CN103422051B - 去除铜镍/铝石墨复合封严涂层材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种去除铜镍/铝石墨复合封严涂层材料的方法，旨在提供一种去除效率高，效果好，可操作性强，成本低，且不腐蚀和损伤零件基体快速去除涂层的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：采用化学除油→水清洗工件；放入200mL/L～600mL/L，d=1.42的硝酸溶液的除涂层槽中，在10℃～35℃下，用6～40min的时间，酸洗除Cu-Al/Ni-Cg涂层面层；再放入配制浓度为450mL/L的200mL/L～600mL/L的硝酸溶液中，在10℃～65℃下用30～90分钟时间，酸洗除底层Ni-Al；再采用30g/L～50g/L的碳酸钠溶液碱洗槽，中和工件表面残余酸液，通过水洗→吹干，然后对剩余少量的Cu-Al/Ni-Cg涂层，经喷砂处理去除。本发明克服了机械法除涂层效率低、对零件损伤大、劳动强度大等不足。
Description
技术领域
本发明涉及一种可应用于带CuNi/AlCg封严涂层零件的制造和修理领域的热喷涂层去除技术，特别是涉及航空发动机零部件专用封严涂层的去除技术。
背景技术
铜镍/铝石墨（CuNi/AlCg）封严涂层是一种组分复杂的新型热喷涂层材料，热喷涂封严涂层是实现压气机、涡轮机等转动部件气路，径向间隙封严控制，可减低单位耗油率的关键材料。典型的发动机高压涡轮叶尖间隙若平均减少0.254mm，涡轮效率就可提高约1%；如果涡轮径向间隙增加0.127mm单位耗油率约增0.5%，如果压气机径向间隙增加0.076mm，单位耗油率约增大1%。这使得从复合材料思维出发的涂层技术在发动机中获得越来越多的使用。
封严涂层通常由一定比例的金属相和具有自润滑作用的非金属相组成。封严涂层大多选用复合材料，主要成分是金属相、非金属相和孔隙。其中金属相具有可喷涂性、结合强度、抗冲蚀性等性能，常用的有镍、钴、铜、铝等及其合金。非金属相提供减磨、抗黏着和自润滑性能，如石墨、聚苯酯、硅藻土等。这些新型的热喷涂层对控制压气机的径向间隙、减低单位耗油率、隔热、封严、耐磨等具有重要作用。因为，作为发动机的重要技术之一，封严涂层可改善飞机燃气轮机中旋转与固定部件之间的密封性，显著提高发动机的性能。但热喷涂层在使用中会出现磨损、掉块等故障而导致性能下降，必须重新修复，这些带故障的热喷涂层必须先去除干净后，再以等离子喷涂法重新喷涂新涂层，以满足发动机下一个寿命周期的使用。
铜铝/镍石墨复合封严热喷涂层是由厚度约1.0～1.1mm的Cu-Al/Ni-Cg涂层面层和厚度0.1㎜～0.2㎜的Ni-Al底层构成的双层结构结合体。镍铝底层和铜镍铝石墨面层，均是以等离子喷涂方法制备的。镍铝底涂层与Cu-Al/Ni-Cg面层涂层之间、镍铝Ni-Al底层涂层与基体之间结合牢固强度大于20MPa。涂层较厚，涂层去除难度大，实际零件底层和面层厚度可达1.3㎜。实际生产中，多采用去除效果差、工作效率不高、劳动强度大、易损伤零件基体的喷砂、车削等机械法去除。这些方法的致命缺陷是易造成零件报废，甚至更大损失。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处和涂层去除难的技术问题，提供一种去除效率高，效果好，可操作性强，成本低，且不腐蚀和损伤零件基体，经济适用的化学法去除技术，并能达到一次性快速去除涂层的方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种去除铜镍/铝石墨复合封严涂层材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
