CN108774734B - 零部件表面涂层剥离方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种零部件表面涂层剥离方法和设备，尤其是一种涉及复杂型面零部件涂层去除领域的零部件表面涂层剥离方法和设备。本发明采用的零部件表面涂层剥离方法，用气体离子轰击零部件表面的涂层，使零部件涂层表面原子摆脱涂层本体束缚，从而让涂层逐渐剥离。本发明的零部件表面涂层剥离设备，包括供气系统、真空室、真空系统、热丝离子源、辅助阳极、电场发生装置、工件架和驱动机构，所述供气系统与真空室的气体入口连通，所述热丝离子源的灯丝和辅助阳极位于真空室内。本发明的种零部件表面涂层剥离方法和设备可以不受涂层品种限制，能彻底有效去除复杂型面零部件涂层，并且不会影响涂层所覆盖的零件基体，不会产生环境污染。

Description

零部件表面涂层剥离方法和设备
技术领域
本发明涉及一种零部件表面涂层剥离方法和设备，尤其是一种涉及复杂型面零部件涂层去除领域的零部件表面涂层剥离方法和设备。
背景技术
表面涂层技术为零部件提供了有效的保护，不仅提高了零部件的功能，也充分保护了其基体形貌、性质的完整性。因此当涂层零部件在使用一定周期后，通常通过对其表面的涂层进行剥离后，再进行重新涂覆，使其功能重新恢复到理想状态，达到重复使用的目的。
例如发动机涂层零部件在使用一定时间以后，因为会发生不同程度的损伤，如高温、高压氧化腐蚀会失去应有的功能和作用等。对其涂层进行去除和修复是不可避免的。然而，如果涂层去除不当，可能会引起零件的尺寸及其结构等重要参数的变化，进而影响航空发动机的使用性能。
此外，涂层复杂刀具、模具的重复使用，也涉及涂层的剥离问题。以高速钢滚刀、插齿刀为例，表面涂层已成为其必须采用的一种工艺方法，当刀具磨损后，需要将已有的涂层完全剥离后，再进行重新涂覆，这一过程不断重复，直至刀具修磨到最终尺寸。通常每把高速钢滚刀、插齿刀需要经历十几次涂层剥离过程。
现有技术中，涂层的剥离方法可划分为物理和化学两大类。
物理剥离方法包括：喷砂、机械球磨、离子束表面处理等。
离子束表面处理法(IBEST)是美国Quantum制造技术公司用于解决切削刀具表面涂层的脱除而开发出来的。该工艺利用离子束将50亿瓦特的能量作用在刀具上150纳秒，快速加热涂层到3000F°以上。然后表面以大约百分之一秒的速率冷却，以产生热冲击，当离子束被断开后，由于脉冲的时间太短，大量的热量不会传入钢件内部，从而涂层表面与钢件基体产生巨大的热差，使涂层是从钢件基体上剥落下来。
喷砂、机械球磨等处理方法，无法有效地去除全部表面涂层。
化学剥离方法通常有化学氧化法、电解法、电化学方法等方法。
(1)化学氧化法
化学氧化法是利用氧化剂与涂层在一定的条件下反应，将涂层氧化、分解为气体或可溶于水的组分，达到剥离涂层的目的。
(2)电解法
电流通过物质而引起化学变化的过程。电解过程是在电解池中进行的。电解池是由分别浸没在含有正、负离子的溶液中的阴、阳电极构成。运用电解法剥离硬质合金涂层，涉及电压、电流密度、电解液的浓度、温度、缓蚀剂等工艺参数。
(3)电化学法
在具有氧化性的碱性溶液中，极化涂层并保持一定的时间将导致其氧化，进而使涂层发生溶解。
铝化物涂层是发动机热端部件最早使用的抗氧化腐蚀涂层，是靠渗铝工艺或者表面涂覆不同形式的铝基合金(如Al-Si，Al-Si-Y)与高温合金基体反应和扩散而制备的。铝化物涂层使用机械方法很难去除，如利用颗粒冲击强迫使涂层开裂，容易对合金基体造成机械损伤。化学法也存在一些问题，如使用较强无机酸容易发生过腐蚀，降低零件力学性能。
