CN106346146B - 一种去除金属表面陶瓷涂层的高能短脉冲激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光加工技术，涉及一种去除金属表面陶瓷涂层的高能短脉冲激光加工方法。所述方法包括以下步骤：(1)在真空环境或氮气保护气氛下，采用大直径的聚焦光斑辐照的圆形搭接方式，对大面积区域的陶瓷涂层进行快速去除；(2)采用小直径的聚焦光斑辐照的圆形搭接方式，对残留的小面积区域陶瓷涂层进行精准去除。光斑扫描方式可为逐点扫描和逐层扫描两种。本发明主要针对单晶高温合金、高强钢、钛合金等零件的表面陶瓷涂层去除的要求，能够获得比常规化学及机械方法更高的表面质量，且不伤及金属基体，该方法具有绿色环保、精度高、可控性好等优点，适用性广。

Description

一种去除金属表面陶瓷涂层的高能短脉冲激光加工方法
技术领域
本发明属于激光加工技术，涉及一种去除金属表面陶瓷涂层的高能短脉冲激光加工方法。
背景技术
金属材料表面的陶瓷涂层具有良好的隔热、耐蚀和抗氧化的作用，可使发动机涡轮叶片工作温度提高200～300℃。有报道称，航空发动机工作温度每升高5℃可增加功率1.3％和热效率0.4％，因而受到了航空航天部门的极大重视。陶瓷涂层所处环境非常恶劣，在高温氧化和热冲击作用下，易发生剥落而失效。陶瓷涂层的失效会给飞行器安全带来巨大危害。因此，为了延长叶片的使用寿命，提高叶片安全性和经济效益，需要定期将叶片送检，将受损陶瓷涂层完全去除后，再采用沉积或喷涂方法对陶瓷涂层进行修复。
目前，去除金属表面的陶瓷涂层一般采用机械或化学方法。机械方法一般采用刀具加工的方法去掉涂层，然而对于复杂形状零件，机械方法难度较大，工艺复杂；另外，也有采用吹砂法去除涂层，该方法虽然高效，适用范围广，但是精度差，而且吹砂所用砂粒可能会嵌入金属基体中，从而在涂层制备时导致金属/陶瓷界面引入杂质，影响后期涂层结合力；而化学方法是目前叶片常用的陶瓷涂层去除技术之一，利用强腐蚀性的碱或酸将陶瓷层腐蚀溶解掉，但是该方法存在环境污染大、反应条件苛刻(高压、高温)及可控制性差等不足。
发明内容
本发明正是针对上述涂层去除需求而设计提供了一种去除金属表面陶瓷涂层的高能短脉冲激光加工方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：将金属材料置于真空环境或氩气保护气氛下，利用高能短脉冲激光的两种直径的聚焦光斑辐照，分别采用不同方法对面积大于20mm×10mm和面积小于10mm×5mm的金属表面涂层区域进行去除。对于面积大于20mm×10mm的表面陶瓷涂层区域采用如下工艺步骤：
(1)将含表面涂层的金属基体固定在铜模上，并置于真空环境或氮气保护气氛下，采用直径为Φ10mm～Φ25mm的圆形聚焦光斑辐照，激光脉冲宽度1ns～50ns，频率1Hz～10Hz，激光光束与涂层表面的夹角为45°～90°，峰值功率密度达到1MW/cm2以上，光斑搭接率≤30％，当搭接率为0时，相邻两个圆形光斑边缘相切，光斑扫描方式为逐点扫描或逐层扫描，每4000～5000次激光照射后暂停，冷却5min～15min后继续激光照射，重复以上步骤直至涂层完全去除。
对于面积小于10mm×5mm的表面陶瓷涂层区域采用如下工艺步骤：
(2)将含表面涂层的金属基体固定在铜模上，并置于真空环境或氮气保护气氛下，采用直径为Φ2mm～Φ4mm的圆形聚焦光斑辐照，激光脉冲宽度1ns～50ns，频率1Hz～10Hz，激光光束与涂层表面的夹角为45°～90°，峰值功率密度达到40MW/cm2以上，光斑搭接率为30％～50％，光斑扫描方式为逐点扫描或逐层扫描，每4000～5000次激光照射后暂停，冷却5min～15min后继续激光照射，重复以上步骤直至涂层完全去除。
