某型航空發動機活塞石墨層厚度檢測技術的應用與分析

張艷琳，李艷，黃建軍，韓勇，李吳寰

（1.南京航空航天大學，江蘇 南京 211106；2.成都國營錦江機械廠，四川 成都 610043；3.空軍第一航空學院，河南 信陽 464000）

1 前言

隨著航空修理水平的不斷提高，高效、高質量的修理在行業內顯得十分重要。為提高發動機零組件噴漆的質量，縮短產品修理周期，航空發動機零件噴漆行業中，尋求更專業、高效的涂層測厚方法在近年來也越來越重要。

縱觀航空發動機修理噴漆技術的發展歷程，在影響零組件表面噴漆質量的因素中，涂層厚度的控制變得愈加重要。航空發動機零組件涂層厚度直接影響了零件裝配尺寸配合及發動機工作運轉狀態。先進的涂層檢測手段可以在提高工作效率的同時，盡可能減少零件裝機后使用過程中表面漆層的損傷。航空發動機技術的發展歷程中，活塞發動機上噴涂石墨層是為了改善氣缸與活塞磨合初期的潤滑條件，多年來，工廠在活塞發動機修理中，一直采用鱗片石墨粉調配石墨涂層，該涂層與國外購買的活塞石墨層相比，外觀較粗糙，手觸不光滑。

為了提高噴涂石墨層的外觀質量，工廠研制了使用新型石墨粉代替原鱗片石墨粉調配石墨涂層，并在調配規程中添加了鋼珠并用震蕩混油機震蕩研磨，進而使噴涂后的活塞表面涂層更加光滑、細膩。而活塞表面涂層在噴涂完成后，需使用測量手段使涂層厚度控制在一定工藝范圍內。工廠此前涂層測量方法均為接觸式涂層測厚方法（磁性測厚儀），該方法對活塞類曲面零件表面涂層測量存在弊端，易導致測量不準確等，造成產品修理質量存在隱患。

現改進的非接觸式涂層檢測技術在涂層噴涂后厚度測量的應用不僅能保證涂層測量值的準確度，更能有效避免因接觸式涂層測厚方法，對曲面產品表面涂層測量厚度準確率低而導致的產品返工及裝機試車后存在涂層因超厚導致脫落的風險。基于此，近年來，涂層檢測技術在發動機噴涂上的應用從傳統的接觸式涂層檢測技術手段到非接觸式涂層檢測技術都有不同程度的發展，而活塞表面石墨層厚度使用光熱法非接觸式涂層檢測技術的改進，使得活塞表面涂層的噴涂技術手段也愈加成熟。

2 涂層厚度檢測技術

2.1 接觸式涂層檢測技術

接觸式涂層檢測技術在工業中應用較為廣泛，也更加成熟，其中常用的有磁性測厚儀及超聲波測厚儀，均為接觸式無損檢測手段。主要用于產品噴涂完成后的表面干燥涂層厚度測量，因噴涂工藝中，涂層厚度控制嚴格，產品厚度過低或者過高均會導致產品修理質量降低并造成返工率高及修理成本的增加。

接觸式涂層檢測技術只能應用于干燥后的涂層測量，對未干燥的濕涂層則不能進行測量，除了會導致測量值不準確外，濕涂層與測量儀接觸會造成涂層損傷，破壞其完整性。同時，接觸式涂層測厚技術為保證測量準確度只能測量平面涂層，而針對曲面零件表面涂層，使用該方法進行測量會使測量值不準確。因此，接觸式涂層檢測技術雖應用成熟，但仍存在許多弊端。

2.2 非接觸式涂層檢測技術

非接觸式涂層檢測技術屬于涂層測量的新技術，本次研究應用的為光熱法非接觸式涂層檢測技術通過熱層測試法，涂層經過瞬間脈沖加熱幾攝氏度后，在涂層較深區域和基材中發生熱傳導和冷卻，儀器檢測到的熱輻射，再進行轉換和數字化，從而實現非接觸測量。該測量技術需要涂層與基材有導熱率差異，并且需要通過已知厚度的樣品進行標定。該檢測技術可直接無損檢測過程中實現無間斷檢測，不同型號精度高達0.5～2μm。

該方法的測量可實時測量涂層厚度，及時發現涂裝后涂層是否符合工藝要求，一方面，根據測量結果可立即調整參數，補償工藝偏差，進而提高工作效率。另一方面，該檢測技術可減少不合格部件發生率，避免廢料及返工，進而節約材料，減少生產中涂料不必要的浪費。

