一种航空发动机和燃气轮机热部件热障涂层去除工艺的制作方法

本发明涉及热障涂层，特别涉及一种航空发动机和燃气轮机热部件热障涂层去除工艺。

背景技术：

航空发动机和燃气轮机广泛用于航空、舰船推进系统和能源发电行业中。轮进口温度和压气机压缩比决定航空发动机和燃气轮机热功转换效率，提高涡轮进口温度是提高航空发动机和燃气轮机效率的最重要途径之一。伴随着空发动机和燃气轮机热端部件所承受的工况温度、热负载也越来越大，需要热障涂层对部件进行保护，保证部件长期稳定工作而不被高温熔化。

如图1所示，热障涂层至少有两层结构，分别是陶瓷隔热外层(ceramictopcoat)和金属粘结底层(metalbondcoat)。陶瓷隔热层顾名思义，其材料是由陶瓷材料组成，且具有相对较低的热导率。例如多铝红柱石、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化钇等，目前普遍使用的是7-8wt％氧化钇部分稳定的氧化锆(简称ysz)粉末，其作用是提供物理保护防止外来物冲击，隔热降低基体温度的作用，以及具有一定的抗热腐蚀能力。金属粘结底层一般是由mcraly层和/或铝化物层构成。可以是上述的第一种涂层，即铝化物防护涂层，如图2所示，即mcraly(m代表ni、co或nico)涂层。其作用是对陶瓷层提供粘附力，同时对基体提供抗氧化能力和抗热腐蚀能力，主要是由ni、co、cr、al等元素组成的掺杂一定量的金属间化合物的固溶体。

一般采用喷砂工艺去除ysz陶瓷层，是目前工业界使用最多的办法，其缺点在于：1、容易造成局部过喷甚至导致局部变形，导致叶片报废或降低使用寿命；2、容易造成局部mcraly层或铝化物层剥落，甚至暴露基体，在后续的泡酸腐蚀去除mcraly层或铝化物层的处理中，强酸同样会对基体造成较大的伤害，导致叶片报废或降低其服役寿命。3、叶片本身翼型复杂，并且沿径向包含弯曲和扭转，在多联静叶片中，还涉及上下缘板及两叶身之间的相互干扰和遮挡，导致手工喷砂质量不稳定，难以保证整批叶片去除涂层工艺一致性和可靠性。

对于mcraly层或铝化物层采用化学溶解，溶液温度一般要求在45℃以上。这时产生的酸性气体和大量废酸液的回收同样对环境和人体存在极大危害，同时成本很高。无论是熔融盐还是强氧化性酸和点蚀酸混合溶液，都是重污染物，并且由于热障涂层的厚度往往在1000微米以上，其需要的强酸的量巨大，一排重型燃气轮机叶片的涂层去除往往需要数吨硝酸和盐酸的混合溶液，环境压力较大。强酸腐蚀方法在去除旧涂层的同时，对高温合金基体也存在一定的腐蚀作用。腐蚀过程极有可能超越涂层/基体界面，对基体产生较大伤害。更为重要的是，整个涂层去除工序整个工艺周期较长，一般需要一周时间，属于整个工艺过程的瓶颈工序，严重影响维护维修周期。

技术实现要素：

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种航空发动机和燃气轮机热部件热障涂层去除工艺，具有去除界面准确，避免伤害基体，缩短工期，不再使用大量的强酸溶液，有利于环境保护的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种航空发动机和燃气轮机热部件热障涂层去除工艺，包括以下步骤：

步骤s1：采用自动设备完成ysz陶瓷层去除；

步骤s2：采用电化学工艺铝化物层和mcraly层去除。

进一步的，步骤s1具体包括以下工步：(1)、优化、确定砂料材质；(2)、优化、确定喷砂角度、喷砂压力和喷砂距离；(3)、设计并制造保护叶片用工装；(4)、编制叶片喷砂去除ysz层的机械手运动轨迹程序；(5)、ysz陶瓷层去除后检测。

