CN101768749A - 一种高压涡轮叶片化学除积碳方法 - Google Patents

Abstract

一种高压涡轮叶片化学除积碳方法，其借助于超声波的外力作用配合使用试剂进行操作；其特征在于：所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂具体是由有机试剂、表面活性剂、无机助溶剂和络合剂构成的混合溶液。本发明所述高压涡轮叶片化学除积碳方法的清洗效率高，易于操作；对比以781为代表的传统清除用溶液取得了更为明显的效果，尤其对于特殊顽固的积碳其清除效果更好；其用于发动机叶片生产将明显提高产品合格率。本发明所要求保护的水基清洗剂以及使用该清洗剂进行高压涡轮叶片化学除积炭的操作对清除内脏积碳的效果已经有了明显的改进。

Description

一种高压涡轮叶片化学除积碳方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面处理技术领域，特别提供了一种应用于高温环境工作的发动机零部件(例如高压涡轮叶片)积碳层化学除积炭方法。

背景技术

发动机高压涡轮叶片的工作温度是在1000℃左右，在此高温和氧化作用下，燃油中的杂质以及燃烧不充分产生的油烟微粒沉积在基体表面并随着温度的提高和工作时间的延长，进一步缩聚成沥青质、油焦质和碳氢质的胶质混合物，即所谓的积碳。

积碳大部分是由不溶或难溶的组分构成，质地坚硬，附着牢固，很难清除。尤其是高压涡轮叶片内腔的积碳，由于内腔的结构特殊，空间狭窄，一般的机械方法都没有效果，清除的难度就更大。通常清除积碳方法主要是靠溶剂分子的渗透、润湿、溶解作用，使积碳被疏松，降低积碳与基体之间的附着力，并通过适当的外力作用，使其与基体分离，达到去除的目的。

叶片内腔异物呈深褐色颗粒状，质地比较硬，从表1我们可以看到内腔异物中氧的含量最高，非金属元素主要是氧和硅，而金屑元素以铝的比例最大，同时含有钙、镁、钾、铁、镍、钛、铬等多种金属元素，因此实际上我们所说的积碳是多种金属氧化物组成的混合物。这种混合的金属氧化物经过长期的高温工作状态逐渐成为近乎陶瓷类产物并与燃烧室燃油中的杂质以及燃烧不充分产生的油烟微粒、粉尘等混合沉积在基体表面，并随着温度的提高和工作时间的延长逐步转化成较硬的硬垢，质地十分坚硬，似陶瓷体，但脆性较大，而且与基体之间有一定的结合力。

表1叶片内腔异物的化学成分分析

元素	质量百分比含量
		O	37.45
Na	00.98
		Mg	01.40
Al	20.80
		Si	20.18
K	01.77
		Ca	03.05

元素	质量百分比含量
		Ti	02.48
V	00.06
		Cr	02.28
Fe	04.67
		Ni	04.89

由于积碳是由多种混合物堆积在一起的致密的附着力很强固体污垢，采用普通有机溶剂和无机溶剂均难以清除。通常清除积碳方法主要是靠溶剂分子的渗透、润湿、溶解作用，使积碳被疏松，降低积碳与基体之间的附着力，并通过适当的外力作用，使其与基体分离，达到去除的目的。

现有的清洗剂781是一种以表面活性剂为主，对较严重的油污、积碳等作用较差。它主要是通过对表面油污、积碳的渗透、润湿作用，达到去除叶片表面的油污和积碳的目的，随着发动机使用痞命的延长，积碳(含污垢)越来越严重。因此这类以表面活性剂为主的清洗剂结合超声波的作用对于一般的油污有一定的清洗效果。对发动机高压涡轮叶片长期高温和氧化作用下产生积碳效果不好。

781水基清洗剂是一种表面活性剂，对油污、积碳等没有溶解作用，它主要是通过对表面油污、积碳的渗透、润湿作用，达到去除叶片表面的油污和积碳的目的。因此类以表面活性剂为主的清洗剂结合超声波的作用只能对高压涡轮叶片表面的油污垢产生一些效果，但对于高压涡轮叶片内腔有一定附着力的油污垢它几乎没有任何作用。

