0 前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在服役過(guò)程中,由于受自然磨損、疲勞、腐蝕和葉片表面積垢等諸多因素的影響,隨使用時(shí)間的增加發(fā)動(dòng)機(jī)性能會(huì)衰退,其中壓氣機(jī)葉片表面積垢是引起發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退的最重要的因素之一[1]。 MORINI等[2]基于級(jí)疊加模型,通過(guò)增加葉片的表面粗糙度和厚度,研究了葉片積垢對(duì)壓氣機(jī)性能的影響,結(jié)果顯示,積垢降低了氣流流量系數(shù), 同時(shí)也會(huì)使壓力系數(shù)降低,積垢嚴(yán)重時(shí),可以使流量系數(shù)降低約5%,壓力系數(shù)降低近9%。 CHEN等[3] 認(rèn)為葉片前緣和吸力面積垢導(dǎo)致表面粗糙度增加, 對(duì)壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能產(chǎn)生明顯影響,使壓氣機(jī)效率和總壓比明顯降低。王松等[4] 的研究表明,積垢擴(kuò)大了葉片氣流分離區(qū)域,使葉片尾緣低速區(qū)增大,導(dǎo)致能量損失區(qū)域增大。積垢成分復(fù)雜,可能含有鹽、酸等物質(zhì),積垢堆積必然會(huì)伴隨腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生,腐蝕嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致部件失效[5]。由此可以看出,積垢是造成壓氣機(jī)性能惡化的主要原因之一,積垢主要是增加了葉片表面粗糙度,改變了葉片型面,使得葉片表面氣流流動(dòng)發(fā)生變化,同時(shí)還會(huì)對(duì)葉片造成腐蝕破壞。因此,通過(guò)清洗消除積垢就顯得尤為重要,發(fā)動(dòng)機(jī)清洗作為一種經(jīng)濟(jì)有效的性能恢復(fù)手段, 已在燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用,但是不同的清洗方法和清洗材料清洗效果不同,各有優(yōu)缺點(diǎn)[6]。為了高效準(zhǔn)確去除積垢,有必要對(duì)積垢的形成機(jī)理和性質(zhì)進(jìn)行深入研究,以利于選擇合適有效的清洗劑和清洗方法。

壓氣機(jī)葉片表面積垢是發(fā)動(dòng)機(jī)吸入氣體中含有的顆粒物在油霧水氣的黏性作用下,黏附在壓氣機(jī)葉片表面,主要來(lái)源是空氣中混雜的各種粉塵、鹽霧等物質(zhì)[7]。沉積在壓氣機(jī)葉片表面的顆粒物通常是微米級(jí)的,通常在10 μm以下,由于黏性效應(yīng)的作用,大氣中含有的水分和壓氣機(jī)內(nèi)部存在的油氣加速了葉片表面積垢的堆積[8]。以上研究證明了積垢的來(lái)源,分析了積垢的影響因素,但是沒(méi)有對(duì)積垢的成分和形成機(jī)理進(jìn)行研究。王立文等[9] 通過(guò)收集兩臺(tái)民航發(fā)動(dòng)機(jī)清洗廢液,對(duì)沉積污垢進(jìn)行分析,得到了主要附著物的成分及粒徑范圍。這種方式采集的污垢經(jīng)過(guò)水洗沉淀,有些成分可能會(huì)溶解于溶劑而導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確反映實(shí)際,而且也無(wú)法反映不同位置的葉片積垢形貌和成分。劉金豆[10] 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣部位的油污進(jìn)行分析,確定了壓氣機(jī)不同部位葉片上油污的元素組成,以及有機(jī)相中有機(jī)物的大致類(lèi)型,但沒(méi)有進(jìn)一步對(duì)葉片積垢的形成機(jī)理和性質(zhì)進(jìn)行研究。楊化動(dòng)[11] 對(duì)積垢的形成機(jī)理進(jìn)行了研究,主要是針對(duì)顆粒物的沉積理論和形成影響因素開(kāi)展研究,進(jìn)行了一些有益的數(shù)值研究,得出了很多有意義的結(jié)論,但都是基于數(shù)值計(jì)算和理論分析,未參考實(shí)際運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)積垢情況開(kāi)展對(duì)比分析研究。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)壓氣機(jī)葉片上顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)因素進(jìn)行了廣泛的研究,但是有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)各級(jí)葉片積垢成分性質(zhì)和形成機(jī)理的研究很少。通過(guò)對(duì)返廠(chǎng)大修發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)積垢情況的觀(guān)察,發(fā)現(xiàn)高壓壓氣機(jī)最后3級(jí)高溫合金葉片表面積垢程度呈現(xiàn)逐級(jí)增加的趨勢(shì),并呈紅褐色,與低壓壓氣機(jī)和高壓前幾級(jí)鈦合金葉片表面積垢呈現(xiàn)不同污染趨勢(shì)和形貌。為了搞清楚壓氣機(jī)葉片積垢行為,分別從大修發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)第2級(jí)、高壓壓氣機(jī)第1級(jí)和最后1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片上實(shí)地采集積垢樣品3份,試驗(yàn)分析壓氣機(jī)葉片表面積垢的微觀(guān)形貌和化學(xué)成分,并對(duì)積垢形成機(jī)理和性質(zhì)進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 樣品的采集