1.工件清洗：采用电化学除油或化学除油→热水清洗→冷水清洗，有机溶剂清洗除油工件；
2.Cu-Al/Ni-Cg涂层面层去除：将工件放入采用体积浓度为200mL/L～600mL/L，d=1.42的硝酸溶液的除涂层槽中，在室温10℃～35℃下，用6min～40min的时间，酸洗除Cu-Al/Ni-Cg涂层面层；
3.Ni-Al底层去除：将上述去除了涂层面层的工件，放入配制浓度为450mL/L的200mL/L～600mL/L的硝酸溶液中，在在10℃～65℃下用30min～90min时间，酸洗除底层Ni-Al；
4.冷水洗工件，再采用30g/L～50g/L的碳酸钠溶液碱洗槽，中和工件表面残余酸液，通过冷、热水洗槽冷水洗→热水洗压→缩空气吹干→除氢工序，然后对剩余少量的Cu-Al/Ni-Cg涂层，在工件喷涂热喷涂封严涂层前，经喷砂处理去除。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
本发明针对发动机零组件表面损伤的CuNi/AlCg封严涂层去除难题，采用化学法一次性将双层结构的铜镍铝石墨封严涂层去除，取代传统的机械去除方法，去除效率高，效果好，不腐蚀和损伤零件基体，设备和人员等要求不高，工艺操作方便、实用、成本低，可操作性强，稳定可靠。经工艺试验和实际应用证明效果很好，可应用于制造和修理领域内不锈钢、高温合金、钛合金基体零部件表面的铜镍铝石墨封严涂层去除，可为重新修复零部件表面的涂层和恢复性能作好技术准。
本发明针对航空发动机部分零(组)件表面损伤的铜镍铝石墨（CuNi/AlCg）封严涂层需要去除的技术难题，基于对铜镍铝石墨涂层零件工况和性能要求的分析，采用正交试验设计去除溶液配方和工艺参数，通过考察涂层的去除效果、对基体零件的影响和腐蚀情况和大量试验和数据对比，在不损伤零件基体前提下，优化并确定了除涂层工艺参数和工艺流程。有效解决了铜镍铝石墨封严涂层的去除难题，保证了修复需要，降低了成本。克服了喷砂、车削等机械去法对零件损伤大、劳动强度大、生产效率不高等缺点，与机械法去除技术性能对比，去除速度快，效果更加彻底，劳动强度低，成本低，不损伤零件基体，对设备要求不高。通过考察涂层去除效果、对零件基体的显微组织分析证明，本发明克服了普通机械法除涂层技术效率低、对零件损伤大、劳动强度大等不足。
附图说明
图1是本发明Cu-Al/Ni-Cg涂层去除工艺流程图。
具体实施例方式
参阅图1。根据本发明，化学法除涂层是以先去除铜镍铝石墨面层、再去镍铝底层的顺序以达到全部去除的目的。
工艺流程设计：来件检查→必要时有机溶剂清洗除油→保护（必要时）→装挂→电化学除油或化学除油→热水清洗→冷水清洗→化学除涂层→冷水清洗→二次冷水清洗→中和→冷水清洗→干燥→检查→除氢→交检→装箱。
工艺流程如下：零件接收→汽油清洗→用200mL/L～600mL/L，10℃～50℃,推荐温度15℃～30℃酸洗除银铜面层→毛刷刷洗，必要时,每隔5～10分钟刷洗一次→检查→用200mL/L～600mL/L，10℃～50℃,推荐温度15℃～30℃，酸洗除Ni-Al底层→冷水洗→毛刷刷洗→检查→有残余涂层大时执行重复酸洗→冷水洗→在30g/L～50g/L的碳酸钠溶液中和→冷水洗→热水洗压→压缩空气吹干→除氢→交检→装运。
