航空發(fā)動機(jī)的渦輪和壓氣機(jī)每一級上都有很多葉片，在運(yùn)行過程中，葉片表面會積聚灰塵、沙子、空氣中的污染物顆粒或煙灰、鹽霧、昆蟲和鳥類的殘軀等，導(dǎo)致氣動外形被改變、發(fā)動機(jī)效率降低（油耗增加）的同時(shí)，也會造成葉片腐蝕、加速老化，給發(fā)動機(jī)帶來故障隱患。 
圖1.運(yùn)行中航空飛機(jī) 發(fā)動機(jī)燃燒燃料在更高溫度下運(yùn)行，這可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)過早維護(hù)。每節(jié)省一公斤燃料，就可以減少 3.15 公斤的二氧化碳排放。定期清洗減少高達(dá) 1.5% 的燃料消耗 燃?xì)廨啓C(jī)用戶遇到的性能降低的最常見原因之一是結(jié)垢。結(jié)垢積碳通常占運(yùn)行性能損失的 70% 以上。同時(shí)發(fā)動機(jī)工作時(shí)，因發(fā)動機(jī)燃燒不充分在旋流槽、中心孔、噴嘴內(nèi)腔壁上及油濾上會形成結(jié)焦積碳，某些污染物，例如污垢、灰塵、油、花粉和鹽，往往會粘附在翼型表面，導(dǎo)致翼型進(jìn)氣角和翼型形狀發(fā)生變化，并增加表面粗糙度導(dǎo)致翼型喉部孔徑變窄 
圖2.檢修中的航空發(fā)動機(jī) 航天航空發(fā)動機(jī)檢修清洗大多以傳統(tǒng)的噴灑去離子水、加熱水和霧化/噴霧、浸沒、化學(xué)清洗劑泡洗、高溫?zé)Y(jié)、超聲波清洗技術(shù)為主。清洗劑泡洗是利用化學(xué)藥劑浸泡積炭部件，通過化學(xué)反應(yīng)使得積炭脫落，該方法主要針對葉片等小零件；高溫?zé)Y(jié)主要針對燃燒室噴嘴等零件，但效果不佳、耗時(shí)長、能耗高費(fèi)時(shí)費(fèi)力；超聲波清洗方法可去除一些發(fā)動機(jī)較小的零部件，同時(shí)超聲波清洗過程時(shí)間長，清洗需要完全拆解整個(gè)部件，無法直接在線清洗。 
圖源：普惠 傳統(tǒng)的飛機(jī)發(fā)動機(jī)清洗方法功能單一、設(shè)備昂貴能耗高、清洗耗時(shí)長和清潔度不高等缺點(diǎn)。而在軍工、電力行業(yè)及軌道交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的干冰清洗技術(shù)去除污染物，通用性強(qiáng)且具有良好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。 突馳科技參與技術(shù)研討，從理論、仿真與試驗(yàn)等方面分析干冰清洗作用機(jī)理，開發(fā)出適用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)零部件清洗的工藝方法，并將該技術(shù)應(yīng)用至航天發(fā)動機(jī)的維修中。 
圖源：漢莎航空維修車間干冰清洗作業(yè) 干冰清洗技術(shù)原理剖析 干冰清洗（dry ice blast cleaning）又稱干冰冷噴技術(shù)，是以壓縮空氣作為動力和載體，以干冰顆粒為被加速的粒子，通過專用的干冰噴射清洗機(jī)噴射到被清洗物體表面，利用高速運(yùn)動的固體干冰顆粒的動量變化（Δmv）、升華、熔化等能量轉(zhuǎn)換，使被清洗物體表面的污垢、油污、殘留雜質(zhì)等迅速冷凍，從而凝結(jié)、脆化、被剝離，且同時(shí)隨氣流清除。不會對被清洗物體表面，特別是金屬表面造成任何傷害，也不會影響金屬表面的光潔度。 具體清洗過程包括：低溫冷凍剝離、吹掃剝離、沖擊剝離。 低溫冷凍剝離 -78.5℃的干冰顆粒作用在被清洗的物體表面時(shí)，首先冷凍脆化污物，污物在被清洗的表面上破裂，由粘彈態(tài)變成固態(tài)，且脆性增大，粘性減小，使之在表面上的吸附力驟減，同時(shí)表面積增大，部分污物可以自動剝離。 吹掃剝離 在壓縮空氣作為動力的環(huán)境下，其對脆化了的污物產(chǎn)生剪切力，引起機(jī)械斷裂，由于污物與被清洗物表面低溫收縮比差很大，在接觸面處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，污物在剪切力作用下剝離。 沖擊剝離 高速的干冰顆粒碰撞到增大了的污物表面時(shí)，將上述動能傳遞給污物，克服已經(jīng)減小了的粘附力，因此而產(chǎn)生的剪切力使污物隨氣流卷走，達(dá)到了脫除污物的目的。 突馳科技利用軟件對噴嘴流場及干冰顆粒運(yùn)動進(jìn)行仿真分析，基于計(jì)算流體動力學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，獲得氣體的速度場、壓力場分布情況。干冰微粒噴射過程實(shí)際上是一種兩相運(yùn)動，包含干冰顆粒的固相和壓縮空氣的氣流相。