航空发动机高压涡轮叶片失效涂层的清除

张斌科，张春刚，李晗晔，赵林 *

（1.沈阳黎明航空发动机集团公司，辽宁 沈阳 110043；2.中国科学院金属研究所材料环境腐蚀研究中心，辽宁 沈阳 110016）

航空发动机高压涡轮叶片所用涂层为高温扩散涂层。高压涡轮叶片经过一个使用周期后，需要检查涂层表面状态，如有破损或失效，则需将原有的涂层全部清除，重新喷涂新涂层[1-4]。因此，该涂层的清除是高压涡轮叶片修理的首要工作，直接关系到航空发动机的修理进度。

该高温扩散涂层为铝硅系涂层，加工工艺为热喷涂加真空扩散热处理，所形成的涂层为扩散层加涂层。涂层整体厚度在0.04 mm 左右，扩散层厚度在0.01 mm 左右。该种涂层的耐腐蚀性能好，结合强度高，抗冲刷性能好，在3 000 °C 左右的高温下具有较长的使用寿命。故在不损伤基体的条件下，彻底清除表面涂层和扩散层十分困难。而且在喷涂过程中，对进气边采用了二次喷涂工艺，增加了涂层厚度。这给均匀清除涂层造成了更大的困难。因此，在不对基体造成过腐蚀的情况下完全清除高温涂层，成为亟待解决的技术关键[3-6]。本文对高压涡轮叶片高温防护涂层清除溶液的组成进行了研究，以便获得能够完全清除涂层而又不发生基体过腐蚀的涂层清除工艺。

1 实验

1.1 试剂与材料

军机发动机用高压涡轮叶片(已服役300 h)主要成分如下(以质量分数表示)：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。

试验所用的化学试剂HNO3、HF、纯铁粉为市售分析纯(现场生产则用工业级)。

1.2 检测设备

金相检查采用CJL-03 型江南显微镜，金相照片采用德国产NEPPHOT32 型显微镜拍摄，采用Cambridge S240型扫描电镜自带的能谱分析仪进行能谱分析。

1.3 工艺流程及说明

蜡封─检查绝缘层的质量─酸洗(去除涂层)─流动冷水洗─中和─清理─除蜡─热水清洗─汽油清洗─吹干─检验。

(1) 蜡封：叶片在酸洗前应按工艺图表的要求对叶片榫头、叶尖、端面、进气边孔、排气边缝用蜡制胶泥进行绝缘，若叶片表面有碰伤处，则用蜡制胶泥进行保护。

(2) 酸洗：即去除涂层。将试片放置在槽中几分钟，然后目视检查涂层去除情况，如涂层未去除干净，则继续酸洗，直到目视除净为止。所用时间即为本批叶片的酸洗时间。

(3) 中和：用2% ~ 5%碳酸钠溶液清洗，中和残余酸液。

(4) 清理：用毛刷或纱布除去叶片身上的黑灰(即腐蚀产物)。

(5) 除蜡：用80 ~ 90 °C 热水除蜡，反复多次，除净为止。

(6) 热水洗：用80 ~ 90 °C 的热水漂洗叶片。

2 结果与讨论

2.1 高压涡轮叶片高温防护涂层的厚度分布

涡轮叶片上的涂层厚度分布不均匀，在叶片的进气边处涂层厚度为0.037 5 ~ 0.045 0 mm，因为该处高压气流磨损强度较大，因此，须喷涂较厚的涂层。其他部位的厚度在0.025 ~ 0.030 mm。试片截面金相照片见图1(放大100 倍)。试片所涂的高温涂层分为涂层和渗层两部分，其厚度比大致为1∶1。其中，上层颜色较深者为渗层，下层为涂层。

图1 带涂层的涡轮叶片的截面金相照片Figure 1 Section metallograph of the turbine blade with coatings

2.2 失效涂层清除工艺的研究

失效涂层清除溶液配比如下：

溶液寿命为每升酸洗液可清洗叶片5 ~ 6 片。

为了使失效涂层的清理过程能够平稳、匀速地进行，而且不损伤涡轮叶片基体，对各个溶液组分的作用进行了分析。

2.2.1 硝酸的影响

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离子可以钝化基体，在基体上生成一层钝化膜，起到保护作用，一定程度上阻止清除液对基体的腐蚀。溶液中硝酸含量少，失效涂层清理时间长，而且清理不彻底；硝酸含量多，电离出来的氢离子、硝酸根浓度大，一方面，氢离子含量增加可以加速反应的进行，缩短失效涂层的清理时间；但是过快的反应速度将无法保证涂层清除过程的可控。因此，控制硝酸浓度在合适的范围内尤为重要。实践证明，硝酸含量在380 ~ 410 g/L 比较适宜。

2.2.2 氢氟酸的影响

氢氟酸主要起到腐蚀的作用。在涂层清除溶液中，硝酸与氢氟酸电离出的氢离子可以渗入涂层与渗层的交界处，活化了渗层中所含的Al3+、Cr(VI)、Si2+等活性离子，生成氢气，对涂层的清除起到了剥离作用。氢氟酸电离出来的氟离子是所有负离子中粒子半径最小的，具有良好的渗透性。但是氢氟酸的酸性不强，所以只有在硝酸等氧化剂存在的条件下，才可以腐蚀并剥离涂层。而且氟离子可以与涂层中的主要成分Al3+相互配位，促进了反应的进行。氢氟酸含量较低的溶液对失效涂层的腐蚀作用非常缓慢，涂层表面无连续气泡生成，即使延长清理时间，也无法彻底清除涡轮叶片表面的失效涂层。

