[發明專利]一種去除金屬表面陶瓷涂層的高能短脈沖激光加工方法

有效

• 申請號: 201610965583.0
• 申請日: 2016-11-04
• 公開（公告）號: CN106346146B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 羅學昆;于洋;王強;王欣;宋穎剛;吳凌飛;艾瑩珺
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
• 主分類號: B23K26/40
• 分類號: B23K26/40;B23K26/36
• 代理公司: 中國航空專利中心11008
• 代理人: 李建英

技術領域

本發明屬于激光加工技術，涉及一種去除金屬表面陶瓷涂層的高能短脈沖激光加工方法。

背景技術

金屬材料表面的陶瓷涂層具有良好的隔熱、耐蝕和抗氧化的作用，可使發動機渦輪葉片工作溫度提高200～300℃。有報道稱，航空發動機工作溫度每升高5℃可增加功率1.3％和熱效率0.4％，因而受到了航空航天部門的極大重視。陶瓷涂層所處環境非常惡劣，在高溫氧化和熱沖擊作用下，易發生剝落而失效。陶瓷涂層的失效會給飛行器安全帶來巨大危害。因此，為了延長葉片的使用壽命，提高葉片安全性和經濟效益，需要定期將葉片送檢，將受損陶瓷涂層完全去除后，再采用沉積或噴涂方法對陶瓷涂層進行修復。

目前，去除金屬表面的陶瓷涂層一般采用機械或化學方法。機械方法一般采用刀具加工的方法去掉涂層，然而對于復雜形狀零件，機械方法難度較大，工藝復雜；另外，也有采用吹砂法去除涂層，該方法雖然高效，適用范圍廣，但是精度差，而且吹砂所用砂粒可能會嵌入金屬基體中，從而在涂層制備時導致金屬/陶瓷界面引入雜質，影響后期涂層結合力；而化學方法是目前葉片常用的陶瓷涂層去除技術之一，利用強腐蝕性的堿或酸將陶瓷層腐蝕溶解掉，但是該方法存在環境污染大、反應條件苛刻(高壓、高溫)及可控制性差等不足。

發明內容

本發明正是針對上述涂層去除需求而設計提供了一種去除金屬表面陶瓷涂層的高能短脈沖激光加工方法。

本發明解決上述問題的技術方案是：將金屬材料置于真空環境或氬氣保護氣氛下，利用高能短脈沖激光的兩種直徑的聚焦光斑輻照，分別采用不同方法對面積大于20mm×10mm和面積小于10mm×5mm的金屬表面涂層區域進行去除。對于面積大于20mm×10mm的表面陶瓷涂層區域采用如下工藝步驟：

(1)將含表面涂層的金屬基體固定在銅模上，并置于真空環境或氮氣保護氣氛下，采用直徑為Φ10mm～Φ25mm的圓形聚焦光斑輻照，激光脈沖寬度1ns～50ns，頻率1Hz～10Hz，激光光束與涂層表面的夾角為45°～90°，峰值功率密度達到1MW/cm²以上，光斑搭接率≤30％，當搭接率為0時，相鄰兩個圓形光斑邊緣相切，光斑掃描方式為逐點掃描或逐層掃描，每4000～5000次激光照射后暫停，冷卻5min～15min后繼續激光照射，重復以上步驟直至涂層完全去除。

對于面積小于10mm×5mm的表面陶瓷涂層區域采用如下工藝步驟：

(2)將含表面涂層的金屬基體固定在銅模上，并置于真空環境或氮氣保護氣氛下，采用直徑為Φ2mm～Φ4mm的圓形聚焦光斑輻照，激光脈沖寬度1ns～50ns，頻率1Hz～10Hz，激光光束與涂層表面的夾角為45°～90°，峰值功率密度達到40MW/cm²以上，光斑搭接率為30％～50％，光斑掃描方式為逐點掃描或逐層掃描，每4000～5000次激光照射后暫停，冷卻5min～15min后繼續激光照射，重復以上步驟直至涂層完全去除。

本發明所涉及的金屬材料為單晶高溫合金、高強鋼或鈦合金，去除的陶瓷涂層為純ZrO₂或氧化物穩定的ZrO₂涂層，涂層厚度大于50μm。

本發明的優點在于：本發明采用激光去除金屬表面陶瓷涂層，是一種環境友好的新型表面清潔技術，通過高能(≥10⁶W/cm²)、短脈沖(納秒級)激光束照射材料表面，使粘附的涂層或污染物氣化蒸發，或產生等離子沖擊波破壞涂層(或污染物)和基體之間的結合力，實現表面涂層去除。相比于傳統使用的機械和化學去除技術，激光去除技術綠色環保，可控性好，精度高，對基體損傷小，所得表面質量高，去除效果優異。本發明采用大直徑的聚焦光斑可提高去除效率，而小直徑的聚焦光斑可對小面積的殘留涂層進行精準去除。通過上述方法可顯著提高涂層去除后金屬基體表面質量，從而在后續涂層再制備時，有利于提高涂層與金屬基體的界面結合強度。此工藝過程具有綠色環保、精度高、可控性好的優點。

本發明主要針對單晶高溫合金、高強鋼、鈦合金等零件的表面陶瓷涂層去除的要求，能夠獲得比常規化學及機械方法更高的表面質量，且不傷及金屬基體，該方法具有綠色環保、精度高、可控性好等優點，適用性廣。該技術還可在飛機蒙皮、地面燃機葉片、起落架，軸承等其他航空構件的受損涂層或污垢的去除上應用，前景廣闊。

附圖說明

圖1直徑Φ25mm的聚焦光斑輻照的圓形搭接方式(實圓圈為光斑)；