從返廠(chǎng)大修的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)低壓第2級(jí)、高壓第1級(jí)和最后1級(jí)葉片上采用刀片刮取法分別實(shí)地取樣三份,取樣位置如圖1中的1、2、3所示。為了后續(xù)分析方便,這里將低壓第2級(jí)取樣樣品定義為1號(hào)樣品,高壓第1級(jí)取樣樣品定義為2號(hào)樣品,高壓最后1級(jí)取樣樣品定義為3號(hào)樣品,取樣樣品實(shí)物如圖2所示。

圖1 混排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵氣流溫度示意圖[12]

1.2 樣品預(yù)處理

將待測(cè)的樣品置于真空干燥箱內(nèi),120℃ 下充分干燥;將干燥后的樣品置于瑪瑙研缽中研磨成粉末;對(duì)于難以干燥的油性樣品,干燥后采用液氮脆斷的方式處理。

1.3 樣品表征分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片表面積垢樣品表征分析流程如圖3所示。

采用德國(guó)蔡司SIGMA500場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,觀(guān)察積垢樣品表面的微觀(guān)形貌,電壓10kV。采用德國(guó)蔡司SIGMA500EDS能譜儀,選擇點(diǎn)掃模式, 取四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行積垢樣品的元素分析(質(zhì)量/原子相對(duì)百分含量)。采用德國(guó)AXS D8Advance X射線(xiàn)粉末衍射儀,表征積垢樣品X射線(xiàn)衍射圖譜,定性和定量地對(duì)樣品的物相、結(jié)構(gòu)或晶粒度進(jìn)行分析判斷, 對(duì)樣品晶型結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析,稱(chēng)取0.1g的樣品置于消磁樣品臺(tái)中,用稱(chēng)量紙壓勻,使用Cu靶,分析程序設(shè)置為步進(jìn)掃描,掃描角度范圍為10~80℃。采用德國(guó)BrukerVERTEX 70傅里葉變換紅外光譜儀, 表征積垢樣品紅外光譜,定性分析樣品表面的基團(tuán)特征吸收頻率,定量分析特征峰的強(qiáng)度,對(duì)樣品中有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)解析提供依據(jù),采用KBr壓片法將樣品制成透明的薄片,使用的KBr為光譜純,波數(shù)為600~4 000cm-1。采用美國(guó)日立Diamond TG/DTA熱重分析儀,檢測(cè)積垢樣品熱解失重量,稱(chēng)取少量樣品置于熱重儀的天平中,設(shè)置升溫速率為5℃/min,試驗(yàn)氣氛為空氣,溫度區(qū)間為0~800℃, 采用德國(guó)Pfeiffer OmniStar氣體質(zhì)譜分析儀,檢測(cè)熱解氣體組份,將樣品在TG測(cè)試中因?yàn)榧訜岫纸獾漠a(chǎn)物進(jìn)入質(zhì)譜儀,設(shè)置GC-MS程序,掃描范圍0~200amu,間隔0.3amu,進(jìn)樣次數(shù)為1次/8℃,共計(jì)分析100次。

圖2 樣品實(shí)物示意圖

圖3 樣品表征分析流程

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 樣品外觀(guān)分析

對(duì)樣品實(shí)物(見(jiàn)圖2a、2b、2c所示) 觀(guān)察,可以看到,1號(hào)樣品為黑色粘稠油狀物質(zhì),2號(hào)樣品為黑色粉末狀物質(zhì),3號(hào)樣品為紅褐色粉末狀物質(zhì),做簡(jiǎn)單磁性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)3號(hào)樣品帶有一定的磁性。

