發動機工作葉片聚氨酯層脫落原因及工藝優化

潘 娜，陳基東，王衍斌，陳秋娟

(中國航發成都發動機有限公司，四川 成都 610500)

低壓工作葉片與盤為活動銷釘式配合，裝配位置關系如圖1所示。當發動機起停及狀態變化時，葉片進氣側緣板與盤的輪緣發生接觸和碰撞。盤的材料為鈦合金，葉片材料為鋁合金，當葉片和盤發生碰撞時，葉片更容易磨損和失效。為提高發動機可靠性和修理性，在葉片進氣側緣板與盤輪緣接觸部位銑L型凹槽并填充聚氨酯層起減震作用，如聚氨酯層在使用過程中發生損傷或脫落，會導致葉片失去保護作用造成損傷，甚至開裂，嚴重時會危及發動機和人身安全。本次聚氨酯層分離典型形貌如圖2所示。為進一步確定聚氨酯層是沿底漆和基體界面還是沿底漆和聚氨酯界面分離，筆者將葉片分解并清洗干凈后進行檢查，發現基體表面呈吹砂狀態，無黃色底漆殘留，而聚氨酯表面有黃色底漆殘留，說明聚氨酯層是從底漆和基體界面分離的。

圖1 工作葉片和盤的裝配位置關系

圖2 葉片聚氨酯層分離典型形貌

聚氨酯層是通過粘接的方式填充在葉片緣板上的，要保證葉片緣板和盤碰撞時聚氨酯層不損傷、不脫落，就要求其有彈性，耐磨損，可起到減震作用，且與基體具有很好的結合力。因此，提高聚氨酯層底漆與基體的結合力，尋找耐磨、減震效果好的聚氨酯材料并開展工藝優化研究對提高發動機可靠性具有很重要的意義。

1 原因分析

1.1 工藝過程復查

1.1.1 原材料

經復查，粘接聚氨酯層使用的底漆、聚氨酯及錦絲綢材料均符合設計及工藝要求，且均按工藝文件規定檢測合格并在有效期內使用。

1.1.2 加工過程

低壓工作葉片主要加工工藝路線為機械加工→鉻酸陽極化→裝配成組件→葉身和L型凹槽濕吹砂→葉身噴漆→L型凹槽粘接聚氨酯(涂底漆→填充聚氨酯→鋪放錦絲綢)。工藝文件規定濕吹砂到噴漆的時間間隔≤3 h，實際加工過程中濕吹砂完成后要先進行葉身噴漆工序，噴漆時對緣板L型凹槽等非噴漆部位采用壓敏膠帶進行遮蔽保護，加溫固化時去除膠帶，固化完成后再對L部位涂底漆，填充聚氨酯和鋪放錦絲綢，此時距離刷涂底漆大概需要2～3 d時間，與濕吹砂的間隔時間已遠遠超過3 h的要求，整個加工過程原濕吹砂表面被污染的風險很大。

1.2 試驗驗證

影響漆層和基體結合力的因素可能有漆料、零件前處理、噴漆工藝、生產過程等[1]。經復查，漆料、噴漆工藝、零件前處理均符合工藝要求，但生產過程不符合工藝要求，為驗證不同表面狀態下，底漆與基體的結合力，制定對比試驗方案發現：表面粗糙度為Ra1.6 μm和Ra3.2 μm的試樣，漆層附著力均符合標準要求(≥16 MPa)；表面被污染的試樣，漆層附著力大幅度降低，不符合標準要求，試驗結果具體見表1。

表1 不同表面狀態下漆層附著力測試結果

2 機理分析

濕吹砂對基體具有一定的粗化作用，濕吹砂后，零件表面粗糙度增大，表面積增大2倍以上，并達到表面清理的效果，對增強漆層和基體的結合力起到了重要作用[2]。濕吹砂到粘接聚氨酯工序之間有葉身噴漆工序且時間較長，待粘聚氨酯表面在周轉、遮蔽保護、固化等過程中均易受到污染，在污染的表面上涂覆底漆，會導致漆層與基體的結合力明顯降低。

低壓工作葉片與盤為活動銷釘式配合，發動機在啟動和停車時，葉片緣板和盤緣發生碰撞，因聚氨酯層具有一定的彈性，故該部位聚氨酯層受壓時會同時牽動凹槽兩側的聚氨酯層，使得兩側聚氨酯層受到向凹槽方向的拉扯力，當底漆與基體結合不好時，便導致聚氨酯層沿底漆和基體界面分離。

3 對原工藝進行工藝改進及驗證

為保證粘接聚氨酯前基體表面潔凈度，將原葉身和L型凹槽濕吹砂要求調整為分2次進行，即分別在葉身噴漆前和L型凹槽涂底漆前進行。工藝流程調整為鉻酸陽極化→裝配成組件→葉身濕吹砂→葉身噴漆→L型凹槽濕吹砂→L型凹槽粘接聚氨酯(涂底漆→填充聚氨酯→鋪放錦絲綢)，并控制每次濕吹砂到噴漆的間隔時間≤3 h，經試驗件驗證及加工小批量葉片并在平衡機上模擬發動機工況進行啟停驗證，改進后的聚氨酯層未出現分離現象，但部分葉片上的聚氨酯仍有局部損傷現象。