本发明所涉及的金属材料为单晶高温合金、高强钢或钛合金，去除的陶瓷涂层为纯ZrO2或氧化物稳定的ZrO2涂层，涂层厚度大于50μm。
本发明的优点在于：本发明采用激光去除金属表面陶瓷涂层，是一种环境友好的新型表面清洁技术，通过高能(≥106W/cm2)、短脉冲(纳秒级)激光束照射材料表面，使粘附的涂层或污染物气化蒸发，或产生等离子冲击波破坏涂层(或污染物)和基体之间的结合力，实现表面涂层去除。相比于传统使用的机械和化学去除技术，激光去除技术绿色环保，可控性好，精度高，对基体损伤小，所得表面质量高，去除效果优异。本发明采用大直径的聚焦光斑可提高去除效率，而小直径的聚焦光斑可对小面积的残留涂层进行精准去除。通过上述方法可显著提高涂层去除后金属基体表面质量，从而在后续涂层再制备时，有利于提高涂层与金属基体的界面结合强度。此工艺过程具有绿色环保、精度高、可控性好的优点。
本发明主要针对单晶高温合金、高强钢、钛合金等零件的表面陶瓷涂层去除的要求，能够获得比常规化学及机械方法更高的表面质量，且不伤及金属基体，该方法具有绿色环保、精度高、可控性好等优点，适用性广。该技术还可在飞机蒙皮、地面燃机叶片、起落架，轴承等其他航空构件的受损涂层或污垢的去除上应用，前景广阔。
附图说明
图1直径Φ25mm的聚焦光斑辐照的圆形搭接方式(实圆圈为光斑)；
图2直径Φ4mm的聚焦光斑辐照的圆形搭接方式(实圆圈为直径Φ4mm聚焦光斑，虚线箭头为光斑移动方向，虚线圆圈为步骤(1)中直径Φ25mm的聚焦光斑辐照)；
图3原始陶瓷涂层表面形貌SEM照片；
图4去除后的金属材料表面形貌SEM照片；
图5直径Φ25mm的聚焦光斑辐照后陶瓷涂层与金属基体边界处的SEM照片
具体实施例1
本发明中所述的待处理金属为单晶高温合金、高强钢或钛合金试片，试片面积为40mm×20mm，厚度为2mm，试片表面全部覆盖有纯ZrO2或氧化物稳定的ZrO2涂层，该陶瓷涂层采用气相沉积或热喷涂的方法制备。
采用如下方法对金属试片表面的陶瓷涂层进行去除：
(1)为了提高去除速率，采用直径为Φ25mm的圆形聚焦光斑辐照，对面积大于20mm×10mm的表面陶瓷涂层区域进行激光去除。采用如下工艺步骤：
先将金属试片固定在板状铜模上，并置于真空环境或氮气保护气氛中，激光脉冲宽度为1ns～50ns，频率为5Hz～10Hz，激光光束与涂层表面的夹角为90°，峰值功率密度达到1MW/cm2以上，当此高能短脉冲激光作用在陶瓷涂层表面上，陶瓷被瞬间汽化从而脱离表面，由于脉冲作用时间短，表面以下热影响区很小(小于3μm)，对金属基体的热作用非常小，避免了热损伤。
另外，光斑搭接率为0％(当搭建率为0时，相邻两个圆形光斑边缘相切，如图1所示)。光斑扫描方式采用逐点扫描法，即将光斑停留在第一个位置，持续照射直至露出金属表面后停止，移动光斑至下一个位置，持续照射至露出金属表面，依次类推，直至整个表面露出金属表面。为了防止金属试片温度太高，每4000～5000次激光照射后暂停，依靠金属与铜模的热传导实现冷却，约15min后继续进行激光照射，重复以上步骤直至涂层完全去除，露出金属表面。
(2)由于相邻光斑之间存在间隙，部分区域仍会残留陶瓷涂层，因此，对于这些面积小于10mm×5mm的表面陶瓷涂层区域采用如下工艺步骤：
将金属试片固定在板状铜模上，并置于真空环境或氮气保护气氛中，采用直径为Φ4mm的圆形聚焦光斑辐照，激光脉冲宽度1ns～50ns，频率1Hz～10Hz，激光光束与涂层表面的夹角为90°，峰值功率密度达到40MW/cm2以上，光斑搭接率为50％(如图2所示)，光斑扫描方式采用逐层扫描法，即将光斑停留在第一个位置辐照一次后，移动至第二个位置，再辐照一次后，依次类推，直至覆盖整个区域，重复以上扫描路径多次，直至整个表面露出金属表面。为了防止金属试片温度太高，每4000～5000次激光照射后暂停，依靠金属与铜模的热传导实现冷却，约5min后继续进行激光照射，重复以上步骤直至涂层完全去除，露出金属表面。