使用等离子电解方法去除不锈钢表面的TiN涂层，在某种程度上提高了涂层的去除效率；这种方法的缺点是难以控制涂层去除的程度，且容易严重腐蚀涂层的基体。
MCrAlY涂层可以提高高温合金叶片等热端部件的抗高温氧化、抗热腐蚀性能，也可作为叶片热障涂层的粘结层来延长发动机的使用寿命。当基体为镍基合金时，化学法去除MCrAlY涂层比较困难，国内发动机制造企业仍然没有合适的工艺。
镀镍层具有优异的耐磨、耐腐蚀等性能，在航空发动机零部件上得到大量应用。一般主要采用化学法去除镀镍层。
热障涂层是航空发动机涡轮叶片的关键之一，氧化钇部分稳定的氧化锆是目前最成熟和可靠的热障涂层材料。吹砂去除氧化锆热障涂层具有快速、成本低的优点，但工艺可控性差，且易对基体和粘结层造成损伤。高温卤化物气体去除陶瓷涂层使用的设备昂贵，且对内、外腔涂层损伤大，没有涂层的机加工区域在暴露于高温卤化物气体环境下会发生合金元素损耗。使用高温、高压氢氧化物水溶液的高压釜工艺所用设备成本高、工作周期长、可控性差，且易对内、外腔层造成损伤。高压水去除陶瓷涂层的设备成本高、不容易控制，且容易损伤粘结层和合金基体。
高速钢滚刀、插齿刀的涂层主要为TiN、TiAlN、AlCrN，主要采用采用化学剥离方法，TiAlN剥离的难度较大，且会对高速钢基体造成腐蚀；AlCrN主要含有Cr，其化学剥离则可能导致Cr6+的形成，产生危害性的污染(六价铬是指铬化合物中铬为+6价态，对应的还有三价铬，六价铬的毒性是三价铬的100倍。六价铬为吞入性毒物/吸入性极毒物，很容易被人体吸收的，它可通过消化、呼吸道、皮肤及粘膜侵入人体，吸入可能致癌，对环境有持久危险性。)
综上所述，采用现有涂层去除技术的方法存在以下几个问题：
一、涂层种类的变化致使化学剥离方法的复杂化，也增加了剥离的难度；
二、化学剥离方法难以控制涂层去除的程度，包括局部的涂层剥离，且容易严重腐蚀涂层的基体；
三、化学剥离方法会带来对环境的污染；
四、喷砂、机械球磨等处理方法，不易处理复杂型面的零部件，且无法有效地去全部除表面涂层；
五、离子束表面处理法(IBEST)产生的热冲击会对精密刀具的尺寸精度产生影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以不受涂层品种限制，能彻底有效去除复杂型面零部件涂层，并且不会影响涂层所覆盖的零件基体，不会产生环境污染的零部件表面涂层剥离方法。
本发明解决其技术问题所采用的零部件表面涂层剥离方法，用气体离子轰击零部件表面的涂层，使零部件涂层表面原子摆脱涂层本体束缚，从而让涂层逐渐剥离。
进一步的是，包括以下几个步骤：
A、将待去除涂层的零部件置于真空室中，然后对真空室抽真空；
B、往真空室中送入Ar气和H2气；
C、对待去除涂层的零部件表面涂层进行Ar离子和H离子的轰击；
D、对待去除涂层的零部件进行冷却处理。
进一步的是，在通入Ar气和H2气后，对真空室进行预加热。
进一步的是，预加热温度为300～400℃，时间为50分钟至70分钟。
进一步的是，A步骤中抽真空后使真空室内压强小于5×10-2Pa。
进一步的是，利用气体离子源装置产生气体离子。
进一步的是，利用磁场和电场控制轰击表面涂层的气体离子的运动和能量。
进一步的是，在B步骤中送入40～60sccm的Ar气，送入15～30sccm的H2气。
进一步的是，在C步骤中，使离子源热丝电流170～230A；离子源磁场电流7～12A；弧电源电流120～140A；气体压强2.0×10-1～2.4×10-1Pa，Ar气流量40～60sccm，H2气流量15～30sccm，开启偏压电源，逐渐加电压至直流0～200V、脉冲0～600V。