2.2 SEM分析

使用SEM分別對(duì)1、2、3號(hào)樣品試樣表面不同區(qū)域進(jìn)行采樣觀(guān)察,并拍攝記錄其不同倍數(shù)下的形貌,結(jié)果如圖4所示。

圖4a、4b、4c為1號(hào)樣品分別在5 000、10 000和50 000倍下的組織形貌圖。由圖可知,1號(hào)樣品為團(tuán)狀包覆物,內(nèi)部可見(jiàn)顆粒團(tuán)聚且凝結(jié)在一起,其團(tuán)聚粒子直徑在1~3 μm,樣品的SEM影像清晰度不高,這與樣品本身含有大量油性物質(zhì)有關(guān),樣品導(dǎo)電性不好導(dǎo)致積垢污染物成像不夠清晰。

圖4d、4e、4f為2號(hào)樣品分別在10 000、50 000和100 000倍下的組織形貌圖。由圖可知,2號(hào)樣品表面有大量不規(guī)則顆粒物,更多為團(tuán)絮狀,可以明顯看到直徑大于2 μm的不規(guī)則塊狀顆粒物被亞微米級(jí)的顆粒物(100~300nm)黏附現(xiàn)象,而其余大多為板狀顆粒物,亞微米級(jí)顆粒物大多都團(tuán)結(jié)在其表面, 形成7 μm以下顆粒。

圖4g、4h、4i為3號(hào)樣品分別在10 000、50 000和100 000倍下的組織形貌圖。由圖可以明顯看出3號(hào)樣品表面有大量不規(guī)則絮狀顆粒物,由于高壓壓氣機(jī)最后一級(jí)出口溫度接近500℃ (見(jiàn)圖1所示),因?yàn)闊嵝?yīng),存在顆粒物凝結(jié)在一起的現(xiàn)象, 其粒子最大直徑可到0.8 μm左右。

圖4 樣品在3種倍數(shù)下的組織形貌圖

2.3 EDS分析

以3號(hào)樣品為例,在4 000倍放大倍數(shù)下對(duì)試樣進(jìn)行4次選點(diǎn)取樣,4次能譜分析,如圖5a所示, 從而得出試樣各元素質(zhì)量百分比和原子百分比,以圖5a中區(qū)域1為例,其EDS元素峰值如圖5b所示。 1、2、3號(hào)樣品的EDS分析結(jié)果如表1所示。

圖5 3號(hào)樣品4 000倍取樣位置及區(qū)域1的能譜分析

由表1可知,1號(hào)樣品的元素成分包括C、O、Si、 Al、Mg、K元素,78.72%(原子分?jǐn)?shù)) 的C說(shuō)明1號(hào)樣品中很可能含有大量的有機(jī)物質(zhì),后面通過(guò)FTIR和TG-MS分析可以進(jìn)一步確認(rèn)有機(jī)物結(jié)構(gòu)和含量, 3.11%的Si說(shuō)明空氣中的灰塵也是1號(hào)樣品的主要來(lái)源。 2號(hào)樣品的主要元素包括C、O、S、K、Ti、 Mg、Si和少量的Cr、Na、F元素。 C的含量減少,O的含量增加,說(shuō)明2號(hào)樣品有機(jī)物含量減少,氧化物增多。 2號(hào)樣品含有4.57%的Ti,這是因?yàn)殁伜辖鹪诳諝饨橘|(zhì)中加熱時(shí),會(huì)生成一種極薄、致密的氧化膜,氧化膜中的氧化物主要是TiO2 [13]。高壓壓氣機(jī)第1級(jí)葉片基體材料為鈦合金,由此可知,2號(hào)樣品中的Ti來(lái)源于鈦合金葉片表面的氧化膜。 3號(hào)樣品的主要元素成分包括C、O、Fe、Si、Ni、S、K、Cr、Al和少量的Ti、Na、Ca和Mg元素。 3號(hào)樣品取樣葉片基體材料為Fe-Ni-Cr基高溫合金,其主要元素包括33%~37%Ni、 14%~16%Cr、 2.8%~3.5%W、 2.6%~3.2%Ti、0.7%~1.4%Al和≤0.6%Si,以及其他微量元素, 其余為Fe。 3號(hào)樣品中含有11.48%的Fe、5.06%的Ni,而1、2號(hào)樣品中未檢出這些元素,Al、Cr和Si的含量也較1、2號(hào)樣品高很多,這些元素的原子分?jǐn)?shù)總和達(dá)22.8%、質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和達(dá)34.89%,這些元素都是葉片基體材料的主要組成元素,說(shuō)明這些元素來(lái)源與大氣環(huán)境相關(guān)性較低,而且,3號(hào)樣品O的原子分?jǐn)?shù)達(dá)40.29%,說(shuō)明這些元素大多以氧化物的形式存在,這些元素的來(lái)源與高溫合金葉片基體材料高溫氧化行為相關(guān)性較高。

