СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ПОКРЫТИЯ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКИ
METHOD FOR REMOVING COATING FROM METAL BASE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при ремонте лопаток и других деталей турбин.
Известны химические способы удаления покрытий из никеля и его сплавов с помощью химического травления в концентрированных растворах одной или нескольких кислот (Елисеев Ю.С., Абраимов Н.В., Крымов В.В. Химико-термическая обработка и защитные покрытия в авиадвигателестроении. - М.: Высшая школа, 1999, 595 с., стр. 482, табл. 16.1). Недостатком известных способов является повышенная токсичность используемых растворов и низкая производительность.
Известен способ электрохимического удаления покрытий в растворах пропусканием постоянного тока между покрытой деталью и электродом (Патент ЕР 1094134, опубл. 25.04.2001. Electrochemical system and process for stripping metallic coatings / Macdonald Leo Spitz (US); Wei Bin (US); Lipkin Don Mark (US)). Способ не обеспечивает сохранение геометрии кромок и класса чистоты поверхности, необходимых для повторного нанесения покрытий при ремонте деталей ГТД.
2
Известен способ удаления алюминидного покрытия на основе никеля, включающий электрохимическую обработку изделия в электролите, содержащем 1-12 мас. %: неорганической кислоты, выбранной из группы: азотная, серная, соляная, фосфорная, и воду в режиме микродугового оксидирования и растворения при плотности тока 50-100 А/дм (Патент РФ 2211261, опубл. 27.08.2003. Способ удаления алюминидного покрытия на основе никеля / Будиновский С.А.; Мубояджян С.А.; Павлов А.Ю.). Недостатком аналога является различие скорости травления на выпуклых и вогнутых поверхностях пера лопаток турбин и осуществление процесса в две стадии для удаления нерастворимых в электролите продуктов электрохимической обработки с поверхности изделия путем механической обработки.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ удаления покрытия с металлической подложки, включающий анодную электролитно-плазменную обработку в нагретом электролите, содержащем неорганическую аммонийную соль и добавку водорастворимого вещества (Патент РФ 2094546, опубл. 27.10.1997. Способ удаления покрытия с металлической подложки. / Амирханова Н.А.; Невьянцева P.P.; Белоногов В.А.; Тимергазина Т.М.).
Недостатками способа являются использование анодного режима электролитно-плазменной обработки, что приводит к снижению выхода годной для дальнейшего ремонта продукции и высокое энергопотребление процесса.
Технической задачей и техническим результатом изобретения является увеличение выхода годной продукции в процессе удаления покрытий и снижение энергопотребления процесса при сохранении или повышении скорости удаления покрытия.
Поставленный технический результат достигается тем, что способ удаления алюминидного покрытия на основе никеля или кобальта с металлической подложки, включающий обработку в электролите, содержащем неорганическую аммонийную соль и добавку водорастворимого вещества, отличается тем, что обработку ведут в электролитно-плазменном катодном режиме с электропитанием пакетами импульсов постоянного тока частотой 30-40 кГц с длительностью паузы между пакетами 4-10 мкс в электролите, содержащем в мас. %: фтористый аммоний - 2-5; трилон Б - 0,01-0,03; вода - остальное.
При электролитно-плазменной обработке удаление покрытия происходит в результате электрических пробоев парогазовой оболочки с формированием плазменного слоя вблизи активного электрода (обрабатываемого изделия). Устойчивость плазменной оболочки определяется количеством активных частиц (возбужденных молекул и атомов, ионов), участвующих в плазмохимических процессах и увеличивающих температуру обрабатываемого изделия. Недостатком обработки при анодной поляризации активного электрода является неустойчивость плазменного слоя вследствие низкой скорости образования активных частиц. Схлопывание плазменной оболочки приводит к формированию сильноточных дуговых разрядов и повреждению поверхности основы. В то же время при анодной поляризации активного электрода за счет положительного потенциала на обрабатываемой поверхности происходит равномерное растворение поверхностного слоя, что затрудняет удаление разнотолщинных покрытий и приводит к снижению избирательности процесса.
При электролитно-плазменной обработке с катодной поляризацией активного электрода съем покрытия осуществляется преимущественно за счет физического воздействия на обрабатываемую поверхность потоком активных частиц, при этом отсутствует электрохимическое растворение острых кромок, имеющее место при анодной поляризации обрабатываемого изделия. В плазменном слое имеют место многочисленные микродуговые разряды, токоперенос в которых обеспечивает автоэлектронная эмиссия с металлической подложки под действием электрического поля положительно заряженных ионов, поступающих с поверхности катода. Микродуговые разряды в плазменном слое создают на поверхности локальные зоны высокого давления и температуры, что обеспечивает равномерное удаление покрытия на поверхности сложной формы с острыми кромками без предварительного разогрева катода и электролита.
Электропитание процесса удаления покрытия пакетами отрицательных импульсов постоянного тока предотвращает формирование на поверхности катодных дуговых привязок, так называемых катодных пятен размером до 10-100 мкм, высокая плотность тока в которых может приводить к оплавлению и разрушению материала подложки. Формирование катодных пятен и нарастание плотности тока происходит в течение нескольких десятков микросекунд. Интервалы частоты импульсов постоянного тока и паузы между ними являются оптимальными для самогашения катодных привязок. При уменьшении частоты импульсов менее 30 кГц и увеличении паузы более 10 мкс катодное пятно успевает сформироваться, что приводит к разрушению острых кромок на поверхности. Увеличение частоты отрицательных импульсов постоянного тока более 40 кГц и паузы менее 4 мкс снижает скорость электроэрозионного травления покрытия.