本发明所解决的另一个技术问题是提供一种可以不受涂层品种限制，能彻底有效去除复杂型面零部件涂层，并且不会影响涂层所覆盖的零件基体，不会产生环境污染的零部件表面涂层剥离设备。
本发明解决其技术问题所采用的零部件表面涂层剥离设备，包括供气系统、真空室、真空系统、热丝离子源、辅助阳极、电场发生装置、工件架和驱动机构，所述供气系统与真空室的气体入口连通，所述热丝离子源的灯丝和辅助阳极位于真空室内，所述真空系统与真空室连通，所述驱动机构和工件架传动连接。
本发明的有益效果是：利采用本申请的涂层去除方法，其对零部件表面涂层的剥离作用产生在原子层面，气体离子的能量便于精准控制，对于复杂型面的零部件表面涂层也可以彻底剥离，并且剥离过程没有热冲击，不会破坏涂层所覆盖的零件基体，不会对精密刀具的尺寸精度产生影响，同时本申请的方法不受涂层种类的限制，克服了化学方法因为涂层种类的变化致使剥离方法复杂化，增加剥离难度的缺点，并且本申请的方法不会对涂层的基体产生腐蚀作用，也不会造成环境污染。
附图说明
图1为热丝离子源轰击原理图；
图中主要零部件及编号：真空室1、热丝离子源2、辅助阳极3、工件架4、涂层叶片5、涂层滚刀6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的零部件表面涂层剥离方法，其原理如图1所示，用气体离子轰击零部件表面的涂层，使零部件涂层表面原子摆脱涂层本体束缚，从而让涂层逐渐剥离。本申请利用气体离子轰击零部件表面的涂层，轰击时气体离子的能量使受到轰击的涂层表面原子摆脱涂层本体束缚而脱离涂层本体，外层原子脱离后，原来位于内层的原子暴露在外部，气体离子继续轰击暴露在外的原子，使涂层逐层剥离至到零部件表面的涂层完全被去除。采用本申请的涂层去除方法，其对零部件表面涂层的剥离作用产生在原子层面，气体离子的能量便于精准控制，对于复杂型面的零部件表面涂层也可以彻底剥离，并且剥离过程没有热冲击，不会损坏涂层所覆盖的零件基体，不会对精密刀具的尺寸精度产生影响，同时本申请的方法不受涂层种类的限制，克服了化学方法因为涂层种类的变化致使剥离方法复杂化，增加剥离难度的缺点，并且本申请的方法不会对涂层的基体产生腐蚀作用，也不会造成环境污染。
为了进一步提高涂层剥离的效果，本申请还采取了下述措施：
A、将待去除涂层的零部件置于真空室1中，然后对真空室1抽真空；
B、往真空室1中送入Ar气和H2气；
C、对待去除涂层的零部件表面涂层进行Ar离子和H离子的轰击；
D、对待去除涂层的零部件进行冷却处理。
为了保证剥离效果，涂层的去除过程在稳定的真空环境中进行，在真空室1中将Ar气和H2气离化产生Ar离子和H离子，用Ar离子和H离子轰击零部件的涂层使其剥离。其中氩气离子质量轻，成本低，氢气离子在剥离过程中可以起到活化作用，因此本申请的涂层去除方法优选Ar离子和H离子作为轰击的离子。
实施例1
为了使涂层更容易剥离，本实施例在通入Ar气和H2气后，对真空室1进行预加热到一定温度，用以激活涂层离子能量，使涂层原子在受到气体离子轰击后更容易摆脱涂层基体束缚而剥离。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，将预加热温度控制在300～400℃范围内，将加热时间控制在时间为50分钟至70分钟，使涂层离子能量能够被充分激活，并维持在最佳状态。
实施例3
在本实施例中，为了使剥离过程在可稳定的真空环境中进行，A步骤中抽真空后保证真空室1内压强小于5×10-2Pa。
