航空发动机涡轮工作叶片表面积碳去除工艺

黄艳松

（海军驻长沙某军代室，长沙410000）

0 引 言

涡轮工作叶片是把高温燃气的能量转变为转子机械能的重要零件，工作时不仅被经常变化着的高温燃气所包围，并且还承受着高速旋转产生的巨大离心力、气体力和振动负荷等，此外还要经受高温燃气引起的热腐蚀和高温氧化，其是决定航空发动机寿命的主要零件之一[1]。某航空发动机涡轮工作叶片由榫头、缘板、叶身组成，叶身部分分叶盆、叶背两个面，叶身前端为进气边、后端为排气边。根据工况要求，该涡轮工作叶片的基材选用高温合金DZ22B，并通过电弧喷涂在叶身表面涂覆NiCoCrAlYTa涂层，厚度为50～80 μm，涂层进一步提升了抗高温氧化和燃气热腐蚀的能力，并延长了叶片的使用寿命。

由于长期在高温环境下工作，涡轮工作叶片表面会黏附由燃料燃烧后的沉积物及涂层或基体材料经高温氧化腐蚀后所产生的热蚀层，一般通称为“积碳”，且随工作时间的延长，积碳厚度也在不断增加，致使涡轮工作效率下降，同时也掩盖了叶片表面的损伤，不便于修理检测[2]。该型航空发动机使用1000 h后，涡轮工作叶片覆盖着一层褐色的积碳，导致了用于检测产品使用后是否产生裂纹的荧光检查无法正常开展，同时叶型轮廓尺寸也偏离了设计要求，带来了极大的安全隐患，如果采取换件修理，又将造成巨大的经济损失，所以亟需找到有效去除积碳的工艺方法。

1 方法可行性分析

积碳质地坚硬、黏附力强，因此去除积碳是一项较困难的工作。目前，去除航空发动机零部件表面附着物的工艺可分为水剂溶液清洗法和机械物理去除法。

1.1 水剂溶液清洗法

水剂溶液清洗效率高，与超声波处理结合应用可提升清洗效果，满足批量生产需求。近几年，国内外航空发动机制造商致力于研发、应用高效和可靠的清洗液及清洗工艺，并取得了一定的成果。但清洗液存在污染环境和影响产品性能风险，其必须是无毒、无害，且使用后产品应经充分检查验证。

德国CHEMETALL公司生产的ARDROX185等清洗液为航天航空行业常用除锈、除垢及除碳溶剂。前期，已尝 试 采 用ARDROX185、ARDROX1873、ARDROX188 等清洗液分别对该涡轮工作叶片进行超声波处理，经长时间清洗加工，积碳未出现松软、鼓包、开裂等脱落迹象，除积碳效果不理想。

1.2 机械物理去除法

目前，常用去除零部件表面附着物的机械物理方法有手工打磨、干吹砂、湿吹砂、磨粒流抛光、振动光饰等工艺。

手工打磨对操作技能要求高、劳动强度大，抛修去除厚度不易控制，生产效率低，不利于大批量生产，不适合精密部位的加工。干吹砂通过压缩空气将磨料高速喷射至零件表面去除附着物，达到清理和光饰的目的，可通过控制空气压力、磨料规格、吹砂时间等参数调整去除量，效率较手工打磨高，适合去除毛坯或半成品表面的附着物，如锻铸件表面氧化层去除等，当用于去除尺寸精度部位附着物时，对操作方法和技能要求较高，且去除后表面粗糙度水平会有所下降[3]。湿吹砂是在干吹砂的基础上，将液体与磨料混合后通过湿吹砂机喷射至零件加工面，在工艺参数相当的情况下，湿吹砂比干吹砂去除量小,加工后的部件表面较光滑。

