干冰清洗技術在軍用航空發動機上的應用

張伯年，謝 克，馬金波

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

目前軍用航空發動機（包括其配套動力裝置飛附機匣、燃氣渦輪起動機等）均使用180號洗滌汽油進行表面除污清洗工作，存在靜電起火的安全隱患，使用管控成本較高。為了有效規避安全風險，需尋找安全、經濟的替代清洗介質。經過調研，在民航飛機維護、零部件修理、汽車保養和機械加工等領域均開始使用干冰清洗技術，安全性高、清洗效果好。

但該項技術尚未在飛機修理行業開展使用，干冰清洗會不會損壞發動機主體材料表層也不得而知，在運用這項新技術之前必須研究干冰除污對軍用航空發動機主體金屬材料表面的影響，設計并制定一套發動機部件局部表層干冰清洗技術標準，在保證不影響發動機表面技術狀態的前提下，達到或超越現有洗滌汽油清洗效果，并完全代替傳統洗滌汽油，減少安全隱患。

干冰清洗是把壓縮空氣作為動力源，將干冰顆粒噴射到被清洗物件表層。干冰顆粒在對物體表面撞擊的過程中，使油污、殘留雜質等污垢快速冷凝、脆化，并從物體表面剝離，隨氣流清除[1]，從而達到清洗效果。干冰清洗示意圖如圖1所示。

圖1 干冰清洗示意圖

使用干冰清洗有三個優點。節約費用：干冰能夠在清洗時直接揮發，不會產生二次污染。同時還能節約了大量的設備操作時間，提高效率，使產量大幅提高。干燥的清洗過程：同比蒸汽和水清洗，干冰清洗對傳感器、電路板等元器件都沒有損傷。清洗后，大大降低了產品銹蝕的可能性。環境安全性：二氧化碳是一種無毒、無害的物質，利用干冰清洗可以替代化學物質清洗，使人的身體可以避免化學物質的傷害。

1 干冰清洗技術

1.1 干冰的特性

干冰是一種固態的二氧化碳，也是一種無色無味的氣體。

其特性分析：在-78℃低溫二氧化碳（CO2）以固體形式存在。而固態二氧化碳（CO2）可以直接升華，無需液化過程；二氧化碳（CO2）是一種無毒，易升化的氣體，價格便宜并且易于保存，不導電且沒有可燃性。二氧化碳物理特性見表1。

表1 二氧化碳（CO2）的物理特性

1.2 干冰清洗原理

以壓縮空氣為動力源，把低溫（-78℃）的干冰經過加速后，沖擊被清洗物外層污垢，污垢迅速降溫致使表面脆化、爆裂，使顆粒狀干冰進入污垢的裂縫，在幾千分之一秒內迅速升華，通過體積膨脹近幾百倍，瞬時去除物件表面污垢[2]。

2 工藝試驗

渦扇系列發動機是我國第三代主力戰斗機的配套核心動力裝置。其機體構成部件（殼體和導管）主要成分為鈦合金、不銹鋼等材料。目前工廠存放、維護的是俄制某型發動機和國產某型發動機，通過兩型發動機航材目錄的查找，發現其動力裝置的主體及部件的材料主要為以下牌號（見表2）。

從原理可以看出干冰清洗主要通過干冰顆粒的低溫和沖擊速度這一獨特的熱力學性能，影響粘附污垢的機械性能。所以首先應該分析清洗過程中干冰顆粒對清洗母體金屬表層的影響，再分析干冰顆粒沖擊對清洗母體金屬表層粗糙度和硬度的影響。

2.1 低溫對動力裝置材料的影響

通過低溫試驗進行驗證，將熱電偶被埋入鋼件的不同深度，從表面到2mm深。反復對樣件進行干冰清洗。清洗時間為30s，并記錄深度不同的溫度變化，見圖2。在最表層的熱電偶顯示出，每一次噴射時溫度下降值。經比較，在不同深度里顯示值是緩慢降溫，30s后最深處的顯示值只下降了10℃。

圖2 不同深度熱電偶的溫度變化

2.2 沖擊速度對動力裝置材料的影響

選取鈦合金（TC6）和不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）材料的樣塊各2件，如圖3和圖4所示，分別對材料樣塊中未使用干冰清洗和已使用干冰清洗進行表面粗糙度和硬度的對比試驗。

圖3 鈦合金（TC6）樣塊

圖4 不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)樣塊

首先將2件不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）材料樣塊分成1#、2#、3#、4#四個試驗區域，2件鈦合金（TC6）材料樣塊分成5#、6#、7#、8#四個試驗區域，其中1#、3#、5#、7#試驗區域為干冰清洗面，2#、4#、6#、8#試驗區域為原始面。樣塊試驗數據分析報告見圖5、圖6。

圖5 樣件硬度試驗報告

圖6 樣件表面粗糙度試驗報告

樣塊對比試驗數據見表3，曲線分布圖見圖7、圖8。

表3 樣塊清洗前后試驗數據

圖7 樣件硬度對比試驗曲線圖

圖8 樣件表面粗糙度對比試驗曲線圖

2.3干冰清洗技術試驗結論

綜合上述驗證研究表明（見圖2、5、6、7、8）：①溫度的降低只會發生在金屬表面，不會對金屬內部造成破壞。瞬間降溫不會引起金屬表面脆化，對金屬表面處理層無影響。②干冰清洗的沖擊力對樣件表面粗糙度和硬度未發生明顯改變，干冰的硬度不大，并且在沖擊瞬間氣化，不會產生磨損。所以使用干冰清洗技術對所清洗的動力裝置機體金屬表層無影響。

