本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)，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(shù)：

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(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片工作溫度提高200～300℃。有報(bào)道稱，航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(huán)境非常惡劣，在高溫氧化和熱沖擊作用下，易發(fā)生剝落而失效。陶瓷涂層的失效會(huì)給飛行器安全帶來巨大危害。因此，為了延長(zhǎng)葉片的使用壽命，提高葉片安全性和經(jīng)濟(jì)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(duì)陶瓷涂層進(jìn)行修復(fù)。

目前，去除金屬表面的陶瓷涂層一般采用機(jī)械或化學(xué)方法。機(jī)械方法一般采用刀具加工的方法去掉涂層，然而對(duì)于復(fù)雜形狀零件，機(jī)械方法難度較大，工藝復(fù)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?？赡軙?huì)嵌入金屬基體中，從而在涂層制備時(shí)導(dǎo)致金屬/陶瓷界面引入雜質(zhì)，影響后期涂層結(jié)合力；而化學(xué)方法是目前葉片常用的陶瓷涂層去除技術(shù)之一，利用強(qiáng)腐蝕性的堿或酸將陶瓷層腐蝕溶解掉，但是該方法存在環(huán)境污染大、反應(yīng)條件苛刻(高壓、高溫)及可控制性差等不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明正是針對(duì)上述涂層去除需求而設(shè)計(jì)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(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：將金屬材料置于真空環(huán)境或氬氣保護(hù)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(duì)面積大于20mm×10mm和面積小于10mm×5mm的金屬表面涂層區(qū)域進(jìn)行去除。對(duì)于面積大于20mm×10mm的表面陶瓷涂層區(qū)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(huán)境或氮?dú)獗Ｗo(hù)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(dá)到1MW/cm²以上，光斑搭接率≤30％，當(dāng)搭接率為0時(shí)，相鄰兩個(gè)圓形光斑邊緣相切，光斑掃描方式為逐點(diǎn)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(xù)激光照射，重復(fù)以上步驟直至涂層完全去除。

對(duì)于面積小于10mm×5mm的表面陶瓷涂層區(qū)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(huán)境或氮?dú)獗Ｗo(hù)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(dá)到40MW/cm²以上，光斑搭接率為30％～50％，光斑掃描方式為逐點(diǎn)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(xù)激光照射，重復(fù)以上步驟直至涂層完全去除。

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

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明采用激光去除金屬表面陶瓷涂層，是一種環(huán)境友好的新型表面清潔技術(shù)，通過高能(≥10⁶W/cm²)、短脈沖(納秒級(jí))激光束照射材料表面，使粘附的涂層或污染物氣化蒸發(fā)，或產(chǎn)生等離子沖擊波破壞涂層(或污染物)和基體之間的結(jié)合力，實(shí)現(xiàn)表面涂層去除。相比于傳統(tǒng)使用的機(jī)械和化學(xué)去除技術(shù)，激光去除技術(shù)綠色環(huán)保，可控性好，精度高，對(duì)基體損傷小，所得表面質(zhì)量高，去除效果優(yōu)異。本發(fā)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(duì)小面積的殘留涂層進(jìn)行精準(zhǔn)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(zhì)量，從而在后續(xù)涂層再制備時(shí)，有利于提高涂層與金屬基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。此工藝過程具有綠色環(huán)保、精度高、可控性好的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明主要針對(duì)單晶高溫合金、高強(qiáng)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(guī)化學(xué)及機(jī)械方法更高的表面質(zhì)量，且不傷及金屬基體，該方法具有綠色環(huán)保、精度高、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，適用性廣。該技術(shù)還可在飛機(jī)蒙皮、地面燃機(jī)葉片、起落架，軸承等其他航空構(gòu)件的受損涂層或污垢的去除上應(yīng)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(shí)圓圈為光斑)；

圖2直徑Φ4mm的聚焦光斑輻照的圓形搭接方式(實(shí)圓圈為直徑Φ4mm聚焦光斑，虛線箭頭為光斑移動(dòng)方向，虛線圓圈為步驟(1)中直徑Φ25mm的聚焦光斑輻照)；

