0 前言

航空發動機在服役過程中,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,隨使用時間的增加發動機性能會衰退,其中壓氣機葉片表面積垢是引起發動機性能衰退的最重要的因素之一[1]。 MORINI等[2]基于級疊加模型,通過增加葉片的表面粗糙度和厚度,研究了葉片積垢對壓氣機性能的影響,結果顯示,積垢降低了氣流流量系數, 同時也會使壓力系數降低,積垢嚴重時,可以使流量系數降低約5%,壓力系數降低近9%。 CHEN等[3] 認為葉片前緣和吸力面積垢導致表面粗糙度增加, 對壓氣機的氣動性能產生明顯影響,使壓氣機效率和總壓比明顯降低。王松等[4] 的研究表明,積垢擴大了葉片氣流分離區域,使葉片尾緣低速區增大,導致能量損失區域增大。積垢成分復雜,可能含有鹽、酸等物質,積垢堆積必然會伴隨腐蝕現象的發生,腐蝕嚴重時可能導致部件失效[5]。由此可以看出,積垢是造成壓氣機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發生變化,同時還會對葉片造成腐蝕破壞。因此,通過清洗消除積垢就顯得尤為重要,發動機清洗作為一種經濟有效的性能恢復手段, 已在燃氣輪機和航空發動機上廣泛應用,但是不同的清洗方法和清洗材料清洗效果不同,各有優缺點[6]。為了高效準確去除積垢,有必要對積垢的形成機理和性質進行深入研究,以利于選擇合適有效的清洗劑和清洗方法。

壓氣機葉片表面積垢是發動機吸入氣體中含有的顆粒物在油霧水氣的黏性作用下,黏附在壓氣機葉片表面,主要來源是空氣中混雜的各種粉塵、鹽霧等物質[7]。沉積在壓氣機葉片表面的顆粒物通常是微米級的,通常在10 μm以下,由于黏性效應的作用,大氣中含有的水分和壓氣機內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源,分析了積垢的影響因素,但是沒有對積垢的成分和形成機理進行研究。王立文等[9] 通過收集兩臺民航發動機清洗廢液,對沉積污垢進行分析,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過水洗沉淀,有些成分可能會溶解于溶劑而導致無法準確反映實際,而且也無法反映不同位置的葉片積垢形貌和成分。劉金豆[10] 對發動機進氣部位的油污進行分析,確定了壓氣機不同部位葉片上油污的元素組成,以及有機相中有機物的大致類型,但沒有進一步對葉片積垢的形成機理和性質進行研究。楊化動[11] 對積垢的形成機理進行了研究,主要是針對顆粒物的沉積理論和形成影響因素開展研究,進行了一些有益的數值研究,得出了很多有意義的結論,但都是基于數值計算和理論分析,未參考實際運行的發動機壓氣機積垢情況開展對比分析研究。

國內外針對壓氣機葉片上顆粒物的空氣動力學因素進行了廣泛的研究,但是有關發動機壓氣機各級葉片積垢成分性質和形成機理的研究很少。通過對返廠大修發動機壓氣機積垢情況的觀察,發現高壓壓氣機最后3級高溫合金葉片表面積垢程度呈現逐級增加的趨勢,并呈紅褐色,與低壓壓氣機和高壓前幾級鈦合金葉片表面積垢呈現不同污染趨勢和形貌。為了搞清楚壓氣機葉片積垢行為,分別從大修發動機低壓壓氣機第2級、高壓壓氣機第1級和最后1級轉子葉片上實地采集積垢樣品3份,試驗分析壓氣機葉片表面積垢的微觀形貌和化學成分,并對積垢形成機理和性質進行分析。

1 試驗準備

1.1 樣品的采集

從返廠大修的航空發動機壓氣機低壓第2級、高壓第1級和最后1級葉片上采用刀片刮取法分別實地取樣三份,取樣位置如圖1中的1、2、3所示。為了后續分析方便,這里將低壓第2級取樣樣品定義為1號樣品,高壓第1級取樣樣品定義為2號樣品,高壓最后1級取樣樣品定義為3號樣品,取樣樣品實物如圖2所示。

圖1 混排渦扇發動機內涵氣流溫度示意圖[12]

