油中的雜質(zhì)以及燃燒不充分產(chǎn)生的油煙微粒會(huì)形成焦碳垢；飛行中的粉塵和沙粒會(huì)長期沉積并伴有少量金屬氧化物。隨著溫度的提高和工作時(shí)間的延長，焦碳垢進(jìn)一步脫氫縮聚，并逐步石墨化，從疏松的積碳，逐步轉(zhuǎn)化成較硬的碳垢即所謂的積碳；這些積碳、粉塵、沙粒及各種金屬氧化物逐漸形成晶態(tài)陶瓷體混合物統(tǒng)稱為沉積物。隨著葉片使用時(shí)間的增長，沉積物與零件基體的附著力也隨之增強(qiáng)。

長期以來，針對高渦葉片制造一直采用的是以表面活性劑為主要成分的水基清洗劑并結(jié)合超聲波清洗工藝。該工藝只能清洗葉片表面的油污，對高渦葉片內(nèi)腔的頑固沉積物沒有作用，其原因在于空心高壓渦輪葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)特殊，空間狹窄，各種化學(xué)清洗劑在葉片內(nèi)腔難以形成流動(dòng)，無法發(fā)揮化學(xué)清洗的滲透、潤濕、膨脹和溶解作用以及超聲波物理清洗的空化作用。為此，從空心高壓渦輪葉片內(nèi)腔的特殊結(jié)構(gòu)和內(nèi)腔頑固沉積物的物理化學(xué)特性入手，開始了研究工作。

1 技術(shù)難點(diǎn)

1）由于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片長期工作在1000℃左右的環(huán)境中，葉片內(nèi)腔頑固沉積物是以各種高溫燃燒產(chǎn)物、金屬陶瓷性氧化物等組成的混合物，通常被稱為環(huán)境沉積物——CMAS。隨著溫度的提高和工作時(shí)間的延長，這些環(huán)境沉積物逐步轉(zhuǎn)化成較硬的硬垢，具有陶瓷體的特性，與基體之間形成了較強(qiáng)的結(jié)合力。常規(guī)的化學(xué)清洗方法如酸、堿溶液和有機(jī)溶劑對它們幾乎沒有作用。2）高壓渦輪葉片內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，呈立體交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而且通道十分狹窄、呈蛇形狀曲折迂回，極大地限制了一般物理清洗功能的發(fā)揮。尤其是內(nèi)腔頑固沉積物主要分布在葉片的葉尖底部縫隙處，更增加了去除難度，采用磨粒流物理清理技術(shù)以及傳統(tǒng)超聲波清洗法均無效果。3）無液體聚能超聲波清理技術(shù)研究突破高壓渦輪葉片內(nèi)腔頑固沉積物去除課題，必須打破傳統(tǒng)的清理模式，開創(chuàng)新的清理技術(shù)，這是技術(shù)難題。4）無液體聚能超聲波清理設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制是根據(jù)技術(shù)原理及葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制聚能超聲波設(shè)備使其滿足工藝要求是另一大技術(shù)難題。

2 技術(shù)原理

該技術(shù)針對空心高壓渦輪葉片頑固沉積物的物理化學(xué)特性及積聚位置和狀態(tài)，利用超聲波高頻振動(dòng)對縫隙獨(dú)特的沖擊作用，結(jié)合空心葉片復(fù)雜的形腔結(jié)構(gòu)，率先提出了無液體聚能超聲波清理技術(shù)理念，開發(fā)了一種新的清理模式，打破了傳統(tǒng)超聲波以液體為載體并通過超聲波在液體中傳播時(shí)產(chǎn)生的空化效應(yīng)的清洗模式，在無液體存在（即沒有空化效應(yīng)）的條件下，將超聲波能量聚集于零件壁上，從而近距離傳送至葉片葉尖內(nèi)腔死角部位的頑固沉積物。當(dāng)超聲波工作時(shí)其高頻聲波產(chǎn)生的振動(dòng)作用和高頻振動(dòng)產(chǎn)生的加速度可直接作用于零件表面，從而避開了傳統(tǒng)超聲波在空心葉片復(fù)雜狹窄內(nèi)腔中傳播時(shí)的屏蔽作用，對葉片表面形成了反復(fù)沖擊，使原本脆性較大的陶瓷性頑固沉積層受到不斷地沖擊變形作用，破壞了沉積物層與葉片表面的結(jié)合力，使它們之間不斷松化，并逐步形成間隙，從而從基體表面被剝離下來，最終達(dá)到被徹底清除的目的。