表1 積垢樣品主要元素原子/質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值測(cè)試結(jié)果(原子/質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.4 FTIR分析

3 個(gè)樣品的FTIR測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知1 號(hào)樣品中存在飽和碳原子上的C-H振動(dòng),特別是-CH2 的對(duì)稱(chēng) ( 2 855 cm-1 附近) 與反對(duì)稱(chēng) (2 924 cm-1 附近)伸縮振動(dòng),結(jié)合EDS數(shù)據(jù),認(rèn)為1 號(hào)樣品中還有C-F鍵(1 459 cm-1 附近) 和分子內(nèi)氫鍵-OH基團(tuán)(3 271 cm-1 附近),進(jìn)一步證明了1 號(hào)樣品中存在含C、 H、 O等元上的C-H振動(dòng) (615 cm-1 附近)、-CH2 的對(duì)稱(chēng)(2 854 cm-1 附近) 與反對(duì)稱(chēng)(2 923 cm-1 附近)伸縮振動(dòng),還存在C-O的伸縮振動(dòng) ( 1 105 cm-1 附近)、 C=C伸縮振動(dòng) (1 622 cm-1 附近) 和酰胺的振動(dòng) ( 1 702 cm-1 附近)。結(jié)合EDS數(shù)據(jù),認(rèn)為2 號(hào)樣品中還存在Si-O (736 cm-1 附近) 伸縮振動(dòng),分子內(nèi)氫鍵-OH基團(tuán) (3 407 cm-1 附近)。說(shuō)明2 號(hào)樣品中存在含C、H、 O等元素的有機(jī)物以及硅酸鹽。 3 號(hào)樣品存在C-O的伸縮振動(dòng) ( 1 107 cm-1 附近)、 C=C伸縮振動(dòng)(1 650 cm-1 附近),可能還存在屬于乙炔基的伸縮振動(dòng)(3 310~3 300 cm-1 附近) 與彎曲振動(dòng)(615~642 cm-1 附近),3 號(hào)樣品的特征峰明顯比1、2 號(hào)樣品少,說(shuō)明3 號(hào)樣品的有機(jī)物含量較低,可能存在少量大分子有機(jī)物。

圖6 1、2、3號(hào)樣品中有機(jī)物紅外譜圖

2.5 XRD分析

3 個(gè)樣品的XRD測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知,1 號(hào)樣品XRD圖晶峰比較雜亂,無(wú)定型結(jié)構(gòu),未檢測(cè)到其他金屬衍射峰,這主要與樣品本身含油性導(dǎo)致導(dǎo)電性不好有關(guān)。 2 號(hào)樣品具有一定的晶型結(jié)構(gòu), 根據(jù)Jade軟件分析,存在含水的Na和Mg的硅酸鹽晶型結(jié)構(gòu)。 3 號(hào)樣品具有較好的晶型結(jié)構(gòu),根據(jù)Jade軟件分析,存在SiO2、鎳鈦氧化物(NiTiO3)、硫酸鹽 (CaSO4、NaSO4)、Cr2O3、Fe2O3 等晶型結(jié)構(gòu)。

2.6 TG-MS分析

對(duì)1號(hào)和2號(hào)樣品進(jìn)行熱重和質(zhì)譜測(cè)試分析,1號(hào)和2號(hào)樣品的失重曲線(xiàn)見(jiàn)圖8所示。由圖8可知,1、2號(hào)樣品在150℃ 前有少量失重,1號(hào)樣品失重為3.51%,2號(hào)樣品失重為10.37%,這主要是由于樣品表面的水分或燃燒后CO2 等物質(zhì)的揮發(fā)脫除,以及低分子量有機(jī)物的分解[9]。在150~500℃ 有明顯失重,表明在該溫度區(qū)間有物種進(jìn)行了分解。 1號(hào)樣品失重為62.47%,結(jié)合EDS和FTIR分析結(jié)果,進(jìn)一步證明了1號(hào)樣品存在大量含C、H、O等元素的有機(jī)物。 2號(hào)樣品失重為54.98%,結(jié)合EDS和FTIR分析結(jié)果,說(shuō)明2號(hào)樣品主要是有機(jī)物進(jìn)行了分解,可能還存在少量硅酸鹽的分解;當(dāng)大于500℃ 時(shí),TG曲線(xiàn)接近直線(xiàn),表明所有的有機(jī)物分解完成。