磨粒流抛光的加工原理是利用挤压方法将具有流动性的磨料不断在工件表面进行反复研磨，实现抛光和去毛刺的效果。磨粒流抛光加工需配备磨粒流抛光机床,磨粒流必须构成回路, 通常用于加工那些钳工操作可达性差的内腔、油路，当用磨粒流抛光加工外表面时，必须根据零件外形尺寸制配工装夹具，生产成本较高；振动光饰是将零件与磨料混合于筒体内，通过筒体振动使磨料对加工面进行磨削，达到抛光和去毛刺的效果，该方法能够满足大批量生产需求，生产效率高、成本低。

1.3 综合分析

水剂溶液+超声波的清洗方法生产效率较高，但涡轮工装叶片加工效果不理想。由于长期高温使用过程中沉淀的附着物黏附力很强，特别是与孔隙率较高的涂层表面的黏附力就更强，且成分复杂，很难在短时间内研发或配制一种针对性的无害清洗液。因此，机械物理去除方法是目前的可行选择。

每台发动机装配30余件该涡轮工作叶片，每年需维修100余台发动机，因此年修理量达3000余件；叶身长度约30 mm、宽度约20 mm，榫头长约20 mm、宽度约15 mm，涂层表面粗糙度要求为Ra2.2 μm外形结构精致，叶型轮廓复杂,尺寸精度要求高。手工打磨、干吹砂及湿吹砂方法无法满足该涡轮工作叶片批量修理和精度要求，且因产品外形小巧，导致手工操作性差，因此不宜作为该产品去除积碳的方法；磨粒流抛光、振动光饰对操作技能要求不高，加工质量主要靠设备和工艺参数保证，加工精度较高、表面粗糙度较好，适合批量修理。

目前，航空发动机涡轮轴、功率轴等细长轴的内孔抛光和去毛刺加工广泛采用磨粒流抛光工艺，振动光饰也广泛应用于航空发动机叶片、盘、轴等零件外表面的抛光和去毛刺加工，均有丰富的使用经验和扎实的应用基础，可作为该涡轮工作叶片涂层表面积碳去除的试验方法，进一步开展工艺参数研究。

2 工艺试验

2.1 试验方法

从同一台发动机的该涡轮工作叶片修理件中抽取8件作为试件，按1#～8#的顺序编号,1#～4#试件作为磨粒流试件、5#～8#试件作为振动光饰试件，经检查确认表面均无碰划伤、涂层脱落等缺陷。根据磨粒流抛光、振动光饰的应用经验，结合该涡轮工作叶片的材质、结构特点，磨粒流试验采用φ5～φ10 μm圆形碳化硅软质磨料, 振动光饰试验采用φ25×25 mm圆锥形树脂磨料,其他试验参数如表1所示。

表1 试验方法和参数

该涡轮工作叶片NiCoCrAlYTa涂层厚度设计要求为50～80 μm，因电弧喷涂工艺特点，造成涂层厚度存在一定的不均匀性，一般是进气边、排气边较薄，而叶盆、叶背的中间部位较厚。此外，复杂的叶型结构会导致磨料与表面各部位的接触情况存在差异，造成不同部位涂层去除量不均匀的现象。NiCoCrAlYTa涂层厚度是影响产品抗热腐蚀的重要要素，因此对试验去除涂层量的评估至关重要。为此，将1#、3#、5#、7#试件确定为涂层去除量评估件，在叶身中部横向垂直于基叠轴沿四周贴胶带一圈（如图1所示），使叶身胶带覆盖处的表面不与磨料接触，保持使用后的状态。试验后，沿胶带边剖切叶身，对剖口两侧涂层进行金相组织检查和对比计算，即可较精准地确定各部位的涂层去除量。

为验证上述试验去除积碳的能力，以及对产品质量的影响程度, 试验后开展以下4个方面检查工作:1）外观检查表面积碳是否完全去除, 涂层是否出现鼓包、脱落、开裂等损伤；2）剖切试件进行金相组织检查，计算涂层厚度去除量；3）按图样要求对叶身进行投影检查，检查是否满足要求，并确认涂层去除量的均匀性；4）按新品工艺规程开展荧光检查，确认去除积碳后荧光检查能否顺利进行。

