CN116833895A - 一种导向叶片无损金属层的eb-pvd陶瓷层剥离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导向叶片无损金属层的EB‑PVD陶瓷层剥离方法，属于航空发动机及燃气轮机涡轮叶片热障涂层修理技术领域，首先防护工件非涂层区域，并将工件固定在剥离机上，确保非涂层区域不进行剥离，通过磨粒与陶瓷层间相互作用实现陶瓷的剥离，仅存在研磨产生的陶瓷粉末，且陶瓷粉末对环境无污染，安全环保，可以实现对金属底层的无损伤控制，彻底解决了干吹砂工艺无法解决的金属底层局部不完整问题、基体部位损伤造成的型面及壁厚超差问题、冲蚀作用造成涡轮叶片气膜孔孔径超差问题等；彻底解决了脉冲水射流存在的喉道遮蔽区无法有效去除陶瓷层问题；彻底解决了加压碱煮工艺存在的工艺复杂、环境污染及安全隐患问题。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机及燃气轮机涡轮叶片热障涂层修理技术领域，具体涉及一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法。
背景技术
随着航空发动机及燃气轮机技术的不断发展，涡轮部件使用温度越来越高，工作环境越来越苛刻。但是迄今性能最好的耐高温金属材料所能长期承受的工作温度也仅在1100℃左右，而目前先进的涡轮前进口温度已高达1700℃，经气膜冷却技术应用，涡轮叶片等高温部件的工作温度也将近1200℃。为有效解决高温部件服役寿命技术难题，目前最为有效、经济可行的技术手段是在工件表面制备一层具有耐高温氧化、耐高温腐蚀及高隔热功能的热障涂层，以此降低高温部件服役温度，提高其使用寿命。
热障涂层是将具有耐高温、低导热、抗腐蚀优点的陶瓷材料与金属粘结层形成的复合涂层，能够降低金属基体材料表面的温度，还能提升基体材料的抗高温、抗氧化腐蚀性能。热障涂层广泛应用于航空发动机及燃气轮机叶片上，通过降低叶片表面工作温度，达到提高叶片使用寿命的目的。热障涂层主要包括三种结构形式，分别是双层、多层以及梯度结构；其中，双层结构热障涂层应用最为广泛，主要采用电子束物理气相沉积技术(简称EB-PVD)进行陶瓷涂层的涂覆。热障涂层的服役环境非常复杂和苛刻，包括高温、高压、腐蚀、磨损、外来物冲击等，涂层在使用或制备过程中，裂纹的形核、扩展将在涂层中产生大幅度的弯曲和开裂，最终导致涂层的局部剥落，剥落后的热障涂层就面临着涂层的剥离及再涂覆。
现有的EB-PVD陶瓷层剥离技术主要有：干吹砂工艺、脉冲水射流技术、加压碱煮工艺等，但这些工艺都存在自身的缺陷和问题，影响EB-PVD陶瓷层剥离技术的成熟应用。例如，干吹砂工艺存在吹砂后金属底层局部不完整，涡轮叶片基体部位损伤造成型面、壁厚超差，干吹砂的冲蚀作用也会造成涡轮叶片气膜孔产生孔径超差问题；脉冲水射流技术去除陶瓷层时，由于脉冲水射流冲击作用在叶片局部，同样会造成局部金属底层受冲击作用而产生鼓包或剥落，另外，脉冲水射流仅能实现直线方向的作用，无法对涡轮导向叶片喉道部位产生有效作用，涡轮导向叶片喉道部位陶瓷层无法有效去除，该工艺存在较大的应用局限性；加压碱煮工艺去除陶瓷层存在去除工艺复杂，去除时的碱液污染环境，高压反应釜压力较高，存在较大的安全隐患和环境影响。因此，极有必要开发工艺更为简便、安全、环保的新型EB-PVD陶瓷层剥离工艺，以满足发动机对涡轮叶片热障涂层修理技术的迫切需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，以解决现有技术中的剥离技术损伤叶片基底、金属层、无法有效去除叶片喉道部位陶瓷层以及存在安全隐患和环境影响的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，包括以下步骤：
防护工件非涂层区域，并将工件固定在剥离机上；
设置剥离机运行参数并采用磨粒对防护后的工件进行剥离处理；
对剥离后的工件进行清理，完成陶瓷剥离处理。
优选地，固定工件时，使工件的上下缘板呈水平方向摆放。
优选地，所述磨粒为直径3～4mmAl2O3磨粒。