化学法除涂层化学溶液配方及工艺参数研究和筛选，可根据涂层面层的主要成分和含量表进行。
面层材料的主要成分
| 成分 | Cu铜 | Al铝 | Ni镍 | 石墨 |
| 百分含量 | 46.0%～52.0% | 4.0%～7.0% | 31.0%～36.0% | 余量 |
由表可知，涂层面层主要成分包括铜、镍、铝、石墨，涂层是以等离子喷涂方法制备的。上述成分通常以熔融或半熔融状态存在。根据酸碱可溶性分析：铜单质可溶解于任意浓度的硝酸溶液、硫酸溶液等单元或二元强酸中，苛性碱液对其有轻微溶解或腐蚀作用；镍单质可溶解于一定浓度硝酸溶液，在硫酸溶液、盐酸等酸液溶解作用弱，不溶于苛性碱溶液；铝可溶于苛性碱溶液、盐酸溶液等酸/碱溶液，稀硫酸对铝有一定溶解作用，铝在硝酸溶液中溶解速度极慢，浓硝酸对铝还有钝化作用；石墨不溶解于任何酸碱溶液中；但铝和石墨在本涂层的面层含量不高，铝仅占4.0%～7.0%。所以在去除涂层面层时，允许只考虑和研究铜、镍的去除。经试验验证：任意浓度范围的硝酸溶液对铜均有溶解作用，溶解速度取决于硝酸溶液浓度和温度。一定浓度的硝酸溶液对镍有溶解作用，硝酸溶液对铝溶解作用偏弱，硝酸溶液对石墨没有溶解作用；基体材料是0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢、钛合金等，钛合金及铬含量高不锈钢/高温合金在硝酸溶液中易钝化，不易被溶解或腐蚀，但在硫酸或盐酸等强酸对它们有一定腐蚀作用，尽管溶解作用不强。
为减少操作难度和保证产品质量，制定了Cu-Al/Ni-Cg涂层面层和去除Ni-Al底层一站式去除方案，具体如下：
1.工件清洗：采用电化学除油或化学除油→热水清洗→冷水清洗，有机溶剂清洗除油工件。采用的设备和设施应能保证涂层去除处理正常进行，并达到预期效果，相关设备设施包括除油槽具体如下：
1.1碱洗槽：槽缸应用不锈钢板构成，推荐槽内有效工作体积在100L～800L（具体大小可各工厂生产需求和实际情况确定）。必要时，加装不锈钢或钛加热管及控温系统、压缩空气搅拌系统，以维持槽液工作温度和槽液温度均匀性，确保处理效果。允许使用超声波设备。如采用电化学除油方法，还应配装输出电压0V～15V、电流输出可在0～100%范围内调节，电流输出正反向自动调节或采用手动调节，输出电流0A～300A的直流电源，并附带一个可调节时间的时间控制器。
1.2冷、热水清洗槽：冷热清洗槽的槽缸由不锈钢板、高密度聚乙烯板或聚丙烯板制成，推荐槽内有效工作体积在100L～800L，带压缩空气搅拌系统，必要时，热清洗水槽应配装加热及温控系统，确保能将水加热到40℃～80℃。
2.Cu-Al/Ni-Cg涂层面层去除：将工件放入采用体积浓度为200mL/L～600mL/L的硝酸溶液的除涂层槽中，在室温10℃～35℃下，用6min～40min的时间，酸洗除Cu-Al/Ni-Cg涂层面层。零件涂层因使用或涂层较厚等原因，去除时间可能会延长。相关设备设施具体如下：
除涂层的酸槽：槽缸由不锈钢板、高密度聚乙烯板或聚丙烯板制成，推荐槽内有效工作体积在100L～800L，带压缩空气搅拌系统，必要时，寒冷地区应配装加热及温控系统，确保能将溶液加热到工作温度。