进一步的，在步骤s1中的工步(3)中，叶片包括上缘板a，下缘板b，吸力面c，压力面d和叶身前缘e，根据叶片各个区域不同的外形，设计保护其的工装。

进一步的，在步骤s1中的工步(4)中，将上缘板a细分为3个亚区域，即a1，a2，a3，同理，下缘板b也细分为3个亚区域，即b1，b2，b3，将吸力面c分为2个亚区域，即c1，c2；同理将压力面d分为2个亚区域，即d1，d2，之后建立三个空间坐标系，基础坐标系：一个是零件、工装在基础状态下，坐标系以机械手的大地坐标系为基础，将原点移至转台中心线与三爪卡盘平面的交点处；前倾坐标系：一个是零件、工装在前倾状态下，坐标系是将导向叶片从地面法向方向向机械手方向倾转正30度，然后以此时导向叶片的下缘板面的近似平面作为其中一个基准平面，另外两个面分别与该面垂直，而且另外这两个面彼此垂直；后倾坐标系：一个是零件、工装在后倾状态下，坐标系是将导向叶片从地面法向方向向机械手方向倾转负30度，然后以此时导向叶片的上缘板面的近似平面作为其中一个基准平面，另外两个面分别与该面垂直，而且另外这两个面彼此垂直，根据三个坐标系制定区域的喷砂路径，保证喷枪相对零件不同曲率表面的线速度保持一致。

进一步的，步骤s2具体包括以下工步：(1)、电解池组分设计；(2)、辅助电极工装设计；(3)、确定预设工作电极电极电位范围；(4)、确定阳极溶解峰值电流；(5)、确定mcraly层的电化学溶解控制参数；(6)、铝化物层和mcraly层去除后的检验。

进一步的，在步骤s2中的工步(1)中，电解池组分包括碱金属和碱土金属的卤化物，含有能够控制ph值的酸。

进一步的，在步骤s2中的工步(3)中，绘制铝化物层的动电位极化曲线和基体的动电位极化曲线，铝化物层和基体的电流密度相差大的范围为工艺窗口，工艺窗口为0-0.4v。

进一步的，在步骤s2中的工步(4)中，控制器记录过程中的电流变化，随着电流逐渐增大，直到记录电流的峰值，然后电流逐渐减小；当控制器记录到峰值电流以及后续电流下降后，此峰值电流为第一预设电流值；后续试验在到达此值时，控制器将命令a和b电压调节器停止输出电压，即中断涂层去除操作。

进一步的，在步骤s2中的工步(4)中，中断涂层去除操作之后，更新电解液，使工作电极的表面离子浓度和初始状态相同，然后打开控制器，命令a和b电压调节器到指定电位，即进入预设的工作电极相对参比电极的电极电位范围，继续进行阳极溶解，以上循环需要多次，直到铝化物层被完全去除。

进一步的，在步骤s2中的工步(5)中，根据电流密度的差值，寻找一个或两个工艺窗口，对mcraly层和扩散亚层进行整体或分别两次去除。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.通过自动喷砂取代人工喷砂，确定整个去涂层过程喷砂角度、喷砂距离、轨迹搭接率一致，提高喷砂均匀性和稳定性，保证ysz陶瓷层均匀去除，同时活化底层表面、降低对底层的伤害；

2.采用电化学去除工艺取代化学泡酸去除涂层工艺，提高涂层去除速度、精确控制涂层/基体界面，并且减少过程中的大量酸液用量，安全环保；

3.使用叶片仿形电极作为电化学处理系统的辅助电极，在发动机叶片与辅助电极之间构建均匀电场，全程实现对叶片整体的匀速腐蚀，有效解决浸泡处理过程中叶片局部区域过度腐蚀或腐蚀不足的情况，降低对工件的伤害。

4.针对铝化物层和/或mcraly层的不同组成部分，基于动电位极化和交流阻抗谱等电化学特征曲线，制定合理的电化学处理工艺范围，主要包括电解液组分、温度、电流和电压及其组合方式等，实现对涂层不同部位的针对性去除；

5.在电化学处理的过程中，无论是采用恒电流法还是采用恒电压法，都将对其中的关键信号参数进行监控，依靠参数都能对去除过程进行实时监控，精确控制涂层去除速度，以及涂层是否去除到界面。