圖7 3種樣品的XRD圖譜

圖8 1號(hào)和2號(hào)樣品的失重曲線(xiàn)

將樣品在TG測(cè)試中因?yàn)榧訜岫纸獾漠a(chǎn)物放入質(zhì)譜儀,經(jīng)測(cè)試可得到產(chǎn)物的質(zhì)譜峰,從而得到質(zhì)譜圖,如圖9所示。由圖9a可知,1號(hào)樣品在質(zhì)核比為28、32處能夠觀(guān)察到明顯的信號(hào),14、16、18、 29、34、40、44處能夠觀(guān)察到較明顯的信號(hào),46處有微弱的信號(hào)。由于使用全通道掃描,所進(jìn)分解氣體為混合物,對(duì)比EDS可以得到:N(質(zhì)核比14)、O (質(zhì)核比16)、H2O(質(zhì)核比18)、CO(質(zhì)核比為28)、 CO + (質(zhì)核比為29)、NO(質(zhì)核比30)、O2(質(zhì)核比為32)、H2 S(質(zhì)核比為34)、CO2 (質(zhì)核比為44)、NO2 (質(zhì)核比為46)的碎片或分子離子峰存在,這進(jìn)一步證明1號(hào)樣品中有C、H、O、N等元素組成的有機(jī)物,樣品中的部分硫,主要以含硫有機(jī)物形式存在, 其熱穩(wěn)定性差,在低溫區(qū)出現(xiàn)明顯失重。由圖9b可知,2號(hào)樣品在質(zhì)核比為28、32處能夠觀(guān)察到明顯的信號(hào),14、16、18、29、34、40、44處能夠觀(guān)察到較明顯的信號(hào),46、64處有微弱的信號(hào),質(zhì)核比64為SO2 分子離子峰。與1號(hào)樣品相比,該樣品中硫的存在形式相對(duì)穩(wěn)定,在比較高的溫度下才開(kāi)始產(chǎn)生硫的相關(guān)離子峰,可以推測(cè)其主要形式是硫化物。說(shuō)明2號(hào)樣品中有C、H、O、N、S等元素組成的有機(jī)物、硫化物,以及少量含硫有機(jī)物。 3號(hào)樣品由于所處的工作環(huán)境溫度接近500℃ (如圖1所示),所含有機(jī)物基本已經(jīng)分解完。

由以上分析可以得知, 1號(hào)樣品中含有約62.47%的有機(jī)物,2號(hào)樣品中含有約54.98%的有機(jī)物,其中還含有硫化物、硅酸鹽等物質(zhì),3號(hào)樣品含有少量有機(jī)物,樣品有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。

圖9 1號(hào)和2號(hào)樣品質(zhì)譜圖

表2 樣品中的有機(jī)物質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3 積垢形成機(jī)理和性質(zhì)

3 個(gè)樣品分別取自壓氣機(jī)3 級(jí)具有代表性的轉(zhuǎn)子葉片。 1 號(hào)樣品取自低壓2 級(jí),低壓壓氣機(jī)葉片材質(zhì)相同,工作環(huán)境溫度接近,積垢性狀相似。 2 號(hào)樣品取自高壓1 級(jí),3 號(hào)樣品取自高壓最后1 級(jí),該型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)最后3 級(jí)葉片是Fe-Ni-Cr基高溫合金,工作環(huán)境溫度最高接近500℃,其它級(jí)是鈦合金,工作環(huán)境溫度在400~600 K(見(jiàn)圖1 所示)。經(jīng)對(duì)高壓壓氣機(jī)葉片表面積垢實(shí)際污染情況觀(guān)察,發(fā)現(xiàn)鈦合金葉片表面積垢性狀相似,呈積碳狀,逐級(jí)遞減的趨勢(shì);高溫合金葉片表面積垢性狀相似,呈紅棕色,逐級(jí)增加的趨勢(shì),如圖10 所示。