经大量试验和结果对比,最终确定除面层的化学去除溶液主要成份：一定浓度硝酸溶液，具体如下：用多件Cu-Al/Ni-Cg涂层的试片验证。试验证明：涂层面层去除，在室温下，体积浓度比为100ml/L～200ml/L、200ml/L～300ml/L、300ml/L～650ml/L的硝酸溶液中去除效果明显，去除速度快，反应剧烈，槽液有升温现象，是由于化学反应产生的热量引起的，而且试验时配制的溶液体积少，所以升温现象明显。在上述各种浓度的硝酸溶液中均能有效除去面层。在200mL/L～600mL/L的硝酸溶液中，在10℃～50℃下，Cu-Al/Ni-Cg涂层面层去除效果好，去除面层时间约10分钟～40分钟，去除时间根据涂层厚度和溶液浓度不同而产生差异，如果增加槽液搅拌，去除速度更快。
3.Ni-Al底层去除：选取200mL/L～600mL/L（配制浓度为450mL/L）的硝酸溶液去除Ni-Al底层，将上述去除了涂层面层的工件，放入配制浓度为450mL/L的200mL/L～600mL/L的硝酸溶液中，在10℃～65℃下，用30min～90min时间，酸洗除底层Ni-Al，实际零件涂层的去除可能要长一些。这样可除去绝大部分涂层，剩余少量涂层可在零件喷涂前经喷砂处理除去。
除Ni-Al底层化学溶液配方及工艺参数研究和筛选可以根据下表涂层底层以熔融或半熔融状态存在含有镍、铝、有机物等主要成分，
| 元素 | Ni | Al | 有机物 | 其它 |
| 含量,% | 4.0-5.5% | ≥93% | ≤2.5% | ≤1.0% |
对上述成分酸碱可溶性分析：镍单质可溶解于一定浓度硝酸溶液，在硫酸溶液、盐酸等酸液溶解作用弱，不溶于苛性碱溶液；铝可溶于苛性碱溶液、盐酸溶液等酸/碱溶液，稀硫酸对铝有一定溶解作用，铝在硝酸溶液中溶解速度极慢，浓硝酸对铝还有钝化作用；有机物一般不溶解于任何酸碱溶液中；但有机物在本涂层的面层含量不高，所以在去除涂层面层时，允许只考虑和研究镍、铝及其熔融物的去除。经试验验证：一定浓度的硝酸溶液对镍铝有溶解作用，溶解速度及去除效果取决于硝酸溶液浓度和温度；基体材料是0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢、钛合金等，钛合金及铬含量高不锈钢/高温合金在硝酸溶液中易钝化，不易被溶解或腐蚀，但在硫酸或盐酸等强酸对它们有一定腐蚀作用，尽管溶解作用不强。
根据上述分析和试验结果，可在10℃～50℃下，采用200ml/L～600ml/L的硝酸溶液化学法，去除Ni-Al底层涂层，整个底层去除时间约40～90分钟。去除时间取决于涂层厚度、溶液浓度及温度等三因素，如果温度太高，超过65℃，易对零件基体产生腐蚀作用，不建议采用高温（超过65℃）的化学去除溶液来进行涂层去除。
4冷水洗工件后，再采用30g/L～50g/L的碳酸钠溶液碱洗槽，中和工件表面残余酸液，通过冷、热水洗槽冷水洗→热水洗压→缩空气吹干→除氢工序，然后对剩余少量的Cu-Al/Ni-Cg涂层，在工件喷涂热喷涂封严涂层前，经喷砂处理去除。相关设备设施具体如下：碱中和槽：槽缸由不锈钢板、高密度聚乙烯板或聚丙烯板制成，推荐槽内有效工作体积在100L～800L，带压缩空气搅拌系统。
5工件除氢，采用空气炉热处理方法进行除氢，在除氢炉/烘箱，除氢炉工作温度范围为室温～500℃，炉温均匀性≤10℃（按国内III类炉控制），炉内有效工作体积根据零件大小确定，除氢参数如下：普通钢件除氢参数为180℃～200℃，≥4h；渗碳件、氰化件除氢参数为130℃～150℃，≥4h。相关设备设施具体如下：
除氢设备：空气炉或烘箱，工作温度范围：温度室温～500℃；炉温均匀性≤10℃（按国内III类炉控制）；有效工作区：不少于500mm×500mm×500mm。
