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期刊在線 | 航空發動機零部件清潔度控制標準

來源：航空動力期刊

轉載：中國科協航空發動機產學聯合體

引言

20世紀60年代初期，清潔度控制標準首先起源于航空和汽車工業并逐漸擴展到其他工業領域，極大地推動了各行業高精尖技術發展。航空發動機作為高精尖工業產品的代表，通過推行清潔度控制，極大地提高了產品質量和可靠性。中國航發編制發布一系列航空發動機零部件清潔度控制標準，是進一步提升產品研制水平的關鍵。

零部件清潔度是用來表征零部件清潔水平的指標，是清洗工序后零部件表面殘留顆粒污染物的限量值，涉及顆粒污染物種類、大小、數量和質量等。清潔度控制水平對產品的配合精度、壽命和可靠性等都有重大影響，隨著技術水平的不斷進步和認知的不斷擴展，航空、汽車、半導體、電子、生物醫療等高科技領域中關鍵零部件的清潔度控制要求越來越受到重視。

零部件清潔度控制的起源

清潔度控制的前身是污染物控制，重點關注肉眼可見的大顆粒污染物對產品的影響。

在第二次世界大戰時期，對于幾十微米的顆粒污染物即可導致精密控制系統功能失效的發現，引發了從污染物控制向清潔度控制的轉變，研究人員開始更加關注微米級尺度顆粒污染物對精密機械系統的影響。

20世紀60年代初，美國汽車工程師協會（SAE）和美國航空航天工業協會（AIA）開始采用統一的清潔度標準，從美軍標（MIL）《產品清潔度等級》演化而來的環境科學和技術標準《產品清潔度等級——應用、要求和定級》推動了半導體、數據存儲、醫療設備、通信、航空和精密儀表等行業的清潔度控制水平的提升。

十幾年前，航空發動機領域開始引入清潔度控制標準開展零部件全生命周期控制。GE航空集團、普惠等代表性企業都在國際標準化組織（ISO）、美軍標（MIL）、協會團體（SAE、美國材料試驗協會等）標準的基礎上編制了更加符合行業特點和需求的企業標準，配合美軍標、各行業協會標準，用于指導企業和全球供應商的發動機產品清潔度控制。

航空發動機清潔度控制的意義

據統計，用于汽車發動機清潔的工作量約占制造過程總量的10%～20%，不同企業在裝配前的清洗工藝與清洗質量的不同，可導致零部件運轉壽命相差10～100倍，因此清潔度是發動機十分重要的質量屬性，與使用壽命緊密相關。航空發動機更是一種要求有極致質量和可靠性的精密機械產品。從幾何尺寸角度看，其轉子軸承的徑向間隙范圍為14～93μm，接觸零件的油膜厚度為10～20μm，要嚴格控制微米級尺度的顆粒污染物的量，即開展清潔度控制。研究表明，造成航空發動機清潔度問題的主要根源是顆粒污染物，尤其是硬質顆粒。德國舍弗勒公司曾研究不同硬度污染物顆粒對軸承產品的壽命影響，試驗及分析結果如圖1所示，隨著污染物顆粒的硬度增加，顆粒造成的壓痕深度增加，軸承壽命明顯降低，與無污染物試驗相比最多出現了99%以上的壽命損失，這種結果對于可靠性要求極高的航空發動機來說是不可接受的。

圖1 顆粒污染物硬度對軸承壽命影響試驗

清潔度控制是一個全生命周期概念，在航空發動機零部件設計、加工、裝配、包裝運輸和使用維護過程中都涉及清潔度問題。易于存蓄顆粒污染物且難以清洗的零部件結構問題來源于設計過程；毛刺、金屬屑等加工殘余過量問題和沙粒、剛玉等外來硬質顆粒輸入問題則來源于加工、裝配和包裝過程中的疏于管理；合格的清潔零部件的再污染/損傷等問題多數來源于包裝運輸和使用維護過程中外來輸入污染物的威脅。

做好零部件清潔度控制可以全面提升行業競爭力。在產品層面，通過清潔度控制可在很大程度上避免燃滑油異常及過燒、油路系統堵塞、傳動部件磨損、軸承干研、轉靜子刮磨等故障，節省大量型號研制時間和成本。在工藝層面，清潔度控制是焊接、噴涂等附著力要求較高的工藝過程的重要工序，油液等有機污染物殘留會大大降低焊接點和涂層性能，因此清潔度控制水平是決定工藝過程成敗的關鍵要素。在設備層面，冷加工過程中的清潔度控制可以有效保障設備加工精度及測量精度，熱加工過程中的清潔度控制可以避免零部件殘留有機物揮發污染設備，提高設備的高精度穩定運行周期。因此，零部件清潔度控制對于航空發動機研制水平的提升，以及提高航空發動機產品質量、性能、可靠性和降低直接使用成本等都具有重要意義。