为此，为了提高化学水基清洗剂的清洗作用，人们期望获得一种性能更好的用于高压涡轮叶片化学除积碳的溶液以及使用这种效果更好的溶液进行高压涡轮叶片化学除积碳的具体操作方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种技术效果更好的高压涡轮叶片化学除积碳方法。

本发明提供一种高压涡轮叶片化学除积碳方法，其借助于超声波的外力作用配合使用试剂进行操作；其特征在于：所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂具体是由有机试剂、表面活性剂、无机助溶剂和络合剂构成的混合溶液。

本发明具体提供了一种以有机溶剂加表面活性剂组成的弱碱性混合溶液，它也属于水基清洗液，除了具有表面活性剂的渗透、润湿功能之外，其内含有的有机溶剂对油污垢还具有一定的溶解作用，使积碳被疏松，降低积碳与基体之间的附着力，并通过超声波的外力作用，使积碳与基体分离，达到去除积碳的目的。

另外，本发明所述高压涡轮叶片化学除积碳方法具体还有如下要求：

首先使用试剂进行化学浸泡，浸泡的时间要求为2～40h，进一步优选时间是5～20h；

然后继续使用试剂进行超声波清洗，超声波作用时间为5～50min，进一步优选的时间范围是10～30min；超声波作用频率范围是20～40KHz(优选范围是25～35KHz)；

在化学浸泡和超声波清洗过程中，试剂的工作温度范围是15～90℃，进一步优选的试剂的工作温度范围是50～70℃。

本发明所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围如下：氢氧化钠：1-25g/l；三聚磷酸钠2-30g/l；二氯甲烷5-50ml/l；十二烷基硫酸钠1-10g/l；EDTA-Na₂：2-20g/l；781水基清洗剂5-50g/l。其中，EDTA-Na₂具体为乙二胺四乙酸二钠盐；781为市售的沈阳市杨官硅溶胶厂出产的水基清洗剂，其成分要求如下：烷基醇酰胺、三乙醇胺、OP(聚乙烯醇辛基苯基醚)乳化剂，其中的OP乳化剂含量最多，三乙醇胺次之。

所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围优选要求如下：氢氧化钠：5-20g/l；三聚磷酸钠10-20g/l；二氯甲烷10-40ml/l；十二烷基硫酸钠1-4g/l；EDTA-Na₂5-10g/l；781水基清洗剂5-15g/l。

所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围进一步优选要求如下：氢氧化钠：10g/l；三聚磷酸钠15g/l；二氯甲烷25ml/l；十二烷基硫酸钠2.5g/l；EDTA-Na₂10g/l；781水基清洗剂10g/l。在此种要求下的实际效果最佳。

本发明所使用的用于高压涡轮叶片化学除积碳的特制溶液实际上也属于一种水基清洗液(代号QX-1)是以有机溶剂、无机助溶剂等组成的混合溶液，PH＝11-13。在该溶液中还有碱性除油剂、表面活性剂以及其他添加剂，通过主溶剂分子的渗透、润湿、膨胀和溶解作用，使积碳中的高聚物溶胀或溶解，溶胀作用使固体污垢产生内应力，破坏了积碳与基体间的结合力，从而最终使积碳被除掉。二氯甲烷是常用的有机溶剂，与油类可产生溶解反应，对清除重油垢、焦油垢与焦碳垢具有一定作用。十二烷基硫酸钠、781为表面活性剂，具有减少表面张力，润湿渗透，乳化分散与增溶等独特作用，降低了界面张力，减小了积碳与金属基体间的结合力。并通过表面活性剂的渗透、润湿功能，降低了界面张力，减小了污染物与金属基体间的结合力，正是这些组成的共同作用使积碳层得到去除。同时通过超声波的空化效应及反复冲击作用，破坏了污垢层在零件表面的结合力，使他们之间不断松化，并逐步形成了间隙，从而使污垢层被一层层剥开，直到完全脱落，达到去除积碳的目的。

