航空發(fā)動機的渦輪和壓氣機每一級上都有很多葉片，在運行過程中，葉片表面會積聚灰塵、沙子、空氣中的污染物顆�；驘熁摇Ⅺ}霧、昆蟲和鳥類的殘軀等，導致氣動外形被改變、發(fā)動機效率降低（油耗增加）的同時，也會造成葉片腐蝕、加速老化，給發(fā)動機帶來故障隱患。 
圖1.運行中航空飛機 發(fā)動機燃燒燃料在更高溫度下運行，這可能導致發(fā)動機過早維護。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 1.5% 的燃料消耗 燃氣輪機用戶遇到的性能降低的最常見原因之一是結垢。結垢積碳通常占運行性能損失的 70% 以上。同時發(fā)動機工作時，因發(fā)動機燃燒不充分在旋流槽、中心孔、噴嘴內腔壁上及油濾上會形成結焦積碳，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，導致翼型進氣角和翼型形狀發(fā)生變化，并增加表面粗糙度導致翼型喉部孔徑變窄 
圖2.檢修中的航空發(fā)動機 航天航空發(fā)動機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、化學清洗劑泡洗、高溫燒結、超聲波清洗技術為主。清洗劑泡洗是利用化學藥劑浸泡積炭部件，通過化學反應使得積炭脫落，該方法主要針對葉片等小零件；高溫燒結主要針對燃燒室噴嘴等零件，但效果不佳、耗時長、能耗高費時費力；超聲波清洗方法可去除一些發(fā)動機較小的零部件，同時超聲波清洗過程時間長，清洗需要完全拆解整個部件，無法直接在線清洗。 
圖源：普惠 傳統(tǒng)的飛機發(fā)動機清洗方法功能單一、設備昂貴能耗高、清洗耗時長和清潔度不高等缺點。而在軍工、電力行業(yè)及軌道交通領域廣泛應用的干冰清洗技術去除污染物，通用性強且具有良好的環(huán)保和經濟效益。 突馳科技參與技術研討，從理論、仿真與試驗等方面分析干冰清洗作用機理，開發(fā)出適用于飛機發(fā)動機零部件清洗的工藝方法，并將該技術應用至航天發(fā)動機的維修中。 
圖源：漢莎航空維修車間干冰清洗作業(yè) 干冰清洗技術原理剖析 干冰清洗（dry ice blast cleaning）又稱干冰冷噴技術，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噴射到被清洗物體表面，利用高速運動的固體干冰顆粒的動量變化（Δmv）、升華、熔化等能量轉換，使被清洗物體表面的污垢、油污、殘留雜質等迅速冷凍，從而凝結、脆化、被剝離，且同時隨氣流清除。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，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生剪切力，引起機械斷裂，由于污物與被清洗物表面低溫收縮比差很大，在接觸面處產生應力集中現(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，將上述動能傳遞給污物，克服已經減小了的粘附力，因此而產生的剪切力使污物隨氣流卷走，達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動進行仿真分析，基于計算流體動力學進行數(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際上是一種兩相運動，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)產生相應影響。使用軟件模擬干冰顆粒運動軌跡，可看作是氣體和干冰顆粒的氣固兩相流仿真。由于噴嘴內部和外部壓力相差較大，會產生壓力波和激波，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動情況進行模擬仿真。首先待氣相流場穩(wěn)定，然后設置干冰微粒的相關參數(shù)，加載可形變部件模型（DPM），待殘差收斂后，查看顆粒的運動軌跡及干冰微粒的速度分布情況。 干冰粒經噴槍加速后，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，即干冰清洗常用噴射的距離，此時噴嘴產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 干冰清洗積炭試驗過程中的噴射壓力設為0.7MPa，噴射角度為60°，噴射距離為10cm。結果顯示，積炭在干冰的撞擊下極易脫落，僅需約11s的時間就可以把面積為62cm3的積炭清除干凈，清洗效率達95%以上，對比清洗進程圖，清洗前后效果明顯。 受清洗材料分析 突馳科技研發(fā)團隊針對航空行業(yè)常用材料 2024-T3 鋁合金進行干冰實驗測試。