优选地，所述剥离机运行参数包括：主轴旋转速率、滚筒旋转速率、工件向下伸入深度、正反转交变频次和剥离时间。
优选地，所述主轴旋转速率为2～4rpm；所述滚筒旋转速率为4～6rpm。
优选地，所述工件向下伸入深度为G+40mm～G+50mm，其中，G代表工件陶瓷层待剥离区高度。
优选地，所述正反转交变频次为15min/次～20min/次。
优选地，所述剥离时间根据陶瓷层厚度最大区确定，具体为：剥离时间＝涂层厚度(μm)×0.3(min/μm)。
优选地，采用压缩空气对剥离后的工件进行清理。
优选地，采用固定工装对工件非涂层区域防护，并将工件固定在剥离机上，所述工装包括第一固定盒、第二固定盒、螺栓和螺母，第一固定盒和第二固定盒分别设置在工件两端并包裹工件的非涂层区域，第二固定盒端头的设置有螺栓和螺母，并通过螺栓和螺母固定在剥离机上，且第一固定盒和第二固定盒的外侧还分别设置有若干螺母。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所公开的一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，防护工件非涂层区域，并将工件固定在剥离机上，确保非涂层区域不进行剥离，通过磨粒与陶瓷层间相互作用实现陶瓷的剥离，仅存在研磨产生的陶瓷粉末，且陶瓷粉末对环境无污染，安全环保，可以实现对金属底层的无损伤控制，彻底解决了干吹砂工艺无法解决的金属底层局部不完整问题、基体部位损伤造成的型面及壁厚超差问题、冲蚀作用造成涡轮叶片气膜孔孔径超差问题等；彻底解决了脉冲水射流存在的喉道遮蔽区无法有效去除陶瓷层问题；彻底解决了加压碱煮工艺存在的工艺复杂、环境污染及安全隐患问题。
进一步地，固定工件时，使工件的上下缘板呈水平方向摆放，使缘板部位受到的磨削力最小，减小去除量，设计理念与导向叶片EB-PVD陶瓷层涂覆时存在的遮蔽区厚度薄的现象实现完美匹配，较厚的区域去除量大，而较薄的区域去除量小，实现陶瓷层薄区和厚区的等比例剥离，工艺适配性较好。
附图说明
图1为导向叶片典型剖面图；
图2为磨粒与导向叶片相互作用示意图；
图3为陶瓷层剥离前热障涂层组织形貌；
图4为本发明实施例1处理后的组织形貌；
图5为本发明实施例2处理后的组织形貌；
图6为本发明实施例3处理后的组织形貌；
图7为本发明的固定工装结构示意图；
图8为本发明的方法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
为了解决现有陶瓷层剥离技术中存在的各类问题，本发明提供一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，该方法充分利用EB-PVD陶瓷层呈柱状晶组织结构和脆性大的特点，通过磨粒与陶瓷层间的相互磨削，实现EB-PVD陶瓷层的剥离，保证遮蔽区和非遮蔽区陶瓷层的有效去除，同时通过本发明设定的工艺参数可实现金属层无损伤控制，进而突破涡轮叶片热障涂层修复技术，为航空发动机涡轮部件的修理和延寿提供技术支撑。
参见图8，本发明所公开的一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，包括以下步骤：
防护工件非涂层区域，并将工件固定在剥离机上；
设置剥离机运行参数并采用磨粒对防护后的工件进行剥离处理；
对剥离后的工件进行清理，完成陶瓷剥离处理。
防护工件非涂层区域，并将工件固定在剥离机上，防止磨粒对非涂层区域的磨削，其理念与导向叶片EB-PVD陶瓷层涂覆时存在的遮蔽区厚度薄的现象实现完美匹配，较厚的区域去除量大，而较薄的区域去除量小，实现陶瓷层薄区和厚区的等比例剥离，工艺适配性较好，通过磨粒与陶瓷层间相互作用实现陶瓷的剥离，仅存在研磨产生的陶瓷粉末，且陶瓷粉末对环境无污染，安全环保。实现对金属底层的无损伤控制，彻底解决了干吹砂工艺无法解决的金属底层局部不完整问题、基体部位损伤造成的型面及壁厚超差问题、冲蚀作用造成涡轮叶片气膜孔孔径超差问题等；彻底解决了脉冲水射流存在的喉道遮蔽区无法有效去除陶瓷层问题；彻底解决了加压碱煮工艺存在的工艺复杂、环境污染及安全隐患问题。
