化學剝離MCrAlY金屬涂層研究及應用

謝凡 許松華 羅燕金 王建梁 楊誠 周曄

摘 要：工業燃氣輪機在高溫、高壓和高轉速的環境下運行，熱障涂層是部件安全長期運行的有效保障，涂層的剝離是周期性檢修的重要工藝環節，本文從涂層與剝離技術、剝離設備、待剝離部件及溶液準備、剝離作業、后處理與檢測等方面進行了簡要論述。

關鍵詞：燃氣輪機、化學剝離、MCrAlY涂層、溶液

引言

工業燃氣輪機屬于以高溫燃氣為工質的高效清潔的火電能源核心動力設備，與航空發動機一起被納入國家重大科技專項“兩機專項”。在追求單機及聯合循環效率提高的背景下，透平前溫不斷提高，先進機組的透平前溫已經達到1500～1600℃，轉速達到3000RPM，極端的服役環境對機組部件的設計、制造和綜合性能要求極高。只有通過高效率、高負荷的氣動設計;高溫、低排的燃燒系統設計;高強度、優良冷卻的透平組件設計等才能滿足，這就必然要求熱部件采用卓越的高溫合金材料、優良的熱障&耐腐蝕涂層、先進合理的冷卻系統。在材料和結構優化的基礎上，通過涂層的補充，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、安全可靠在行業內得到廣泛應用，高溫運行后失效涂層的剝離作業是熱部件的運行后維護的重要環節[1]。

1、涂層及剝離技術

自上世紀五十年代就有防護涂層的報道以來，經過多年的發展，高溫涂層的成分、結構、制備等均取得了巨大進展.目前應用最為廣泛的TBC系統主要包括四種，即陶瓷層（Zr2O）、粘結層（MCrAlY）、超合金基底以及在陶瓷層與粘結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]。

涂層的剝離技術可以分為物理和化學兩大類，簡要介紹如下[3]：

（1）物理剝離常用工藝

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

2）打磨：利用砂輪或砂帶機，采取自動化或手工方式剝離涂層，一般用于表面擴散涂層和金屬粘結層的剝離，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沖擊去除涂層，可以去除各類涂層，設備昂貴。

（2）化學剝離常用工藝

1）酸液法。

2）堿液法。

3）電解法。

耗時耗力、質量難以控制是物理剝離工藝的典型缺點，工藝控制和作業安全則是化學剝離需要重點的地方，經過多年研究與實踐，業內不同企業形成了各具特點的涂層剝離工藝習慣。國外企業主要采用酸、堿等溶液實施有效的涂層剝離作業，由于工藝的成熟固化，這一類工藝安全高效，對于控制維護成本效果明顯，而國內企業和研究機構由于工藝技術受限，主要以物理方法為主。

2、化學剝離涂層工藝開發

2.1設備準備

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

剝離設備運用了高質量的材料包括PP、NPP、PVDF 塑料材料等。 在設備制造中，采用：

1）結構的穩固焊接;

2）PP材料對鋼結構的無縫包裹;

3）各水槽酸槽的精密焊接制造;

4）各傳感器的可靠安裝;

5）電氣設備的可靠穩定的運行。

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

2.2葉片準備與溶液配制

本次剝離試驗選取了經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：GTD111

涂層：MCrAlY（涂層厚度見下圖3）

運行小時數：21935小時

啟停次數：441次

剝離試驗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）非剝離區域著遮蔽防護。

本次剝離試驗主要針對MCrAlY涂層，配置溶液如下表1：

2.3剝離作業與監測

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

（1）剝離溶液的加載。

往酸槽內加入鹽酸、潤濕劑、水，并做好記錄。

（2）剝離作業工藝如下：

①將酸洗槽門打開。

②把吊籃用起重設備放進酸洗槽內并且水平放好。

③把起重掛鉤從吊籃處移開。

④關閉槽門，由于槽內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，結束后打開槽門，并且啟動鼓泡

⑥打開起重設備把酸槽內的吊籃用掛鉤吊起一定的高度等待吊籃內的酸液瀝干

⑦吊籃運行到水槽位置后放入水內浸泡 15 分鐘

⑧吊籃從水槽吊起后要瀝干再運行到托盤上

⑨把葉片從吊籃內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，是否有明顯殘留涂層和腐蝕母材等異常狀態。

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電源開關。

④待檢測設備指示燈閃爍時，金屬夾在無涂層區域，金屬棒點擊在酸洗涂層區域，然后看顯示數值，再標出殘留涂層的區域和數值

2.4后處理與檢測

（1）剝離作業完成后利用燃氣輪將葉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部通道的殘留物。

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

3、總結與改進

（1）建立了具備量產作業要求的化學剝離線，進行了化學剝離設備調試;

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

（3）在涂層剝離認證過程中，開展涂層剝離及相關環節的工藝認證、質量評定，建立了部件涂層剝離全流程的監督體系，為燃機熱部件修理過程提供技術保障;

（4）下一步將繼續完善檢驗檢測方法，提高設備自動化水平。

參考文獻

[1]王鐵軍、范學領-熱障涂層強度理論與檢測技術[M]西安交通大學出版社： 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-高溫防護涂層技術[M]國防工業出版社： 185-212

作者簡介;

謝凡（1985.9.1），性別：男;籍貫：湖北孝昌;民族：漢;學歷：本科;職稱：工程師;研究方向：工業燃氣輪機熱通道部件修理、新件制造。

中國華電集團科技項目，編號CHDKJ21-02-43