1.2 樣品預處理

將待測的樣品置于真空干燥箱內,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

航空發動機壓氣機葉片表面積垢樣品表征分析流程如圖3所示。

采用德國蔡司SIGMA500場發射掃描電子顯微鏡,觀察積垢樣品表面的微觀形貌,電壓10kV。采用德國蔡司SIGMA500EDS能譜儀,選擇點掃模式, 取四個點進行積垢樣品的元素分析(質量/原子相對百分含量)。采用德國AXS D8Advance X射線粉末衍射儀,表征積垢樣品X射線衍射圖譜,定性和定量地對樣品的物相、結構或晶粒度進行分析判斷, 對樣品晶型結構進行解析,稱取0.1g的樣品置于消磁樣品臺中,用稱量紙壓勻,使用Cu靶,分析程序設置為步進掃描,掃描角度范圍為10~80℃。采用德國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特征吸收頻率,定量分析特征峰的強度,對樣品中有機化合物的結構解析提供依據,采用KBr壓片法將樣品制成透明的薄片,使用的KBr為光譜純,波數為600~4 000cm-1。采用美國日立Diamond TG/DTA熱重分析儀,檢測積垢樣品熱解失重量,稱取少量樣品置于熱重儀的天平中,設置升溫速率為5℃/min,試驗氣氛為空氣,溫度區間為0~800℃, 采用德國Pfeiffer OmniStar氣體質譜分析儀,檢測熱解氣體組份,將樣品在TG測試中因為加熱而分解的產物進入質譜儀,設置GC-MS程序,掃描范圍0~200amu,間隔0.3amu,進樣次數為1次/8℃,共計分析100次。

圖2 樣品實物示意圖

圖3 樣品表征分析流程

2 試驗結果與分析

2.1 樣品外觀分析

對樣品實物(見圖2a、2b、2c所示) 觀察,可以看到,1號樣品為黑色粘稠油狀物質,2號樣品為黑色粉末狀物質,3號樣品為紅褐色粉末狀物質,做簡單磁性試驗,發現3號樣品帶有一定的磁性。

2.2 SEM分析

使用SEM分別對1、2、3號樣品試樣表面不同區域進行采樣觀察,并拍攝記錄其不同倍數下的形貌,結果如圖4所示。

圖4a、4b、4c為1號樣品分別在5 000、10 000和50 000倍下的組織形貌圖。由圖可知,1號樣品為團狀包覆物,內部可見顆粒團聚且凝結在一起,其團聚粒子直徑在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有關,樣品導電性不好導致積垢污染物成像不夠清晰。

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

圖4g、4h、4i為3號樣品分別在10 000、50 000和100 000倍下的組織形貌圖。由圖可以明顯看出3號樣品表面有大量不規則絮狀顆粒物,由于高壓壓氣機最后一級出口溫度接近500℃ (見圖1所示),因為熱效應,存在顆粒物凝結在一起的現象, 其粒子最大直徑可到0.8 μm左右。

圖4 樣品在3種倍數下的組織形貌圖

2.3 EDS分析

以3號樣品為例,在4 000倍放大倍數下對試樣進行4次選點取樣,4次能譜分析,如圖5a所示, 從而得出試樣各元素質量百分比和原子百分比,以圖5a中區域1為例,其EDS元素峰值如圖5b所示。 1、2、3號樣品的EDS分析結果如表1所示。

圖5 3號樣品4 000倍取樣位置及區域1的能譜分析

由表1可知,1號樣品的元素成分包括C、O、Si、 Al、Mg、K元素,78.72%(原子分數) 的C說明1號樣品中很可能含有大量的有機物質,后面通過FTIR和TG-MS分析可以進一步確認有機物結構和含量, 3.11%的Si說明空氣中的灰塵也是1號樣品的主要來源。 2號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,說明2號樣品有機物含量減少,氧化物增多。 2號樣品含有4.57%的Ti,這是因為鈦合金在空氣介質中加熱時,會生成一種極薄、致密的氧化膜,氧化膜中的氧化物主要是TiO2 [13]。高壓壓氣機第1級葉片基體材料為鈦合金,由此可知,2號樣品中的Ti來源于鈦合金葉片表面的氧化膜。 3號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號樣品中含有11.48%的Fe、5.06%的Ni,而1、2號樣品中未檢出這些元素,Al、Cr和Si的含量也較1、2號樣品高很多,這些元素的原子分數總和達22.8%、質量分數總和達34.89%,這些元素都是葉片基體材料的主要組成元素,說明這些元素來源與大氣環境相關性較低,而且,3號樣品O的原子分數達40.29%,說明這些元素大多以氧化物的形式存在,這些元素的來源與高溫合金葉片基體材料高溫氧化行為相關性較高。