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）率先提出了無液體聚能超聲波清理理念，研發(fā)了一種新的無液體聚能超聲波清理技術(shù)。該技術(shù)打破了傳統(tǒng)超聲波以液體為載體并通過超聲波在液體中傳播時(shí)產(chǎn)生的空化效應(yīng)的清洗模式，在無液體存在的條件下，將超聲波作用聚集于零件壁上，從而直接傳送至葉片葉尖內(nèi)腔死角部位的頑固沉積物，避開了傳統(tǒng)超聲波在葉片復(fù)雜狹窄內(nèi)腔中傳播時(shí)的屏蔽作用，通過超聲波轉(zhuǎn)化的高頻震動(dòng)以及高頻振動(dòng)產(chǎn)生的加速度形成的反復(fù)沖擊作用，使脆性的陶瓷型沉積物產(chǎn)生變形，破壞了沉積物與零件基體之間的結(jié)合力，達(dá)到被徹底清除的目的，從而突破了長期以來高壓渦輪葉片內(nèi)腔頑固沉積物去除的技術(shù)難題；

2）根據(jù)無液體聚能超聲波清理技術(shù)構(gòu)思，結(jié)合高渦葉片形狀與結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)聚能超聲波清理設(shè)備。為達(dá)到聚能及近距離傳播效果，將超聲波發(fā)生器的振子直接設(shè)計(jì)在設(shè)備的裝夾系統(tǒng)，使超聲波能量通過葉片榫頭近距離傳播至內(nèi)腔表面的頑固沉積物，既實(shí)現(xiàn)了超聲波能量的聚集又實(shí)現(xiàn)了直接傳播。同時(shí)以葉片榫頭作為能量傳播位臵，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“自由式裝夾模式”，使葉片在工作時(shí)始終處于自由狀態(tài)，避免了葉片因應(yīng)力變形而產(chǎn)生的疲勞問題。因此聚能超聲波設(shè)備在超聲波發(fā)生器振子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、聚能并實(shí)現(xiàn)近距離傳播結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、“自由式裝夾結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)等方面均突破了傳統(tǒng)超聲波設(shè)計(jì)理念，為國內(nèi)首創(chuàng)。

4 技術(shù)實(shí)施效果

無液體聚能超聲波清理技術(shù)及聚能超聲波清理設(shè)備，是針對高壓渦輪葉片中內(nèi)腔頑固沉積物這一疑難課題自主創(chuàng)新開發(fā)研究的，為國內(nèi)首創(chuàng)。該技術(shù)和設(shè)備自通過評審后就快速進(jìn)入工程化應(yīng)用。小批試生產(chǎn)以現(xiàn)場積壓多年的葉片為對象，經(jīng)無液體聚能超聲波技術(shù)清理后，按照大修技術(shù)文件進(jìn)行X光、渦流、熒光、流量等相關(guān)性能分析，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)。葉片裝機(jī)參加試車考核并順利通過，隨即投入使用，同時(shí)完成了工藝說明書標(biāo)準(zhǔn)的編制，并正式納入工藝體系。

近3年的實(shí)踐表明，該技術(shù)去除高渦葉片內(nèi)腔頑固沉積物效果顯著、工藝合理、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、產(chǎn)品性能符合發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該成果自應(yīng)用以來已經(jīng)復(fù)活葉片738個(gè)，可直接裝機(jī)8.2臺(tái)份，創(chuàng)造純利潤高達(dá)960多萬元，為國家節(jié)省外匯約141萬美元。該成果在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的首次成功應(yīng)用，為我國在役航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的修理開辟了一條新的技術(shù)途徑，對推動(dòng)我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)修理事業(yè)的發(fā)展，具有重要的軍事意義和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。隨著在役航空發(fā)動(dòng)機(jī)修理業(yè)務(wù)的日益增加，無液體聚能超聲波處理技術(shù)將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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