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        某發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片表面積碳去除工藝研究

        2015-05-14 08:33:38黃艷松
        機(jī)械工程師 2015年11期

        黃艷松

        (海軍駐株洲某軍代室,湖南 株洲 412002)

        0 引言

        導(dǎo)向葉片安裝在航空發(fā)動機(jī)燃燒室機(jī)匣內(nèi),雖然是靜止件,但工作條件十分惡劣,除受較大的氣動力與不穩(wěn)定的脈動負(fù)荷外,還處于高溫燃?xì)獾陌鼑?,溫度高、冷熱變化大、溫度不均勻情況很嚴(yán)重,因此容易出現(xiàn)熱疲勞、高溫氧化及熱腐蝕等問題[1]。某航空發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片由葉身及上下安裝邊等部位組成,葉身分葉盆、葉背兩面,葉盆自上而下排列10個氣膜孔,如圖1所示。根據(jù)工作特點,該導(dǎo)向葉片的材料選用了具有較強(qiáng)高溫強(qiáng)度的高溫合金K403;經(jīng)精密鑄造做成空心結(jié)構(gòu),提高了葉身冷卻效果;對葉身表面進(jìn)行滲鋁處理增強(qiáng)了耐腐蝕性能。上述措施的應(yīng)用有效延長了產(chǎn)品的使用壽命,但在發(fā)動機(jī)修理過程中發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品表面覆蓋著一層褐色的積碳,導(dǎo)致了用于檢測產(chǎn)品使用后表面是否產(chǎn)生裂紋的熒光檢查無法正常開展。該導(dǎo)向葉片表面滲層深度僅為70~15 μm,且葉片尺寸精度高、型面復(fù)雜,采用羊毛氈砂輪等工具進(jìn)行人工拋光的方法去除積碳會損害滲鋁層,導(dǎo)致滲層深度不均勻甚至厚度超差,質(zhì)量控制難度較大,因此急需研究去除積碳的技術(shù)。本文采用干吹沙、液體吹砂、超聲波清洗、振動光飾等4種方法進(jìn)行工藝試驗,根據(jù)試驗結(jié)果選擇了適合去除該產(chǎn)品表面積碳的工藝方法,并開展了試修驗證。

        圖1 產(chǎn)品使用后形貌

        1 工藝試驗

        1.1 試驗方法

        從該型某臺修理發(fā)動機(jī)中抽取9件導(dǎo)向葉片作為試樣,按1~9的順序編號,其中1#~3#試件進(jìn)行干吹砂試驗,4#~6#試件進(jìn)行液體吹沙,7#~8#試件進(jìn)行振動光飾,9#試件進(jìn)行超聲波清洗,試驗方法和參數(shù)如表1所示。試驗前,從該臺發(fā)動機(jī)再隨機(jī)抽取了1件導(dǎo)向器葉片進(jìn)行剖切,經(jīng)金相組織檢查發(fā)現(xiàn):葉背滲層厚度為46~50 μm、積碳厚度為1~3μm,如圖2所示;葉盆滲層厚度為36~50μm、積碳厚度為10~60 μm,如圖3所示。由于該發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片是同批次加工的產(chǎn)品,且同爐批進(jìn)行滲鋁處理,因此可認(rèn)為各導(dǎo)向器葉片的滲層厚度基本一致。

        圖2 葉背積碳、滲層厚度

        圖3 葉盆積碳、滲層厚度

        為驗證上述試驗去除積碳的能力以及對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度,試驗后開展以下3個方面的檢查工作:一是外觀檢查表面積碳是否完全去除;二是剖切試樣葉身進(jìn)行金相組織檢查,確認(rèn)滲層厚度是否符合設(shè)計圖樣規(guī)定;三是按新品加工工藝規(guī)定進(jìn)行色質(zhì)檢查,確認(rèn)試驗后滲層的均勻性。

        表1 試驗方法和參數(shù)

        1.2 試驗結(jié)果

        經(jīng)外觀檢查,1#、2#、3#、5# 及 6# 試樣表面積碳已完全去除、表面呈金屬光亮色(如圖4所示),4#試樣葉盆局部積碳未去除,7#、8#試樣葉盆氣膜孔部位積碳未去除,9#試樣表面積碳情況與試驗前基本一致。按原方法再次增加12 h對9#試件進(jìn)行超聲波清洗,但積碳仍無法去除,且無鼓泡、松軟的跡象。進(jìn)一步檢查產(chǎn)品表面質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過干吹砂試驗的試件葉背表面光滑,但葉盆表面較毛糙,而液體吹砂后試件葉盆和葉背表面均較光滑。