清潔度控制技術

清潔度控制分級

清潔度分級主要面向對零部件損害最大的顆粒污染物，其基礎在于對磨損機理的深入研究。從磨損機理得知，直接危及產品壽命的是顆粒污染物的硬度、大小與數量分布情況。將可定義并可檢測的損害產品壽命的因素與清潔度級別相互關聯的操作就是清潔度分級，分為顆粒計數法分級和稱重法分級，其中顆粒計數法分級是稱重法分級的基礎依據。

顆粒計數法分級在于建立顆粒尺寸大小、一定尺寸范圍內的顆粒數量以及顆粒硬度與清潔度級別的關聯關系，其中硬度一般作為測量對象的范圍界定要素來考慮，不納入分級模型中。針對另外兩類壽命相關要素，美國環境科學和技術部標準《產品清潔度等級——應用、要求和定級》中提出了顆粒尺寸分布與對應等級的數學模型，實現了清潔度的顆粒計數分級。

零部件清洗技術

零部件清洗過程是將吸附在基體上的污染物解析下來從而使基體表面清潔的過程，包括對基體和污染物的潤濕和界面間滲透，使污染物與基體表面分離，以及防止已分離污染物再沉積于基體表面的過程。普遍采用的清洗方法分為干式清洗和濕式清洗兩大類，根據具體的清洗方式、清洗介質、輔助手段和清洗階段又有更加詳細的方法劃分，具體如圖2所示。

圖2 清洗方法分類

紫外線臭氧、激光、干冰等干式清洗屬于殘留較小的新式清洗方法，分別利用紫外線和臭氧的激發氧化效應、高能量密度激光激發的熱能、干冰顆粒沖擊冷卻效應來去除污染物。濕式清洗主要依靠水基或油基清洗液對污染物的浸潤和剝離來達到去除的目的。相對于干式清洗存在液態清洗劑的殘留問題，濕式清洗中的機械、壓力、噴射和超聲清洗方法主要依靠接觸、高壓、沖擊和高頻振動等輔助手段增強清洗液對污染物的浸潤和剝離效果，完成較難去除污染物的清洗；酸堿、有機溶劑和電化學拋磨清洗依靠氧化還原反應和有機溶劑與油料污染物的互溶性來增強清洗效果；去離子水、旋轉清洗和干燥主要用于最終清洗，用于去除前述幾種濕式清洗方法的液體殘留。

顆粒污染物檢測技術

清潔度檢測方法根據使用場景不同可分為在線檢測和取樣檢測兩種。取樣檢測根據目的不同又可以分為顆粒元素種類檢測和普通取樣檢測等類別。在線監測方法主要用于發動機工作過程中的燃油、滑油污染物監測，常見方法為油液磁塞監測法；顆粒元素種類檢測多用于故障分析中的顆粒物來源研究，常見方法為鐵譜分析法和光譜分析法等。普通取樣檢測主要用于清洗后零部件的清潔度等級確認，常見方法為質量檢測法和顆粒計數檢測法，兩種方法都需要先完成顆粒污染物的提取。顆粒物提取與清洗操作近似，是將已清洗過零部件的殘留顆粒污染物萃取到提取液中的過程，常見的提取方式包括晃動法、壓力沖洗法和超聲波清洗法等。顆粒污染物提取所選擇的提取液和提取方式與零部件材料、結構等諸多因素相關，為了保證檢測結果的重復性和再現性，同一種零件的顆粒物提取操作應該保持一致。

顆粒物質量檢測法又名稱重法，通常將萃取顆粒污染物的全部提取液完全通過已知質量的潔凈濾膜，干燥后稱量攜帶顆粒污染物濾膜的總質量，減掉濾膜質量就可以得到顆粒污染物的質量，一般需要使用真空泵來加速過濾。顆粒計數法需要統計多個尺寸范圍的顆粒污染物數量，常用的方法包括顯微分析法和自動顆粒計數儀法兩種，相對于傳統的目視手動計數法來說具有更高的準確度和效率。其中顯微分析法是用圖像處理的方法對濾膜上不同尺寸范圍的顆粒進行自動計數，自動顆粒計數儀法是通過遮光、電阻、電子成像原理直接測定待測液樣并進行顆粒計數。