表1 積垢樣品主要元素原子/質量分數均值測試結果(原子/質量分數)

2.4 FTIR分析

3 個樣品的FTIR測試結果如圖6 所示。由圖6 可知1 號樣品中存在飽和碳原子上的C-H振動,特別是-CH2 的對稱 ( 2 855 cm-1 附近) 與反對稱 (2 924 cm-1 附近)伸縮振動,結合EDS數據,認為1 號樣品中還有C-F鍵(1 459 cm-1 附近) 和分子內氫鍵-OH基團(3 271 cm-1 附近),進一步證明了1 號樣品中存在含C、 H、 O等元上的C-H振動 (615 cm-1 附近)、-CH2 的對稱(2 854 cm-1 附近) 與反對稱(2 923 cm-1 附近)伸縮振動,還存在C-O的伸縮振動 ( 1 105 cm-1 附近)、 C=C伸縮振動 (1 622 cm-1 附近) 和酰胺的振動 ( 1 702 cm-1 附近)。結合EDS數據,認為2 號樣品中還存在Si-O (736 cm-1 附近) 伸縮振動,分子內氫鍵-OH基團 (3 407 cm-1 附近)。說明2 號樣品中存在含C、H、 O等元素的有機物以及硅酸鹽。 3 號樣品存在C-O的伸縮振動 ( 1 107 cm-1 附近)、 C=C伸縮振動(1 650 cm-1 附近),可能還存在屬于乙炔基的伸縮振動(3 310~3 300 cm-1 附近) 與彎曲振動(615~642 cm-1 附近),3 號樣品的特征峰明顯比1、2 號樣品少,說明3 號樣品的有機物含量較低,可能存在少量大分子有機物。

圖6 1、2、3號樣品中有機物紅外譜圖

2.5 XRD分析

3 個樣品的XRD測試結果如圖7 所示。由圖7 可知,1 號樣品XRD圖晶峰比較雜亂,無定型結構,未檢測到其他金屬衍射峰,這主要與樣品本身含油性導致導電性不好有關。 2 號樣品具有一定的晶型結構, 根據Jade軟件分析,存在含水的Na和Mg的硅酸鹽晶型結構。 3 號樣品具有較好的晶型結構,根據Jade軟件分析,存在SiO2、鎳鈦氧化物(NiTiO3)、硫酸鹽 (CaSO4、NaSO4)、Cr2O3、Fe2O3 等晶型結構。

2.6 TG-MS分析

對1號和2號樣品進行熱重和質譜測試分析,1號和2號樣品的失重曲線見圖8所示。由圖8可知,1、2號樣品在150℃ 前有少量失重,1號樣品失重為3.51%,2號樣品失重為10.37%,這主要是由于樣品表面的水分或燃燒后CO2 等物質的揮發脫除,以及低分子量有機物的分解[9]。在150~500℃ 有明顯失重,表明在該溫度區間有物種進行了分解。 1號樣品失重為62.47%,結合EDS和FTIR分析結果,進一步證明了1號樣品存在大量含C、H、O等元素的有機物。 2號樣品失重為54.98%,結合EDS和FTIR分析結果,說明2號樣品主要是有機物進行了分解,可能還存在少量硅酸鹽的分解;當大于500℃ 時,TG曲線接近直線,表明所有的有機物分解完成。

圖7 3種樣品的XRD圖譜

圖8 1號和2號樣品的失重曲線

將樣品在TG測試中因為加熱而分解的產物放入質譜儀,經測試可得到產物的質譜峰,從而得到質譜圖,如圖9所示。由圖9a可知,1號樣品在質核比為28、32處能夠觀察到明顯的信號,14、16、18、 29、34、40、44處能夠觀察到較明顯的信號,46處有微弱的信號。由于使用全通道掃描,所進分解氣體為混合物,對比EDS可以得到:N(質核比14)、O (質核比16)、H2O(質核比18)、CO(質核比為28)、 CO + (質核比為29)、NO(質核比30)、O2(質核比為32)、H2 S(質核比為34)、CO2 (質核比為44)、NO2 (質核比為46)的碎片或分子離子峰存在,這進一步證明1號樣品中有C、H、O、N等元素組成的有機物,樣品中的部分硫,主要以含硫有機物形式存在, 其熱穩定性差,在低溫區出現明顯失重。由圖9b可知,2號樣品在質核比為28、32處能夠觀察到明顯的信號,14、16、18、29、34、40、44處能夠觀察到較明顯的信號,46、64處有微弱的信號,質核比64為SO2 分子離子峰。與1號樣品相比,該樣品中硫的存在形式相對穩定,在比較高的溫度下才開始產生硫的相關離子峰,可以推測其主要形式是硫化物。說明2號樣品中有C、H、O、N、S等元素組成的有機物、硫化物,以及少量含硫有機物。 3號樣品由于所處的工作環境溫度接近500℃ (如圖1所示),所含有機物基本已經分解完。

