Способ очистки поверхностей и микротрещин лопаток авиационных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок от оксидов металлов
METHOD FOR CLEANING SURFACES AND MICROCRACKS OF BLADES OF AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINES AND GAS TURBINE UNITS FROM METAL OXIDES

Изобретение относится к технологии ремонта лопаток и может использоваться в энергетике, авиационном машиностроении.
Известен  способ очистки металлических поверхностей деталей от окалины, окислов, ржавчины для очистки деталей полупроводниковых приборов перед сборкой /RU №2079930/, включающий обработку  металлических поверхностей деталей раствором.  В качестве раствора используют водный раствор сульфомалеинового ангидрида с концентрацией последнего от 10 до 30 мас., а обработку в нем ведут в течение 10-20 мин при 50-80°С.
Недостатком способа является невозможность очистки микротрещин на поверхности металлов от оксидов алюминия, никеля, титана, хрома.
Известен способ ультразвукового снятия окалины с поверхности металлических изделий /RU 2168559/. В способе используют травильные растворы, содержащие хлорное железо и соляную кислоту, и на эту среду с погруженными в нее изделиями воздействуют ультразвуковыми колебаниями в режиме кавитации. Наложение ультразвуковых колебаний ведут импульсами в течение всего цикла снятия окалины с интервалами во времени. Первый импульс накладывают через 3-5 мин после начала погружения изделия в ванну с раствором, второй - в середине цикла, а третий - одновременно с завершением цикла снятия окалины, причем время наложения импульса составляет 2-3 мин.
Недостатком способа является невозможность очистки микротрещин на поверхности металлов от оксидов алюминия, никеля, титана, хрома.
Известен чистящий раствор и способ очистки деталей авиационных турбин /US №9926517/. Способ очистки деталей газотурбинного двигателя включает подачу очищающего раствора к компоненту газотурбинного двигателя, имеющему на нем слой инородного материала, причем очищающий раствор включает воду, первый органический кислотный компонент, содержащий лимонную кислоту в количестве 0,1-15% об., второй органический кислотный компонент, с гликолевой кислотой; сульфонатом изопропиламина в диапазоне концентраций от 0,07 - 0,14% об. очищающего раствора; этоксилат спирта в диапазоне от концентраций 0,035% - 0,07% об., очищающего раствора; триэтаноламин в диапазоне от примерно 0,035% до 0,07% об. очищающего раствора; лауриминодипропионат натрия в диапазоне от примерно 0,03% до 1,0% об. очищающего раствора. Чистящий раствор имеет pH от 2,5 до 7,0. Очистку проводят при температурах 15-200°С и давлении от 1 до 50 атм. при длительности около 200 мин.
Недостатком способа является то, что очистка проводится в основном от сульфата кальция, сульфата магния, диоксида кремния, полевого шпата, слюды и глины, хлоридов натрия и калия. Недостатком способа является также невозможность очистки микротрещин на поверхности металлов от оксидов алюминия, никеля, титана, хрома.
Известен способ регенерации лопаток газовых турбин /US №8876978/, при котором лопатку газовой турбины работы промывают путем погружения в сильнощелочной промывочный раствор, а затем промывают водой. Лопатка газовой турбины после промывки водой затем промывается путем погружения в слабокислый промывочный раствор, а после промывки слабокислотным промывным раствором подвергается термообработке. Лопатка газовой турбины после термообработки затем погружается в промывочный раствор сильной кислоты, в результате чего удаляется покрытие, образовавшееся на поверхности лопатки газовой турбины. Сильнощелочной промывочный раствор представляет собой водный раствор гидроксида натрия, содержащий соль перманганата щелочного металла. При этом температуру сильнощелочного промывочного раствора поддерживают в диапазоне 70-90°С. Слабокислый промывочный раствор представляет собой водный слабокислый раствор лимонной кислоты и диаммониевой соли лимонной кислоты, промывку им ведут при температурах 80-95°С. Сильнокислотным промывочным раствором является соляная кислота. Промывку проточной водой ведут под высоким давлением и с ультразвуковой обработкой. Этим способом удаляют оксиды железа, сульфаты натрия и цинка.
