一种热障涂层的去除装置及方法与流程

本申请涉及一种涂层的去除装置，具体地，涉及一种涡轮叶片的热障涂层陶瓷面层的去除装置及方法。

背景技术：

热障涂层主要采用电子束物理气相沉积技术(eb-pvd)和大气等离子喷涂(aps)涂覆在先进航空发动机、船舶燃气轮机以及发电机叶片表面以提高叶片的使用温度、抗腐蚀性能、延长使用寿命。热障涂层一般由抗氧化腐蚀性能良好的ptal或mcraly(m＝ni、co或ni+co)金属粘结底层和导热系数低的y2o3部分稳定zro2(ysz)陶瓷面层组成。

由于高温合金的冶金缺陷、热障涂层厚度的偏差等原因导致涂覆的热障涂层产生局部剥落失效等缺陷、质量不合格等问题，需除去原有涂层重新涂覆。另一方面，随着发动机进口温度的提高，更加恶劣的服役环境，由于高温高速燃气、高腐蚀性、高交变载荷、冷热循环冲击等物理化学作用导致热障涂层鼓包、剥落失效的概率大大增加，为节约成本，也需除去原有的热障涂层进行重新涂覆。

热障涂层的寿命往往低于高温合金基体的寿命，涂层失效后高温合金基体仍可使用。而涡轮叶片基体材料昂贵、结构复杂、加工成本高，制造周期长，工艺复杂困难、零件合格率低。因此必须对热障涂层剥落失效的叶片进行涂层去除，重新涂覆，从而使叶片能够重新投入使用，以降低生产制造成本。

目前热障涂层陶瓷面层的去除方法主要有物理方法(喷砂法，高压水法)，化学方法(氟化氢离子清洗，苛性碱碱爆法)和物理-化学方法(压力釜碱性溶液化学去除法)。喷砂法所需设备简单、成本低，但去除涂层厚度不易控制，且易对高温合金基体和金属粘结底层造成损伤；高压水法所需设备昂贵，且容易对涡轮叶片产生损伤；氟化氢(hf)离子清洗所需设备昂贵、易对基体造成损伤、同时使用hf安全性较差，对环境的危害也较大；碱爆法易产生碱液飞溅或爆炸，操作安全性差。

技术实现要素：

为了至少部分的解决上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种涡轮叶片热障涂层陶瓷面层的去除装置及方法，其不仅可以将陶瓷面层彻底去除，而且对涡轮叶片基底和金属粘结底层无损伤，且具有较高的涂层去除效率。

根据本发明的一方面，提供一种热障涂层的去除装置，包括：反应釜，其包括耐压釜体和设置于所述耐压釜体上方的端盖；设置于所述耐压釜体的内部的坩埚，所述坩埚中容纳有碱液；设置于所述坩埚的下方和所述耐压釜体的底部内壁之间的加热线圈；用于对所述耐压釜体和所述坩埚内进行增压及泄压的氮气压缩机；以及用于增压氮气的储存和回收的氮气储罐。

在一些实施方式中，所述去除装置还可以包括：用于监测所述耐压釜体内压力的第一压力传感器、用于监测所述坩埚内压力的第二压力传感器、用于监测所述氮气储罐内气体的压力的第三压力传感器，以及用于测量所述坩埚内的碱液的温度的温度传感器，所述温度传感器的测温端置于所述碱液中，其中，所述耐压釜体具有第一进出气管路，所述坩埚具有第二进出气管路，所述第一进出气管路和所述第二进出气管路上分别设置有第一气体流量调节器和第二气体流量调节器，所述端盖的上方设置有泄压阀，所述加热线圈下方设置有隔热装置。

在一些实施方式中，可以对所述耐压釜体和所述坩埚内进行第一次加压至1-2mpa之间；之后，可以对所述耐压釜体和所述坩埚内进行第二次加压至30-35mpa之间。

在一些实施方式中，还可以包括冷凝装置，其设置于所述坩埚的第二进出气管路上以及所述反应釜的外部。

在一些实施方式中，所述碱液可以为氢氧化钾水溶液，其浓度为50-60wt.％，所述加热线圈的加热温度为300-350℃。

在一些实施方式中，所述耐压釜体可以为缠绕式超高压容器，所述坩埚可以由镍基合金制成。

根据本发明的另一方面，提供一种热障涂层的去除方法，包括如下步骤：

步骤一：将带有热障涂层的铸件和配制好的碱液分别放入反应釜的耐压釜体内的坩埚中；

步骤二：利用氮气压缩机加压从氮气储罐中流出的氮气，对耐压釜体和坩埚进行第一次加压；

步骤三：利用加热线圈加热坩埚；

步骤四：再次利用氮气压缩机加压从氮气储罐中流出的氮气，对耐压釜体和坩埚进行第二次加压；

步骤五：在坩埚内的温度和压力达到预定要求后，控制反应时间2-3h；

步骤六：停止加热，使耐压釜体和坩埚泄压；

步骤七：取出经上述步骤处理的铸件，置于常温纯水中冲洗；

步骤八：湿吹砂处理。

在一些实施方式中，步骤二中可以第一次加压至1-2mpa之间；步骤四中可以第二次加压至30-35mpa之间。

在一些实施方式中，在步骤三之后，可以打开设置于坩埚的进出气管路上且位于反应釜的外部的冷凝装置，将加热沸腾后的碱液的蒸汽冷却，液化回流至原碱液中；步骤六中，停止加热后，待碱液温度降至约70℃，关闭冷凝装置。

