[发明专利]一种去除金属表面陶瓷涂层的高能短脉冲激光加工方法

说明书

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)；