CN113305104A - 一种用于剥离去除基体表面涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，属于基体涂层分离技术领域。一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，包括：对附着于金属基体的表面的涂层进行激光照射，激光从涂层远离金属基体的一侧进行照射，激光束的能量为5‑30J，频率为4‑20Hz。本申请通过一定能量和频率的激光束照射基体，在基体内产生一定的冲击，使得涂层与基体界面处产生振动。同时由于冲击波会导致涂层和基体之间的结合力下降，则会发生涂层剥落的现象。从而能够有效地作为涂层和基体分离技术。
Description
技术领域
本申请涉及基体涂层分离技术领域，且特别涉及一种用于剥离去除基体表面涂层的方法。
背景技术
在冷喷涂和热喷涂修复和再制造零部件表面过程中，零部件表面已有的金属或陶瓷或金属基复合材料涂层往往需要剥离和去除，进而重新沉积涂层。传统剥离和去除涂层的方法主要为机械磨削，然而对形状复杂的零部件或者涂层较厚的情况，机械磨削存在很大的困难，并且会对零部件本身造成一定程度的损伤和破坏。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请实施例的目的包括提供一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，以改善机械磨削涂层对基体造成损伤的技术问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，包括：对附着于金属基体的表面的涂层进行激光照射，激光从涂层远离金属基体的一侧进行照射，激光束的能量为5-30J，频率为4-20Hz。
在本申请的部分实施例中，激光束的能量为5-15J，频率为4-10Hz。
在本申请的部分实施例中，激光束的光源与涂层的距离为0.1-0.8mm。
在本申请的部分实施例中，激光束与涂层的表面之间的夹角为60-90度。
在本申请的部分实施例中，涂层的表面覆有保护层，保护层包括黑色油漆、黑色胶带或黑色铝带中的至少一种。
在本申请的部分实施例中，保护层的表面覆有约束层，约束层为透明的水层或K9玻璃层。
在本申请的部分实施例中，方法包括：在涂层的表面设置保护层，在保护层的表面设置约束层；采用激光器对准涂层，打开激光器，对涂层的表面进行扫描，激光束的光斑为圆形，扫描过程中的光斑搭接率为40-60％。
在本申请的部分实施例中，涂层的材质包括Ti、Al、Ni、Fe及其合金中的至少一种。
在本申请的部分实施例中，涂层的厚度为0.5-1.5mm。
在本申请的部分实施例中，涂层通过冷喷涂方法制备，涂层的制备方法包括：采用惰性气体作为加速气体，气体压力为0.5-5MPa，气体温度为100-1000℃，喷枪的移动速度为10-1000mm/s，喷涂的粉末粒径为10-70μm。
本申请的有益效果包括：
本申请通过一定能量和频率的激光束照射金属基体上的涂层，激光在基体和涂层内产生一定的冲击，使得涂层与基体界面处产生振动。同时由于冲击波会导致涂层和基体之间的结合力下降，则会发生涂层剥落的现象。从而能够有效地作为涂层和基体分离技术。
进一步地，涂层表面设置保护层，保护层材料吸收大量能量会引起升温、熔融、气化或喷溅等现象，能够产生高压等离子体，导致涂层和基体的内部产生冲击波，冲击波在涂层和基体的内部传播、反射、干涉，从而会在涂层与基体界面处产生振动，有助于涂层与基体的分离。在保护层上设置约束层，能够约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间，从而能够有效地分离涂层和基体。
通过本申请提供的方法处理后的涂层，能够有效的从金属基体表面剥离，而不损伤基体本身，有效的提高了涂层的剥离效率，保障了基体零件的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的用于剥离去除基体表面涂层的方法的原理示意图；
图2为本申请实施例1提供的IN718涂层用光学显微镜观察的截面微观组织结构；
图3为本申请实施例1提供的IN718涂层被激光冲击处理后用光学显微镜观察到的微观结构；
图4为本申请实施例2提供的Ti6Al4V涂层用光学显微镜观察的截面微观组织结构；
