復雜內腔高渦葉片頑固沉積物去除技術研究

曲文浩

（海軍駐沈陽地區發動機專業軍事代表室，沈陽110043）

0 引言

空心高壓渦輪葉片內腔頑固沉積物的去除一直是影響產品合格率的主要因素，尤其在發動機的制造修理中，該問題更加突出，造成大量葉片因內腔頑固沉積物超標而無法裝機使用，影響了制造質量，制約了生產進度，更為嚴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℃左右的環境中，在此高溫氧化作用下，燃油中的雜質以及燃燒不充分產生的油煙微粒會形成焦碳垢；飛行中的粉塵和沙粒會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間的延長，焦碳垢進一步脫氫縮聚，并逐步石墨化，從疏松的積碳，逐步轉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陶瓷體混合物統稱為沉積物。隨著葉片使用時間的增長，沉積物與零件基體的附著力也隨之增強。

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腔結構特殊，空間狹窄，各種化學清洗劑在葉片內腔難以形成流動，無法發揮化學清洗的滲透、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腔的特殊結構和內腔頑固沉積物的物理化學特性入手，開始了研究工作。

1 技術難點

1）由于發動機高壓渦輪葉片長期工作在1000℃左右的環境中，葉片內腔頑固沉積物是以各種高溫燃燒產物、金屬陶瓷性氧化物等組成的混合物，通常被稱為環境沉積物——CMAS。隨著溫度的提高和工作時間的延長，這些環境沉積物逐步轉化成較硬的硬垢，具有陶瓷體的特性，與基體之間形成了較強的結合力。常規的化學清洗方法如酸、堿溶液和有機溶劑對它們幾乎沒有作用。2）高壓渦輪葉片內腔的結構非常復雜，呈立體交叉網狀結構，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揮。尤其是內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以及傳統超聲波清洗法均無效果。3）無液體聚能超聲波清理技術研究突破高壓渦輪葉片內腔頑固沉積物去除課題，必須打破傳統的清理模式，開創新的清理技術，這是技術難題。4）無液體聚能超聲波清理設備結構設計與研制是根據技術原理及葉片結構設計，研制聚能超聲波設備使其滿足工藝要求是另一大技術難題。

2 技術原理

該技術針對空心高壓渦輪葉片頑固沉積物的物理化學特性及積聚位置和狀態，利用超聲波高頻振動對縫隙獨特的沖擊作用，結合空心葉片復雜的形腔結構，率先提出了無液體聚能超聲波清理技術理念，開發了一種新的清理模式，打破了傳統超聲波以液體為載體并通過超聲波在液體中傳播時產生的空化效應的清洗模式，在無液體存在（即沒有空化效應）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腔死角部位的頑固沉積物。當超聲波工作時其高頻聲波產生的振動作用和高頻振動產生的加速度可直接作用于零件表面，從而避開了傳統超聲波在空心葉片復雜狹窄內腔中傳播時的屏蔽作用，對葉片表面形成了反復沖擊，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，最終達到被徹底清除的目的。

3 技術創新點

1）率先提出了無液體聚能超聲波清理理念，研發了一種新的無液體聚能超聲波清理技術。該技術打破了傳統超聲波以液體為載體并通過超聲波在液體中傳播時產生的空化效應的清洗模式，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腔死角部位的頑固沉積物，避開了傳統超聲波在葉片復雜狹窄內腔中傳播時的屏蔽作用，通過超聲波轉化的高頻震動以及高頻振動產生的加速度形成的反復沖擊作用，使脆性的陶瓷型沉積物產生變形，破壞了沉積物與零件基體之間的結合力，達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腔頑固沉積物去除的技術難題；

2）根據無液體聚能超聲波清理技術構思，結合高渦葉片形狀與結構，設計開發聚能超聲波清理設備。為達到聚能及近距離傳播效果，將超聲波發生器的振子直接設計在設備的裝夾系統，使超聲波能量通過葉片榫頭近距離傳播至內腔表面的頑固沉積物，既實現了超聲波能量的聚集又實現了直接傳播。同時以葉片榫頭作為能量傳播位臵，創新設計了“自由式裝夾模式”，使葉片在工作時始終處于自由狀態，避免了葉片因應力變形而產生的疲勞問題。因此聚能超聲波設備在超聲波發生器振子的結構設計、聚能并實現近距離傳播結構設計、“自由式裝夾結構”設計等方面均突破了傳統超聲波設計理念，為國內首創。

4 技術實施效果

無液體聚能超聲波清理技術及聚能超聲波清理設備，是針對高壓渦輪葉片中內腔頑固沉積物這一疑難課題自主創新開發研究的，為國內首創。該技術和設備自通過評審后就快速進入工程化應用。小批試生產以現場積壓多年的葉片為對象，經無液體聚能超聲波技術清理后，按照大修技術文件進行X光、渦流、熒光、流量等相關性能分析，各項性能指標均符合標準。葉片裝機參加試車考核并順利通過，隨即投入使用，同時完成了工藝說明書標準的編制，并正式納入工藝體系。

近3年的實踐表明，該技術去除高渦葉片內腔頑固沉積物效果顯著、工藝合理、設備運行穩定、產品性能符合發動機設計標準。據不完全統計，該成果自應用以來已經復活葉片738個，可直接裝機8.2臺份，創造純利潤高達960多萬元，為國家節省外匯約141萬美元。該成果在航空發動機領域的首次成功應用，為我國在役航空發動機高溫復雜結構件的修理開辟了一條新的技術途徑，對推動我國航空發動機修理事業的發展，具有重要的軍事意義和顯著的經濟效益。隨著在役航空發動機修理業務的日益增加，無液體聚能超聲波處理技術將具有更廣闊的應用前景。

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