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基于扫描电子显微镜和能谱仪分析法在航空发动机滑油系统中金属屑的分析及应用

2015-10-12  

徐 芬,邓胜良,王君兆,杨振英

(深圳市美信检测技术股份有限公司,广东 深圳)

 

【关键词】航空发动机;滤油器;碎屑萃取;扫描电镜和能谱仪分析法

 

【摘要】对滑油中的金属屑分析是现代民航发动机状态监控的重要技术手段,本文主要介绍了发动机内部滤油器中碎屑的萃取方法以及碎屑的扫描电镜和能谱仪分析方法,最后通过两个实际案例介绍了该技术在民航发动机中的具体应用。

 

Application of SEM and EDS on Aero-Engine Lubricant debris Analysis

Fennie Xu, Sylar, Junzhao Wang, Eagle Yang

(Meixin Testing Technology Co.,Ltd, shenzhen Guangdong)

 

Key words:Aero-engine; Oil Filter; Extraction of debris; SEM and EDS Analysis

 

Abstract:Lubricant debris analysis is one of the important techniques for modern civil aviation engine condition monitoring. This paper mainly introduces the extraction method of debris from engine oil filter and the SEM and EDS analysis of debris. Application of this technique on aviation engine condition monitoring is demonstrated with two case studies.

 

1、引言

航空发动机的正常工作是飞行安全的重要保障[1],而针对发动机的滑油系统中的金属屑分析是监测发动机内部零部件的磨损情况的重要手段之一。在发动机的滑油系统中,轴承和齿轮正常磨损和非正常磨损而产生的金属屑首先会在金属碎屑探测器(MCD)被捕捉到,如果产生的金属屑量较大以及油箱中残存有金属屑,则会在滤油器中被捕捉。通过定期检查磁堵及滤油器中金属屑并进行分析,可及时掌握不同轴承和齿轮的磨损情况,从而确定发动机是否可以按照标准继续使用并飞行或终止飞行进行检修等,因此研究航空发动机滑油系统中金属屑对保证航空飞行安全具有重要意义。

 

2、金属屑的分类[2-3]

常见的金属屑通常可分成如下四类:

(1)细粉:其外观呈黑色或灰色的绒毛或污泥状,该类金属屑为正常磨损产物,轴承打滑时也会产生该类磨损产物。

(2)薄片:该类金属屑其形状不规则,两面平坦发亮,可能来自轴承或齿轮, 确定其来源需进行分析确定。典型图片见下图:

 

金属屑薄片 金属屑薄片
图1.金属屑-薄片典型电镜图片
Fig.1 The SEM photo of metal debris -flake

 

(3)碎屑:该类金属屑外观呈较厚的金属片,表面一般较粗糙、不规则,可能来自轴承或齿轮,确定其来源亦需进行分析确定。典型图片见下图:

 

金属屑碎屑 金属屑碎屑
图2.金属屑-碎屑典型电镜图片
Fig.2 The SEM photo of metal debris -fragment

 

(4)金属卷曲:该类金属屑其外观呈卷曲的细丝状或刨花状,一般呈现典型齿轮状磨损形貌,可能来自轴承或齿轮。典型图片见下图:

 

金属屑,金属卷曲 金属屑,金属卷曲
图3.金属屑-金属卷曲典型电镜图片
Fig.3 The SEM photo of metal debris -machine curls

 

3、金属屑分析方法

本实验室主要采用扫描电子显微镜和能谱仪分析法对金属屑进行分析,首先将滤油器中的碎屑萃取到溶剂中,再通过磁性介质将碎屑分离为磁性金属与非磁性金属并分别过滤到滤膜上,然后通过扫描电子显微镜对颗粒的尺寸、形状及表面特征形貌进行分析从而确定磨损机制(粘着磨损、磨粒磨损、切削磨损、剪切、断裂等),同时利用能谱对碎屑的成分进行分析,根据成分确定材料牌号,再通过与滑油系统中主要磨损件的材料牌号相对照,确定可能受损的零件及损伤严重性。

 

3.1 滤油器中碎屑的萃取与分离

图4为常见的航空发动机的滤油器,其中滤网隔间中一般会附着大量的碎屑,在这些碎屑中,又分为金属碎屑(来自发动机的内部零件磨损)和非金属碎屑(砂石、灰尘等),如何将混杂在其中的金属碎屑提取、分离是我们首要面临的问题。 

