航空發動機高壓渦輪葉片失效涂層的清除

張斌科，張春剛，李晗曄，趙林 *

（1.沈陽黎明航空發動機集團公司，遼寧 沈陽 110043；2.中國科學院金屬研究所材料環境腐蝕研究中心，遼寧 沈陽 110016）

航空發動機高壓渦輪葉片所用涂層為高溫擴散涂層。高壓渦輪葉片經過一個使用周期后，需要檢查涂層表面狀態，如有破損或失效，則需將原有的涂層全部清除，重新噴涂新涂層[1-4]。因此，該涂層的清除是高壓渦輪葉片修理的首要工作，直接關系到航空發動機的修理進度。

該高溫擴散涂層為鋁硅系涂層，加工工藝為熱噴涂加真空擴散熱處理，所形成的涂層為擴散層加涂層。涂層整體厚度在0.04 mm 左右，擴散層厚度在0.01 mm 左右。該種涂層的耐腐蝕性能好，結合強度高，抗沖刷性能好，在3 000 °C 左右的高溫下具有較長的使用壽命。故在不損傷基體的條件下，徹底清除表面涂層和擴散層十分困難。而且在噴涂過程中，對進氣邊采用了二次噴涂工藝，增加了涂層厚度。這給均勻清除涂層造成了更大的困難。因此，在不對基體造成過腐蝕的情況下完全清除高溫涂層，成為亟待解決的技術關鍵[3-6]。本文對高壓渦輪葉片高溫防護涂層清除溶液的組成進行了研究，以便獲得能夠完全清除涂層而又不發生基體過腐蝕的涂層清除工藝。

1 實驗

1.1 試劑與材料

軍機發動機用高壓渦輪葉片(已服役300 h)主要成分如下(以質量分數表示)：C 0.15% ~ 0.20%，Cr 8.0% ~9.5%，Al 5.1% ~ 6.0%，Ti 2.0% ~ 2.9%，Mo 1.2% ~ 2.4%，W 9.5% ~ 11.0%，Co 9.5% ~ 10.5%，Nb 0.8% ~ 1.2%，Ni 余量。

試驗所用的化學試劑HNO3、HF、純鐵粉為市售分析純(現場生產則用工業級)。

1.2 檢測設備

金相檢查采用CJL-03 型江南顯微鏡，金相照片采用德國產NEPPHOT32 型顯微鏡拍攝，采用Cambridge S240型掃描電鏡自帶的能譜分析儀進行能譜分析。

1.3 工藝流程及說明

蠟封─檢查絕緣層的質量─酸洗(去除涂層)─流動冷水洗─中和─清理─除蠟─熱水清洗─汽油清洗─吹干─檢驗。

(1) 蠟封：葉片在酸洗前應按工藝圖表的要求對葉片榫頭、葉尖、端面、進氣邊孔、排氣邊縫用蠟制膠泥進行絕緣，若葉片表面有碰傷處，則用蠟制膠泥進行保護。

(2) 酸洗：即去除涂層。將試片放置在槽中幾分鐘，然后目視檢查涂層去除情況，如涂層未去除干凈，則繼續酸洗，直到目視除凈為止。所用時間即為本批葉片的酸洗時間。

(3) 中和：用2% ~ 5%碳酸鈉溶液清洗，中和殘余酸液。

(4) 清理：用毛刷或紗布除去葉片身上的黑灰(即腐蝕產物)。

(5) 除蠟：用80 ~ 90 °C 熱水除蠟，反復多次，除凈為止。

(6) 熱水洗：用80 ~ 90 °C 的熱水漂洗葉片。

2 結果與討論

2.1 高壓渦輪葉片高溫防護涂層的厚度分布

渦輪葉片上的涂層厚度分布不均勻，在葉片的進氣邊處涂層厚度為0.037 5 ~ 0.045 0 mm，因為該處高壓氣流磨損強度較大，因此，須噴涂較厚的涂層。其他部位的厚度在0.025 ~ 0.030 mm。試片截面金相照片見圖1(放大100 倍)。試片所涂的高溫涂層分為涂層和滲層兩部分，其厚度比大致為1∶1。其中，上層顏色較深者為滲層，下層為涂層。

圖1 帶涂層的渦輪葉片的截面金相照片Figure 1 Section metallograph of the turbine blade with coatings

2.2 失效涂層清除工藝的研究

失效涂層清除溶液配比如下：

溶液壽命為每升酸洗液可清洗葉片5 ~ 6 片。

為了使失效涂層的清理過程能夠平穩、勻速地進行，而且不損傷渦輪葉片基體，對各個溶液組分的作用進行了分析。

2.2.1 硝酸的影響

硝酸在清除液中起氧化和清除作用。而且具有氧化性的硝酸根離子可以鈍化基體，在基體上生成一層鈍化膜，起到保護作用，一定程度上阻止清除液對基體的腐蝕。溶液中硝酸含量少，失效涂層清理時間長，而且清理不徹底；硝酸含量多，電離出來的氫離子、硝酸根濃度大，一方面，氫離子含量增加可以加速反應的進行，縮短失效涂層的清理時間；但是過快的反應速度將無法保證涂層清除過程的可控。因此，控制硝酸濃度在合適的范圍內尤為重要。實踐證明，硝酸含量在380 ~ 410 g/L 比較適宜。