图5为本申请实施例2提供的Ti6Al4V涂层被激光冲击处理后用光学显微镜观察到的微观结构。
图标：1-激光束；2-基体；3-保护层；4-约束层；5-涂层；6-冲击波。
具体实施方式
在冷喷涂和热喷涂修复和再制造零部件表面过程中，零部件表面已有的金属或陶瓷或金属基复合材料涂层往往需要剥离和去除，进而重新沉积涂层。传统剥离和去除涂层的方法主要为机械磨削，然而对形状复杂的零部件或者涂层较厚的情况，机械磨削存在很大的困难，并且会对零部件本身造成一定程度的损伤和破坏。
激光冲击技术利用强激光束产生的等离子冲击波，通常可作为一种表面强化技术来制备涂层，从而提高金属材料的抗疲劳、耐磨损、抗腐蚀的性能。本申请的发明人研究发现，激光冲击技术中的冲击波在涂层剥离和去除方面有着显著的效果。
鉴于此，本申请采用激光冲击的方法以剥离和去除冷喷涂和热喷涂金属或陶瓷或金属基复合材料涂层。下面对本申请实施例的一种用于剥离去除基体表面涂层的方法进行具体说明。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
请参照图1，图1为本申请实施例提供的用于剥离去除基体表面涂层的方法的原理示意图。图中，基体2的表面具有涂层5，涂层上一次设有保护层3和约束层4，激光束1从涂层5远离基体2的一侧照射涂层5，在涂层5和基体2上产生冲击波6。
本申请实施例提供了一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，包括：
在附着于金属基体上的涂层的表面设置保护层，再在保护层的表面设置约束层。即保护层设置在约束层与涂层的中间，约束层在最外层。
采用激光器从涂层远离金属基体的一侧对涂层进行照射，对准涂层，其中，激光束的光源与涂层的距离为0.1-0.8mm。激光束与涂层之间的夹角为60-90度。
打开激光器，对涂层的表面进行激光照射扫描。其中，激光束的能量为5-30J，频率为4-20Hz。本申请实施例采用的激光束的光斑为圆形，激光束逐行或逐列扫描，为了激光覆盖所有的涂层，扫描过程中的光斑搭接率为40-60％。
关闭激光器，去掉约束层和保护层后，剥离涂层。
本申请针对的涂层是附着于金属基体表面的涂层。金属基体本身具有一定的硬度和强度，大部分的零件的材质采用金属。在清除金属表面喷涂的涂层时，容易采用各种机械方法而对金属基体造成损害。
金属基体表面的涂层可以为金属或陶瓷或金属基复合材料。在本申请的部分实施例中，涂层的材质包括Ti、Al、Ni、Fe及其合金中的至少一种。金属基体表面的涂层同为金属时，由于基体和涂层的材质相同或相近，增加了金属涂层剥离的难度。
因此，本申请通过对激光照射的条件进行优化调整，使得激光束对基体内产生的冲击能够分离涂层和基体，并且不破坏基体本身，保障基体的使用寿命。经过本申请发明人的实验研究得出，激光束的能量为5-30J，频率为4-20Hz。可选地，激光束的能量为5-15J，频率为4-10Hz。可选地，激光束的能量为5J、10J、15J、20J、25J或30J，频率为4Hz、8Hz、10Hz、12Hz、15Hz、18Hz或20Hz。若激光束的能量和频率不相匹配，超出上述范围的话，经过激光照射后的金属基体可能出现灼伤、涂层剥离不彻底、涂层与基体粘连等情况，影响涂层剥离的效果。
进一步地，涂层的厚度为0.5-1.5mm。上述激光照射条件对于剥离该厚度的金属或陶瓷或金属基复合材料涂层更为有效。可选地，涂层的厚度为0.5mm、0.6mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.2mm、1.4mm或1.5mm。
本申请剥离的涂层通过冷喷涂方法制备，涂层的制备方法包括：采用惰性气体作为加速气体，气体压力为0.5-5MPa，气体温度为100-1000℃，喷枪的移动速度为10-1000mm/s，喷涂的粉末粒径为10-70μm。在本申请的部分实施例中，加速气体为氮气或者氦气。通过该制备方法制得的涂层与金属基体的结合较好，不易通过机械方法剥离。因此，该涂层更加适合采用本申请提供的剥离方法去除基体表面的涂层。需要说明的是，本申请提供的剥离去除基体表面涂层的方法也同样适用于通过其他制备方法制得的涂层，不限于冷喷涂制备工艺。
在本申请的部分实施例中，保护层包括黑色油漆、黑色胶带或黑色铝带中的至少一种。保护层的主要作用是增强对激光能量的吸收，保护基体不被激光灼伤。
