镍基高温合金K4125镀铝层的化学腐蚀去除方法

《Materials Advances》：Chemical corrosion removal of nickel-based high-temperature alloy K4125 aluminized coating

化学浸渍联合超声辅助有效去除镍基高温合金K4125表面Aluminide涂层，研究磺胺酸浓度（0-20g/L）及超声作用对腐蚀动力学与表面形貌的影响。结果表明5g/L磺胺酸配合超声处理最优，涂层去除速率提升55%，同时有效抑制基体腐蚀，形成平整表面。摘要分隔符：

　　本研究聚焦于一种用于镍基高温合金K4125的铝化涂层的去除方法，旨在探索化学浸蚀过程中不同浓度的磺酰胺酸对涂层去除速率和基体保护效果的影响，并进一步评估超声波辅助处理在提升去除效率方面的作用。镍基高温合金因其优异的机械性能和高温稳定性，被广泛应用于制造经济且安全的航空发动机部件。随着航空发动机性能的不断提升，涡轮叶片的运行温度也随之升高，使其在高温高压环境下长期工作，面临氧化、磨损和热腐蚀等严峻挑战。这些问题可能导致叶片过早疲劳和高温蠕变，从而缩短其使用寿命。因此，为延长叶片的服役寿命，通常会在其表面喷涂保护性涂层，如铝化涂层。

铝化涂层因其制造工艺简单且具备良好的抗氧化性能，成为保护镍基高温合金的常用选择。然而，涂层与基体在化学成分、物理相结构和微观组织方面存在显著差异，这种差异会在服役过程中导致界面处的元素扩散现象。这种扩散是由化学势梯度、温度梯度和应力梯度驱动的。例如，Chen等人指出，在高温氧化环境中，铝化涂层中的β相（β-NiAl）会向外扩散形成氧化铝层，同时也会向基体内部扩散。这种过程会持续消耗铝元素，进而降低涂层的抗氧化和抗腐蚀能力，影响其保护效果。

现有的涂层去除技术主要包括机械方法、化学溶液浸蚀和电化学方法。机械方法虽然在某些情况下适用，但其操作过程中容易引入局部残余应力，从而影响叶片的机械性能和结构可靠性。而电化学方法虽然能够有效去除涂层，但其效果受到表面氧化物形态和特性的影响较大，例如，α-Al?O?氧化物的致密结构可能会阻碍涂层的溶解过程，导致去除效率低下。此外，电化学方法对工艺参数的依赖性较强，如电位、电流和溶液浓度，这使得其在实际应用中需要频繁调整参数，难以实现大规模的工业推广。

相比之下，化学去除方法在工业应用中具有明显优势，例如对基体无破坏性、操作简便，且特别适用于具有复杂几何形状的部件。然而，目前的研究多集中于去除后的涂层性能变化，而对去除过程本身的关注相对较少。例如，Zhang等人研究了修复后的（Ni, Pt）Al涂层在高温腐蚀和氧化环境下的性能变化，而Wang等人则分析了重新喷涂的NiCoCrAlY涂层在高温氧化过程中的行为差异。此外，Poupard等人指出，使用点酸和有机介质进行2-4小时的腐蚀处理可以有效去除铝涂层，但可能会导致基体发生点蚀或过度应力。Boulesteix等人采用10%硝酸在2小时内去除铝涂层，但仍然需要借助喷砂处理去除残留物。这些方法普遍存在去除时间较长、去除不均匀以及对基体造成损伤等缺点。

为解决这些问题，本研究提出了一种结合化学浸蚀与超声波辅助处理的新型去除方法。该方法利用超声波的空化效应和增强的物质传递能力，显著提升了铝化涂层的去除效率。超声波技术因其在清洗、检测、加工和催化等领域的广泛应用，具备良好的工业推广前景。本研究通过实验确定了不同浓度的磺酰胺酸对去除过程的影响，并找到了最佳的使用浓度。此外，还探讨了超声波辅助处理对去除效率的提升作用，为开发高效、均匀且不损伤基体的铝化涂层去除技术提供了理论依据和实践指导。