(3)待涂层完全去除后，将金属试片放入酒精或丙酮中超声清洗后晾干。
分别对原始试片和去除陶瓷层的试片表面进行扫描电镜观察。图3为原始陶瓷涂层的表面SEM形貌，可见陶瓷层均匀分布在试片表面。而经过激光去除陶瓷层后，金属基体表面的SEM形貌如图4所示，可见表面陶瓷层被完全去除，而下面的粘结层几乎没有损伤。图5为聚焦光斑辐照后陶瓷层与金属基体边界处的SEM形貌，可见边界边缘轮廓清晰，去除过程表现出良好的可控性。综上所述，该方法能够有效去除金属基体表面的陶瓷层，获得较高的表面质量，并且具有绿色环保，可控性好，精度高，适用性广的优点。
具体实施例2
具体过程与实施例1基本相同，不同点如下：
1、本发明中所述的待处理金属为单晶高温合金叶片，叶身表面积大于40mm×60mm，叶身表面全部覆盖有氧化物稳定的ZrO2涂层，该陶瓷涂层采用气相沉积的方法制备；
2、步骤(1)中将叶片固定在仿形的凹形铜模内，采用直径为Φ10mm的圆形聚焦光斑辐照，频率为1Hz～5Hz，激光光束与涂层表面的夹角为45°；
3、步骤(2)中将叶片固定在仿形的凹形铜模内，采用直径为Φ2mm的圆形聚焦光斑辐照，激光光束与涂层表面的夹角为45°，光斑搭接率为30％。
具体实施例3
具体过程与实施例1基本相同，不同点如下：
1、本发明中所述的待处理金属为Φ60mm×60mm的高强钢或钛合金圆柱体，表面的涂层为采用热喷涂工艺制备的纯ZrO2陶瓷层；
2、步骤(1)中将圆柱体固定在仿形的凹形铜模内，采用直径为Φ20mm的圆形聚焦光斑辐照，光斑搭接率为30％，光斑扫描方式采用逐层扫描法；
3、步骤(2)中将圆柱体固定在仿形的凹形铜模内，采用直径为Φ3mm的圆形聚焦光斑辐照，光斑搭接率为30％，光斑扫描方式采用逐点扫描法。

Claims (2)

1.一种去除金属表面陶瓷涂层的高能短脉冲激光加工方法，其特征在于：将金属材料置于真空环境或氩气保护气氛下，利用高能短脉冲激光的两种直径的聚焦光斑辐照，分别采用不同方法对面积大于20mm×10mm和面积小于10mm×5mm的金属表面陶瓷涂层区域进行去除，对于面积大于20mm×10mm的表面陶瓷涂层区域采用如下工艺步骤：
(1)将含表面涂层的金属基体固定在铜模上，并置于真空环境或氮气保护气氛下，采用直径为φ10mm～φ25mm的圆形聚焦光斑辐照，激光脉冲宽度1ns～50ns，频率1Hz～10Hz，激光光束与涂层表面的夹角为45°～90°，峰值功率密度达到1MW/cm2以上，光斑搭接率≤30％，当搭接率为0时，相邻两个圆形光斑边缘相切，光斑扫描方式为逐点扫描或逐层扫描，每4000～5000次激光照射后暂停，冷却5min～15min后继续激光照射，重复以上步骤直至涂层完全去除；
对于面积小于10mm×5mm的表面陶瓷涂层区域采用如下工艺步骤：
(2)将含表面涂层的金属基体固定在铜模上，并置于真空环境或氮气保护气氛下，采用直径为φ2mm～φ4mm的圆形聚焦光斑辐照，激光脉冲宽度1ns～50ns，频率1Hz～10Hz，激光光束与涂层表面的夹角为45°～90°，峰值功率密度达到40MW/cm2以上，光斑搭接率为30％～50％，光斑扫描方式为逐点扫描或逐层扫描，每4000～5000次激光照射后暂停，冷却5min～15min后继续激光照射，重复以上步骤直至涂层完全去除。
2.根据权利要求1所述的一种去除金属表面陶瓷涂层的高能短脉冲激光加工方法，其特征在于，待处理的金属材料为单晶高温合金、高强钢或钛合金，去除的陶瓷涂层为纯ZrO2或氧化物稳定的ZrO2涂层，涂层厚度大于50μm。
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