增加氢氟酸的浓度可以明显加快失效涂层的清除速率，但是也很容易造成基体的腐蚀。当氢氟酸的含量超过30 g/L 时，在清理干净失效涂层的同时也会对涡轮叶片基体造成局部腐蚀，出现不连续的蚀坑，使叶片无法继续使用。因此，控制溶液中氢氟酸的含量是整个清除过程的关键。氢氟酸适宜的用量为20 ~ 25 g/L。

2.2.3 铁粉的影响

铁粉的加入增加了溶液中的铁离子含量，起到“老化”溶液的作用，使清除涂层的速度更加平稳。而对于新配制的溶液，加入一定量的铁粉可使反应初期反应速度不至于太快，并保持整体反应平稳进行。

2.2.4 温度的影响

温度越高，清除的速度越快，对清除效果的控制也较难以把握。因此，控制温度在合适的范围内，是保证清除效果和防止发生过腐蚀的关键。由于清除涂层是放热反应，溶液温度随着反应的进行而不断提高，因此溶液的最佳工作温度在40 °C。

2.2.5 其他因素

生产中发现，试片的摆放位置与清除效果有关。同一试片，朝上的一面清除效果要明显好于朝下的一面。

在反应过程中可以清楚地看到表面首先有微小气泡生成。随着气泡的逐渐增大，可以清晰地看到表面的涂层从基体上缓慢鼓泡、剥离，剥离出来的黑色片状固体漂浮在溶液中，最终在表面形成了一层黑色的浮灰。将试片从溶液中取出，用毛刷可以刷掉该层浮灰。

在清除过程中，搅拌是保证清除速度的关键。搅拌可以加速腐蚀性离子及腐蚀产物的传质，促进反应进行。但是搅拌速率不宜过大。由于涂层的清除需要一定的反应时间，搅拌速率过大反而会破坏传质过程，使反应尚未进行就发生离子转移，从而阻碍涂层清除的进行。如果条件允许，可采用间歇式搅拌法，即每隔2 ~ 3 min 剧烈搅拌溶液8 ~ 10 s。

3 现场应用情况

选取一组涡轮叶片，按照上述工艺进行涂层清除，酸洗时间分别取8、20 和30 min，然后在显微镜下观察涂层清除结果，如图2 所示。酸洗8 min 时，涡轮叶片的涂层未清理干净，在基体之上还有明显的涂层组织存在(见图2a)。而酸洗20 min 时涂层已清理干净且基体完好，基体表面干净平滑，未见涂层组织残留(见图2b)。图2c为存在轻微过腐蚀的试片，基体表面凹凸不平。

图2 不同酸洗时间涡轮叶片的金相照片Figure 2 Metallographs of the turbine blades pickled for different time

在酸洗过程中发现，涂层经过一段时间的反应后，在表面会形成一层浅黄色的组织。开始以为是基体已经显露出来，但在显微镜下观察，基体表面还有渗层。为了确定该浅黄色物质的组成，对其进行能谱分析，其中P1 点为完整涂层部位，P2、P3、P4 点为浅黄色组织的不同部位。测试结果如表1 所示。

表1 涂层与浅黄色物质能谱分析结果Table 1 Result of energy-dispersive spectroscopic analysis for the coating and pale yellow substance

从表1 可以看出，P1、P2、P3、P4 点处都含有一定量的Cr、Mo 元素，但P1 中没有W 元素存在。对照基体组成可知，W、Mo、Cr 元素都来自于基体。该涂层为一种热扩散型涂层，在热扩散过程中Cr、Mo 具有较高的活性，与涂层中的Al、Si 元素构成扩散偶。在高温过程中发生基体与涂层之间的离子相互扩散作用，使得渗层组织中形成了β-NiAl 相，其上分布有硅化物。由于Cr、Mo 元素在NiAl 相的溶解较低，它们以α-Cr、α-Mo相质点形式存在并分布在涂层中。Cr、Mo 元素的扩散促进了涂层高温下的稳定性，同时也增加了清除的难度。涂层制备后剖面检查发现该渗层组织的外观即为浅黄色，无金属光泽。

因此，当叶片表面出现浅黄色物质时，表面仍存在着渗层，需要继续清理才能将涂层全部清理干净。不过此时需要严格控制反应时间，当溶液中叶片表面气泡明显减少时，应马上将叶片取出，进入下道工序。

4 结语

通过生产实践确定了航空发动机高压涡轮叶片涂层清除工艺：HNO3380 ~ 410 g/L，HF 20 ~ 25 g/L，铁粉2 ~ 4 g/L，固定添加剂4 g/L，温度(40 ± 1) °C，时间20 min，采用间歇式搅拌法，每隔2 ~ 3 min 剧烈搅拌溶液8 ~ 10 s。实践证明，该清除工艺可以彻底清除航空发动机高压涡轮叶片的表面涂层，对基体影响较小，溶液寿命为每升酸液可洗5 ~ 6 片高压涡轮叶片。

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