在連續(xù)的氣流相中加入干冰顆粒，將會引起氣流的流動狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)影響。使用軟件模擬干冰顆粒運(yùn)動軌跡，可看作是氣體和干冰顆粒的氣固兩相流仿真。由于噴嘴內(nèi)部和外部壓力相差較大，會產(chǎn)生壓力波和激波，采用二維模型能夠很好地捕捉到軸線附近的壓力波動。 分析軟件對干冰微粒的運(yùn)動情況進(jìn)行模擬仿真。首先待氣相流場穩(wěn)定，然后設(shè)置干冰微粒的相關(guān)參數(shù)，加載可形變部件模型（DPM），待殘差收斂后，查看顆粒的運(yùn)動軌跡及干冰微粒的速度分布情況。 干冰粒經(jīng)噴槍加速后，在射流空間中先呈聚集狀態(tài)噴射，然后呈發(fā)散狀態(tài)噴射，模擬噴嘴內(nèi)部和外部氣流流場速度分布云圖及對稱軸線速度變化曲線如圖3所示，云圖反映出噴嘴氣體速度大小的差異。拉瓦爾噴嘴在出口外產(chǎn)生激波，形成了膨脹波與激波相交和反射的現(xiàn)象，最大速度集中在5~15cm范圍內(nèi)，即干冰清洗常用噴射的距離，此時(shí)噴嘴產(chǎn)生的氣流依舊能保持較高的速度，噴嘴會有更高的清洗效率。 
圖3. 噴嘴速度與壓力分布情況 干冰清洗積炭試驗(yàn)過程中的噴射壓力設(shè)為0.7MPa，噴射角度為60°，噴射距離為10cm。結(jié)果顯示，積炭在干冰的撞擊下極易脫落，僅需約11s的時(shí)間就可以把面積為62cm3的積炭清除干凈，清洗效率達(dá)95%以上，對比清洗進(jìn)程圖，清洗前后效果明顯。 受清洗材料分析 突馳科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對航空行業(yè)常用材料 2024-T3 鋁合金進(jìn)行干冰實(shí)驗(yàn)測試。鋁的表面涂有幾微米厚的鋁保護(hù)層（稱為復(fù)合合金）。這是一種常見的航空合金材料，這種材料比合金具有更好的耐腐蝕性，并且保留了合金本身的機(jī)械性能。為了比較，我們采用了堿性化學(xué)清洗和酸性清洗的工藝加入對比，其中實(shí)驗(yàn)條件是根據(jù)制造商的說明選擇的。因此，對三種類型的樣品進(jìn)行了分析：a) 未經(jīng)預(yù)處理的未清潔基礎(chǔ)合金，b) 化學(xué)清潔合金，以及 c) 用干冰清潔的合金。測量2-D和3-D表面形貌，用掃描電子顯微鏡記錄表面形貌，并使用能量色散X射線光譜進(jìn)行基本化學(xué)分析。 圖 4 顯示了 3-D 表面形貌的比較，以及粗糙度值 (Ra )。干冰清洗過程對表面無創(chuàng)，因此粗糙度與清洗前的表面相當(dāng)。相比之下，化學(xué)清洗對鋁和合金的保護(hù)層更具侵略性，因此表面更粗糙，天然保護(hù)層被破壞或去除。 
圖 4：2024-T3 復(fù)合鋁合金表面形貌的 3D 顯示：(a) 未清潔的表面，(b) 用干冰清潔，和 (c) 化學(xué)清潔。圖中提供了粗糙度值 (Ra)。 掃描電子顯微鏡圖像顯示未清潔樣品表面存在雜質(zhì)（暗斑），并且還可見金屬間夾雜物（輕顆粒）。后者含有鐵、銅、硅等（圖5）。因此，金屬間化合物在化學(xué)上與基體表面不同，在這種情況下，基體表面是鋁層，其下方是 2024-T3 基合金。還給出了記錄在基質(zhì)或不同夾雜物上的元素組成光譜。干冰預(yù)處理過程去除了雜質(zhì)，同時(shí)保持了鋁包覆基體的形態(tài)。金屬間化合物的數(shù)量仍與未清潔表面上的相似。相比之下， 
圖 5：用掃描電子顯微鏡拍攝的 2024-T3 復(fù)合鋁合金的表面圖像和化學(xué)分析：(a) 未清潔的表面，(b) 用干冰清潔，和 (c) 化學(xué)清潔。圖像中突出顯示了雜質(zhì)、金屬間化合物（黃色箭頭）和基底（Al 涂層或 AA2024 基體）。圖 (d)-(f) 顯示了以下化學(xué)成分的 EDS 光譜：(d) 鋁涂層，(e) 和 (f) 含鐵和銅的金屬間化合物。EDS 光譜已記錄在點(diǎn) (1, 2, 3)，如圖 (a) 所示。 接下來，使用標(biāo)準(zhǔn)鹽霧室腐蝕試驗(yàn)在 35°C 和 5 wt% 氯化鈉下測試樣品的耐腐蝕性。圖 6 顯示了 24 小時(shí)暴露前后的樣品表面。雖然在未清潔和化學(xué)清潔的表面上已經(jīng)觀察到腐蝕損傷和腐蝕表面產(chǎn)物，但用干冰清潔的表面仍然沒有任何腐蝕跡象。 