本发明的有益效果在于：

1.设备采用超高压容器设计标准，涂层去除过程中施加30-35mpa的压力，可大大提高涂层的去除效率。

2.利用高温下脱除液沸腾，使得碱液起到冲击搅动作用，加快溶液渗透和更新，保证化学反应的连续性，不用附加物理方法搅拌，简化了设备结构。

3.本发明涉及的方法对涂层去除彻底，对高温合金基体无损害，且具有高的去除效率。

附图说明

图1为本发明的一实施例的去除装置的结构简图。

1-反应釜1-1-耐压釜体1-2-端盖2-坩埚3-氮气压缩机4-氮气储罐5-泄压阀6-碱液7-加热线圈8-第一压力传感器9-第二压力传感器10-温度传感器11-第三压力传感器12-第一进出气管路13-第二进出气管路14-第一气体流量调节器15-第二气体流量调节器16-冷凝装置17-第一阀18-第二阀19-第三阀

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

本发明的原理主要是利用热障涂层在涂覆制备及服役过程中金属粘结底层和ysz陶瓷面层所形成的热氧化生长层a-al2o3和koh溶液在高温高压下发生反应(2koh+al2o3＝2kalo2+h2)生成溶于水的kalo2，使得ysz陶瓷面层松动，达到去除陶瓷层的目的。碱液在高温高压下，具有强渗透性，提高了化学反应速率，从而提高涂层的去除速率。为方便说明，以下说明中以涡轮叶片作为铸件的示例。

如图1所示，本发明的用以去除涡轮叶片的热障涂层的去除装置包括反应釜1、坩埚2、氮气压缩机3和氮气储罐4。其中，反应釜1包括耐压釜体1-1和设置于其上方的端盖1-2，端盖1-2的上方设置有泄压阀5，坩埚2设置于耐压釜体1-1的内部。坩埚2中容纳有一定量的碱液6和待去除热障涂层的涡轮叶片。氮气压缩机3用于对耐压釜体1-1和坩埚2内进行增压及泄压，氮气储罐4用于增压氮气的储存和回收。应该理解，本发明也可以使用类似于氮气的其它惰性气体。

在本实例中，坩埚2的下方和耐压釜体1-1的底部内壁之间设置有加热线圈7。在一些实施方式中，加热线圈7的下方还设置有隔热装置。本申请的耐压釜体1-1采用缠绕式超高压容器，符合gb/t34019-2017超高压容器设计标准，坩埚2采用镍基合金，具有优良的耐腐蚀性和耐温性。

在图1所示实施例中，去除装置还包括用于监测耐压釜体1-1内压力的第一压力传感器8、用于监测坩埚2内压力的第二压力传感器9、以及用于测量坩埚2内碱液6的温度的温度传感器10，温度传感器10的测温端置于碱液6中。此外，氮气储罐4上装有第三压力传感器11，用于监测罐内气体的压力。在本实例中，耐压釜体1-1的第一进出气管路12和坩埚2的第二进出气管路13上分别设置有第一、第二气体流量调节器14、15。在本实例中，使用计算机控制技术调节气体流量调节器14、15来实现耐压釜体1-1和坩埚2间的压力平衡。

特别地，进出气管路13上且位于反应釜1的上方处设置有冷凝装置16。在实际操作中，冷凝装置16用以将沸腾后的碱液6的蒸汽冷却，使来自氮气储罐4的氮气与碱液6分离，这样不仅可以提高碱液6的利用率，还可以防止碱液6的蒸汽腐蚀管路13。

本发明还提供了一种去除涡轮叶片的热障涂层的方法，包括如下步骤：

-将带有热障涂层的涡轮叶片和配制好的10kg的浓度为54wt.％的koh水溶液分别放入耐压釜体1-1内的坩埚2中；

-打开阀17(图1中所示)、氮气压缩机3、阀18(图1中所示)，从氮气储罐4中流出的氮气由氮气压缩机3增压后，通过气体流量调节器14、19分别经管路12、13进入耐压釜体1-1和坩埚2中，预加压至耐压釜体1-1和坩埚2中压力达到1mpa后，关闭阀17、氮气压缩机3、阀18；

-打开加热线圈6开关，加热坩埚2，至温度达到300℃，通过热电偶(未示出)调节温度使得温度维持在300℃；

-打开冷凝装置16，将沸腾后的碱液的蒸汽冷却，液化回流至原碱液中；

-继续通入氮气进行加压：打开阀17、氮气压缩机3、阀18，从氮气储罐4中流出的氮气由氮气压缩机3增压后，通过气体流量调节器14、15分别经管路12、13进入耐压釜体1-1和坩埚2中，预加压至耐压釜体1-1和坩埚2中压力达到32mpa后，关闭阀17、氮气压缩机3、阀18；

-在温度和压力达到预定要求后，控制反应时间2.5h；

-待达到预定的反应时间后，关闭加热线圈7，停止加热，待碱液温度降温70℃，关闭冷凝装置16；

-打开阀19(如图1所示)，使得氮气回流至氮气储罐4，待氮气储罐4、耐压釜体1-1、坩埚2三者达到压力平衡后，关闭阀19，打开氮气压缩机3、阀17、阀18使得耐压釜体1-1和坩埚2中的氮气经增压后回收至氮气储罐4，直至坩埚2和耐压釜体1-1中压力达到0.5mpa后，关闭阀17、氮气压缩机3、阀18；

-打开泄压阀5，排出剩余气体；

-取出经上述处理的涡轮叶片，置于35℃纯水中冲洗；

-对上述冲洗后的涡轮叶片进行湿吹砂处理，去除部分粘结层，观察去除效果以备后续的热障涂层的重新涂覆。

以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。