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CN109202733A - 一种金属构件表面热障涂层的去除方法及装置 - Google Patents

一种金属构件表面热障涂层的去除方法及装置 Download PDF

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刘壮
高长水
赵凯
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Abstract

一种金属构件表面热障涂层的去除方法及装置。本发明通过磨料水射流冲蚀去除金属构件表面的热障涂层，为后续的电火花打孔做好准备。在磨料工作液中加入中性盐电解质，使得磨料工作液具有导电性，在射流喷嘴和金属构件基体之间施加直流工作电压，基于电化学阳极溶解原理计算热障涂层被完全去除时的电解电流，通过监测电解电流的大小来判断磨料水射流冲蚀位置的热障涂层是否被完全去除，操作简单，工艺成本低。同时，本发明采用轻质液态电绝缘介质作为屏蔽膜，确保电源回路中的电流为射流冲蚀部位的电解电流。

Description

一种金属构件表面热障涂层的去除方法及装置
技术领域
本发明涉及一种表面涂层去除技术，尤其是一种金属构件表面热障涂层的去除技术，具体地说是一种能准确控制热障涂层去除的基于磨料水射流技术的金属构件表面热障涂层的去除方法及装置。
背景技术
在航空发动机金属构件表面制备热障涂层，对于提高金属构件承温能力、大幅度提高发动机工作温度具有非常直接的效果。因此，热障涂层技术已广泛应用在航空发动机涡轮叶片、燃烧室导向叶片、燃烧室壁等处。上述金属构件上往往设计有大量的气膜冷却孔道，因此，在涂覆了热障涂层的金属构件上加工气膜冷却孔道成为航空发动机制造企业面临的一个难题。目前，航空发动机叶片上的气膜孔主要采用电火花打孔方法进行加工，由于热障涂层为陶瓷材料，具有电绝缘性，因此，电火花打孔方法无法直接应用于气膜孔道的加工。目前采用的解决方法是：将涂覆热障涂层工序放在电火花打孔工序之后。但是，这样会导致已加工成型的气膜孔孔口被涂层材料部分或全部堵塞，还需要人工清除气膜冷却孔口多余的涂层材料，耗时长、效率低。
采用先涂覆热障涂层后打孔的方法有望解决热障涂层堵塞气膜孔的问题。这种方法的一个技术方案是：首先，采用磨料水射流加工方法去除气膜孔位置上的热障涂层，形成热障涂层孔型；其次，采用电火花打孔方法加工金属基体的孔型。这个技术方案的优点在于工艺成本低。这个技术方案面临一个问题是：在磨料水射流冲蚀加工热障涂层时，需要判断射流冲蚀位置的金属基体是否完全裸露，确保后续的电火花打孔工序能够有效进行。而热障涂层的厚度往往不均匀，给上述问题的解决带来困难。
发明内容
本发明的目的是针对现的有水射流去除金属构件表面热障涂层时，无法及时判断去除情况的问题，发明一种能实时反映热障涂层去除情况的金属构件表面热障涂层的去除方法，同时提供一种相应的装置。本发明利用磨料水射流冲蚀去除热障涂层，形成热障涂层孔形，同时在线监测热障涂层的冲蚀去除率，有效保障后续金属基体的电火花打孔工序的可行性。
本发明的技术方案之一：
一种金属构件表面热障涂层的去除方法，其特征是包括以下步骤：
第一步，将工件置于加工槽中，在加工槽中加入轻质液态电绝缘介质，使工件待加工表面完全浸没于轻质液态电绝缘介质中；获得射流喷嘴的直径尺寸；调节射流喷嘴与工件待加工表面的相对距离；
第二步，将磨料水工作液加入工作液槽中，将中性盐电解质加入工作液槽中，获得工作液的电导率；
第三步，确定加工时施加在喷嘴与工件之间的直流电压；根据以下公式计算金属基体完全裸露时的电化学阳极溶解电流：
式中，I为金属基体完全裸露时的回路电流，d为射流喷嘴与工件待加工表面的相对距离，U为加工时施加在射流喷嘴与工件金属基体之间的直流电压，D为喷嘴直径，κ为工作液的电导率；π为圆周率常数；