附图说明

图1是典型热障涂层的结构示意图；

图2是典型热障涂层结构横截面扫面电镜图；

图3是航空发动机和燃气轮机热部件热障涂层去除工艺的步骤流程示意图。

图4是砂粒冲击零件反射的示意图；

图5是砂粒冲击零件粉碎的示意图；

图6是叶片上缘板的结构示意图；

图7是叶片下缘板的结构示意图；

图8是叶片的截面示意图；

图9是喷砂去除ysz陶瓷层后露出的mcraly层表面的扫描图；

图10是电化学涂层去除的电位图；

图11是发蓝方法检验样品的检验图；

图12是实施例1中样品的检验图；

图13是实施例2中样品的检验图；

图14是实施例3中样品的检验图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

实施例1：一种航空发动机和燃气轮机热部件热障涂层去除工艺，如图3所示，包括以下步骤：

步骤s1：采用自动设备完成ysz陶瓷层去除。其具体包括以下工步：

(1)、优化、确定砂料材质。

砂料优选白色氧化铝、棕色氧化铝以及碳化硅中的一种，砂料的数量具体为40目、或60目、或80目、或120目。白色氧化铝砂纯度为大于95.5％的氧化铝构成，硬度很高，莫氏硬度大于9。棕色氧化铝含有少于1.5％的游离二氧化硅，一般其氧化铝的含量为93％左右，另外包含一定量的氧化钛、氧化硅和氧化铁以复合化合物的形态组成磨料颗粒。

喷砂过程可以简化成无数个砂粒冲击零件表面。如图4所示，一种是撞击或切削涂层表面后，整体反射离开涂层表面。如图5所示，另一种是撞击或切削后，磨料破碎，由一个整体变成多个碎块，同时也有可能有部分磨料镶嵌在涂层内部。由于ysz层是陶瓷材料，其硬度和磨料硬度类似。磨料在撞击陶瓷时，破碎成多片的概率更高，而破碎后的磨料颗粒由于目数的升高，其撞击和切削的能力将显著降低。所以，降低磨料的破碎率，才能提高磨料的重复利用率，提供自动喷砂系统的自维持能力，从而达到长时间稳定磨料流量喷砂的效果。从这个角度来看，棕色氧化铝优于白色氧化铝优于碳化硅，但是棕色氧化铝因为含有氧化钛和氧化铁等杂质，这些磨料去除陶瓷层后，会粘附和镶嵌在金属层表面，会干扰后续的电化学去除铝化物层或mcraly层工作，综合考虑优选白色氧化铝作为磨料材质。

(2)、优化、确定喷砂角度、喷砂压力和喷砂距离。

喷砂角度届时将根据翼型和机械手轨迹等实际情况选择45°到90°中的任意角度。本实施例中选用喷砂角度为45°

喷砂压力显而易见压力越高，磨料速度越快，撞击强度越高，涂层去除效果越明显，根据实际确定一个喷砂压力，喷砂压力的范围是0.2～0.4mpa，本实施例中喷砂压力为0.2mpa。

无论使用何种粒度的砂粒，ra首先随着爆破距离的增大而增大，然后达到一个稳定值，然后减小。当喷砂距离太短时，反弹的颗粒会减少它们在飞行中碰撞的砂砾颗粒的数量和/或撞击效率。当喷砂距离太大时，粒子速度减小，特别是小粒子的速度显著减小。采用压入式喷砂机，8-10mm内径喷嘴，在100-300mm喷砂距离进行测试，选择最优喷砂距离参数150mm。

(3)、计并制造保护叶片用工装。

设计一种工装，叶片包括上缘板a，下缘板b，吸力面c，压力面d和叶身前缘e，根据叶片各个区域不同的外形，设计保护其的工装，保护涡轮导叶上下缘板的工装，同时固定到转台。

(4)、编制自动设备程序。

如图6所示，将上缘板a细分为3个亚区域，即a1，a2，a3；如图7所示，同理，下缘板b也细分为3个亚区域，即b1，b2，b3，将吸力面c分为2个亚区域，即c1，c2；如图8所示，同理将压力面d分为2个亚区域，即d1，d2，之后建立三个空间坐标系，基础坐标系：一个是零件、工装在基础状态下，坐标系以机械手的大地坐标系为基础，将原点移至转台中心线与三爪卡盘平面的交点处；前倾坐标系：一个是零件、工装在前倾状态下，坐标系是将导向叶片从地面法向方向向机械手方向倾转正30度，然后以此时导向叶片的下缘板面的近似平面作为其中一个基准平面，另外两个面分别与该面垂直，而且另外这两个面彼此垂直；后倾坐标系：一个是零件、工装在后倾状态下，坐标系是将导向叶片从地面法向方向向机械手方向倾转负30度，然后以此时导向叶片的上缘板面的近似平面作为其中一个基准平面，另外两个面分别与该面垂直，而且另外这两个面彼此垂直，根据三个坐标系制定区域的喷砂路径，保证喷枪相对零件不同曲率表面的线速度保持一致。