2.2.2 氫氟酸的影響

氫氟酸主要起到腐蝕的作用。在涂層清除溶液中，硝酸與氫氟酸電離出的氫離子可以滲入涂層與滲層的交界處，活化了滲層中所含的Al3+、Cr(VI)、Si2+等活性離子，生成氫氣，對涂層的清除起到了剝離作用。氫氟酸電離出來的氟離子是所有負離子中粒子半徑最小的，具有良好的滲透性。但是氫氟酸的酸性不強，所以只有在硝酸等氧化劑存在的條件下，才可以腐蝕并剝離涂層。而且氟離子可以與涂層中的主要成分Al3+相互配位，促進了反應的進行。氫氟酸含量較低的溶液對失效涂層的腐蝕作用非常緩慢，涂層表面無連續氣泡生成，即使延長清理時間，也無法徹底清除渦輪葉片表面的失效涂層。

增加氫氟酸的濃度可以明顯加快失效涂層的清除速率，但是也很容易造成基體的腐蝕。當氫氟酸的含量超過30 g/L 時，在清理干凈失效涂層的同時也會對渦輪葉片基體造成局部腐蝕，出現不連續的蝕坑，使葉片無法繼續使用。因此，控制溶液中氫氟酸的含量是整個清除過程的關鍵。氫氟酸適宜的用量為20 ~ 25 g/L。

2.2.3 鐵粉的影響

鐵粉的加入增加了溶液中的鐵離子含量，起到“老化”溶液的作用，使清除涂層的速度更加平穩。而對于新配制的溶液，加入一定量的鐵粉可使反應初期反應速度不至于太快，并保持整體反應平穩進行。

2.2.4 溫度的影響

溫度越高，清除的速度越快，對清除效果的控制也較難以把握。因此，控制溫度在合適的范圍內，是保證清除效果和防止發生過腐蝕的關鍵。由于清除涂層是放熱反應，溶液溫度隨著反應的進行而不斷提高，因此溶液的最佳工作溫度在40 °C。

2.2.5 其他因素

生產中發現，試片的擺放位置與清除效果有關。同一試片，朝上的一面清除效果要明顯好于朝下的一面。

在反應過程中可以清楚地看到表面首先有微小氣泡生成。隨著氣泡的逐漸增大，可以清晰地看到表面的涂層從基體上緩慢鼓泡、剝離，剝離出來的黑色片狀固體漂浮在溶液中，最終在表面形成了一層黑色的浮灰。將試片從溶液中取出，用毛刷可以刷掉該層浮灰。

在清除過程中，攪拌是保證清除速度的關鍵。攪拌可以加速腐蝕性離子及腐蝕產物的傳質，促進反應進行。但是攪拌速率不宜過大。由于涂層的清除需要一定的反應時間，攪拌速率過大反而會破壞傳質過程，使反應尚未進行就發生離子轉移，從而阻礙涂層清除的進行。如果條件允許，可采用間歇式攪拌法，即每隔2 ~ 3 min 劇烈攪拌溶液8 ~ 10 s。

3 現場應用情況

選取一組渦輪葉片，按照上述工藝進行涂層清除，酸洗時間分別取8、20 和30 min，然后在顯微鏡下觀察涂層清除結果，如圖2 所示。酸洗8 min 時，渦輪葉片的涂層未清理干凈，在基體之上還有明顯的涂層組織存在(見圖2a)。而酸洗20 min 時涂層已清理干凈且基體完好，基體表面干凈平滑，未見涂層組織殘留(見圖2b)。圖2c為存在輕微過腐蝕的試片，基體表面凹凸不平。

圖2 不同酸洗時間渦輪葉片的金相照片Figure 2 Metallographs of the turbine blades pickled for different time

在酸洗過程中發現，涂層經過一段時間的反應后，在表面會形成一層淺黃色的組織。開始以為是基體已經顯露出來，但在顯微鏡下觀察，基體表面還有滲層。為了確定該淺黃色物質的組成，對其進行能譜分析，其中P1 點為完整涂層部位，P2、P3、P4 點為淺黃色組織的不同部位。測試結果如表1 所示。

表1 涂層與淺黃色物質能譜分析結果Table 1 Result of energy-dispersive spectroscopic analysis for the coating and pale yellow substance

從表1 可以看出，P1、P2、P3、P4 點處都含有一定量的Cr、Mo 元素，但P1 中沒有W 元素存在。對照基體組成可知，W、Mo、Cr 元素都來自于基體。該涂層為一種熱擴散型涂層，在熱擴散過程中Cr、Mo 具有較高的活性，與涂層中的Al、Si 元素構成擴散偶。在高溫過程中發生基體與涂層之間的離子相互擴散作用，使得滲層組織中形成了β-NiAl 相，其上分布有硅化物。由于Cr、Mo 元素在NiAl 相的溶解較低，它們以α-Cr、α-Mo相質點形式存在并分布在涂層中。Cr、Mo 元素的擴散促進了涂層高溫下的穩定性，同時也增加了清除的難度。涂層制備后剖面檢查發現該滲層組織的外觀即為淺黃色，無金屬光澤。

因此，當葉片表面出現淺黃色物質時，表面仍存在著滲層，需要繼續清理才能將涂層全部清理干凈。不過此時需要嚴格控制反應時間，當溶液中葉片表面氣泡明顯減少時，應馬上將葉片取出，進入下道工序。

4 結語

通過生產實踐確定了航空發動機高壓渦輪葉片涂層清除工藝：HNO3380 ~ 410 g/L，HF 20 ~ 25 g/L，鐵粉2 ~ 4 g/L，固定添加劑4 g/L，溫度(40 ± 1) °C，時間20 min，采用間歇式攪拌法，每隔2 ~ 3 min 劇烈攪拌溶液8 ~ 10 s。實踐證明，該清除工藝可以徹底清除航空發動機高壓渦輪葉片的表面涂層，對基體影響較小，溶液壽命為每升酸液可洗5 ~ 6 片高壓渦輪葉片。

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