实施例4
如图1所示，本实施例利用气体离子源装置产生充足的气体离子，气体离子源装置包括了热丝离子源2，辅助阳极3等部件，可以使Ar气和H2气快速转化为Ar离子和H离子。
实施例5
在剥离工艺中，气体离子能量的均布性对剥离效果有重要影响，磁场和电场的强度可以通过磁场和电场发生装置的电流进行精确控制，因此本实施例利用磁场和电场作用可以精确控制轰击表面涂层的气体离子的运动和能量，提高气体离子能量的均布性，使涂层能够被准确剥离。
实施例5
在B步骤中送入40～60sccm的Ar气，送入15～30sccm的H2气。在C步骤中，使离子源热丝电流170～230A；离子源磁场电流7～12A；弧电源电流120～140A；真空室内的气体压强2.0×10-1～2.4×10-1Pa，Ar气流量40～60sccm，H2气流量15～30sccm，开启偏压电源，逐渐加电压至直流0～200V、脉冲0～600V。本实施例利用热丝离子源2产生的Ar+、H+，并通过温度、脉冲基体偏压的调配，控制气体离子以最适合的能量轰击零部件表面待去除的涂层，让涂层准确剥离。
如图1所示，本发明的零部件表面涂层剥离设备，包括供气系统、真空室1、真空系统、热丝离子源2、辅助阳极3、电场发生装置、工件架4和驱动机构，所述供气系统与真空室1的气体入口连通，所述热丝离子源2的灯丝和辅助阳极3位于真空室1内，所述真空系统与真空室1连通，所述驱动机构和工件架4传动连接。本申请零部件表面涂层剥离设备利用真空系统将真空室1抽成真空，为涂层去除提供真空环境，利用供气系统将Ar气和H2气通入真空室1中，然后利用热丝离子源2产生气体离子，并利用电场发生装置产生的偏压电场控制气体离子运动轰击零部件表面的涂层，在轰击过程中驱动机构驱动夹持零部件的工件架4按照一定的方式运动，使零件表面需要去除的涂层部分能够受到足够的离子轰击。为了实现预加热，还可以在工件架4附件设置加热装置。工件架4用于固定涂层叶片5、涂层滚刀6等待去除涂层的零部件。采用本发明的零部件表面涂层剥离设备，可以利用热丝离子源2产生的Ar离子和H离子轰击零部件表面涂层，依靠轰击时气体离子的能量使涂层逐渐剥离，对于复杂型面的零部件表面涂层也可以实现彻底剥离，并且剥离过程没有热冲击，不会损坏坏涂层所覆盖的零件基体，不会对精密刀具的尺寸精度产生影响，同时利用本设备进行涂层去除时不受涂层种类的限制，克服了化学方法因为涂层种类的变化致使剥离方法复杂化，增加剥离难度的缺点，并且不会对涂层的基体产生腐蚀作用，也不会造成环境污染。
为了提高涂层去除的效率和去除的效果，本申请还在工件架4上增设多个相互独立的转架，每个转架上又设置有拨爪机构。可以一次性将待去除涂层的多个工件安装在转架上，在涂层去除过程中工件随转架一起转动的同时，拨爪机构拨动工件相对转架转动，使工件在涂层去除过程中做二维转动。采用前述的方案可以使的涂层去除时，作用在涂层上的离子能量更加集中，能量上升更快，可以使涂层去除的效率提高二倍至三倍，使涂层去除的更加彻底。
在具体实施时可以布置八树转架，转架转动直径为200mm，转速为0.5～2转/min。
下面是采用本申请的方法待剥离TiAlN涂层高速钢滚刀工艺过程：
1、前处理：
刀片经常规弱碱性清洗剂和无水酒精超声波清洗后干燥，置于真空室1内；
2、涂层剥离前准备工作：
①真空室1充气，打开炉门；
②根据需要更换视窗玻璃；
③用高压气枪清洁炉体各个部位，压强0.6MPa；
④选择适当的夹具，装入刀片，确认夹具运动可靠无误；
⑤确认电子枪、电弧源、溅射源、辅助阳极3、工件夹具的绝缘状况，其阻值应大于100KΩ；
