■ 李錫九/北京飛機(jī)維修工程有限公司

0 引言

波音757飛機(jī)選裝的羅羅公司生產(chǎn)的三轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)RB211-535E4（以下簡稱為RB211）有強(qiáng)大的推力、高的喘振裕度和良好的經(jīng)濟(jì)性能，然而高壓壓氣機(jī)機(jī)匣涂層脫落是該發(fā)動機(jī)自投入使用后一直未徹底解決的問題。廠家先后嘗試使用鎳-石墨和鋁-硅-氮化硼作為涂層材料，但是涂層脫落現(xiàn)象依舊存在。統(tǒng)計(jì)表明，2003～2013年高壓壓氣機(jī)涂層脫落是非正常下發(fā)和出現(xiàn)喘振的主要原因；2009～2013年有56%的重復(fù)喘振是由于高壓壓氣機(jī)涂層脫落所致，其中絕大多數(shù)的脫落出現(xiàn)在高壓壓氣機(jī)第2級機(jī)匣（見圖1）。本文僅從零件結(jié)構(gòu)上的差異對高壓壓氣機(jī)第2級機(jī)匣涂層脫落原因進(jìn)行討論。

1 發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)靜子結(jié)構(gòu)和裝配流程

在討論機(jī)匣結(jié)構(gòu)對于涂層脫落的影響前，首先介紹RB211發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)靜子部分的結(jié)構(gòu)和裝配流程。

如圖2所示，RB211的高壓壓氣機(jī)靜子部分包括外機(jī)匣、導(dǎo)向葉片、內(nèi)罩環(huán)和定位錐等零件。按手冊要求，在機(jī)匣安裝過程中，需要通過敲擊的方式完成裝配，采用垂直組裝的方式，1級在下6級在上，具體流程如下。

先將1級外機(jī)匣前邊緣向下放置于工裝之上，然后將1級導(dǎo)向葉片的前外緣板插入1級外機(jī)匣后安裝邊內(nèi)側(cè)已裝入鋼質(zhì)襯墊的槽內(nèi)，再將2級外機(jī)匣前安裝槽與1級導(dǎo)向葉片后外緣板對正，用錘子和鋁質(zhì)/銅質(zhì)沖子敲擊2級外機(jī)匣后安裝邊，使其前安裝邊與1級外機(jī)匣后安裝邊貼合到位，再安裝螺栓進(jìn)行固定。重復(fù)此過程，將后續(xù)3～6級機(jī)匣、2～5級導(dǎo)向葉片以及定位錐等其他零件組裝為一個整體。

圖1 同一臺發(fā)動機(jī)2級機(jī)匣涂層脫落情況（左圖）與狀態(tài)良好的3級機(jī)匣（右圖）對比

圖2 RB211發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)靜子機(jī)匣部分組裝示意圖（箭頭自下而上對應(yīng)1至6級機(jī)匣）

按照工藝流程，以上的組裝為預(yù)裝配，完成后用立式車床對1～6級機(jī)匣和1～5級內(nèi)罩環(huán)上的涂層等進(jìn)行機(jī)加工至規(guī)定尺寸，然后將機(jī)匣、導(dǎo)向葉片等逐級分解。分解時與組裝時相反，從拆下6級機(jī)匣起，直至1級導(dǎo)向葉片與1級外機(jī)匣分開。最后，將以上所有單件與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部分組裝到一起，組裝流程與預(yù)裝配的流程完全一致。自此，RB211的高壓壓氣機(jī)子單元體的組裝工作完成。

從上述流程可以看出，正常情況下，由單件到最終子單元體完成裝配的過程中，高壓壓氣機(jī)機(jī)匣需要經(jīng)過兩次組裝和一次分解，經(jīng)歷3次敲擊過程。而對于裝配完成后存在異常的發(fā)動機(jī)，如試車時壓氣機(jī)葉片擊傷需要更換等，則每次排故時還需要對高壓壓氣機(jī)機(jī)匣分解一次組裝一次。