高壓壓氣機(jī)最后1級(jí)葉片表面積垢宏觀(guān)形貌和分布情況如圖11所示。由圖11a可以看出,積垢在葉片上的分布是非均勻性的,吸力面積垢主要分布在30%~40%弦長(zhǎng)至尾緣位置,葉片前緣邊沿處存在明顯積垢,后緣位置積垢程度較重,葉尖處積垢程度低于葉根處,且從圖中可以看出,吸力面表面積垢粗糙度較大。從圖11b可以看出,壓力面積垢程度較輕,分布有少量積垢,積垢程度明顯輕于吸力面, 表面粗糙度也明顯低于吸力面。

圖10 高壓壓氣機(jī)高溫合金葉片表面積垢污染情況

圖11 高壓壓氣機(jī)最后一級(jí)葉片表面積垢

3.1 壓氣機(jī)葉片表面積垢形成機(jī)理

3.1.1 顆粒物沉積理論分析

氣流中含有的顆粒物在壓氣機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),受到了慣性力、重力、擴(kuò)散力等作用力[14]。當(dāng)顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度和方向與氣流不一致時(shí),運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移,顆粒物越大慣性力越大,偏離氣流軌跡的可能性就越大,撞擊到葉片的可能性就越大。壓氣機(jī)流道內(nèi)氣流受到動(dòng)葉施加的圓周速度,使氣流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),顆粒物在慣性力的作用下偏離氣流流線(xiàn)撞擊到葉片表面,顆粒物越大撞擊的概率越高。壓力面表面積垢主要是較大顆粒物在慣性力作用下輸送到葉片表面形成的。

小顆粒物受到的慣性力較小,偏離氣流流線(xiàn)的可能性也小,大多數(shù)的小顆粒物會(huì)沿著氣流流線(xiàn)運(yùn)動(dòng),顆粒物越小布朗擴(kuò)散系數(shù)越大[10]。在吸力面由于氣流分離的影響,吸力面附近的氣流流動(dòng)為湍流流動(dòng),較小的顆粒物在湍流擴(kuò)散力的作用下,黏附在吸力面后緣位置形成積垢。因此,吸力面積垢主要是較小顆粒物在擴(kuò)散力作用下黏附形成的。

在氣流流動(dòng)的過(guò)程中由于流體的黏性特性,當(dāng)相鄰層流之間速度不一致時(shí)就會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力,葉片表面與相鄰層流之間的速度梯度大,會(huì)產(chǎn)生比較大的剪切應(yīng)力,意味著在高剪切應(yīng)力的作用下顆粒物存在較大的可能性被吹掃到下游。同時(shí),葉尖位置存在的二次流會(huì)在吸力面葉尖部位產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力。這些都會(huì)導(dǎo)致部分積垢被吹掃到下游,湍流流動(dòng)中的渦流將這些顆粒物帶到吸力面,從而在擴(kuò)散力作用下沉積黏附在吸力面后緣位置,這也就解釋了圖11a中呈現(xiàn)的積垢分布形貌特征。

顆粒物能否黏附在葉片表面,除了與慣性力和擴(kuò)散力有關(guān),還取決于顆粒物黏附力的大小,水分和油氣會(huì)增加顆粒物的黏附力[14]。因此,較高的大氣濕度和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的大量油氣會(huì)加速積垢的沉積,且增大了大顆粒物的黏附可能性。

3.1.2 低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)鈦合金葉片表面積垢的形成機(jī)理

根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果,結(jié)合以上分析可知,低壓壓氣機(jī)和高壓鈦合金葉片表面積垢主要來(lái)源于空氣中含有的粉塵、鹽霧、SO2 等顆粒物和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在的液態(tài)物質(zhì)兩個(gè)方面,其中有機(jī)物含量較高。壓力面表面積垢主要是較大顆粒物在慣性力作用下形成的,受氣流高剪切應(yīng)力作用大部分顆粒物被吹掃到下游;吸力面積垢主要是較小顆粒物在擴(kuò)散力作用下黏附形成的。