中國航發清潔度控制標準及其應用

中國航發編制發布了一系列航空發動機零部件清潔度控制標準，主要包括清潔度等級、清潔度控制要求、控制工藝、顆粒物提取和檢測方法等。如圖3所示，系列零部件清潔度控制標準建立在清潔度等級規定的基礎上，由清潔度控制標準提出零部件全生命周期的基本控制要求，控制工藝和提取檢測標準則從具體操作的角度提供指導，標準的具體分工如下。

圖3 系列清潔度控制標準的分工協作關系

清潔度等級類標準規定了等級劃分方法和相應指標；清潔度控制要求類標準主要從產品全生命周期的角度提出為達到相應清潔度等級要求需要考慮的通用基礎要求，包括設計、工藝、檢測、裝配和包裝等；清潔度控制工藝要求類標準承接控制要求標準，主要從工藝的角度對人、機、料、法、環、測等生產要素給出詳細限制規定，實現等級標準要求指標；顆粒物提取和檢測方法類標準規定了多種可選的提取和檢測方法，以相對穩定和準確的檢測結果確定清洗過的零部件所達到的清潔度等級。

清潔度等級類標準

清潔度等級類標準屬于基礎標準，分級方法分為顆粒計數法分級和稱重法分級。相較而言，稱重法分級使用簡單方便，顆粒計數法分級可與產品可靠性掛鉤，在航空發動機領域有廣泛應用。顆粒計數法分級針對5μm以上的顆粒進行了各個尺寸范圍的顆粒數量限制，規定所有零部件表面不允許出現200μm以上的顆粒污染物，并給出了其他尺寸范圍的粒度分級代號和不同清潔度等級下允許出現的固定受控表面上最多顆粒污染物數量，參照國際通用的等級劃分規則，顆粒計數法分級共劃分14個等級。稱重法分級給出了固定受控表面允許顆粒污染物的最大質量，共分為8個等級。

除了給出顆粒計數法和稱重法的級別劃分以及每個級別的數量和質量指標值之外，清潔度等級類標準還給出了檢測結果與清潔度等級的換算方式，以及不同等級要求的表達標識方式。

清潔度控制要求類標準

清潔度控制要求類標準規定了包括設計、工藝、檢驗、裝配、包裝防護運輸等零部件全生命周期的通用一般要求。其中設計方面要求占主體地位，提出了清潔度等級選擇應考慮污染物對相關系統的影響、多種工作介質需要考慮最高等級要求等原則，給出了不同典型零部件推薦的清潔度等級以及等級標識方法示例，提出有利于清潔度控制的結構設計要求。從全方位控制角度出發，標準中還規定了液體（包括工作液和清洗液）的清潔度要求，以及零部件剩磁、退磁要求等。

清潔度控制工藝要求類標準

清潔度控制工藝要求類標準規定了人員準入要求，設備工具維護要求，清洗液使用/禁用規則，以及環境的清潔和照度要求。操作過程要求覆蓋了清洗前后、干燥、檢測和防護的工藝要求，并擴展說明了對成附件產品和裝配試車過程的清潔度控制要求等。

顆粒污染物提取和檢測方法類標準

顆粒污染物提取及檢測方法類標準具備一定的通用性，行業間的差異不大。顆粒污染物提取標準按照晃動、壓力沖洗、超聲波清洗以及模擬功能試驗4種方法介紹了提取液、儀器、環境和試驗程序。顆粒污染物檢測標準按照稱重法、顯微分析法和自動顆粒計數儀法3種方法介紹了檢測儀器裝置、環境、程序、結果及報告等方面的內容。

結束語

航空發動機零部件清潔度控制是進一步提升產品研制水平的關鍵之一。清潔度控制系列標準的編制發布，可推動中國航空發動機研制從液體清潔度控制開始進入零部件清潔度控制的全新階段，也對從業人員意識、清潔度控制技術攻關、關鍵參數驗證、自動化設備設施以及經驗數據積累等方面提出了需求。為盡快實現零部件清潔度可控，保障軍民用航空發動機產品性能和可靠性，需要大力支持相關軟硬件條件建設和技術研究，全面提升清洗、檢測、驗收和包裝運輸等零部件清潔度控制技術能力，解決標準實施的瓶頸問題。標準應用過程中建議強調設計輸入和管控，由專業人員對標準動態維護更新以及標準實施過程中的審核批準負責，在分階段試點實施和經驗總結基礎上盡快推進標準的大范圍貫徹實施。

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