2 發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)裝配過程的力學(xué)分析

從機(jī)匣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來看，所有的6級機(jī)匣均為環(huán)形結(jié)構(gòu)。如圖3所示，除1級機(jī)匣外，2～6級機(jī)匣結(jié)構(gòu)基本相同：沿發(fā)動機(jī)軸向方向，機(jī)匣的前半段向外突出用于連接前一級機(jī)匣（稱連接段），后半段為磨耗涂層的背板區(qū)域，其內(nèi)徑上噴涂磨耗涂層（圖3中陰影部分，稱背板段）。1級和6級機(jī)匣僅有1個向外凸出的安裝邊，2～5級機(jī)匣有2個安裝邊。進(jìn)一步比較可以看出，2級機(jī)匣的安裝邊位于機(jī)匣兩側(cè)，即2個安裝邊將連接段和背板段夾在中間；3～5級機(jī)匣的安裝邊，1條位于前部，另1條位于機(jī)匣的中間位置，即此兩個安裝邊將機(jī)匣的連接段夾在中間而背板段則懸在外面。

圖3 1～6級機(jī)匣剖面圖（左側(cè)為機(jī)匣前安裝邊，陰影為涂層，下同）

按手冊要求，裝配敲擊時以機(jī)匣的安裝邊作為擊打點(diǎn)，盡可能沿著發(fā)動機(jī)軸向方向進(jìn)行擊打。將此力進(jìn)行分解，可分為沿著發(fā)動機(jī)軸向（即沿著機(jī)匣壁）的力和徑向（即垂直于機(jī)匣壁向心）的力。由于各級機(jī)匣之間通過內(nèi)徑和外徑的緊度配合進(jìn)行連接和定位，再加上導(dǎo)向葉片的緣板排布不均勻等原因，使機(jī)匣受到一個較大的阻力。在敲擊力和阻力的共同作用下，機(jī)匣會出現(xiàn)沿機(jī)匣壁和垂直于機(jī)匣壁的彈性形變。由于力的徑向分量很小且機(jī)匣有安裝邊的約束，因此認(rèn)為一般情況下徑向的彈性形變對涂層的影響可以忽略，僅需考慮沿著機(jī)匣壁的軸向彈性變形。

圖4展示了敲擊力的傳遞路徑，安裝邊受到的敲擊力會從受敲擊的安裝邊沿著機(jī)匣壁傳遞到另一個安裝邊，在力傳遞的同時機(jī)匣壁產(chǎn)生振動和形變。當(dāng)其中某幾級機(jī)匣安裝完成后再進(jìn)行下一級機(jī)匣的安裝時，敲擊力從一個機(jī)匣的前安裝邊傳遞到另一個機(jī)匣的后安裝邊，再通過機(jī)匣壁向前傳遞，各級機(jī)匣受到力的作用產(chǎn)生形變的情況與單個機(jī)匣受到敲擊力的作用效果一致。

圖4 敲擊力在機(jī)匣中傳遞的路徑（以1～3級為例，箭頭表示敲擊力的方向和敲擊點(diǎn)）

3 發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)涂層脫落原因及分析

2017 年，某國外客戶的一臺RB211發(fā)動機(jī)在試車后出現(xiàn)高壓壓氣機(jī)2級涂層嚴(yán)重脫落情況。排故時，對試車后的各級機(jī)匣涂層進(jìn)行硬度測試，對剝落的涂層取樣進(jìn)行金相檢查，微觀結(jié)構(gòu)均符合手冊中對于涂層的要求。對其他級機(jī)匣進(jìn)行目視檢查，無涂層邊緣脫開、局部剝落、表面出現(xiàn)微裂紋等涂層大面積脫落的前兆，僅在2級機(jī)匣出現(xiàn)大面積涂層損傷和剝落。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)部分由于裝配后定位錐的跳動量超差，曾出現(xiàn)多次返工分解機(jī)匣的情況，即所有機(jī)匣在最終試車前經(jīng)歷的敲擊次數(shù)為正常情況的3倍以上，因此認(rèn)定敲擊次數(shù)過多為涂層脫落的根本原因，但需要對為何只有2級機(jī)匣出現(xiàn)此情況進(jìn)行進(jìn)一步分析。

從前面分析的敲擊力傳遞路徑可知，對于3～6級機(jī)匣，由于被用于敲擊的后安裝邊在背板段的前面，背板段處于一個相對懸空的狀態(tài)，因此機(jī)匣在敲擊力作用下產(chǎn)生的形變僅在連接段產(chǎn)生。對于1級機(jī)匣，雖然其安裝邊位于背板段之后，但是裝配時并不直接對此級機(jī)匣進(jìn)行敲擊，所以僅受到傳遞來的力的影響。而2級機(jī)匣的后安裝邊受到敲擊力的作用后，隨著力在背板段和連接段中的傳遞，這兩個區(qū)域均會出現(xiàn)形變和振動。