 

油滤金属屑分析

图4 滤油器图片

Fig.4 The photo of Oil Filter

 

本实验室主要通过压力冲洗法将滤油器中碎屑萃取到溶剂中,后通过真空过滤系统,将碎屑过滤到滤膜上,最后将上述含过碎屑的滤膜放在恒温箱(80℃,30min)中进行干燥,等待进一步的分析。

 

3.2 形貌观察成分分析

通过上述的碎屑萃取与分离过程,得到非磁性碎屑和磁性碎屑,具体见图5。然后通过显微取样技术将非磁性碎屑和磁性碎屑分别取至SEM+EDS专用载物台上。

 

非磁性碎屑 磁性碎屑
非磁性碎屑
Non-magnetic debris
磁性碎屑
Magnetic debris
图5非磁性碎屑和磁性碎屑
Fig.5 The non-magnetic and magnetic debris

 

将显微取样后的磁性碎屑与非磁性碎屑分别按照要求放入扫描电镜中,观察碎屑的表面特征形貌,推断其磨损机制,并利用EDS对碎屑进行成分分析,得出其具体元素成分含量并推断其牌号。

 

4、滑油系统金属屑案例

4.1 某款发动机磁堵金属屑分析

从磁堵收集到金属屑为两类见图6及图7所示,金属屑-1#及2#均呈薄片状,经能谱仪分析,金属屑-1#牌号为碳素钢,金属屑-2#牌号为Z12CNDV12,由于金属屑表面污染及能谱仪半定量特性等方面问题的存在,故实际成分会与标准牌号成分存在一定差异。

 

金属屑SEM 金属屑SEM
图6.金属屑-1#典型SEM图片
Fig.6 The SEM photo of metal debris -1#
图7.金属屑-2#典型SEM图片
Fig.7 The SEM photo of metal debris -2#

 

通过以上分析结果及材料牌号对照,可以确定这些材料来自于发动机中非重要轴承部件,结合其特征形貌、数量及尺寸确定该发动机可以正常继续使用,其飞机尚可正常飞行。

 

4.2 某款发动机油滤金属屑成分分析 

对该油滤进行清洗、过滤、碎屑分离及分析等步骤后,碎屑主要分为非金属及金属两大类,其非金属碎屑总重量105.23mg,金属碎屑总重量为2.91mg。其典型金属碎屑见图8~11。

 

SEM分析 SEM分析
图8. Silver-01典型SEM图片
Fig.8 The SEM photo of Silver-01
图9. Silver-02典型SEM图片
Fig.9 The SEM photo of Silver-02
SEM分析 SEM分析
图10. Iron-01典型SEM图片
Fig.10 The SEM photo of Iron-01
图11. Iron-02典型SEM图片
Fig.11 The SEM photo of Iron-02

 

通过对油滤中金属碎屑进行元素成分、碎屑典型特征形貌、尺寸及数量等分析后,可以确认该油滤中存在大量银碎屑,通过核查该型号发动机资料表明,该轴承保持架表面都有镀银层,故其来源可初步确定为轴承保持架,而分析金属碎屑还发现M50及M50NIL等材料,结合该型号发动机,该类型材料来自于主轴承,大量轴承金属碎屑的存在且结合碎屑尺寸大小表明该型号发动机主轴承已严重损坏,该发动机不可继续使用应当立即换下。

 

5、结论

航空发动机滑油系统中的金属屑分析是一项有效的发动机损伤判断手段,该方法具有快速、简便、可靠等优点,其可用于监控发动机状态进而保证飞机的飞行安全。通过扫描电子显微镜及能谱仪对滑油系统中的金属屑分析,除对其成分进行元素成分分析外,金属屑的特征形貌亦反映了发动机损伤机理,从而对金属屑的来源及成因有了一个较为可靠的判断和评估。

 

参考文献

[1] 莫翔宇 .航空发动机的几种监控方法分析[ J]. 交通企业管理,2010,9

[2] 姚红宇 .滑油中金属屑分析在航空发送机状态监控中的应用[ J]. 失效分析与预防,2006,8

[3] 吴振锋, 左洪福, 孙有朝. 磨粒分析技术及其在发动机故障诊断中的应用[ J] . 航空动力学报, 2001, 16(4):316 - 322.

 

*****结束*****

 

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