图1 试件贴胶带示意图

2.2 试验结果

经外观检查，1#～8#试件涂层表面积碳均已完全去除，且涂层无损伤，呈金属光亮色，涂层表面光滑，磨粒流抛光加工的1#～4#试件表面的光亮度较好，2种试验后试件外观分别如图2、图3所示。

图2 磨粒流抛光后试件外观

图3 振动光饰后试件外观

1#、3#、5#和7#试件剖口两侧涂层厚度的金相组织检查结果如表2所示，经对比计算,试件叶身进气边、叶盆、叶背、排气边各部位涂层去除量如表3所示。由表3可见，磨粒流抛光去除涂层量大，随着循环次数增加而增加，各部位去除量均匀性差，进气边和叶盆部位去除量较大，经5个循环加工后，进气边的涂层厚度已不合格；振动光饰去除涂层量少、均匀，加工时间增加对涂层去除量影响不大，经10 min加工后涂层厚度仍合格。

表2 涂层去除深度评估件的金相组织检查结果 μm

表3 试件涂层去除量μm

经叶型投影仪检测，2#试件叶型轮廓尺寸虽然在公差内但不圆滑，4#试件叶型轮廓尺寸不合格，6#和8#试件叶型轮廓尺寸均合格。对2#、4#、6#和8#试件进行荧光检查，涂层表面均无荧光液吸附现象，表明各试件加工后涂层无开裂现象，表面积碳已去除干净。

2.3 结果分析

经外观、荧光检查表明，1#～8#试件加工部位的表面积碳已去除干净，且无涂层开裂、起泡、脱落等问题，2种工艺方法均可有效去除该涡轮工作叶片的涂层积碳。金相组织检查结果反映，磨粒流抛光加工存在去除涂层量大、不均匀的问题，容易导致产品尺寸超差；而振动光饰具有去除涂层量小、均匀的优点，对产品尺寸基本无影响，且去除量受加工时间影响不大，加工过程质量控制难度较小，适合批量修理，加工成本较低。综上分析认为，树脂磨料、振频为25 Hz、振幅为5 mm、时间5～10 min的振动光饰方法可以作为该涡轮工作叶片NiCoCrAlYTa涂层表面积碳去除工艺方法。

3 试修验证

同型号航空发动机虽然设计功能和性能要求一致，但因各自列装区域、使命任务、使用部队不尽相同，在使用环境、工作载荷、日常维护等方面有所区别，这些都将导致每台发动机涡轮工作叶片的积碳情况存在差异性。

为充分验证实际应用效果，选取4台列装区域、使命任务、使用部队有所区别的该型号发动机大修机，共120余件涡轮工作叶片开展了振动光饰试修加工。

根据试修工艺要求，4台发动机涡轮工作叶片分批加工，振动光饰5 min后检查积碳去除情况，未去除干净则继续加工，每隔1 min再检查1次，如实记录加工时间。经试修，其中3台发动机加工5 min后积碳去除干净，1台发动机加工7 min后积碳才完全去除，所有叶片涂层无损伤，叶型尺寸、荧光检查均合格，试修后各发动机通过了整机试车考核。根据试修验证情况，在工艺规程中增加了每台发动机叶片分批加工、加工5 min后每隔1 min检查积碳去除情况的要求。

4 结 语

通过对常见去除积碳工艺方法的可行性分析，选用磨粒流抛光、振动光饰方法开展工艺试验，并采取在叶身上贴胶带作为涂层去除量评估试件的方法，提高了试验效率，保证了试验数据的准确性。通过工艺试验及试修验证，采用树脂磨料、振频为25 Hz、振幅为5 mm、时间为5～10 min的振动光饰方法，能够满足该航空发动机涡轮工作叶片NiCoCrAlYTa涂层表面积碳的去除需求，既提高产品质量，也节约修理成本。鉴于不同发动机使用后涡轮工作叶片表面积碳的厚度存在差异性，修理中应严格落实不同发动机分批加工的原则，并加强振动光饰加工过程的检查工作。