在本发明所述的混合溶液中，氢氧化钠、三聚磷酸钠为无机助溶剂，除具有一定的除油作用外，还具有一定的渗透能力和溶解能力，尤其是三聚磷酸钠还具有一定的络和作用，它通过络和作用与污垢层产生吸附，起到渗透、分散、乳化作用；而EDTA-Na₂的加入可与金属产生络合作用，促使积碳中的金属氧化物产生溶解，正是由于碱性溶液、表面活性剂以及有机溶剂协同作用，促使积碳的乳化与增溶，加速了对混合油垢的清洗，从而使积碳层得到去除。

关于应用上述的特制的混合溶液对高压涡轮叶片进行除积碳操作过程中的具体工艺参数的选择，我们说明如下：

根据高压涡轮叶片内腔结构特点及长期高温状态下的工作特点，清除内腔积碳不仅需要选择有效溶液，清洗工艺也非常重要。而且仅通过化学浸泡很难除掉内脏缝隙内的积碳，为此我们在化学浸泡处理后增加了超声波清洗，通过超声波清洗的空化效应，在液体中产生的巨大的冲击波使基体表面的积碳层被剥离下来，分散、乳化、脱落。超声波清洗最适合于结构复杂、缝隙狭小的零件，对清除叶片内腔的积碳是比较适用的方法。

(1)试验中试片分别采用自制的烧结试片、废叶片以及人修叶片。

(2)采用自制试片除积碳效果对比试验：

分别以等各种溶液进行除积碳清洗，清洗方式采用化学浸泡和超声波物理清洗方法，并通过试片清洗前后的重量差衡量除积碳效果。表2分别是采用本发明所述特制混合溶液(在本申请文件中我们将其称为QX-1)、现有技术中的781化学清洗剂的对比试验数据。

表2  QX-1、781溶液对比试验结果

注：表2中称重采用分析天平。

(3)表2的试验结果表明：①在同样的浸泡温度下、同样的浸泡时间以及在同样的超声波清洗条件下QX-1溶液的除积碳效果均好于781。②提高清洗溶液温度除积碳效果有所改善。

(4)采用叶片进行对比试验。这些叶片已经按现行工艺方法进行多次浸泡和超声波清洗，但经x光检测叶片内腔积碳含量仍然超标，不能正常交付使用。因此这些叶片内腔的积碳属于比较顽固的积碳，对此，课题组采用QX-1溶液进行化学浸泡和超声波清洗，取得了明显效果，具体试验结果见表3。

表3叶片清洗试验结果

超声波清洗是在化学浸泡后物理清洗过程。超声波在液体中传播时会使液体内的质点在其平衡位置附近发生振动，从而产生瞬时的压缩和膨胀，造成液体内形成暂时负压区，随着超声波的进一步的辐射振动，在液体中产生的巨大的冲击波使基体表面的积碳层被剥离下来，分散、乳化、脱落。同时由于这种作用对表面的反复冲击，破坏了污垢层在零件表面的结合力，使他们之间不断松化，并逐步形成了间隙，这使液体中的气泡可以逐渐渗透到零件内表面，从而使污垢层被一层层剥开，直到完全脱落。因此对于带有小缝隙、深孔等结构复杂的零件，采用超声波清洗非常有效。因为经过一定时间的浸泡后零件表面的积碳已经产生了一定的溶解、松化作用，再经过超声波的空化效应产生的振动，使零件内腔的积碳得到清除。超声波清洗的时间不宜过长，以避免空化效应的不良影响，一般应控制在10-30min范围内。

提高溶液温度，可以进一步增强除积碳溶液的润湿、渗透、溶解作用，提高清洗速度。但如果采用较高的温度，容易损耗溶液中的有效成分。最佳清洗温度应控制在50-70℃。

化学浸泡时间及超声波清洗时间要考虑大修机的运行时间。由于叶片表面的积碳是经过长时间运行后形成的，与基体表面具有很强的结合力，因此短时间的浸泡很难清除，而且采用课题组配制的清洗液不会对零件产生不良影响，因此本工艺采用了较长的浸泡时间，目的使渗透、润湿、膨胀和溶解作用更加充分。具体浸泡时间可控制在5-20h范围内，如果内腔还有积碳，可继续浸泡处理。