在一些实施例中，固定工件时，使工件的上下缘板呈水平方向摆放，使缘板部位受到的磨削力最小，减小去除量。
在一些实施例中，所述磨粒为直径3～4mmAl2O3磨粒。
在一些实施例中，所述剥离机运行参数包括：主轴旋转速率、滚筒旋转速率、工件向下伸入深度、正反转交变频次和剥离时间。
作为优选方案地，所述主轴旋转速率为2～4rpm；所述滚筒旋转速率为4～6rpm。
作为优选方案地，所述工件向下伸入深度为G+40mm～G+50mm，其中，G代表工件陶瓷层待剥离区高度。
作为优选方案地，所述正反转交变频次为15min/次～20min/次。
作为优选方案地，所述剥离时间根据陶瓷层厚度最大区确定，具体为：剥离时间＝涂层厚度(μm)×0.3(min/μm)。
在一些实施例中，参见图7，采用固定工装对工件非涂层区域防护，并将工件固定在剥离机上，所述工装包括第一固定盒1、第二固定盒2、螺栓3和螺母4，第一固定盒1和第二固定盒2分别设置在工件两端并包裹工件的非涂层区域，第二固定盒2端头的设置有螺栓3和螺母4，并通过螺栓3和螺母4固定在剥离机上，且第一固定盒1和第二固定盒2的外侧还分别设置有若干螺母4。
在一些实施例中，本发明一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，包括以下过程：首先，将待去除陶瓷层的导向叶片装夹在工装上，工装将导向叶片非涂层区域进行有效防护，防止磨粒对非涂层区域的磨削，在装夹时确保多联导向叶片的上下缘板呈水平方向摆放，使缘板部位受到的磨削力最小。其次，将装有工装的导向叶片装夹至磨削光整机的旋转主轴上，将零件向下伸入装有磨粒的旋转料箱内，并按照设定的工艺参数进行陶瓷层剥离处理。最后，将零件自旋转主轴上取下，拆卸工装，使用流动的自来水清理零件表面，并使用压缩空气吹干，完成EB-PVD陶瓷层剥离。
在一些实施例中，本发明一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法的具体步骤如下：
1)陶瓷层剥离前工件装夹。参见图1、图2和图7，陶瓷层剥离前，将待去除陶瓷层的导向叶片装夹在工装上，工装将导向叶片非涂层区域进行有效防护，防止磨粒对非涂层区域的磨削，并与设备主轴进行螺栓联接，保证联接牢固；同时，由于缘板部位EB-PVD陶瓷层基本无结合力，在装夹时确保多联导向叶片的上下缘板呈水平方向摆放，使缘板部位受到的磨削力最小。
2)陶瓷层剥离磨粒准备。选取剥离所需尺寸的Al2O3磨粒，磨粒直径3～4mm，并将磨粒进行筛分、清洗。
3)剥离工艺参数设置及试运行。在剥离机上设置主轴旋转速率为2～4rpm、滚筒旋转速率为4～6rpm、零件向下伸入深度为G+40mm～G+50mm(G代表零件陶瓷层待剥离区高度)、正反转交变频次为15min/次～20min/次等参数，剥离时间依据陶瓷层厚度最大区确定，剥离时间＝涂层厚度×0.3min/μm，大部分EB-PVD陶瓷层厚度最大区为150～200μm，剥离时间45～60min，按照设置的工艺参数在剥离机上进行模拟试运行，验证工艺参数设置是否正确。
4)陶瓷层剥离处理。剥离工艺参数设置并试运行后，将剥离机设备运行模式选择为自动模式，对待陶瓷层剥离工件进行陶瓷层剥离处理。
5)剥离后处理。待陶瓷层剥离处理后，将陶瓷层剥离工件和工装从剥离机设备主轴上拆卸，将工装进行拆除，采用压缩空气对陶瓷层剥离完成的工件表面清理干净，完成陶瓷剥离处理。
实施例1
本发明一种导向叶片金属层无损伤的EB-PVD陶瓷层剥离工艺方法的具体步骤如下：
1)陶瓷层剥离前工件装夹。陶瓷层剥离前，将待去除陶瓷层的导向叶片装夹在工装上，工装将导向叶片非涂层区域进行有效防护，防止磨粒对非涂层区域的磨削，并与设备主轴进行螺栓联接，保证联接牢固；同时，由于缘板部位EB-PVD陶瓷层基本无结合力，在装夹时确保多联导向叶片的上下缘板呈水平方向摆放，使缘板部位受到的磨削力最小。
2)陶瓷层剥离磨粒准备。选取剥离所需尺寸的Al2O3磨粒，磨粒直径3mm，并将磨粒进行筛分、清洗。