3 關鍵技術問題及解決措施

3.1干冰清洗對發動機部件的影響性研究

雖然干冰清洗技術已在民用領域廣泛使用，但對軍用發動機材料體系、結構形式的影響還不明確，研究干冰清洗對發動機部件的影響，確定適用范圍是研究的關鍵技術問題之一。

通過制定試驗方案，對低溫、沖擊對材料表面影響的試驗進行驗證，論證了干冰清洗對金屬材料表面瞬間降溫，不會造成金屬材料表面脆性增大，還可以從金屬物質上清除非金屬污垢；同時控制和調整干冰沖擊速度的快、慢，更有利于剝離金屬物上結合的污垢。

3.2制定清洗技術標準確保清洗效果

干冰清洗技術的介質形狀、大小、清洗壓力、出冰速率、清洗距離、清洗時間等對不同材料、不同結構、不同污物的清洗效果有較大影響，研究制定具有針對性的干冰清洗技術標準，確保清洗效果也是研究的關鍵技術問題之一。

分別通過低溫試驗和清洗前、后對比試驗方法，制定航空發動機部件局部表層的清洗技術標準。

4 干冰清洗在航空產品上的實際運用

干冰清洗技術是利用低溫這一熱力學性能，影響粘附污垢的機械性能。在干冰顆粒與清洗表面間形成溫度差，將污垢層沖擊破碎。通過此次低溫試驗數據，充分證明了材料表面瞬間降溫，不會造成金屬材料表面脆性增大，還可以從金屬物質上清除非金屬污垢。

由于干冰顆粒本身密度較低，要達到所要的沖擊能量必須取決于干冰噴射的速度。通過樣件的表面粗糙度和硬度對比試驗結論，在控制干冰沖擊速度和氣源壓力的大小，更有利于剝離金屬物上結合的污垢。

鑒于以上2項研究結果，確定了表層局部清洗的新工藝，①針對不同材質的動力裝置部位規定使用干冰清洗的介質形狀、大小；②為實現清洗物件表層的瞬間降溫，確定了清洗時間、清洗距離的要求及相關操作方法；③為了更有效的破壞金屬表層和污垢的結合，制定了清洗壓力、出冰速率的要求及相關操作方法：

4.1 干冰顆粒的選用

由于發動機的主體結構的材料主要為鈦合金，而部附件、導管等材料為不銹鋼材質，其表層的油污需要大顆粒的干冰清洗才能達到最好的效果。因此適用于發動機機體結構表層、部附件等應采用干冰顆粒規格為直徑3mm，如圖 9所示[3]。

圖9 干冰顆粒

4.2 鈦合金（T C 6）機體清洗工藝方法

鈦合金（TC6）機體清洗工藝方法見圖10.

1）調整干冰清洗設備供氣壓力，使壓力保持在0.7～0.8Mpa之間；

2）調整干冰清洗設備出冰速率，使出冰速率為0.015kg/s；

3）保證干冰噴射槍嘴距離清洗面為30～50cm之間；

觀點應簡明扼要，并不是說句子越短越好，而是必須將意思表述清楚。本句即概括了以下所有意思，從反面指出顧忌與牽絆的關系。比如第二句分析“內心足夠強大”便怎樣，“而相反的”又怎樣；第三句分析太多顧忌的危害，第四句則得出結論，從正反兩方面總結顧忌的危害及拋棄顧忌的必要性。

4）保證干冰噴射槍嘴垂直于清洗面；

5）平緩的移動干冰噴射槍嘴，使干冰均勻噴射至產品表面，每一位置停留時間不超過5s。

圖10 機體結構清洗

4.3 不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）部件及導管清洗工藝方法

不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）部件及導管清洗工藝方法見圖11。

1）調整干冰清洗設備供氣壓力，使壓力保持在0.6Mpa之間；

2）調整干冰清洗設備出冰速率，使出冰速率為0.01kg/s；

3）保證干冰噴射槍嘴距離清洗面為100～110cm之間；

5）平緩的移動干冰噴射槍嘴，使干冰均勻噴射至產品表面，每一位置停留時間不超過5s。

圖11 部件、導管清洗

5 結論

通過對已成功應用于88臺發動機的情況進行總結，清洗效果對比如圖12所示，發現干冰清洗工藝方法的清洗效果優于洗滌汽油清洗效果，未發現對發動機表面有任何影響，清洗效果良好。干冰清洗安全、可靠，代替洗滌汽油清洗可有效杜絕靜電起火的安全隱患，后續可向飛機其他產品推廣。

干冰清洗安全、可靠，無污染排放，減少了對環境的污染和對人員健康的影響。干冰價格低廉，無需廢油處理等環節，具有很高的經濟性。最重要的是，干冰清洗代替了汽油清洗，提高了清洗工作的安全性，徹底杜絕了發動機清洗工作時靜電起火的安全隱患，提高了作業工效，減輕了操作人員的勞動強度。

綜合大量實際使用過程中的經驗可以看出，不同的材質的部件，所用清洗的方法略有不同。按適合的清洗方法，才能使之達到最佳的清洗效果。總之，干冰獨特的超低溫和氣化這一特性，使干冰清洗技術對溫變敏感性的污垢均具有非常好的效果，其應用領域已逐步深入航空維修行業。