鋁的表面涂有幾微米厚的鋁保護層（稱為復合合金）。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械性能。為了比較，我們采用了堿性化學清洗和酸性清洗的工藝加入對比，其中實驗條件是根據(jù)制造商的說明選擇的。因此，對三種類型的樣品進行了分析：a) 未經預處理的未清潔基礎合金，b) 化學清潔合金，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射線光譜進行基本化學分析。 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。相比之下，化學清洗對鋁和合金的保護層更具侵略性，因此表面更粗糙，天然保護層被破壞或去除。 
圖 4：2024-T3 復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（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或不同夾雜物上的元素組成光譜。干冰預處理過程去除了雜質，同時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 復合鋁合金的表面圖像和化學分析：(a) 未清潔的表面，(b) 用干冰清潔，和 (c) 化學清潔。圖像中突出顯示了雜質、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 (1, 2, 3)，如圖 (a) 所示。 接下來，使用標準鹽霧室腐蝕試驗在 35°C 和 5 wt% 氯化鈉下測試樣品的耐腐蝕性。圖 6 顯示了 24 小時暴露前后的樣品表面。雖然在未清潔和化學清潔的表面上已經觀察到腐蝕損傷和腐蝕表面產物，但用干冰清潔的表面仍然沒有任何腐蝕跡象。 
圖 6：2024-T3 復合鋁合金在腐蝕室內暴露于鹽霧 24 小時前后的表面圖像（37°C 和 5 wt% NaCl）：（a）未清潔表面，（b）清潔用干冰，和 (c) 化學清洗。腐蝕產物標有箭頭。 根據(jù)此處提供的結果，用干冰清潔金屬表面是化學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，化學工藝去除了保護性氧化層，從而顯著降低了合金的腐蝕保護能力。當然，關鍵區(qū)別在于干冰應用過程的對于環(huán)境的可接受性，因為該過程不使用化學清潔劑并且快速且經濟。初步研究表明，用干冰清潔的表面可以實現(xiàn)轉化涂層的均勻和保護性應用，這實際上是進一步研究的主題。 根據(jù)仿真、試驗及材料屬性分析可知，干冰清洗技術積炭清除效果好，且對材料無影響。突馳科技對發(fā)動機零部件進行了干冰清洗積炭實際應用驗證，清洗前后對比效果明顯，同時對各零部件目視檢查，表面均無明顯損傷 干冰清洗技術具有環(huán)保，高效率等優(yōu)點，能夠實現(xiàn)單件或裝配在線狀態(tài)下組件復雜空間的清洗作業(yè)，大大提高了清洗效率，極強的通用性強，在清洗航空發(fā)動機零組件積炭具有良好的應用前景。相對于高溫、化學與手動清潔，該技術大大降低了生產耗能，同時極大地縮短了零部件積炭清洗周期，節(jié)省了排故周轉時間，提升了生產效率。 參考文獻 [1] 黃艷斐, 朱岳麟, 熊常健,等. 航空發(fā)動機噴嘴結焦積炭的性質[J]. 北京航空航天大學學報, 2011(06):126-129. [2] 王旭全. 積炭對發(fā)動機性能的影響[J]. 黑龍江交通科技, 2008, 31(5). [3] 李曉東, 劉傳紹. 超聲波清洗技術的研究與應用現(xiàn)狀[J]. 清洗世界, 2009, 25(1). [4] 黃艷松. 某發(fā)動機導向葉片表面積炭去除工藝研究[J]. 機械工程師, 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綜述[J].表面技術,2021(3):51-65. [6] 呂平.干冰微粒噴射技術綜述[J].真空科學與技術學報,2016(8):112-118. [7] 段學明.干冰清洗技術在汽車行業(yè)的應用[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研究[J].輻射防護,2018(2):57-62. [9] 許娟紅,火巧英,王國平. 干冰清洗技術在軌道車輛中的可行性分析[J]. 中國設備工程,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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