3 光熱法非接觸式涂層檢測技術及活塞石墨層脫落檢測

活塞上的石墨層是一種以油漆及石墨為主要成分的干膜潤滑劑，主要作用是在直接接觸或有微動磨損的機件之間起到潤滑、減磨的作用。對于活塞發動機氣缸而言，工作環境本身就存在工作油液，且活塞是行程運動，故石墨層也只是在磨合初期發揮潤滑作用，活塞面額上的石墨層會隨著活塞與氣缸壁的摩擦逐漸脫落失效或被工作積碳遮蔽而失效，即石墨層脫落屬必然結果。但過厚的石墨層在磨合初期會呈片狀大量脫落屬非正常現象，脫落的片狀石墨可能進入滑油濾內，形成多余物，會嚴重影響產品的修理質量。其主要原因為工作中因涂層過厚導致活塞工作面與氣缸內壁的間隙減小，石墨層受擠壓刮擦形成脫層。因此，為避免此類問題發生，活塞石墨層厚度應在干燥后進行6 點測量、記錄和傳遞的要求，噴涂過程中，應明確不得對活塞表面進行二次噴涂，并補充石墨層噴涂厚度超差時的處理措施。其次，厚度測量方式應由原接觸式涂層檢測技術更改為非接觸式涂層檢測技術，由磁性法測量轉變為光熱法非接觸式測量，因活塞表面為曲面，使用磁性測厚儀測量易導致測量準確度低，對完工產品厚度控制難度大，而光熱法非接觸式測厚技術為聚焦測量，不與產品待測面直接接觸，且可同時測量曲面產品，并不影響測量結果。可有效控制活塞表面的石墨層厚度，也可及時對厚度不符合要求的產品進行識別并返工，避免產品裝機后導致故障并返工。

4 檢測結果分析

針對某石墨層脫落活塞，使用原接觸式涂層測厚儀及非接觸式涂層測厚儀進行涂層厚度測量，活塞表面石墨層厚度工藝要求范圍應為50 ～100μm，接觸式涂層測厚儀測量涂層厚度梳理情況見表1。

表1 工藝改進前活塞石墨層厚度測量表（接觸式磁性測厚儀）

非接觸式涂層測厚儀測量涂層厚度梳理情況見表2。

表2 工藝改進后活塞石墨層厚度測量表（非接觸式磁性測厚儀）

表1 與表2 測量值比對分析得出：同一產品，當待測面呈曲面時，因產品曲率對測量有較大影響，使用接觸式磁性測厚儀測量后，測量值浮動較大，且絲毫無規律，若以6 次測量值取平均值作為該點位厚度值，準確率極低，易造成不合格產品流轉至下工序，導致活塞裝機后試車后因表面涂層厚度超過最大范圍值而發生脫落，產品須進行二次返工并增加修理成本。當使用非接觸時涂層測厚儀進行測量時，6 次測量值相差較小，波動幅度較小。因此，使用磁性測厚儀測量曲面涂層厚度并不準確，不可作為產品合格標準。而光熱法非接觸式涂層測厚技術的應用，測量效率更高，且待測面為曲面也并不影響石墨層厚度測量的準確度，測量數據中每組數值相差較小，波動幅度小，由此可推斷，使用該方法進行測量，準確率更高。

由表2 數值推算，該活塞表面石墨層厚度超過工藝要求的50 ～100μm，該產品為不合格產品，不準流入下工序，須對產品表面涂層進行去除后重新噴涂。

5 結語

對于活塞發動機氣缸而言，工作環境本身就存在工作油液，且活塞是行程運動，故石墨層也只是在磨合初期發揮潤滑作用，活塞面額上的石墨層會隨著活塞與缸壁的摩擦逐漸脫落失效或被工作積碳遮蔽而失效，即石墨層脫落是必然結果。但石墨層在磨合初期呈片狀大量脫落均屬非正常現象，脫落的石墨層易形成多余物。故有效地控制活塞表面石墨層噴涂質量十分重要，石墨層厚度測量作為產品檢驗合格要求之一，選用正確的檢測手段也顯得愈加重要。

涂層厚度控制是航空發動機修理過程中涂層修復重要的工藝參數，在產品質量、過程控制和成本控制中都發揮著重要作用。目前，國內外對航空發動機零組件表面涂層修復后的厚度測量研究仍在不斷深入，但大多仍停留在使用傳統的點觸式涂層測厚技術進行檢測，而針對非接觸式熱光學檢測技術僅限于理論分析與應用初期，缺乏具有實際應用方面的指導經驗，需要進一步研究并得以應用。