4 工藝優化

對經歷長時間試車的發動機葉片進行查看發現，現用聚氨酯層雖可起到減震和保護葉片的作用，但每臺發動機葉片聚氨酯層在使用后均存在不同程度的損傷甚至脫落現象，典型圖片如圖3所示。

圖3 聚氨酯層不同程度的損傷甚至脫落

聚氨酯分為聚酯型和聚醚型兩大類，可制成聚氨酯塑料、聚氨酯纖維、聚氨酯橡膠及聚氨酯彈性體[3]，其中聚氨酯彈性體的性能介于塑料和橡膠之間，硬度高，有彈性[4]，可起到很好的減震作用。但從故障葉片實物狀態看，目前使用的聚氨酯彈性較差，質脆。為提高聚氨酯層彈性、耐磨性和使用壽命，擬選用彈性較好的聚氨酯彈性體開展工藝優化技術研究。

4.1 聚氨酯彈性體材料的選擇

經查閱相關資料，對比現用聚氨酯和X發動機用聚氨酯材料成分、力學性能和硬度以及施工工藝，發現兩者在材料性能和施工工藝上均存在較大差異。將X發動機用聚氨酯層采用紅外光譜檢測其成分，并與數據庫中不同類聚氨酯進行匹配，對比選定匹配度較高的某牌號聚醚型聚氨酯。經對比，選定的聚氨酯材料成分、力學性能和硬度均符合X發動機用聚氨酯要求，且施工工藝與X發動機用聚氨酯基本相同。

4.2 粘接工藝的確定

4.2.1 聚氨酯配制工藝的確定

某牌號聚醚型聚氨酯為雙組分，其中A組分為聚氨酯彈性體，B組分為固化劑。按規定比例稱取兩組分，A組分加熱以降低黏度，B組分加熱至熔化，將B組分加入到A組分中并朝一個方向均勻攪拌；為消除攪拌過程中產生的氣泡，需對配制好的聚氨酯進行抽真空消泡處理。

試驗中發現，B組分加熱溫度過高時，會呈現深黃色至淺褐色(非淡黃色)，這時將B組分加入到A組分中，攪拌過程中聚氨酯很快出現凝固現象(見圖4～圖6)，導致聚氨酯的流動性很差，適用期很短；且環境溫濕度、抽真空壓力和時間對聚氨酯中氣泡的消除程度有很大影響。經多輪反復試驗，確定了聚氨酯配制環境溫，濕度要求、A組分加熱溫度和時間、B組分加熱溫度和抽真空工藝參數，最終得到了流動性好、無氣泡、適用期較長的聚氨酯彈性體(見圖7)。

圖4 加熱后的A組分

圖5 加熱后的B組分

圖6 混合攪拌后聚氨酯出現凝固

圖7 流動性好、無氣泡的聚氨酯彈性體

4.2.2 聚氨酯粘接工藝的確定

準備低壓工作葉片和底漆結合力檢測用隨爐試樣，按照L型凹槽濕吹砂→涂底漆→填充聚氨酯→鋪放錦絲綢的路線加工，隨爐試樣與葉片一起進行濕吹砂和涂底漆工序。聚氨酯按上述工藝配制好后采用毛刷刷涂在L型凹槽中，鋪放錦絲綢并固化。經驗證，漆層結合力符合標準要求；固化的聚氨酯呈透明狀，彈性好，與底漆結合牢固，但表面達不到設計要求的平面度。經分析認為，聚氨酯固化速度較快，涂覆在零件表面上后還未自然流平就已開始凝固，導致流動性變差，表面不平整。通過設計專用工裝進行施壓可同時保證聚氨酯層的尺寸和平面度。

改進前后聚氨酯層外觀分別如圖8和圖9所示。從圖中可以看出，改進前的聚氨酯層氣孔多，質脆，無彈性；改進后的聚氨酯層呈透明狀，無氣孔，彈性好。

圖8 改進前的聚氨酯層外觀

圖9 改進后的聚氨酯層外觀

4.3 小批量驗證

按照上述試驗確定的工藝方案，選取一臺發動機一級工作葉片開展小批量加工驗證，在平衡機上模擬低壓轉子啟動與停車時的低速運轉狀態，對聚氨酯層服役性能進行驗證。平衡后將葉片分解，經檢查，聚氨酯層與平衡前狀態一樣完好，無脫落、破損等損傷現象，與原聚氨酯層相比，耐磨性、彈性有很大提高。

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)葉片聚氨酯層脫落是由于基體表面被污染，導致底漆和基體結合力差。通過工藝改進，將L型凹槽濕吹砂要求調整到涂底漆前進行并控制間隔時間≤3 h，可保證底漆與基體的結合力。

2)對聚氨酯材料和工藝進行優化，經驗證聚氨酯層的彈性和耐磨性有很大改善，提高了聚氨酯層的使用壽命，可減少零件首翻期的修理工作。

3)目前，優化后的工藝已在多臺發動機低壓工作葉片上應用，產品質量和穩定性得到很大提高。