由以上分析可以得知, 1號樣品中含有約62.47%的有機物,2號樣品中含有約54.98%的有機物,其中還含有硫化物、硅酸鹽等物質,3號樣品含有少量有機物,樣品有機物質量分數如表2所示。

圖9 1號和2號樣品質譜圖

表2 樣品中的有機物質含量(質量分數)

3 積垢形成機理和性質

3 個樣品分別取自壓氣機3 級具有代表性的轉子葉片。 1 號樣品取自低壓2 級,低壓壓氣機葉片材質相同,工作環境溫度接近,積垢性狀相似。 2 號樣品取自高壓1 級,3 號樣品取自高壓最后1 級,該型發動機高壓壓氣機最后3 級葉片是Fe-Ni-Cr基高溫合金,工作環境溫度最高接近500℃,其它級是鈦合金,工作環境溫度在400~600 K(見圖1 所示)。經對高壓壓氣機葉片表面積垢實際污染情況觀察,發現鈦合金葉片表面積垢性狀相似,呈積碳狀,逐級遞減的趨勢;高溫合金葉片表面積垢性狀相似,呈紅棕色,逐級增加的趨勢,如圖10 所示。

高壓壓氣機最后1級葉片表面積垢宏觀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 高壓壓氣機高溫合金葉片表面積垢污染情況

圖11 高壓壓氣機最后一級葉片表面積垢

3.1 壓氣機葉片表面積垢形成機理

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內運動時,受到了慣性力、重力、擴散力等作用力[14]。當顆粒物的運動速度和方向與氣流不一致時,運動軌跡發生偏移,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。壓氣機流道內氣流受到動葉施加的圓周速度,使氣流方向發生偏轉,顆粒物在慣性力的作用下偏離氣流流線撞擊到葉片表面,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,偏離氣流流線的可能性也小,大多數的小顆粒物會沿著氣流流線運動,顆粒物越小布朗擴散系數越大[10]。在吸力面由于氣流分離的影響,吸力面附近的氣流流動為湍流流動,較小的顆粒物在湍流擴散力的作用下,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散力作用下黏附形成的。

在氣流流動的過程中由于流體的黏性特性,當相鄰層流之間速度不一致時就會產生剪切應力,葉片表面與相鄰層流之間的速度梯度大,會產生比較大的剪切應力,意味著在高剪切應力的作用下顆粒物存在較大的可能性被吹掃到下游。同時,葉尖位置存在的二次流會在吸力面葉尖部位產生較大的剪切應力。這些都會導致部分積垢被吹掃到下游,湍流流動中的渦流將這些顆粒物帶到吸力面,從而在擴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,除了與慣性力和擴散力有關,還取決于顆粒物黏附力的大小,水分和油氣會增加顆粒物的黏附力[14]。因此,較高的大氣濕度和發動機內部產生的大量油氣會加速積垢的沉積,且增大了大顆粒物的黏附可能性。

3.1.2 低壓壓氣機和高壓壓氣機鈦合金葉片表面積垢的形成機理

根據試驗分析結果,結合以上分析可知,低壓壓氣機和高壓鈦合金葉片表面積垢主要來源于空氣中含有的粉塵、鹽霧、SO2 等顆粒物和發動機內部存在的液態物質兩個方面,其中有機物含量較高。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散力作用下黏附形成的。

空氣中的顆粒物隨氣流運動到壓氣機后端的量逐漸減少,且尺寸較小。而且,隨級數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,這也是低壓壓氣機和高壓壓氣機鈦合金葉片表面積垢隨級數的增加逐級減少的原因。因此,積垢在各級中的分布是非均勻性的,呈現逐級減少的趨勢,楊化動[11] 通過相關研究已證明了該結論。郭忠烈等[15] 通過對某型航空潤滑油高溫氧化產物的研究表明,當溫度約為230℃時,航空潤滑油開始劇烈氧化,結焦積碳。在長時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物質結焦形成積碳。