Недостатком способа является невозможность очистки микротрещин на поверхности металлов от оксидов алюминия, никеля, титана, хрома.
Известен способ очистки лопаток от оксидов, образующихся при горячей коррозии /US №11136674/. Способ удаления оксидов включает получение раствора, содержащего азотную кислоту с концентрацией 1-40% об. и перекись водорода с концентрацией 1-25% об., один или несколько комплексообразователей из аммиака, органического амина, органических кислот, неорганических кислот и/или галогенида и обработку раствора в атмосфере сверхкритического диоксида углерода и введение в раствор по меньшей мере одного из соединений церия (III) или соединения церия (IV);  при этом химический состав раствора выбран таким образом, чтобы раствор практически не вступал в реакцию с основным материалом лопатки. Очистку ведут в автоклаве при давлении 80-200 атм. при температурах 30-90°С в течение 0,5-4 часов с перемешиванием.  При очистке удаляются нитриды, оксиды, соли и/или сульфиды.
Недостатком способа является частичная очистка поверхности покрытия поверхностного материала лопатки.
Наиболее близким по технической сути, выбранным нами за прототип,  является способ очистки поверхностей лопаток турбин в агрегате для обработки лопаток турбин /RU №2466212/. Способ очистки поверхностей лопаток турбин в химически активных средах при давлении газовой среды и температуре, превышающей критическое давление и температуру плавления химической среды, осуществляют в агрегате для очистки поверхностей лопаток турбин, рабочая камера которого выполнена из никелевого листового материала в виде тонкостенного стакана, в котором нагревают химически активную среду резистивным нагревателем до температуры, превышающей ее температуру плавления на 11-25 градусов при давлении газа, превышающем критическое давление химически активной среды от 2,2 до 4 МПа, и во время выдержки осуществляют периодическое изменение уровня химически активной среды за счет снижения температуры среды в рабочей камере ниже ее температуры плавления на 3-9 градусов с последующим нагревом до исходной температуры, а также за счет уплотнения паров жидкой составляющей химически активной среды инертным газом, подаваемым компрессором с последующим сбросом давления в интервале 0,1-0,4 МПа.
Недостатком способа является невозможность очистки микротрещин на поверхности металлов от оксидов алюминия, никеля, титана, хрома.
Задача, на решение которой направлено изобретение, -  разработка способа очистки поверхностей и микротрещин лопаток авиационных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок от оксидов алюминия, никеля, титана, хрома.
Поставленная задача была решена за счет того, что в способе очистки поверхностей и микротрещин лопаток авиационных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок от оксидов металлов, включающем приготовление раствора для очистки, проведение очистки в автоклаве, согласно изобретению раствор для очистки содержит смесь фосфорной и серной кислот, процесс проводят в микроволновом автоклаве при температурах 230-250°С при длительности не менее 120 минут, а затем проводят промывку обессоленной водой в ультразвуковой ванне. Причем, раствор для очистки содержит 8-12% мас. фосфорную и 8-12% мас. серную кислоту, остальное – вода, промывку лопаток проводят обессоленной водой в ультразвуковой ванне в течение не менее 30 минут, при этом поддерживают частоту 50/60 Гц, мощность не менее 30 Вт.
Приготовление раствора для очистки, содержащего смесь фосфорной (8-12% мас.) и серной (8-12% мас.) кислот, а также проведение процесса очистки поверхностей и микротрещин лопаток авиационных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок от оксидов металлов в микроволновом автоклаве при температурах 230-250°С позволяет растворить основную часть оксидов металлов алюминия, титана, хрома, никеля, а также тонкий слой металлического никеля и оксидов других металлов, покрывающих лопатку, изготовленную из жаропрочного никелевого сплава. А  промывка лопаток обессоленной водой в ультразвуковой ванне в течение не менее 30 минут, при частоте 50/60 Гц, мощности не менее 30 Вт позволяют удалить из микротрещин  на поверхности лопаток остатки оксидов алюминия, титана, хрома, никеля.
Примеры осуществления способа.