(5)、ysz陶瓷层去除后的检验。

ysz陶瓷层去除后，采用二次电子激发和背散射复合扫描照片。如图9所示，在背散射电子视场下，黑色大块相为磨料颗粒(包括破碎后的小颗粒)，白色相(可能掺杂黑色条状带)是mcraly相，其中掺杂的黑色条状物是热喷涂工艺的本征属性造成的。热喷涂工艺是利用高能热源将高压气体运载的粉末加热成熔融和/或半熔融态的粒子，并以较高的速度撞击基体表面使该粒子变形成圆饼状，然后各个圆饼互相搭叠堆积，形成涂层。由于粒子处于熔融和/或半熔融态，且速度较高，粒子由水滴形变成圆饼状的过程中，将发生溅射现象，即无数微小的液滴溅射在该圆饼装颗粒周围。同时颗粒的外表面往往已经发生氧化，形成铝、镍和铬的氧化物，所以在背散射电子视场下同样呈现黑色。在平面截图中就以黑色丝带状体现。二次电子像相比背散射电子像，其图像的清晰度更高，界面更明显。所以针对喷砂去除ysz后热障涂层，采用二次电子像和背散射电子像复合方法观察得到图像。如果图像中的除了大面积的含黑色丝带相的白色相外，黑色大块相是带棱角的不规则的单个颗粒相，没有剩余连续大块陶瓷相幸存，则表明热障涂层的外层ysz陶瓷层已经被全部去除。然后利用徕卡特定相分析软件，采用二值分割的方法，分出黑色相和白色相。测量方法是：把图像从黑到白分成256等份，通过阈值调节选中其中一部分，因图像质量等原因不能被准确选中的可以通过软件辅助工具增加或删减，准确选择后进行二值化分割，软件自动计算各项面积占比情况，得出相对含量值。同时在分割过程中，采用软件中的局部微调功能，摒除黑色丝带状区域，更精确的确定喷砂去除陶瓷层后，粘附和嵌入在mcraly金属层或铝化物金属层表面的磨料颗粒的百分率，即界面污染率。

步骤s2：采用电化学工艺铝化物层和mcraly层去除。

(1)、电解池组分设计：

电解池组分优选碱金属和碱土金属的卤化物。碱金属和碱土金属的卤化物包括盐酸(hcl)、氢氧化钠(naoh)、氯化钠(nacl)、氯酸钠(naclo3)等酸、碱、盐。优选为氯化钠用于提高电解池的离子导电能力，实现基本的涂层操作功能，另外，氯离子可以起到穿透、破坏钝化膜的作用，并且易购，经济和环保友好，提高离子传递能力，促进溶解后的金属离子浓度在电解池中的均匀性，根据实际择优选择具有强氧化性组分。再选择一种酸，甚至强氧化性酸，来控制电解池的ph值以及促进金属阳极的氧化。

本实施例中电解池组分具体为：kf氟化钾浓度范围是2％～15％，k2cr2o7重铬酸钾范围是4％～13％，hcl盐酸范围是＜11％。

(2)、辅助电极工装设计：

实践证明，由于电流的集肤效应和边缘效应，即使在与平面阴极距离完全相等的平面阳极上，电流密度和去涂层速度的分布也不是均匀的，在尖角和边缘上铝化物层去除速度将明显大于平均去除速度，平面阳极中心表面的涂层去除速度将明显小于平均去除速度。对于导向叶片这种形状复杂，曲率变化较大的零件，这种偏差甚至会高达几倍之多。所以辅助电极不仅要具有仿形的特点，其表面积最好远大于工作电极，通过降低辅助电极表面的电流密度达到降低其在电化学过程中的极化效应的目的。同时，还可以使用多个辅助电极来配合一个工作电极使用，提高调整局部涂层去除速度方法的灵活度。