在本申请的部分实施例中，约束层为透明的水层或K9玻璃层。约束层的主要作用是约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间。当约束层为水层时，基体需要水平放置，以保证水层的作用。
需要说明的是，在本申请的部分实施例中，可以不设置保护层和约束层，直接对涂层和基体进行激光照射扫描。该方式可能会造成基体损伤。
本申请采用的激光器可以为激光冲击仪器，激光束的光源与涂层的距离为0.1-0.8mm，激光束与涂层之间的夹角为60-90度。目的是为了使得激光束的能量适中，通过激光照射能量、频率、距离和夹角之间的配合，使得照射到涂层上的激光能够在基体的内部产生适当的冲击波，使得基体与涂层之间的结合力降低，同时不会损伤基体本身。可选地，激光束的光源与涂层的距离为0.1mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm或0.8mm，激光束与涂层之间的夹角为60度、70度、80度或90度，进一步地，激光束与涂层之间的夹角为90度，该角度能够最大化激光束的能量，节约能源。
本申请采用移动激光束、保持基体涂层不动的方式对涂层进行激光扫描，该扫描方式避免了现有技术中，对金属基体进行夹持以移动金属基体而损伤金属基体的问题。并且移动激光束能够灵活控制激光的扫描路径、扫描方式和扫描角度，以随时调整激光剥离的效果。
本申请通过一定能量和频率的激光束照射金属基体上的涂层，激光通过透明的约束层会产生大量稠密的高温高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸在基体和涂层内产生高强度冲击波，使得涂层与基体界面处产生振动导致涂层和基体之间的结合力下降，引起涂层从基体表面剥落的现象。从而该技术能够有效地作为涂层和基体剥离的技术。
涂层表面设置保护层，保护层材料吸收大量能量会引起升温、熔融、气化或喷溅等现象，能够产生高压等离子体，导致金属基体和涂层的内部产生冲击波，冲击波在金属基体和涂层内部传播、反射、干涉，从而会在涂层与基体界面处产生振动，同时由于冲击波会导致涂层和基体之间的结合力下降，则会发生涂层剥落的现象。在保护层上设置约束层，能够约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间，从而能够有效地分离涂层和基体。
通过本申请提供的方法处理后的涂层，能够有效的从金属基体表面剥离，而不损伤基体本身，有效的提高了涂层的剥离效率，保障了基体零件的使用寿命。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，包括：
选取具有IN718涂层的IN718基体，涂层通过冷喷涂制得，涂层的厚度为1.5mm。在该涂层表面设置黑色胶带作为保护层，再在保护层的表面设置K9玻璃作为约束层。
采用激光器对准涂层，其中，激光束的光源与涂层的距离为0.2mm。激光束垂直照射在涂层的表面。
打开激光器，对涂层的表面进行激光照射扫描。其中，激光束的能量为10J，频率为10Hz，能量密度为8GW/cm2。本申请实施例采用的激光束的光斑为圆形，激光束逐行或逐列扫描，为了使激光覆盖所有的涂层，扫描过程中的光斑搭接率为50％。
关闭激光器，去掉约束层和保护层后。
采用光学显微镜分别对没有经过激光照射和激光照射后、未剥离的涂层和基体进行微观检测，观察涂层与基体的微观组织结构。结果如图2和图3。由图可知，经过激光照射后，涂层与基体之间具有明显的分隔，且分隔线较为平直。说明经过本实施例的方法能够有效剥离涂层。
实施例2
本实施例提供一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，包括：
选取具有Ti6Al4V涂层的Ti6Al4V基体，涂层通过冷喷涂制得，涂层的厚度为0.5mm。在该涂层表面设置黑色胶带作为保护层，再在保护层的表面设置透明的水层作为约束层。
采用激光器对准涂层，其中，激光束的光源与涂层的距离为0.2mm。激光束垂直照射在涂层的表面。
打开激光器，对涂层的表面进行激光照射扫描。其中，激光束的能量为10J，频率为4Hz，能量密度为4.43Gw/cm2。本申请实施例采用的激光束的光斑为圆形，激光束逐行或逐列扫描，为了使激光覆盖所有的涂层，扫描过程中的光斑搭接率为50％。
