謝凡 許松華 羅燕金 王建梁 楊誠 周曄

摘 要：工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的環(huán)境下運(yùn)行，熱障涂層是部件安全長期運(yùn)行的有效保障，涂層的剝離是周期性檢修的重要工藝環(huán)節(jié)，本文從涂層與剝離技術(shù)、剝離設(shè)備、待剝離部件及溶液準(zhǔn)備、剝離作業(yè)、后處理與檢測等方面進(jìn)行了簡要論述。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)、化學(xué)剝離、MCrAlY涂層、溶液

引言

工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)屬于以高溫燃?xì)鉃楣べ|(zhì)的高效清潔的火電能源核心動力設(shè)備，與航空發(fā)動機(jī)一起被納入國家重大科技專項(xiàng)“兩機(jī)專項(xiàng)”。在追求單機(jī)及聯(lián)合循環(huán)效率提高的背景下，透平前溫不斷提高，先進(jìn)機(jī)組的透平前溫已經(jīng)達(dá)到1500～1600℃，轉(zhuǎn)速達(dá)到3000RPM，極端的服役環(huán)境對機(jī)組部件的設(shè)計(jì)、制造和綜合性能要求極高。只有通過高效率、高負(fù)荷的氣動設(shè)計(jì);高溫、低排的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì);高強(qiáng)度、優(yōu)良冷卻的透平組件設(shè)計(jì)等才能滿足，這就必然要求熱部件采用卓越的高溫合金材料、優(yōu)良的熱障&耐腐蝕涂層、先進(jìn)合理的冷卻系統(tǒng)。在材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過涂層的補(bǔ)充，能夠顯著提升熱部件的承溫能力和壽命，熱障涂層（Thermal barrier coating，即TBC）由于工藝成熟、安全可靠在行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，高溫運(yùn)行后失效涂層的剝離作業(yè)是熱部件的運(yùn)行后維護(hù)的重要環(huán)節(jié)[1]。

1、涂層及剝離技術(shù)

自上世紀(jì)五十年代就有防護(hù)涂層的報道以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，高溫涂層的成分、結(jié)構(gòu)、制備等均取得了巨大進(jìn)展.目前應(yīng)用最為廣泛的TBC系統(tǒng)主要包括四種，即陶瓷層（Zr2O）、粘結(jié)層（MCrAlY）、超合金基底以及在陶瓷層與粘結(jié)層之間形成的以氧化鋁為主要成分的熱生長氧化層（TGO）組成，具體如圖1所[2]。

涂層的剝離技術(shù)可以分為物理和化學(xué)兩大類，簡要介紹如下[3]：

（1）物理剝離常用工藝

1）噴砂：利用噴砂設(shè)備，在一定的角度、壓力和速度條件下，將特定目數(shù)的砂粒吹向被剝離部件，一般用于陶瓷涂層、污物的去除，也可用于表面擴(kuò)散涂層和金屬粘結(jié)層的剝離，工藝要求較高。

2）打磨：利用砂輪或砂帶機(jī)，采取自動化或手工方式剝離涂層，一般用于表面擴(kuò)散涂層和金屬粘結(jié)層的剝離，工藝要求高。

3）電火花處理：一般用于局部涂層剝離。

4）激光工藝：可以整體或部分去除特定涂層。

5）高壓水剝離：利用超高壓水作為工質(zhì)沖擊去除涂層，可以去除各類涂層，設(shè)備昂貴。

（2）化學(xué)剝離常用工藝

1）酸液法。

2）堿液法。

3）電解法。

耗時耗力、質(zhì)量難以控制是物理剝離工藝的典型缺點(diǎn)，工藝控制和作業(yè)安全則是化學(xué)剝離需要重點(diǎn)的地方，經(jīng)過多年研究與實(shí)踐，業(yè)內(nèi)不同企業(yè)形成了各具特點(diǎn)的涂層剝離工藝習(xí)慣。國外企業(yè)主要采用酸、堿等溶液實(shí)施有效的涂層剝離作業(yè)，由于工藝的成熟固化，這一類工藝安全高效，對于控制維護(hù)成本效果明顯，而國內(nèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)由于工藝技術(shù)受限，主要以物理方法為主。

2、化學(xué)剝離涂層工藝開發(fā)

2.1設(shè)備準(zhǔn)備

化學(xué)剝離設(shè)備由室內(nèi)剝離主體設(shè)備和室外噴淋塔組成（見下圖2）。主體設(shè)備包括八個帶有自動控制裝置的液體槽、主電箱、機(jī)械吊臂、槽位光電傳感器和必要的風(fēng)管等組成，主要進(jìn)行熱通道部件各種涂層的剝離和清洗作業(yè);室外噴淋塔由集成式噴淋塔、循環(huán)泵、流量泵和風(fēng)機(jī)組成，主要用于酸霧、液體的吸收中和作用。

剝離設(shè)備運(yùn)用了高質(zhì)量的材料包括PP、NPP、PVDF 塑料材料等。 在設(shè)備制造中，采用：

1）結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固焊接;