Пример 1. Фрагмент лопатки газотурбинной установки, подлежащей ремонту и содержащей на поверхности микротрещины оксиды металлов,  подвергали рентгеноспектральному анализу с использованием приставки «Bruker» электронного сканирующего микроскопа «Hitachi S-3400N». По данным рентгеноспектрального анализа содержание металлов и кислорода в трещине и на поверхности вблизи трещины было следующим (% вес): Al – 16.87; Ti – 2.06; Cr – 10.85; Ni – 33.41; Co – 7.3; O – 22.04, остальное примеси кальция, железа, молибдена, магния, молибдена. Высокое содержание кислорода свидетельствовало о наличии оксидов указанных металлов в микротрещине и на поверхности вблизи микротрещины исследуемого образца лопатки.  Этот фрагмент лопатки помещали в герметичный автоклав с раствором смеси фосфорной (10% мас.) и серной (10% мас.) кислот и вода (80% мас.), далее автоклав помещали в микроволновую печь, включали нагревание до 240°С в течение 120 минут с использованием микроволн,  далее печь охлаждали до комнатной температуры с находящимся образцом лопатки и выключенной системой микроволнового нагревания. Затем образец помещали в ультразвуковую ванну с обессоленной водой, включали ультразвуковой излучатель ванны мощностью 30 Вт с частотой 50/60 Гц и проводили промывку образца в течение 30 минут. Далее образец извлекали из ультразвуковой ванны, сушили и подвергали  рентгеноспектральному анализу с использованием приставки «Bruker» электронного сканирующего микроскопа «Hitachi S-3400N». Элементный состав поверхности микротрещины и на поверхности вблизи микротрещины фрагмента лопатки после проведения промывки поверхности был следующим, % вес: Al – 2,79; Ti – 2.46; Cr – 10.71; Ni – 63.46; Co – 11.80; O – отсутствует. Отсутствие примеси кислорода на поверхности микротрещины лопатки показало, что в результате осуществления способа очистки произошла полная очистка поверхности вблизи и в самой микротрещине от трудно удаляемых оксидов металлов:  Al; Ti ; Cr; Ni; Co, а также от оксидов других металлов, входящих в состав продуктов коррозии фрагмента лопатки, изготовленной из жаропрочного никелевого сплава.
Пример 2. Способ осуществляли аналогично примеру 1 с тем отличием, что концентрация фосфорной кислоты составляла 5% мас. и серной кислоты – 5% мас., вода составляла 90% вес. По результатам рентгеноспектрального анализа образца, подвергнутого очистке, установлено, что очищается не вся поверхность образца, на ней присутствуют зоны  с содержанием кислорода 13,77 % вес., что указывает на низкую эффективность очистки.
Пример 3. Способ осуществляли аналогично примеру 1 с тем отличием, что концентрация фосфорной кислоты составляла 8% мас. и серной кислоты – 8% мас., вода составляла 84% мас. По результатам рентгеноспектрального анализа образца, подвергнутого очистке, установлено, что очищается вся поверхность образца, на ней отсутствуют зоны, содержащие кислород, что указывает на отсутствие оксидов металлов:  Al; Ti; Cr; Ni; Cо и др.
Пример 4. Способ осуществляли аналогично примеру 1 с тем отличием, что концентрация фосфорной кислоты составляла 12% мас. и серной кислоты – 12% мас., вода составляла 76% мас. По результатам рентгеноспектрального анализа образца, подвергнутого очистке, установлено, что очищается вся поверхность образца, на ней отсутствуют зоны, содержащие кислород, что указывает на отсутствие оксидов металлов:  Al; Ti; Cr; Ni; Cо и др.
Таким образом, использование предлагаемого способа очистки поверхностей и микротрещин лопаток авиационных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок от оксидов металлов с применением фосфорной и серной кислот с концентрациями в диапазоне 8-12% мас. позволяет очистить поверхность и микротрещины лопаток авиационных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок от оксидов металлов.
Использование заявляемого способа очистки поверхностей и микротрещин лопаток авиационных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок от оксидов металлов позволит проводить ремонт дорогостоящих лопаток, главным препятствием проведения которого являются оксиды алюминия, титана, хрома, никеля, присутствующие в микротрещинах.