第四步：将工件金属基体与直流电源正极连接，将射流喷嘴与直流电源负极连接；
第五步：接通连接于射流喷嘴与工件基体之间的直流电源，启动输液泵，通过射流喷嘴以磨料水射流形式冲蚀加工工件待加工表面，直到电流监测装置上显示的电流达到I值，关断直流电源，关停磨料水射流液束，取出工件。
所述的轻质液态电绝缘介质为不溶于水的、密度比水小的电绝缘介质。
所述的射流喷嘴由耐酸、碱腐蚀的金属材质制成。
本发明的技术方案之二是：
一种金属构件表面热障涂层的去除装置，其特征是它包括注有中性盐电解质的工作液箱1、输液泵2、输液管路3、射流喷嘴4、注有轻质液态电绝缘介质的加工槽6、电流监测装置7和直流电源8；所述输液泵2的进液口通过输液管路3与工作液箱1连接，所述输液泵2的出液口通过输液管路3与射流喷嘴4连接；所述射流喷嘴由金属材质制成；所述直流电源8的负极与射流喷嘴4电气连接，所述直流电源8的正极与工件5上未涂覆热障涂层的部位电气连接；工件5放置在加工槽6并浸没在轻质液态电绝缘介质中；所述电流监控装置7串联接入直流电源回路中。
本发明的有益效果是：
采用磨料水射流加工方法去除金属构件表面热障涂层，利用电化学阳极溶解原理判断金属基体是否完全裸露，确保后续的电火花打孔工艺的顺利进行，工艺成本低。同时，本发明采用轻质液态电绝缘介质作为屏蔽介质，有效屏蔽了射流工作液与金属基体之间的旁路电流，确保电流监控装置所显示的电流为射流喷射加工位置的电化学阳极溶解电流。
附图说明
图1是本发明所述磨料水射流去除金属零件表面热障涂层的装置的示意图。
图1中：1、工作液槽，1.1、磨料水工作液，2、输液泵，3、输液管路，4、射流喷嘴，4.1、磨料水射流液束，5、工件，5.1、工件表面热障涂层，6、加工槽，6.1、轻质液态电绝缘介质，7、电流监控装置，8、直流电源。
具体实施方式
下面结构附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1所示。
一种金属构件表面热障涂层的去除方法，它包括以下步骤：
1、在磨料水射流加工装置的工作液槽1中加入氯化钠（或类似的中性盐电解质），使得工作液中氯化钠含量达到1%质量分数，检测磨料工作液电导率κ，测得κ为12.37mS/cm，将射流喷嘴2更换为金属材质、直径为0.3mm的喷嘴；
2、将工件5装夹于电绝缘材料制作的夹具上，将直流电源8的正极通过导线与工件5上未涂覆热障涂层的金属基体连接；直流电源8的负极通过导线与射流喷嘴4连接；将工件全部浸没在轻质液态电绝缘介质（可为不溶于水的、密度比水小的电绝缘介质），将电流检测装置7接入直流电源回路；将喷嘴4与工件5之间的距离调节到15mm；将直流电源8输出电压调节到100V；
3、基于电化学阳极溶解原理，计算热障涂层被磨料水射流完全去除情况下的电流值，式中：D为射流喷嘴直径，d为喷嘴到工件的距离，κ为磨料工作液电导率，U为直流电压；在本实施例中，U为100V，κ为12.37mS/cm，D为0.3mm，d为15mm，计算得到I=0.58mA；
4、启动输液泵2，开启直流电源8，开始磨料水射流冲蚀去除零件表面热障涂层，通过电流监控装置7监控电源回路中的电流；当工件被冲蚀部位的金属基体尚未裸露时，不会发生电化学反应，电源回路中没有电流通过，电流监控装置7上显示电流值为0；当金属基体开始裸露时，由于射流液束中含有氯化钠电解质，在外加电场的作用下，在金属基体裸露部位产生电化学反应，电源回路中开始有电流传导，电流监控装置7开始显示电流值；随着金属基体裸露率的不断增加，参加电化学反应的金属面积也不断增加，回路中的电流值也随之增加，电流监控装置7显示的电流值不断升高；当电流监控装置7显示的电流值达到峰值0.58mA时，即表示射流冲蚀部位的热障涂层被全部去除，工件被冲蚀部位的金属基体完全裸露；关停磨料输液泵2，关断直流电源8，结束加工。
实施二。
如图1所示。