综上所诉，本发明所述可基本除掉高压涡轮叶片内腔的积碳。经理化检测，该溶液对零件表面涂层不产生任何不良影响。用于发动机叶片生产将明显提高产品合格率。

采用失重法考核为考核本发明QX-1的清洗效果，我们进行了一组对比试验，分别采用现场的781水基清洗液(X1)、781专用清洗液以及本发明要求保护的特制的清洗液(QX-1)，通过浸泡、超声波清洗等方式，考核试片清洗前后的失重情况，并以清洗前后试片的失重情况衡量除积碳效果，在浸泡溶液温度(25-60)℃、浸泡时间6h、超声波清洗时间25min的情况下试验件清洗前后每平方分米质量差(g/dm²)，如表4所示：

表4  QX-1、781超声波清洗对比试验

上述的表4试验结果表明：在同样的浸泡温度下、同样的浸泡时间以及在同样的超声波清洗条件下，采用QX-1清洗溶液试片的失重值最大，这表明QX-1清洗液的除积碳效果最好。

采用运行周期600小时以上的发动机叶片考核除积碳效果：为了考核课题组研制的水基清洗剂对实际零件的清洗效果，我们首先从运行600h的叶片中选取了4个已经过现行工艺清洗后X光检测内腔不合格的零件进行试验，其中两件采用781化学清洗剂，另外两件采用本发明要求保护的化学清洗溶剂，并通过X光检测试验效果，试验工艺条件如下：

化学浸泡时间：20h；浸泡温度：20℃-80℃；超声波清洗时间：20min。我们首先对清洗前后的叶片失重量进行检测，后又对四个叶片进行了X光检测，结果见表5。

从表5中的上述试验结果不难看出QX-1的除积碳效果很好，合格率很高，明显好于现行的除积碳工艺和781化学清洗剂，说明本发明所要求保护的水基清洗剂以及使用该清洗剂进行高压涡轮叶片化学除积炭的操作对清除内脏积碳的效果已经有了明显的改进。

表5叶片失重量及X光测试结果

零件编号	清洗剂	清洗前后失重量(mg)	X光检测
				3411	CD-22	38	不合格

零件编号	清洗剂	清洗前后失重量(mg)	X光检测
				7966	CD-22	38.7	不合格
3374	QX-1	53	合格
				8486	QX-1	49.2	合格

具体实施方式

实施例1

一种高压涡轮叶片化学除积碳方法，其借助于超声波的外力作用配合使用试剂进行操作；所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂具体是由有机试剂、表面活性剂、无机助溶剂和络合剂构成的混合溶液。

所述溶液是以有机溶剂加表面活性剂组成的弱碱性混合溶液，它也属于水基清洗液，除了具有表面活性剂的渗透、润湿功能之外，其内含有的有机溶剂对油污垢还具有一定的溶解作用，使积碳被疏松，降低积碳与基体之间的附着力，并通过超声波的外力作用，使积碳与基体分离，达到去除积碳的目的。

所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围如下：氢氧化钠：10g/l；三聚磷酸钠15g/l；二氯甲烷25ml/l；十二烷基硫酸钠2.5g/l；EDTA-Na₂10g/l；781水基清洗剂10g/l。在此种要求下的实际效果最佳。

另外，所述高压涡轮叶片化学除积碳方法具体还有如下要求：首先使用试剂进行化学浸泡，浸泡的时间要求为10h；然后继续使用试剂进行超声波清洗，超声波作用时间为20min，超声波作用频率30KHz；在化学浸泡和超声波清洗过程中，试剂的工作温度范围是60℃。

实施例2

本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于：

1)所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围如下：所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围优选要求如下：氢氧化钠：5g/l；三聚磷酸钠10g/l；二氯甲烷40ml/l；十二烷基硫酸钠4g/l；EDTA-Na₂：10g/l；781水基清洗剂：15g/l。

2)所述高压涡轮叶片化学除积碳方法具体要求如下：首先使用试剂进行化学浸泡，浸泡的时间要求为5h；然后继续使用试剂进行超声波清洗，超声波作用时间为30min，进一步优选的时间范围是30min；超声波作用频率是20KHz；在化学浸泡和超声波清洗过程中，试剂的工作温度是70℃。