對各級機(jī)匣背板段和連接段的壁厚進(jìn)行了測量，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，2級機(jī)匣背板段和連接段的厚度比值低于1.5，其余3～6級機(jī)匣的比值均遠(yuǎn)高于1.5。也就是說，在一次安裝敲擊的過程中，對于2級機(jī)匣，由于背板段和連接段的厚度接近，因而產(chǎn)生的彈性形變的幅度也接近（熱噴涂涂層僅能恢復(fù)噴涂區(qū)域的尺寸而無法恢復(fù)或增加背板基體材料的強(qiáng)度）。眾所周知，對于熱噴涂涂層，其附著在零件上的穩(wěn)定性不但取決于噴涂時的表面狀態(tài)、涂層本身的材料和特性，同時也受零件背板區(qū)域強(qiáng)度的影響。背板的彈性形變量越大，對其上噴涂涂層與背板粘結(jié)的牢固程度以及涂層內(nèi)部組織牢固程度的影響越大，越容易在涂層內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋等缺陷，進(jìn)而隨著發(fā)動機(jī)的使用逐漸延伸和擴(kuò)展形成宏觀裂紋，最終導(dǎo)致涂層的脫落。而對于3～6級機(jī)匣，由于背板段的厚度遠(yuǎn)高于連接段，并且背板段位于機(jī)匣的后安裝邊之后，即背板段不在機(jī)匣安裝時敲擊力的傳遞路線上，所產(chǎn)生的彈性變形主要發(fā)生在連接段而非背板段，因此對于其上涂層的影響較小。

從前述發(fā)動機(jī)機(jī)匣裝配和分解過程可以看出，機(jī)匣的安裝順序是從1級開始逐級敲擊安裝，所以1級和2級機(jī)匣承受了最多的敲擊和敲擊力傳遞的次數(shù)，即發(fā)生彈性變形的次數(shù)最多，因此造成涂層出現(xiàn)內(nèi)部缺陷的概率也最大。1級機(jī)匣雖然與2級機(jī)匣一樣承受最多的彈性變形次數(shù)，但從表1可以看出，1級機(jī)匣的背板區(qū)厚度大于2級機(jī)匣的背板區(qū)和連接區(qū)，如果將1級和2級機(jī)匣作為一個整體進(jìn)行分析，受沖擊時彈性變形依舊是發(fā)生在2級機(jī)匣的兩個區(qū)域，因此1級機(jī)匣涂層出現(xiàn)缺陷的概率要低于2級機(jī)匣。同樣，在發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，相比于其他級機(jī)匣背板段涂層的牢固程度，2級機(jī)匣背板段涂層也是一個薄弱區(qū)，更易受發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動和通道中氣流的影響而發(fā)生背板段形變，進(jìn)而造成涂層的脫落。

表1 各級機(jī)匣壁厚

4 結(jié)論

綜上所述，雖然羅羅公司對RB211發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)2級機(jī)匣涂層脫落故障進(jìn)行了多次改進(jìn)，但是由于2級機(jī)匣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)缺陷，僅通過涂層種類和參數(shù)的變化是無法對故障進(jìn)行徹底消除的。作者結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為可以嘗試通過如下的方式進(jìn)行避免：首先，在進(jìn)行涂層恢復(fù)工作時，對于2級機(jī)匣的背板段厚度，應(yīng)根據(jù)發(fā)動機(jī)手冊給出的標(biāo)準(zhǔn)甚至適當(dāng)高于手冊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格控制，一旦出現(xiàn)超出手冊的情況，必須更換此級機(jī)匣，防止由于背板段的厚度不夠而在使用中產(chǎn)生不良影響。其次，裝配時將敲擊改為使用螺栓磅緊的方式直接將兩級機(jī)匣壓緊，并且在機(jī)匣的安裝邊設(shè)計(jì)增加頂絲孔，分解時用頂絲頂升的方式將機(jī)匣脫開以避免機(jī)匣受到敲擊力的影響。對于其他型號的發(fā)動機(jī)，如果執(zhí)行大修時發(fā)現(xiàn)有類似結(jié)構(gòu)時，也應(yīng)注意以上提及的幾個關(guān)鍵點(diǎn)，避免經(jīng)過修理后的發(fā)動機(jī)在使用中涂層出現(xiàn)故障。如果條件允許，建議發(fā)動機(jī)廠家更改設(shè)計(jì)，如調(diào)整安裝邊的位置或加厚背板區(qū)域以減少形變和振動的可能。