        圖4 試驗后產(chǎn)品表面情況

        表2 色質(zhì)檢查結(jié)果

        由于4#、7#、8#及9#試件表面積碳未去除,因此不進(jìn)行色質(zhì)檢查,其他試件按新產(chǎn)品加工工藝參數(shù)進(jìn)行色質(zhì)檢查,檢查結(jié)果如表2所示。色質(zhì)檢查是該產(chǎn)品滲鋁層是否均勻的檢測方法,操作方法是產(chǎn)品在特定溫度下保持一段時間,空冷后檢查表面顏色是否均勻,一般有滲層表面為黃色、無滲層表面為藍(lán)色,但滲層厚度較淺部位為棕黃色。對1#試件葉盆呈棕黃色的部位剖切后做金相組織檢查(如圖5所示),滲層厚度尺寸為34~48 μm,滲層表面存在小量的凹坑;對2#試件葉盆呈淺棕黃色的部位剖切后做金相組織檢查(如圖6所示),滲層厚度尺寸為25~40 μm,滲層表面存在較大的凹坑;對3#試件葉盆呈淺藍(lán)色部位剖切后做金相組織檢查(如圖7所示),滲層厚度尺寸為8~12 μm,滲層表面存在裂紋;對5#試件葉身任一部位剖切后做金相組織檢查(如圖8所示),滲層厚度尺寸為35~50 μm,滲層表面光滑;對6#試件葉盆呈淺藍(lán)色部位剖切后做金相組織檢查(如圖9所示),滲層厚度尺寸為20~50 μm,滲層表面光滑。

        圖5 1#試件葉盆部位金相形貌

        圖6 2#試件葉盆部位金相形貌

        圖7 3#試件葉盆部位金相形貌

        圖8 5#試件葉身金相形貌

        圖9 6#試件葉盆部位金相形貌

        1.3 結(jié)果分析

        1#、2#、3# 試 件 經(jīng) 干吹砂后表面積碳雖已完全去除,但產(chǎn)品表面較粗糙、滲層表面存在凹坑、滲層厚度的均勻性較差,且當(dāng)吹砂時間延長至2 min時滲層表面出現(xiàn)了裂紋。1#試樣滲層厚度最小為34μm、2#試樣滲層厚度最小為25μm、3#試樣滲層厚度最小為8 μm。對比發(fā)現(xiàn),隨著時間的延長,干吹砂對滲層厚度的影響越來越大,當(dāng)達(dá)到2 min時滲層厚度已滿足不了設(shè)計圖樣的要求。由此可見,干吹砂能夠去除產(chǎn)品表面積碳,但去除滲層厚度的量較大,易導(dǎo)致表面粗糙、裂紋、滲層不均勻等缺陷。

        9#試件經(jīng)過24h的超聲波清洗仍無法去除產(chǎn)品表面積碳,且積碳無鼓泡、松軟的跡象。7#、8#試件經(jīng)振動光飾后表面積碳僅葉盆氣膜孔出口部位無法去除,主要是因為樹脂磨料顆粒尺寸較氣膜孔直徑尺寸大很多,無法接觸到氣膜孔出口部位所致。產(chǎn)品葉盆局部表面積碳厚度可達(dá)到60μm,較葉背嚴(yán)重,因此4#試件進(jìn)行0.5min的液體吹砂后葉盆表面局部積碳未去除,但隨著時間的延長,5#、6#試件的表面積碳被完全去除,且表面光滑。5#試件經(jīng)1min的液體吹砂后滲層厚度均勻,實際尺寸為35~50μm,屬設(shè)計圖樣要求的中上差。6#試件經(jīng)2min的液體吹沙后滲層厚度出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象,最小處厚度為20 μm,雖滿足設(shè)計圖樣的要求,但已接近設(shè)計圖樣要求下限值。

        綜上所述,干吹砂、超聲波清洗及振動光飾的方法不適合用于去除該導(dǎo)向葉片的表面積碳,壓力為0.5 MPa、時間為1 min的液體吹砂方法不僅能夠完全去除表面積碳,而且能夠較好地保證產(chǎn)品質(zhì)量。

        2 試修驗證

        為驗證實際應(yīng)用效果,組織對其余30余件該導(dǎo)向葉片進(jìn)行1 min的液體吹砂。經(jīng)外觀和金相檢查,所有產(chǎn)品表面光滑,雖然色質(zhì)檢查發(fā)現(xiàn)有4件產(chǎn)品葉盆局部呈棕黃色,但滲鋁層厚度滿足設(shè)計圖樣要求。據(jù)操作者反映在吹砂時發(fā)現(xiàn)此4件產(chǎn)品葉盆局部表面積碳較厚,所以吹砂停留時間較長,最終導(dǎo)致局部滲層去除較多。由于該產(chǎn)品葉型尺寸精度較大,所以在液體吹砂后按設(shè)計圖樣規(guī)定用三坐標(biāo)測量儀檢查了葉型尺寸,結(jié)果符合要求,表明所采用的液體吹砂去積碳工藝對葉型尺寸無影響。

        3 結(jié)語

        經(jīng)工藝試驗以及試修驗證,采用壓力為0.5 MPa、時間為1min的液體吹砂方法能夠滿足該導(dǎo)向葉片表面積碳的去除要求,保證產(chǎn)品質(zhì)量。液體吹砂與干吹砂相比,對產(chǎn)品滲鋁層厚度的影響較小,但在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)積碳厚度,通過工藝試驗確定吹砂的時間和壓力。由于液體吹砂為人工操作,對操作者的技能水平要求較高,因此加強(qiáng)人員培訓(xùn)、規(guī)范操作流程等工作很重要。

        [1] 劉長福,鄧明.航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析[M].北京:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

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