(3)、确定预设工作电极电极电位范围：

在具体涂层去除操作中，首先由控制器输出控制信号给连接辅助电极的a电压调节器和连接工作电极的b电压调节器，由此来提供一个槽压来控制工作电极和参比电极的电位差在一预设的范围内。该预设范围是一个重要的过程控制参数，最终将由具体基体、涂层、电解池等试验环境确定。如图10表示零件在特定电解池中其铝化物层和基体的电流密度与工作电极相对参比电极的电极电位之间的函数关系。其中0-0.4v即为涂层去除过程中的工艺窗口，即预设的电极电势范围，在工艺窗口内选择输出电压。a1曲线是铝化物层的动电位极化曲线，a2是基体的动电位极化曲线。表示在窗口范围内，铝化物层和基体的电流密度相差很大，在这个范围内涂层去除效果最好。

(4)、确定阳极溶解峰值电流：

阳极溶解过程中，控制器记录过程中的电流变化，随着电流逐渐增大，直到记录电流的峰值，然后电流逐渐减小。当控制器记录到峰值电流以及后续电流下降后，此峰值电流为第一预设电流值；后续试验在到达此值时，控制器将命令a和b电压调节器停止输出电压，即中断涂层去除操作。更新电解液，使工作电极的表面离子浓度和初始状态相同。然后打开控制器，命令a和b电压调节器到指定电位，即进入预设的工作电极相对参比电极的电极电位范围，继续进行阳极溶解。以上循环需要多次，直到铝化物层被完全去除。试验达到去除涂层目的后，可以加装电解液自循环、净化系统，时刻保持工作电极表面的溶液状态和初始状态一致，便于大量工业生产。

(5)、确定mcraly层的电化学溶解控制参数：

由于mcraly层的扩散亚层和铝化物层的过程层的物理、化学性质存在一定差异，可能会多一层预设电流值。即测量mcraly层、扩散亚层以及基体三种相的动电位极化曲线后。根据电流密度的差值，寻找更合适的一个或两个工艺窗口，对mcraly层和扩散亚层进行整体或分别两次去除。

(6)、铝化物层和mcraly层去除后的检验：

采用发蓝方法检验铝化物层和mcraly层的去除效果。该检验方法的原理是根据不同成分相氧化后在自然光下呈现的颜色不同来确定铝化物层或mcraly层是否被去除。检测样品如图11所示，铝化物层和mcraly层在600-700℃氧化后其颜色为灰色或泛金黄色，高温合金基体在600-700℃氧化后为蓝色。因此，如果金属层被全部去除，则发蓝处理后，整个流道面和叶身将是蓝色。如果存在灰色或金黄色区域，则表明该区域还有涂层残留。

实施例2：与实施例1不同的步骤在于：

步骤s1：采用自动设备完成ysz陶瓷层去除。

(2)、优化、确定喷砂角度、喷砂压力和喷砂距离。本实施例中选用喷砂角度为70°。

喷砂压力为：0.3mpa。

喷砂距离为：210mm。

步骤s2：采用电化学工艺铝化物层和mcraly层去除。

(1)、电解池组分设计：

本实施例中电解池组分具体为：nacl氯化钠浓度范围是1％～11％，nh4cl氯化铵范围是2％～10％，hno3硝酸范围是＜11％。

实施例3：与实施例1不同的步骤在于：

步骤s1：采用自动设备完成ysz陶瓷层去除。

(2)、优化、确定喷砂角度、喷砂压力和喷砂距离。本实施例中选用喷砂角度为90°。

喷砂压力为：0.4mpa。

喷砂距离为：300mm。

步骤s2：采用电化学工艺铝化物层和mcraly层去除。

(1)、电解池组分设计：

本实施例中电解池组分具体为：caso4硫酸钙浓度范围是6％～14％，kmno4高锰酸钾范围是1％～10％，h3po4磷酸范围是＜11％。

产品验证：

从实施例1、实施例2和实施例3中随机选取一组进行检测，分别对应图12、图13和图14。

结果分析：可见三组样品中，其95％以上区域已经变蓝，证明涂层已经去除干净，其中流道面和叶身已经全部变蓝，证明去除效果良好；未去除的发黄区域分布在叶身与上下缘板的转角处，分析其原因可能是1：转角处于叶身相比厚度更厚，电去除时间不足，到时部分区域没有完全去除；2：酸的浓度在腐蚀过程中降低导致。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。