⑥关闭蒸镀室、关闭放气阀。
3、抽真空至5×10-2Pa及预加热
①启动冷水机组；
②维持泵、前级泵、打开预抽阀；
③启动复合真空计，打开热偶规，测试前级管道真空，真空小于5Pa；
④启动分子泵；
⑤当分子泵进入正常工作状态，并真空室1真空度满足小于5Pa后，关闭预抽阀、开启前级阀、高真空阀；
⑥当真空值小于5×10-2Pa时，送人40～60sccm的Ar气、15～30sccm的H2气，并开启辅助加热5KW；
⑦开启工件转动，调频15Hz；
⑧60min后准备进入Ar离子、H离子的轰击阶段。
4、Ar离子、H离子的轰击。
①灯丝电流维持在170～230A；
②弧电流减至120～140A；
③磁场电流减至7～10A；
④气体压强调至(2.0～2.4)×10-1Pa，Ar气流量40～60sccm，H2气流量15～30sccm；
⑤启开偏压电源，逐渐加电压至直流0～200V、脉冲0～600；
⑥离子轰击时段约为200～400min。
5、冷却：工艺时间90～120min。
①关闭偏压电源；
②关闭电弧电源；
③关闭磁场电源；
④关闭灯丝电源；
⑤关闭加热电源；
⑥关闭分子泵启动电源；
⑦停止Ar、H2气送入；
⑧自然冷却90～120min。

Claims (5)

1.零部件表面涂层剥离方法，其特征在于：用气体离子轰击零部件表面的涂层，使零部件涂层表面原子摆脱涂层本体束缚，从而让涂层逐渐剥离；
包括以下几个步骤：
A、将待去除涂层的零部件置于真空室（1）中，然后对真空室（1）抽真空；
B、往真空室（1）中送入40~60sccm的Ar气，送入15~30sccm的H2气；在通入Ar气和H2气后，对真空室（1）进行预加热；
C、利用气体离子源装置产生气体离子，利用磁场和电场控制轰击表面涂层的气体离子的运动和能量，使离子源热丝电流170~230A；离子源磁场电流7~12A；弧电源电流120~140A；气体压强2.0×10-1~2.4×10-1Pa，Ar气流量40~60sccm，H2气流量15~30sccm，开启偏压电源，逐渐加电压至直流0~200V、脉冲0~600V；对待去除涂层的零部件表面涂层进行Ar离子和H离子的轰击；
D、对待去除涂层的零部件行冷却处理。
2.如权利要求1所述的零部件表面涂层剥离方法，其特征在于：预加热温度为300~400℃，时间为50分钟至70分钟。
3.如权利要求1所述的零部件表面涂层剥离方法，其特征在于：A步骤中抽真空后使真空室（1）内压强小于5×10-2Pa。
4.如权利要求1所述的零部件表面涂层剥离方法，其特征在于：采用的零部件表面涂层剥离设备结构如下,包括供气系统、真空室（1）、真空系统、热丝离子源（2）、辅助阳极（3）、电场发生装置、工件架（4）和驱动机构，所述供气系统与真空室（1）的气体入口连通，所述热丝离子源（2）的灯丝和辅助阳极（3）位于真空室（1）内，所述真空系统与真空室（1）连通，所述驱动机构和工件架（4）传动连接；在工件架（4）附件设置有加热装置；去除涂层时，在轰击过程中驱动机构驱动夹持零部件的工件架（4）按照设定的方式运动，使零部件表面需要去除的涂层部分能够受到足够的离子轰击。
5.如权利要求4所述的零部件表面涂层剥离方法，其特征在于：在工件架（4）上增设多个相互独立的转架，每个转架上又设置有拨爪机构；将待去除涂层的多个零部件安装在转架上，在涂层去除过程中零部件随转架一起转动的同时，拨爪机构拨动零部件相对转架转动，使零部件在涂层去除过程中做二维转动。
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