3.1.3 高壓壓氣機高溫合金葉片表面積垢的形成機理

高溫合金在高溫下存在氧化行為,高溫合金發生高溫氧化行為時,合金中的Cr、Ni、Al、Si四種元素在高溫下通過選擇性氧化行為,在合金表面形成連續致密的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的親和力較強生成TiO2,隨著高溫氧化的持續進行,合金中的Cr元素首先發生選擇性氧化,生成保護性的氧化薄膜Cr2O3,伴隨有少量尖晶石NiCr2O4、鎳鈦氧化物NiTiO3 等生成,同時在內層形成以Al2O3 為主的氧化膜,以抑制合金元素與氧元素之間的相互擴散,抑制氧化膜的生長,延緩退化速度。合金高溫氧化產物繁多,往往呈現分層結構, NiO、 CoO、 TiO2 等形成外氧化層, Cr2O3、NiCr2O4 等形成中氧化層,內氧化層主要是Al2O3 和SiO2 [18-19]。

高壓壓氣機最后3級葉片為Fe-Ni-Cr基高溫合金,高溫氧化時合金中含量最高的Fe離子也會不斷擴散析出發生反應,生成Fe2O3 和少量的Fe3O4,當合金的氧化行為發展到一定程度時,Fe2O3 和Cr2O3 形成連續固溶體,從而導致基體中的Fe離子可溶于Cr2O3 中并擴散通過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號樣品中Fe的原子分數高達11.48%,說明高溫合金葉片在長時間的高溫使用環境下發生了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 一般形狀表現為紅棕色粉末,這與3號樣品表現的紅棕色形貌外觀相符。合金中的微量元素Si在高溫下易在氧化膜內層形成SiO2,以改善高溫合金抵抗循環氧化能力,這也就解釋了3號樣品中Si的含量高于前兩個樣品的原因。高溫條件下,合金還會發生低溫熱腐蝕,合金表面會發生硫酸鹽的沉積,也會有少量的SO2 生成[20],樣品XRD分析結果也證實了硫酸鹽的存在。

綜上說明,高壓壓氣機最后3級高溫合金葉片表面積垢主要來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號樣品中也有存在,說明還有少部分積垢來源于空氣流中細微顆粒物的黏附堆積,其中含有的大部分有機物在高溫作用下分解揮發,部分結焦形成積碳。由于高溫氧化行為與溫度正相關,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逐級增加的趨勢。

3.2 壓氣機表面積垢的性質

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

高壓最后3級高溫合金葉片表面積垢主要來源于高溫合金葉片高溫氧化行為產生的氧化物,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,少部分來源于空氣中的粉塵等細微顆粒物。積垢宏觀為紅褐色物質,有一定磁性,微觀為不規則絮狀顆粒物,存在顆粒物凝聚體,直徑在0.8 μm左右,只含有少量有機物。

高壓最后3級高溫合金高溫氧化腐蝕還會對葉片基體材料的力學性能產生不利影響。婁學明等[21]研究了IN718高溫合金在650℃ 的熱腐蝕行為,結果表明,由于合金晶界強度降低,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,結果表明,隨著熱腐蝕的進行,合金表面有Cr、Fe、Ni氧化物生成,腐蝕物質進入合金基體在合金表面形成點蝕坑,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,結果表明熱腐蝕降低晶界強度,加速蠕變速率,使合金蠕變性能下降,導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性能衰退, 還會導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 結論

(1) 高壓壓氣機最后3級高溫合金葉片表面積垢,主要是合金的高溫氧化行為導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。 高溫氧化腐蝕還會導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) 低壓壓氣機和高壓壓氣機鈦合金葉片表面積垢主要由來自空氣中的外部污染物和來自發動機自身產生的內部污染物共同組成,由于外部污染物與地理位置有直接關系,因此不同的地理位置會造成葉片表面積垢成分和嚴重程度產生很大的差異, 在清洗時機決策和清洗劑選擇時必須考慮地理因素的影響。

(3) 高壓壓氣機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, 為了更精準地確定清洗時機,需要進一步研究高壓高溫合金葉片材料在工作環境溫度下的高溫氧化行為。

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