2）PP材料對鋼結(jié)構(gòu)的無縫包裹;

3）各水槽酸槽的精密焊接制造;

4）各傳感器的可靠安裝;

5）電氣設(shè)備的可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。

同時對設(shè)備包括機(jī)械臂，電控箱等較以前的設(shè)備做了更加精密的改進(jìn)，使得安全可靠性更高，操作更加簡單便捷。

2.2葉片準(zhǔn)備與溶液配制

本次剝離試驗(yàn)選取了經(jīng)歷一個中修周期的某F級二級動葉，葉片基本情況如下：

材質(zhì)：GTD111

涂層：MCrAlY（涂層厚度見下圖3）

運(yùn)行小時數(shù)：21935小時

啟停次數(shù)：441次

剝離試驗(yàn)葉片清理與遮蔽流程如下：

1）噴砂清理葉片表面附著物;

2）加熱去除表面油脂污物;

3）冷卻孔注膠并固化;

4）非剝離區(qū)域著遮蔽防護(hù)。

本次剝離試驗(yàn)主要針對MCrAlY涂層，配置溶液如下表1：

2.3剝離作業(yè)與監(jiān)測

化學(xué)剝離 MCrAlY 金屬涂層工藝流程分為剝離溶液的加載、剝離作業(yè)和剝離過程涂層厚度檢測等三個部分：

（1）剝離溶液的加載。

往酸槽內(nèi)加入鹽酸、潤濕劑、水，并做好記錄。

（2）剝離作業(yè)工藝如下：

①將酸洗槽門打開。

②把吊籃用起重設(shè)備放進(jìn)酸洗槽內(nèi)并且水平放好。

③把起重掛鉤從吊籃處移開。

④關(guān)閉槽門，由于槽內(nèi)放入動葉水溫有所下降等待觀察一段時間水溫上升到溫控值

⑤酸槽浸泡，結(jié)束后打開槽門，并且啟動鼓泡

⑥打開起重設(shè)備把酸槽內(nèi)的吊籃用掛鉤吊起一定的高度等待吊籃內(nèi)的酸液瀝干

⑦吊籃運(yùn)行到水槽位置后放入水內(nèi)浸泡 15 分鐘

⑧吊籃從水槽吊起后要瀝干再運(yùn)行到托盤上

⑨把葉片從吊籃內(nèi)拿出來用紅色百潔布清洗葉片并用水清洗葉片

（3）剝離過程涂層厚度檢測

①剝離完成后，使用手電筒檢查葉片狀態(tài)，是否有明顯殘留涂層和腐蝕母材等異常狀態(tài)。

②使用壓縮空氣把葉片水漬吹干。

③將葉片放在平臺上，打開熱電合金分選機(jī)電源開關(guān)。

④待檢測設(shè)備指示燈閃爍時，金屬夾在無涂層區(qū)域，金屬棒點(diǎn)擊在酸洗涂層區(qū)域，然后看顯示數(shù)值，再標(biāo)出殘留涂層的區(qū)域和數(shù)值

2.4后處理與檢測

（1）剝離作業(yè)完成后利用燃?xì)廨唽⑷~片表面的遮蔽物焚燒干凈，并用壓縮空氣槍清理葉片表面和內(nèi)部通道的殘留物。

（2）試驗(yàn)葉片涂層剝離工藝執(zhí)行完成后，采用金相檢測法確認(rèn)剝離效果（如圖4所示）、測量局部殘留涂層，必要時實(shí)施去除作業(yè)。

3、總結(jié)與改進(jìn)

（1）建立了具備量產(chǎn)作業(yè)要求的化學(xué)剝離線，進(jìn)行了化學(xué)剝離設(shè)備調(diào)試;

（2）通過配制剝離溶液，開展剝離試驗(yàn)，掌握了化學(xué)剝離MCrAlY涂層的技術(shù)工藝;

（3）在涂層剝離認(rèn)證過程中，開展涂層剝離及相關(guān)環(huán)節(jié)的工藝認(rèn)證、質(zhì)量評定，建立了部件涂層剝離全流程的監(jiān)督體系，為燃機(jī)熱部件修理過程提供技術(shù)保障;

（4）下一步將繼續(xù)完善檢驗(yàn)檢測方法，提高設(shè)備自動化水平。

參考文獻(xiàn)

[1]王鐵軍、范學(xué)領(lǐng)-熱障涂層強(qiáng)度理論與檢測技術(shù)[M]西安交通大學(xué)出版社： 1-23

[2]PADTURE N P， GELL M， JORDAN E H.Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications[J].Science， 2002， 296（5566）： 280–284.

[3]何利民等-高溫防護(hù)涂層技術(shù)[M]國防工業(yè)出版社： 185-212

作者簡介;

謝凡（1985.9.1），性別：男;籍貫：湖北孝昌;民族：漢;學(xué)歷：本科;職稱：工程師;研究方向：工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件修理、新件制造。

中國華電集團(tuán)科技項(xiàng)目，編號CHDKJ21-02-43