Использование аммонийной соли в качестве электролита позволяет повысить количество активных частиц в плазменном слое за счет высокой летучести аммонийных солей. Использование соли фтористого аммония, по сравнению с аммонийными солями со сложными кислотными остатками, позволяет повысить степень ионизации плазмы и скорость удаления покрытия. Схематично химизм процесса можно представить следующим образом.
В растворе идет гидролиз фтористого аммония.
4
2
4
NHF+НО↔NHOH+HF (гидролиз фтористого аммония)
В плазме молекул HF происходит диссоциативное прилипание электрона с образованием отрицательного иона:
На поверхности образуются пленка из нерастворимых солей и оксидов, которые взаимодействуют с трилоном Б (натрий этилендиаминтетрацетат) с образованием растворимой комплексной соли.
Предлагаемый способ позволяет удалять алюминидные покрытия на основе никеля или кобальта системы Ni(Co)CrAl (W,Ta,Re,Hf,Y,B,Si,C) типа СДП-1, СДП-2, СДП-3, ВСДП-3, ВСДП-4, ВСДП-8, ВСДП-9, ВСДП-11, ВСДП-16, ВСДП-18, ВСДП-23 и др. для рабочих лопаток газовых турбин и других металлических поверхностей, например стали и других сплавов.
Сущность изобретения поясняется следующими примерами.
Рабочие лопатки газотурбинного авиационного двигателя из сплава ЖС32 имели на поверхности пера металлическое жаростойкое защитное алюминидное покрытие типа СДП-2 (NiCrAlY) + ВСДП-16 (NiAlY). Удаление покрытия с металлической подложки проводили в водных электролитах на основе фтористого аммония и трилона Б в соответствии с предложенным способом в электролитно-плазменном катодном режиме. Электропитание процессов осуществляли от регулируемого источника постоянного тока, формирующего выходное напряжение в виде пакетов импульсов частотой 30-40 кГц с длительностью паузы между пакетами 4-10 мкс. Отрицательное постоянное напряжение на поверхности металлической подложки в зависимости от частоты питание подается на 25-35 мкс, что достаточно для начала формирования множества катодных микродуговых разрядов по всей обрабатываемой поверхности и электроэрозионному удалению покрытия. В конце каждого импульса питания напряжение снижается до нулевого значения, и микродуговые разряды прекращаются. При подаче последующих импульсов возбуждение и самогашение микродуговых разрядов повторяется. Т.к. длительность импульсов питания превышает время достаточное для образования катодного пятна, существует вероятность перехода от множества микродуговых разрядов к одному или нескольким сильноточным дуговым разрядам на поверхности. В этом случае система управления источника питания регистрирует нарастание тока в цепи выше заданного рабочего значения и генерирует паузу длительностью 4-10 мкс для принудительного гашения дугового разряда при снижении тока в цепи питания до нулевого значения. По истечении времени паузы импульсное питание процесса возобновляется.
Удаление покрытия было проведено с поверхности пера одинакового количества лопаток в каждом примере. Геометрия входных и выходных кромок пера контролировалась визуально на оптическом микроскопе для отбраковки лопаток с изменениями, превышающими допустимые отклонения размеров по чертежу на лопатку. Отношение количества лопаток, пригодных к дальнейшему ремонту после обработки, к общему количеству обработанных лопаток в каждом примере определялось в процентном отношении как выход годной продукции процесса.
В каждом примере также определялись скорость удаления покрытия и температура электролита.
Полученные результаты представлены в таблице.
В примерах 1-13 (см. табл.) удаление покрытия с поверхности пера лопаток проводили в водном электролите, содержащем 3,5% фтористого аммония и 0,02% водорастворимого вещества трилон Б при различных параметрах импульсного электропитания. Видно, что по выходу годного, скорости травления предложенный способ превосходит прототип (пример 14) и реализуется при более низкой температуре.
При снижении частоты до 25 кГц длительность единичного импульса питания возрастает до 40 мкс, что повышает вероятность возникновения дуговых разрядов и снижает выход годного вследствие повреждений выходных кромок лопаток, а также приводит к снижению скорости травления из-за необходимости генерации пауз принудительного дугогашения.
При увеличении частоты импульсов питания до 45 кГц длительность единичного импульса питания сокращается до 22 мкс. Дуговые разряды носят единичный характер, что обеспечивает высокий выход годного, но скорость удаления покрытия снижается по сравнению с оптимальным режимом (пример 9) более чем на 50%.
Оптимальной для проведения процесса удаления покрытия в соответствии с предлагаемым способом является частота импульсов 35 кГц при длительности паузы 7 мкс в случае перехода из режима микродуговых в режим дугового разряда.
Изменение концентрации фтористого аммония в составе электролита в диапазоне 2-7% не оказывает влияние на выход годной. В то же время скорость удаления покрытия с изменением концентрации электролита носит экстремальный характер с максимальной скоростью удаления при концентрации соли в электролите 3,5-4%. Уменьшение концентрации приводит к уменьшению степени ионизации плазмы и количеству активных частиц в ее составе. Увеличение концентрации электролита приводит к дестабилизации плазменного слоя вследствие интенсивного испарения электролита в приэлектродном пространстве.
Аналогичные результаты были получены на рабочих лопатках турбин из сплавов ЖС6У, ЖС26 и др. с жаростойкими алюминидными покрытиями.
Применение изобретения в промышленности для ремонта лопаток турбин позволит существенно повысить выход лопаток, пригодных к дальнейшему использованию после проведения ремонта, и позволит исключить из серийных технологий ремонта лопаток ГТД использование токсичных сильных кислот, а также снизит экологическую нагрузку на окружающую среду при создании ремонтных производств.