空氣中的顆粒物隨氣流運(yùn)動(dòng)到壓氣機(jī)后端的量逐漸減少,且尺寸較小。而且,隨級(jí)數(shù)的增加氣流溫度升高,氣流中含有的水分和油氣減少,顆粒物的黏附力降低,這也是低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)鈦合金葉片表面積垢隨級(jí)數(shù)的增加逐級(jí)減少的原因。因此,積垢在各級(jí)中的分布是非均勻性的,呈現(xiàn)逐級(jí)減少的趨勢(shì),楊化動(dòng)[11] 通過(guò)相關(guān)研究已證明了該結(jié)論。郭忠烈等[15] 通過(guò)對(duì)某型航空潤(rùn)滑油高溫氧化產(chǎn)物的研究表明,當(dāng)溫度約為230℃時(shí),航空潤(rùn)滑油開(kāi)始劇烈氧化,結(jié)焦積碳。在長(zhǎng)時(shí)間較高的溫度和壓力共同作用下,高壓鈦合金葉片表面積垢中混雜的部分油類(lèi)物質(zhì)結(jié)焦形成積碳。

3.1.3 高壓壓氣機(jī)高溫合金葉片表面積垢的形成機(jī)理

高溫合金在高溫下存在氧化行為,高溫合金發(fā)生高溫氧化行為時(shí),合金中的Cr、Ni、Al、Si四種元素在高溫下通過(guò)選擇性氧化行為,在合金表面形成連續(xù)致密的NiO、Al2O3、Cr2O3、SO2 氧化薄膜,隔絕基體材料與氧氣的接觸,起到抗氧化作用[16-17]。渦輪葉片工作環(huán)境惡劣,為了提高材料的抗氧化性能, 渦輪葉片采用的高溫合金中添加了多種元素,選擇性生成多重氧化物,形成多層抗氧化膜。高溫氧化初始階段,Ti與O的親和力較強(qiáng)生成TiO2,隨著高溫氧化的持續(xù)進(jìn)行,合金中的Cr元素首先發(fā)生選擇性氧化,生成保護(hù)性的氧化薄膜Cr2O3,伴隨有少量尖晶石NiCr2O4、鎳鈦氧化物NiTiO3 等生成,同時(shí)在內(nèi)層形成以Al2O3 為主的氧化膜,以抑制合金元素與氧元素之間的相互擴(kuò)散,抑制氧化膜的生長(zhǎng),延緩?fù)嘶俣取：辖鸶邷匮趸a(chǎn)物繁多,往往呈現(xiàn)分層結(jié)構(gòu), NiO、 CoO、 TiO2 等形成外氧化層, Cr2O3、NiCr2O4 等形成中氧化層,內(nèi)氧化層主要是Al2O3 和SiO2 [18-19]。

高壓壓氣機(jī)最后3級(jí)葉片為Fe-Ni-Cr基高溫合金,高溫氧化時(shí)合金中含量最高的Fe離子也會(huì)不斷擴(kuò)散析出發(fā)生反應(yīng),生成Fe2O3 和少量的Fe3O4,當(dāng)合金的氧化行為發(fā)展到一定程度時(shí),Fe2O3 和Cr2O3 形成連續(xù)固溶體,從而導(dǎo)致基體中的Fe離子可溶于Cr2O3 中并擴(kuò)散通過(guò)Cr2O3 氧化膜,從而在合金表面抗氧化膜外層形成Fe的氧化層。表1顯示3號(hào)樣品中Fe的原子分?jǐn)?shù)高達(dá)11.48%,說(shuō)明高溫合金葉片在長(zhǎng)時(shí)間的高溫使用環(huán)境下發(fā)生了Fe的離析氧化行為,在合金抗氧化膜外層形成了一層以Fe2O3 為主要成分的銹蝕氧化膜。 Fe2O3 一般形狀表現(xiàn)為紅棕色粉末,這與3號(hào)樣品表現(xiàn)的紅棕色形貌外觀(guān)相符。合金中的微量元素Si在高溫下易在氧化膜內(nèi)層形成SiO2,以改善高溫合金抵抗循環(huán)氧化能力,這也就解釋了3號(hào)樣品中Si的含量高于前兩個(gè)樣品的原因。高溫條件下,合金還會(huì)發(fā)生低溫?zé)岣g,合金表面會(huì)發(fā)生硫酸鹽的沉積,也會(huì)有少量的SO2 生成[20],樣品XRD分析結(jié)果也證實(shí)了硫酸鹽的存在。

