复杂内腔高涡叶片顽固沉积物去除技术研究

曲文浩

（海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳110043）

0 引言

空心高压涡轮叶片内腔顽固沉积物的去除一直是影响产品合格率的主要因素，尤其在发动机的制造修理中，该问题更加突出，造成大量叶片因内腔顽固沉积物超标而无法装机使用，影响了制造质量，制约了生产进度，更为严重的是提高了制造成本。

众所周知，空心高压涡轮叶片长期工作在1000℃左右的环境中，在此高温氧化作用下，燃油中的杂质以及燃烧不充分产生的油烟微粒会形成焦碳垢；飞行中的粉尘和沙粒会长期沉积并伴有少量金属氧化物。随着温度的提高和工作时间的延长，焦碳垢进一步脱氢缩聚，并逐步石墨化，从疏松的积碳，逐步转化成较硬的碳垢即所谓的积碳；这些积碳、粉尘、沙粒及各种金属氧化物逐渐形成晶态陶瓷体混合物统称为沉积物。随着叶片使用时间的增长，沉积物与零件基体的附着力也随之增强。

长期以来，针对高涡叶片制造一直采用的是以表面活性剂为主要成分的水基清洗剂并结合超声波清洗工艺。该工艺只能清洗叶片表面的油污，对高涡叶片内腔的顽固沉积物没有作用，其原因在于空心高压涡轮叶片内腔结构特殊，空间狭窄，各种化学清洗剂在叶片内腔难以形成流动，无法发挥化学清洗的渗透、润湿、膨胀和溶解作用以及超声波物理清洗的空化作用。为此，从空心高压涡轮叶片内腔的特殊结构和内腔顽固沉积物的物理化学特性入手，开始了研究工作。

1 技术难点

1）由于发动机高压涡轮叶片长期工作在1000℃左右的环境中，叶片内腔顽固沉积物是以各种高温燃烧产物、金属陶瓷性氧化物等组成的混合物，通常被称为环境沉积物——CMAS。随着温度的提高和工作时间的延长，这些环境沉积物逐步转化成较硬的硬垢，具有陶瓷体的特性，与基体之间形成了较强的结合力。常规的化学清洗方法如酸、碱溶液和有机溶剂对它们几乎没有作用。2）高压涡轮叶片内腔的结构非常复杂，呈立体交叉网状结构，而且通道十分狭窄、呈蛇形状曲折迂回，极大地限制了一般物理清洗功能的发挥。尤其是内腔顽固沉积物主要分布在叶片的叶尖底部缝隙处，更增加了去除难度，采用磨粒流物理清理技术以及传统超声波清洗法均无效果。3）无液体聚能超声波清理技术研究突破高压涡轮叶片内腔顽固沉积物去除课题，必须打破传统的清理模式，开创新的清理技术，这是技术难题。4）无液体聚能超声波清理设备结构设计与研制是根据技术原理及叶片结构设计，研制聚能超声波设备使其满足工艺要求是另一大技术难题。

2 技术原理

该技术针对空心高压涡轮叶片顽固沉积物的物理化学特性及积聚位置和状态，利用超声波高频振动对缝隙独特的冲击作用，结合空心叶片复杂的形腔结构，率先提出了无液体聚能超声波清理技术理念，开发了一种新的清理模式，打破了传统超声波以液体为载体并通过超声波在液体中传播时产生的空化效应的清洗模式，在无液体存在（即没有空化效应）的条件下，将超声波能量聚集于零件壁上，从而近距离传送至叶片叶尖内腔死角部位的顽固沉积物。当超声波工作时其高频声波产生的振动作用和高频振动产生的加速度可直接作用于零件表面，从而避开了传统超声波在空心叶片复杂狭窄内腔中传播时的屏蔽作用，对叶片表面形成了反复冲击，使原本脆性较大的陶瓷性顽固沉积层受到不断地冲击变形作用，破坏了沉积物层与叶片表面的结合力，使它们之间不断松化，并逐步形成间隙，从而从基体表面被剥离下来，最终达到被彻底清除的目的。

3 技术创新点

1）率先提出了无液体聚能超声波清理理念，研发了一种新的无液体聚能超声波清理技术。该技术打破了传统超声波以液体为载体并通过超声波在液体中传播时产生的空化效应的清洗模式，在无液体存在的条件下，将超声波作用聚集于零件壁上，从而直接传送至叶片叶尖内腔死角部位的顽固沉积物，避开了传统超声波在叶片复杂狭窄内腔中传播时的屏蔽作用，通过超声波转化的高频震动以及高频振动产生的加速度形成的反复冲击作用，使脆性的陶瓷型沉积物产生变形，破坏了沉积物与零件基体之间的结合力，达到被彻底清除的目的，从而突破了长期以来高压涡轮叶片内腔顽固沉积物去除的技术难题；

2）根据无液体聚能超声波清理技术构思，结合高涡叶片形状与结构，设计开发聚能超声波清理设备。为达到聚能及近距离传播效果，将超声波发生器的振子直接设计在设备的装夹系统，使超声波能量通过叶片榫头近距离传播至内腔表面的顽固沉积物，既实现了超声波能量的聚集又实现了直接传播。同时以叶片榫头作为能量传播位臵，创新设计了“自由式装夹模式”，使叶片在工作时始终处于自由状态，避免了叶片因应力变形而产生的疲劳问题。因此聚能超声波设备在超声波发生器振子的结构设计、聚能并实现近距离传播结构设计、“自由式装夹结构”设计等方面均突破了传统超声波设计理念，为国内首创。

4 技术实施效果

无液体聚能超声波清理技术及聚能超声波清理设备，是针对高压涡轮叶片中内腔顽固沉积物这一疑难课题自主创新开发研究的，为国内首创。该技术和设备自通过评审后就快速进入工程化应用。小批试生产以现场积压多年的叶片为对象，经无液体聚能超声波技术清理后，按照大修技术文件进行X光、涡流、荧光、流量等相关性能分析，各项性能指标均符合标准。叶片装机参加试车考核并顺利通过，随即投入使用，同时完成了工艺说明书标准的编制，并正式纳入工艺体系。

近3年的实践表明，该技术去除高涡叶片内腔顽固沉积物效果显著、工艺合理、设备运行稳定、产品性能符合发动机设计标准。据不完全统计，该成果自应用以来已经复活叶片738个，可直接装机8.2台份，创造纯利润高达960多万元，为国家节省外汇约141万美元。该成果在航空发动机领域的首次成功应用，为我国在役航空发动机高温复杂结构件的修理开辟了一条新的技术途径，对推动我国航空发动机修理事业的发展，具有重要的军事意义和显著的经济效益。随着在役航空发动机修理业务的日益增加，无液体聚能超声波处理技术将具有更广阔的应用前景。

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