关闭激光器，去掉约束层和保护层后，可肉眼看到涂层与基体间产生连续的缝隙。
采用光学显微镜分别对没有经过激光照射和激光照射后、未剥离的涂层和基体进行微观检测，观察涂层与基体的微观组织结构。结果如图4和图5。由图可知，经过激光照射后，涂层与基体之间具有明显的分隔，且分隔线较为平直。说明经过本实施例的方法能够有效剥离涂层。
实施例3
本对比例提供一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，包括：
选取表面附着有陶瓷材料层的金属基体，采用实施例2提供的激光照射方法扫描照射金属基体，发现陶瓷材料层与基体基本实现分离，基体表面基本没有损伤。
对比例1
本对比例提供一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，包括：
选取与实施例1相同的基体和涂层，即IN718涂层在IN718基体上，采用机械磨削的方法去除涂层。观察机械磨削后的基体可知，基体表面有不同程度的磨损和损伤，说明机械磨削的方法不易控制，特别是对于形状复杂的实际工业零部件来说，涂层去除不易彻底并且很容易损伤基体。
对比例2
本对比例提供一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，与实施例1的区别仅在于：
激光束的能量为2J，频率为10Hz。观察剥离的基体可知，基体表面仍附着有未能剥离的涂层。说明涂层剥离的激光能量和频率的相互作用对涂层的去除具有至关重要的影响。
对比例3
本对比例提供一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，包括：
选取表面附着有树脂膜层材料的塑料基体，采用实施例2提供的激光照射方法扫描照射金属基体，发现照射后的树脂膜层焦化后粘接在塑料基体的表面，没有实现涂层与基体的分离。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于剥离去除基体表面涂层的方法，其特征在于，包括：对附着于金属基体的表面的涂层进行激光照射，激光从所述涂层远离所述金属基体的一侧进行照射，激光束的能量为5-30J，频率为4-20Hz。
2.根据权利要求1所述的用于剥离去除基体表面涂层的方法，其特征在于，所述激光束的能量为5-15J，所述频率为4-10Hz。
3.根据权利要求1所述的用于剥离去除基体表面涂层的方法，其特征在于，所述激光束的光源与所述涂层的距离为0.1-0.8mm。
4.根据权利要求1所述的用于剥离去除基体表面涂层的方法，其特征在于，所述激光束与所述涂层的表面之间的夹角为60-90度。
5.根据权利要求1所述的用于剥离去除基体表面涂层的方法，其特征在于，所述涂层的表面覆有保护层，所述保护层包括黑色油漆、黑色胶带或黑色铝带中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的用于剥离去除基体表面涂层的方法，其特征在于，所述保护层的表面覆有约束层，所述约束层为透明的水层或K9玻璃层。
7.根据权利要求6所述的用于剥离去除基体表面涂层的方法，其特征在于，所述方法包括：在所述涂层的表面设置所述保护层，在所述保护层的表面设置所述约束层；采用激光器对准所述涂层，打开所述激光器，对所述涂层的表面进行扫描，所述激光束的光斑为圆形，扫描过程中的光斑搭接率为40-60％。
8.根据权利要求1所述的用于剥离去除基体表面涂层的方法，其特征在于，所述涂层的材质包括Ti、Al、Ni、Fe及其合金中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的用于剥离去除基体表面涂层的方法，其特征在于，所述涂层的厚度为0.5-1.5mm。
10.根据权利要求1或9所述的用于剥离去除基体表面涂层的方法，其特征在于，所述涂层通过冷喷涂方法制备，所述涂层的制备方法包括：采用惰性气体作为加速气体，气体压力为0.5-5MPa，气体温度为100-1000℃，喷枪的移动速度为10-1000mm/s，喷涂的粉末粒径为10-70μm。
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