3)剥离工艺参数设置及试运行。在剥离机上设置主轴旋转速率为4rpm、滚筒旋转速率为4rpm、零件向下伸入深度为80+40mm(G代表零件陶瓷层待剥离区高度)、正反转交变频次为15min/次，剥离时间依据陶瓷层厚度最大区确定，剥离时间＝涂层厚度(μm)×0.3(min/μm)(时间公差±5min)，本实施例的陶瓷厚度为150μm，确定剥离时间45±5min，按照设置的工艺参数在剥离机上进行模拟试运行，验证工艺参数设置是否正确。
4)陶瓷层剥离处理。剥离工艺参数设置并试运行后，将剥离机设备运行模式选择为自动模式，对待陶瓷层剥离工件进行陶瓷层剥离处理。
5)剥离后处理。待陶瓷层剥离处理后，将陶瓷层剥离工件和工装从剥离机设备主轴上拆卸，将工装进行拆除，采用压缩空气对陶瓷层剥离完成的工件表面清理干净，完成陶瓷剥离处理。
结果：方案1双联导向叶片陶瓷层剥离前后金属层和陶瓷层的厚度对比，陶瓷层得到了有效的剥离，厚度变成0μm，而金属底层厚度基本没有变化，这说明，利用本发明专利实现了导向叶片金属层无损伤的EB-PVD陶瓷层剥离。
陶瓷层剥离后的组织形貌如图4所示，与图3陶瓷层剥离前热障涂层组织形貌对比可以看出，陶瓷层得到了有效剥离，而金属层的组织和厚度没有发生变化，这说明，利用本发明专利实现了导向叶片金属层无损伤的EB-PVD陶瓷层剥离。
实施例2
本发明一种导向叶片金属层无损伤的EB-PVD陶瓷层剥离工艺方法的具体步骤如下：
1)陶瓷层剥离前工件装夹。陶瓷层剥离前，将待去除陶瓷层的导向叶片装夹在工装上，工装将导向叶片非涂层区域进行有效防护，防止磨粒对非涂层区域的磨削，并与设备主轴进行螺栓联接，保证联接牢固；同时，由于缘板部位EB-PVD陶瓷层基本无结合力，在装夹时确保多联导向叶片的上下缘板呈水平方向摆放，使缘板部位受到的磨削力最小。
2)陶瓷层剥离磨粒准备。选取剥离所需尺寸的Al2O3磨粒，磨粒直径3mm，并将磨粒进行筛分、清洗。
3)剥离工艺参数设置及试运行。在剥离机上设置主轴旋转速率为3rpm、滚筒旋转速率为5rpm、零件向下伸入深度为80+45mm(G代表零件陶瓷层待剥离区高度)、正反转交变频次为18min/次，剥离时间依据陶瓷层厚度最大区确定，剥离时间＝涂层厚度(μm)×0.3(min/μm)(时间公差±5min)，本实施例的陶瓷厚度为180μm，确定剥离时间54±5min，按照设置的工艺参数在剥离机上进行模拟试运行，验证工艺参数设置是否正确。
4)陶瓷层剥离处理。剥离工艺参数设置并试运行后，将剥离机设备运行模式选择为自动模式，对待陶瓷层剥离工件进行陶瓷层剥离处理。
5)剥离后处理。待陶瓷层剥离处理后，将陶瓷层剥离工件和工装从剥离机设备主轴上拆卸，将工装进行拆除，采用压缩空气对陶瓷层剥离完成的工件表面清理干净，完成陶瓷剥离处理。
结果：方案2双联导向叶片陶瓷层剥离前后金属层和陶瓷层的厚度对比，陶瓷层得到了有效的剥离，厚度变成0μm，而金属底层厚度基本没有变化，这说明，利用本发明专利实现了导向叶片金属层无损伤的EB-PVD陶瓷层剥离。
陶瓷层剥离后的组织形貌如图5所示，与图3陶瓷层剥离前热障涂层组织形貌对比可以看出，陶瓷层得到了有效剥离，而金属层的组织和厚度没有发生变化，这说明，利用本发明专利实现了导向叶片金属层无损伤的EB-PVD陶瓷层剥离。
实施例3
本发明一种导向叶片金属层无损伤的EB-PVD陶瓷层剥离工艺方法的具体步骤如下：
1)陶瓷层剥离前工件装夹。陶瓷层剥离前，将待去除陶瓷层的导向叶片装夹在工装上，工装将导向叶片非涂层区域进行有效防护，防止磨粒对非涂层区域的磨削，并与设备主轴进行螺栓联接，保证联接牢固；同时，由于缘板部位EB-PVD陶瓷层基本无结合力，在装夹时确保多联导向叶片的上下缘板呈水平方向摆放，使缘板部位受到的磨削力最小。
2)陶瓷层剥离磨粒准备。选取剥离所需尺寸的Al2O3磨粒，磨粒直径3mm，并将磨粒进行筛分、清洗。