实施例3

本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于：

1)所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围如下：氢氧化钠：20g/l；三聚磷酸钠20g/l；二氯甲烷10ml/l；十二烷基硫酸钠1g/l；EDTA-Na₂：5g/l；781水基清洗剂5g/l。

2)所述高压涡轮叶片化学除积碳方法具体要求如下：首先使用试剂进行化学浸泡，浸泡的时间要求为20h；然后继续使用试剂进行超声波清洗，超声波作用时间为10min；超声波作用频率是40KHz；在化学浸泡和超声波清洗过程中，试剂的工作温度是50℃。

实施例4

本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于：

1)所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围如下：氢氧化钠：25g/l；三聚磷酸钠：30g/l；二氯甲烷5ml/l；十二烷基硫酸钠0.5g/l；EDTA-Na：2g/l；781水基清洗剂3g/l。

2)所述高压涡轮叶片化学除积碳方法具体要求如下：首先使用试剂进行化学浸泡，浸泡的时间要求为2h；

然后继续使用试剂进行超声波清洗，超声波作用时间为5min；超声波作用频率是32KHz；在化学浸泡和超声波清洗过程中，试剂的工作温度是15℃。

实施例5

本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于：

1)所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围如下：氢氧化钠：1g/l；三聚磷酸钠2g/l；二氯甲烷50ml/l；十二烷基硫酸钠10g/l；EDTA-Na：15g/l；781水基清洗剂20g/l。

2)所述高压涡轮叶片化学除积碳方法具体要求如下：首先使用试剂进行化学浸泡，浸泡的时间要求为40h；

然后继续使用试剂进行超声波清洗，超声波作用时间为50min；超声波作用频率是27KHz；在化学浸泡和超声波清洗过程中，试剂的工作温度是90℃。

Claims (5)

1.一种高压涡轮叶片化学除积碳方法，其借助于超声波的外力作用配合使用试剂进行操作；其特征在于：

所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂具体是由有机试剂、表面活性剂、无机助溶剂和络合剂构成的混合溶液；

所述高压涡轮叶片化学除积碳方法具体要求是：首先使用试剂进行化学浸泡，浸泡的时间要求为2～40h；然后继续使用试剂进行超声波清洗，超声波作用时间为5～50min，超声波作用频率范围是20～40KHz；在化学浸泡和超声波清洗过程中，试剂的工作温度范围是15～90℃。

2.按照权利要求1所述高压涡轮叶片化学除积碳方法，其特征在于：所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围如下：

氢氧化钠：1-25g/l；三聚磷酸钠2-30g/l；二氯甲烷5-50ml/l；十二烷基硫酸钠1-10g/l；EDTA-Na：2-20g/l；781水基清洗剂5-50g/l。

3.按照权利要求2所述高压涡轮叶片化学除积碳方法，其特征在于：所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围如下：

氢氧化钠：5-20g/l；三聚磷酸钠10-20g/l；二氯甲烷10-40ml/l；十二烷基硫酸钠1-4g/l；EDTA-Na₂：5-10g/l；781水基清洗剂5-15g/l。

4.按照权利要求3所述高压涡轮叶片化学除积碳方法，其特征在于：所述高压涡轮叶片化学除积碳方法中所使用的试剂的基本组成及范围如下：

氢氧化钠：10g/l；三聚磷酸钠15g/l；二氯甲烷25ml/l；十二烷基硫酸钠2.5g/l；EDTA-Na₂ 10g/l；781水基清洗剂10g/l。

5.按照权利要求1～4其中之一所述高压涡轮叶片化学除积碳方法，其特征在于：所述高压涡轮叶片化学除积碳方法具体要求是：

首先使用试剂进行化学浸泡，浸泡的时间要求为5～20h；

然后继续使用试剂进行超声波清洗，超声波作用时间为10～30min，超声波作用25～35KHz；

在化学浸泡和超声波清洗过程中，试剂的工作温度范围是50～70℃。