在实验过程中，研究人员使用了扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）对涂层去除过程进行观察和分析，以揭示涂层去除的腐蚀机制。通过这些手段，可以详细观察涂层表面的微观结构变化，以及元素分布的变化情况，从而更深入地理解化学浸蚀与超声波辅助处理对涂层去除的影响。研究结果表明，随着磺酰胺酸浓度的增加，涂层的去除速率呈现出逐渐下降的趋势。在0-20 g/L的浓度范围内，5 g/L被确定为最佳平衡点，既能有效保护基体，又能保持较高的去除效率。

超声波辅助处理的引入显著提高了涂层的去除速率，其去除速率相较于无超声波条件下的处理提高了约55%。这一提升主要归因于超声波的空化效应，该效应能够增强溶液中物质的传递，促进涂层的均匀溶解。此外，超声波还能改善溶液与涂层之间的接触效果，提高反应效率，从而实现更高效的去除。研究还发现，超声波处理有助于形成更加平整的表面，这对于后续的涂层重新喷涂和部件的性能恢复具有重要意义。

本研究的结果对于推动镍基高温合金铝化涂层的修复和再制造技术具有重要的参考价值。通过优化化学浸蚀条件，可以有效延长涂层的使用寿命，同时减少对基体的损害。这不仅有助于降低航空发动机部件的维护成本，还能够提高其整体性能和安全性。此外，研究还强调了磺酰胺酸在化学去除过程中的重要作用，其不仅能够有效抑制腐蚀，还具备环保、安全和易于储存等优点，使其成为工业应用中的理想选择。

在实际应用中，铝化涂层的去除技术需要考虑多个因素，包括涂层的厚度、基体的化学成分以及环境条件等。本研究通过系统实验，为这些因素提供了科学依据和优化方案。例如，在选择磺酰胺酸浓度时，需要在去除效率和基体保护之间找到最佳平衡点。而在使用超声波辅助处理时，应根据具体的应用需求调整超声波的频率和强度，以确保去除过程的均匀性和效率。此外，研究还指出，超声波处理能够在一定程度上减少涂层去除过程中对基体的损伤，这对于延长部件的使用寿命具有重要意义。

从更广泛的角度来看，本研究不仅对航空发动机部件的维护和修复具有指导意义，还为其他高温合金涂层的去除提供了新的思路和技术支持。随着航空航天技术的不断发展，对高性能、长寿命发动机部件的需求日益增加。因此，开发高效、环保且不损伤基体的涂层去除技术，对于提高发动机的运行效率和降低维护成本具有重要的现实意义。同时，该研究也为相关材料科学领域的进一步探索奠定了基础，尤其是在涂层与基体相互作用机制的研究方面。

在实验方法方面，本研究采用了化学浸蚀与超声波辅助处理相结合的方式，以评估不同条件下涂层的去除效果。首先，对K4125合金进行铝化处理，然后在特定浓度的磺酰胺酸溶液中进行浸蚀处理，并结合超声波辅助处理进行对比实验。通过SEM和EDS技术对涂层的表面形貌和元素分布进行分析，可以直观地观察到涂层在不同处理条件下的变化情况。此外，研究人员还对去除后的基体进行了详细的检测，以确保其在去除过程中未受到明显损伤。

本研究的实验设计充分考虑了实际应用中的各种挑战，例如如何在不破坏基体的情况下高效去除涂层，以及如何优化处理条件以提高整体效率。通过系统实验，研究人员不仅验证了磺酰胺酸在涂层去除中的作用，还进一步探讨了超声波辅助处理对去除过程的促进效果。这些发现对于未来涂层去除技术的发展具有重要的指导意义，尤其是在提高去除效率和减少对基体损伤方面。

综上所述，本研究通过实验分析，揭示了磺酰胺酸浓度和超声波辅助处理对镍基高温合金K4125铝化涂层去除过程的影响。研究结果表明，5 g/L的磺酰胺酸浓度能够实现最佳的基体保护与去除效率的平衡，而超声波辅助处理则能够显著提升去除速率，促进涂层的均匀溶解。这些发现不仅为开发高效、安全且环保的涂层去除技术提供了理论支持，也为相关工业应用提供了实践指导。未来的研究可以进一步探索不同类型的化学溶液对涂层去除的影响，以及如何结合多种辅助技术以实现更高效的去除效果。同时，还可以针对不同合金和涂层类型进行更广泛的实验，以验证这些方法的普适性和适用性。