一种基于磨料水射流的金属构件表面热障涂层的去除装置，它包括注有中性盐电解质的工作液箱1、输液泵2、输液管路3、射流喷嘴4、注有轻质液态电绝缘介质的加工槽6、电流监测装置7和直流电源8；所述输液泵2的进液口通过输液管路3与工作液箱1连接，所述输液泵2的出液口通过输液管路3与射流喷嘴4连接；所述射流喷嘴由金属材质制成；所述直流电源8的负极与射流喷嘴4电气连接，所述直流电源8的正极与工件5上未涂覆热障涂层的部位电气连接；工件5放置在加工槽6并浸没在轻质液态电绝缘介质中；所述电流监控装置7串联接入直流电源回路中。
本实施例的工作原理是：启动输液泵2，开启直流电源8，开始磨料水射流冲蚀去除零件表面热障涂层，通过电流监控装置7监控电源回路中的电流；当工件被冲蚀部位的金属基体尚未裸露时，不会发生电化学反应，电源回路中没有电流通过，电流监控装置7上显示电流值为0；当金属基体开始裸露时，由于射流液束中含有氯化钠电解质，在外加电场的作用下，在金属基体裸露部位产生电化学反应，电源回路中开始有电流传导，电流监控装置7开始显示电流值；随着金属基体裸露率的不断增加，参加电化学反应的金属面积也不断增加，回路中的电流值也随之增加，电流监控装置7显示的电流值不断升高；当电流监控装置7显示的电流值达到峰值时，即表示射流冲蚀部位的热障涂层被全部去除，工件被冲蚀部位的金属基体完全裸露；关停磨料输液泵2，关断直流电源8，结束加工。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种金属构件表面热障涂层的去除方法，其特征在于它包括如下步骤：
第一步，将工件置于加工槽中，在加工槽中加入轻质液态电绝缘介质，使工件待加工表面完全浸没于轻质液态电绝缘介质中；获得射流喷嘴的直径尺寸；调节射流喷嘴与工件待加工表面的相对距离；
第二步，将磨料工作液加入工作液槽中，将中性盐电解质加入磨料工作液中，获得工作液的电导率；
第三步，确定加工时施加在喷嘴与工件之间的直流电压；根据以下公式计算金属基体完全裸露时的电化学阳极溶解电流：
式中，I为金属基体完全裸露时的回路电流，d为射流喷嘴与工件待加工表面的相对距离，U为加工时施加在射流喷嘴与工件金属基体之间的直流电压，D为喷嘴直径，κ为工作液的电导率；π为圆周率常数；
第四步：将工件金属基体与直流电源正极连接，将射流喷嘴与直流电源负极连接；
第五步：接通连接于射流喷嘴与工件基体之间的直流电源，启动输液泵，通过射流喷嘴以磨料水射流形式冲蚀加工工件待加工表面，监测电流监测装置上的电流值，直到电流监测装置上显示的电流达到I值，关断直流电源，关停磨料水射流液束，取出工件。
2.根据权利要求1所述的金属构件表面热障涂层的去除方法，其特征在于：所述的射流喷嘴由耐酸、碱腐蚀的金属材质制成。
3.根据权利要求1所述的金属构件表面热障涂层的去除方法，其特征在于：所述的中性盐电解质为氯化钠溶液。
4.根据权利要求3所述的金属构件表面热障涂层的去除方法，其特征在于：所述的氯化钠溶液的质量百分比浓度1%。
5.根据权利要求1所述的金属构件表面热障涂层的去除方法，其特征在于：所述的轻质液态电绝缘介质为不溶于水的、密度比水小的电绝缘介质。
6.一种金属构件表面热障涂层的去除装置，其特征是它包括注有中性盐电解质的工作液箱（1）、输液泵（2）、输液管路（3）、射流喷嘴（4）、注有轻质液态电绝缘介质的加工槽（6）、电流监测装置（7）和直流电源（8）；所述输液泵（2）的进液口通过输液管路（3）与工作液箱（1）连接，所述输液泵（2）的出液口通过输液管路（3）与射流喷嘴（4）连接；所述射流喷嘴由金属材质制成；所述直流电源（8）的负极与射流喷嘴（4）电气连接，所述直流电源（8）的正极与工件（5）上未涂覆热障涂层的部位电气连接；工件（5）放置在加工槽（6）并浸没在轻质液态电绝缘介质中；所述电流监控装置（7）串联接入直流电源回路中。
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