圖 6：2024-T3 復(fù)合鋁合金在腐蝕室內(nèi)暴露于鹽霧 24 小時(shí)前后的表面圖像（37°C 和 5 wt% NaCl）：（a）未清潔表面，（b）清潔用干冰，和 (c) 化學(xué)清洗。腐蝕產(chǎn)物標(biāo)有箭頭。 根據(jù)此處提供的結(jié)果，用干冰清潔金屬表面是化學(xué)清潔的可行替代方案。由于干冰表面清潔過程是非侵入性的，它不會去除 2024-T3 鋁合金上的鋁覆層——因此保留了腐蝕特性。相比之下，化學(xué)工藝去除了保護(hù)性氧化層，從而顯著降低了合金的腐蝕保護(hù)能力。當(dāng)然，關(guān)鍵區(qū)別在于干冰應(yīng)用過程的對于環(huán)境的可接受性，因?yàn)樵撨^程不使用化學(xué)清潔劑并且快速且經(jīng)濟(jì)。初步研究表明，用干冰清潔的表面可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化涂層的均勻和保護(hù)性應(yīng)用，這實(shí)際上是進(jìn)一步研究的主題。 根據(jù)仿真、試驗(yàn)及材料屬性分析可知，干冰清洗技術(shù)積炭清除效果好，且對材料無影響。突馳科技對發(fā)動機(jī)零部件進(jìn)行了干冰清洗積炭實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，清洗前后對比效果明顯，同時(shí)對各零部件目視檢查，表面均無明顯損傷 干冰清洗技術(shù)具有環(huán)保，高效率等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)單件或裝配在線狀態(tài)下組件復(fù)雜空間的清洗作業(yè)，大大提高了清洗效率，極強(qiáng)的通用性強(qiáng)，在清洗航空發(fā)動機(jī)零組件積炭具有良好的應(yīng)用前景。相對于高溫、化學(xué)與手動清潔，該技術(shù)大大降低了生產(chǎn)耗能，同時(shí)極大地縮短了零部件積炭清洗周期，節(jié)省了排故周轉(zhuǎn)時(shí)間，提升了生產(chǎn)效率。 參考文獻(xiàn) [1] 黃艷斐, 朱岳麟, 熊常健,等. 航空發(fā)動機(jī)噴嘴結(jié)焦積炭的性質(zhì)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2011(06):126-129. [2] 王旭全. 積炭對發(fā)動機(jī)性能的影響[J]. 黑龍江交通科技, 2008, 31(5). [3] 李曉東, 劉傳紹. 超聲波清洗技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 清洗世界, 2009, 25(1). [4] 黃艷松. 某發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片表面積炭去除工藝研究[J]. 機(jī)械工程師, 2015(11):77-79. [5] 武爽爽,賈秀杰,熊勝.面向再制造的油漆清洗技術(shù)綜述[J].表面技術(shù),2021(3):51-65. [6] 呂平.干冰微粒噴射技術(shù)綜述[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2016(8):112-118. [7] 段學(xué)明.干冰清洗技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用[J].清洗世界,2006(11):9-11. [8] 李燁,譚昭怡,張東,等.干冰噴射去除表面放射性污染技術(shù)研究[J].輻射防護(hù),2018(2):57-62. [9] 許娟紅,火巧英,王國平. 干冰清洗技術(shù)在軌道車輛中的可行性分析[J]. 中國設(shè)備工程,2020(12):173-174. [10] 鄭建林 王友濤 栗娜娜 汪祥 宋金龍 Dry Ice Jet Technology for Aero Engine Carbon Deposition Washing [11] Prof. Dr. Ingrid Milošev Cleaning metal surfaces with dry ice as an alternative to chemical cleaning [12] A.S. Warren, Materials Forum, 28 (2004) 24-31, editors J.F. Nie, A. J. Morton, and B.C. Muddle, Institute of Materials Engineering Australasia Ltd. [13] M. Doerre, L. Hibbitts, G. Patrick, N.K. Akafuah, Coatings, 8 (2018) 405 [14] I. Milošev, Acta Chimica Slovenica, 66 (2019) 511-533
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