綜上說(shuō)明,高壓壓氣機(jī)最后3級(jí)高溫合金葉片表面積垢主要來(lái)源于高溫合金的高溫氧化行為,主要是在合金抗氧化薄膜外層形成的以Fe2O3 為主要成分的銹蝕氧化物,其中含有少量Fe3O4。樣品中存在的少量K、Na、Mg等金屬元素,在2號(hào)樣品中也有存在,說(shuō)明還有少部分積垢來(lái)源于空氣流中細(xì)微顆粒物的黏附堆積,其中含有的大部分有機(jī)物在高溫作用下分解揮發(fā),部分結(jié)焦形成積碳。由于高溫氧化行為與溫度正相關(guān),隨著溫度的升高,高溫合金高溫氧化行為加劇,葉片表面積垢沿軸流方向呈現(xiàn)逐級(jí)增加的趨勢(shì)。

3.2 壓氣機(jī)表面積垢的性質(zhì)

高壓鈦合金葉片表面積垢,來(lái)源與低壓壓氣機(jī)相同,但是在較高溫度的作用下,部分有機(jī)物結(jié)焦, 形成積碳,宏觀(guān)為黑色粉末狀物質(zhì),微觀(guān)為不規(guī)則顆粒物,直徑在2 μm左右,團(tuán)絮狀,被亞微米級(jí)的顆粒物(100~300nm)黏附。其中有機(jī)物和硫化物、硅酸鹽等含量占比最高達(dá)54.98%,沿軸流方向隨溫度的升高逐級(jí)減少。

高壓最后3級(jí)高溫合金葉片表面積垢主要來(lái)源于高溫合金葉片高溫氧化行為產(chǎn)生的氧化物,主要是在合金抗氧化薄膜外層形成的以Fe2O3 為主要成分的銹蝕氧化物,少部分來(lái)源于空氣中的粉塵等細(xì)微顆粒物。積垢宏觀(guān)為紅褐色物質(zhì),有一定磁性,微觀(guān)為不規(guī)則絮狀顆粒物,存在顆粒物凝聚體,直徑在0.8 μm左右,只含有少量有機(jī)物。

高壓最后3級(jí)高溫合金高溫氧化腐蝕還會(huì)對(duì)葉片基體材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。婁學(xué)明等[21]研究了IN718高溫合金在650℃ 的熱腐蝕行為,結(jié)果表明,由于合金晶界強(qiáng)度降低,合金持久性能顯著降低。 PRADHAN等[22] 研究了IN718高溫合金在600℃熱腐蝕100h的高周疲勞性能,結(jié)果表明,隨著熱腐蝕的進(jìn)行,合金表面有Cr、Fe、Ni氧化物生成,腐蝕物質(zhì)進(jìn)入合金基體在合金表面形成點(diǎn)蝕坑,使合金疲勞壽命下降。 HOMAEIAN等[23] 研究了617合金熱腐蝕后蠕變行為,結(jié)果表明熱腐蝕降低晶界強(qiáng)度,加速蠕變速率,使合金蠕變性能下降,導(dǎo)致合金持久性能的顯著下降。綜合以上分析可知,高溫氧化腐蝕除了引起高壓壓氣機(jī)性能衰退, 還會(huì)導(dǎo)致高溫合金葉片基體材料的持久性能、疲勞性能和蠕變性能下降。

4 結(jié)論

(1) 高壓壓氣機(jī)最后3級(jí)高溫合金葉片表面積垢,主要是合金的高溫氧化行為導(dǎo)致在合金抗氧化薄膜外層形成的以Fe2O3 為主要成分的銹蝕氧化物。 高溫氧化腐蝕還會(huì)導(dǎo)致高溫合金葉片基體材料的持久性能、疲勞性能和蠕變性能下降。

(2) 低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)鈦合金葉片表面積垢主要由來(lái)自空氣中的外部污染物和來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)自身產(chǎn)生的內(nèi)部污染物共同組成,由于外部污染物與地理位置有直接關(guān)系,因此不同的地理位置會(huì)造成葉片表面積垢成分和嚴(yán)重程度產(chǎn)生很大的差異, 在清洗時(shí)機(jī)決策和清洗劑選擇時(shí)必須考慮地理因素的影響。

(3) 高壓壓氣機(jī)高溫合金葉片表面積垢受地理位置的影響較小,其主要受合金高溫氧化行為影響, 為了更精準(zhǔn)地確定清洗時(shí)機(jī),需要進(jìn)一步研究高壓高溫合金葉片材料在工作環(huán)境溫度下的高溫氧化行為。

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