除氢的原因：在化学法去除涂层过程中，伴随着涂层中铜、镍等金属元素在硝酸溶液中的化学溶解，产生了大量的氢，这些原子态的氢活性极强，极易渗入金属零件基体内部，与金属元素形成氢化物，当渗入并残留金属基体内部的氢含量达到一定浓度时，就会明显降低零件基体的塑性和韧性，使其脆性增加和强度明显降低，在外力（如剪切应力等）作用下就会产生脆性断裂，所以在去除涂层后，需要对钢制工件进行除氢处理。除氢目的：是为了有效去除在除涂层过程渗入钢制零件基体内的氢，预防氢脆，通常是在空气炉或烘箱中采用热处理方法除氢，恢复零件的机械性能。
槽液控制表
Claims (5)
1.一种去除铜镍/铝石墨复合封严涂层的方法，其特征在于包括如下步骤：按工艺流程，
1）.工件清洗：采用电化学除油或化学除油→热水清洗→冷水清洗，有机溶剂清洗除油工件；
2）.Cu-Al/Ni-Cg涂层面层去除：将工件放入采用体积浓度为200mL/L～600mL/L，硝酸溶液的除涂层槽中，在温度10℃～35℃下，用6min～40min的时间，酸洗除Cu-Al/Ni-Cg涂层面层；
3）.Ni-Al底层去除：将去除了Cu-Al/Ni-Cg涂层面层的工件，放入配制浓度为200mL/L～600mL/L的硝酸溶液中，在10℃～65℃下用30min～90min时间，酸洗除Ni-Al底层；
4）.冷水洗工件，再采用30g/L～50g/L的碳酸钠溶液碱洗槽，中和工件表面残余酸液，通过冷、热水洗槽冷水洗→热水清洗→压缩空气吹干→除氢工序，然后对剩余少量的Cu-Al/Ni-Cg涂层，在工件喷涂热喷涂封严涂层前，经喷砂处理去除；所述铜镍/镍石墨复合封严涂层是由厚度1.0～1.1mm的Cu-Al/Ni-Cg涂层面层和厚度0.1㎜～0.2㎜的Ni-Al底层构成的双层结构结合体。
2.如权利要求1所述的去除铜镍/铝石墨复合封严涂层的方法，其特征在于，工艺流程包括：汽油清洗工件→用200mL/L～600mL/L，10℃～35℃酸洗除Cu-Al/Ni-Cg涂层面层→毛刷刷洗，必要时,每隔5～10分钟刷洗一次→检查→用200mL/L～600mL/L，10℃～50℃酸洗除Ni-Al底层→冷水洗→毛刷刷洗→检查→有残余涂层大时执行重复酸洗→冷水洗→在30g/L～50g/L的碳酸钠溶液中和→冷水洗→热水洗→压缩空气吹干→除氢→交检。
3.如权利要求1所述的去除铜镍/铝石墨复合封严涂层的方法，其特征在于，电化学除油配装输出电压0V～15V，电流输出正反向自动调节或采用手动调节，输出电流0A～300A的直流电源和一个可调节时间的时间控制器。
4.如权利要求1所述的去除铜镍/铝石墨复合封严涂层的方法，其特征在于，Cu-Al/Ni-Cg涂层面层去除，在室温下，体积浓度比为200ml/L～600ml/L的硝酸溶液中去除。
5.如权利要求1所述的去除铜镍/铝石墨复合封严涂层的方法，其特征在于，工艺流程包括：汽油清洗工件→用200mL/L～600mL/L，温度15℃～30℃酸洗除Cu-Al/Ni-Cg涂层面层→毛刷刷洗，必要时,每隔5～10分钟刷洗一次→检查→用200mL/L～600mL/L，温度15℃～30℃，酸洗除Ni-Al底层→冷水洗→毛刷刷洗→检查→有残余涂层大时执行重复酸洗→冷水洗→在30g/L～50g/L的碳酸钠溶液中和→冷水洗→热水洗→压缩空气吹干→除氢→交检。
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