3)剥离工艺参数设置及试运行。在剥离机上设置主轴旋转速率为2rpm、滚筒旋转速率为6rpm、零件向下伸入深度为80+50mm(G代表零件陶瓷层待剥离区高度)、正反转交变频次为20min/次，剥离时间依据陶瓷层厚度最大区确定，剥离时间＝涂层厚度(μm)×0.3(min/μm)(时间公差±5min)，本实施例的陶瓷厚度为200μm，确定剥离时间60±5min，按照设置的工艺参数在剥离机上进行模拟试运行，验证工艺参数设置是否正确。
4)陶瓷层剥离处理。剥离工艺参数设置并试运行后，将剥离机设备运行模式选择为自动模式，对待陶瓷层剥离工件进行陶瓷层剥离处理。
5)剥离后处理。待陶瓷层剥离处理后，将陶瓷层剥离工件和工装从剥离机设备主轴上拆卸，将工装进行拆除，采用压缩空气对陶瓷层剥离完成的工件表面清理干净，完成陶瓷剥离处理。
结果：为方案3双联导向叶片陶瓷层剥离前后金属层和陶瓷层的厚度对比，陶瓷层得到了有效的剥离，厚度变成0μm，而金属底层厚度基本没有变化，这说明，利用本发明专利实现了导向叶片金属层无损伤的EB-PVD陶瓷层剥离。
陶瓷层剥离后的组织形貌如图6所示，与图3陶瓷层剥离前热障涂层组织形貌对比可以看出，陶瓷层得到了有效剥离，而金属层的组织和厚度没有发生变化，这说明，利用本发明专利实现了导向叶片金属层无损伤的EB-PVD陶瓷层剥离。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，其特征在于，包括以下步骤：
防护工件非涂层区域，并将工件固定在剥离机上；
设置剥离机运行参数并采用磨粒对防护后的工件进行剥离处理；
对剥离后的工件进行清理，完成陶瓷剥离处理。
2.根据权利要求1所述的一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，其特征在于，固定工件时，使工件的上下缘板呈水平方向摆放。
3.根据权利要求1所述的一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，其特征在于，所述磨粒为直径3～4mmAl2O3磨粒。
4.根据权利要求1所述的一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，其特征在于，所述剥离机运行参数包括：主轴旋转速率、滚筒旋转速率、工件向下伸入深度、正反转交变频次和剥离时间。
5.根据权利要求4所述的一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，其特征在于，所述主轴旋转速率为2～4rpm；所述滚筒旋转速率为4～6rpm。
6.根据权利要求4所述的一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，其特征在于，所述工件向下伸入深度为G+40mm～G+50mm，其中，G代表工件陶瓷层待剥离区高度。
7.根据权利要求4所述的一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，其特征在于，所述正反转交变频次为15min/次～20min/次。
8.根据权利要求4所述的一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，其特征在于，所述剥离时间根据陶瓷层厚度最大区确定，具体为：剥离时间＝涂层厚度×0.3。
9.根据权利要求1所述的一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，其特征在于，采用压缩空气对剥离后的工件进行清理。
10.根据权利要求1所述的一种导向叶片无损金属层的EB-PVD陶瓷层剥离方法，其特征在于，采用固定工装对工件非涂层区域防护，并将工件固定在剥离机上，所述工装包括第一固定盒(1)、第二固定盒(2)、螺栓(3)和螺母(4)，第一固定盒(1)和第二固定盒(2)分别设置在工件两端并包裹工件的非涂层区域，第二固定盒(2)端头的设置有螺栓(3)和螺母(4)，并通过螺栓(3)和螺母(4)固定在剥离机上，且第一固定盒(1)和第二固定盒(2)的外侧还分别设置有若干螺母(4)。
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