圖3原始陶瓷涂層表面形貌SEM照片；

圖4去除后的金屬材料表面形貌SEM照片；

圖5直徑Φ25mm的聚焦光斑輻照后陶瓷涂層與金屬基體邊界處的SEM照片

具體實(shí)施例1

本發(fā)明中所述的待處理金屬為單晶高溫合金、高強(qiáng)鋼或鈦合金試片，試片面積為40mm×20mm，厚度為2mm，試片表面全部覆蓋有純ZrO₂或氧化物穩(wěn)定的ZrO₂涂層，該陶瓷涂層采用氣相沉積或熱噴涂的方法制備。

采用如下方法對(duì)金屬試片表面的陶瓷涂層進(jìn)行去除：

(1)為了提高去除速率，采用直徑為Φ25mm的圓形聚焦光斑輻照，對(duì)面積大于20mm×10mm的表面陶瓷涂層區(qū)域進(jìn)行激光去除。采用如下工藝步驟：

先將金屬試片固定在板狀銅模上，并置于真空環(huán)境或氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中，激光脈沖寬度為1ns～50ns，頻率為5Hz～10Hz，激光光束與涂層表面的夾角為90°，峰值功率密度達(dá)到1MW/cm²以上，當(dāng)此高能短脈沖激光作用在陶瓷涂層表面上，陶瓷被瞬間汽化從而脫離表面，由于脈沖作用時(shí)間短，表面以下熱影響區(qū)很小(小于3μm)，對(duì)金屬基體的熱作用非常小，避免了熱損傷。

另外，光斑搭接率為0％(當(dāng)搭建率為0時(shí)，相鄰兩個(gè)圓形光斑邊緣相切，如圖1所示)。光斑掃描方式采用逐點(diǎn)掃描法，即將光斑停留在第一個(gè)位置，持續(xù)照射直至露出金屬表面后停止，移動(dòng)光斑至下一個(gè)位置，持續(xù)照射至露出金屬表面，依次類推，直至整個(gè)表面露出金屬表面。為了防止金屬試片溫度太高，每4000～5000次激光照射后暫停，依靠金屬與銅模的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)冷卻，約15min后繼續(xù)進(jìn)行激光照射，重復(fù)以上步驟直至涂層完全去除，露出金屬表面。

(2)由于相鄰光斑之間存在間隙，部分區(qū)域仍會(huì)殘留陶瓷涂層，因此，對(duì)于這些面積小于10mm×5mm的表面陶瓷涂層區(qū)域采用如下工藝步驟：

將金屬試片固定在板狀銅模上，并置于真空環(huán)境或氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中，采用直徑為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90°，峰值功率密度達(dá)到40MW/cm²以上，光斑搭接率為50％(如圖2所示)，光斑掃描方式采用逐層掃描法，即將光斑停留在第一個(gè)位置輻照一次后，移動(dòng)至第二個(gè)位置，再輻照一次后，依次類推，直至覆蓋整個(gè)區(qū)域，重復(fù)以上掃描路徑多次，直至整個(gè)表面露出金屬表面。為了防止金屬試片溫度太高，每4000～5000次激光照射后暫停，依靠金屬與銅模的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)冷卻，約5min后繼續(xù)進(jìn)行激光照射，重復(fù)以上步驟直至涂層完全去除，露出金屬表面。

(3)待涂層完全去除后，將金屬試片放入酒精或丙酮中超聲清洗后晾干。

分別對(duì)原始試片和去除陶瓷層的試片表面進(jìn)行掃描電鏡觀察。圖3為原始陶瓷涂層的表面SEM形貌，可見陶瓷層均勻分布在試片表面。而經(jīng)過激光去除陶瓷層后，金屬基體表面的SEM形貌如圖4所示，可見表面陶瓷層被完全去除，而下面的粘結(jié)層幾乎沒有損傷。圖5為聚焦光斑輻照后陶瓷層與金屬基體邊界處的SEM形貌，可見邊界邊緣輪廓清晰，去除過程表現(xiàn)出良好的可控性。綜上所述，該方法能夠有效去除金屬基體表面的陶瓷層，獲得較高的表面質(zhì)量，并且具有綠色環(huán)保，可控性好，精度高，適用性廣的優(yōu)點(diǎn)。

具體實(shí)施例2

具體過程與實(shí)施例1基本相同，不同點(diǎn)如下：

1、本發(fā)明中所述的待處理金屬為單晶高溫合金葉片，葉身表面積大于40mm×60mm，葉身表面全部覆蓋有氧化物穩(wěn)定的ZrO₂涂層，該陶瓷涂層采用氣相沉積的方法制備；

2、步驟(1)中將葉片固定在仿形的凹形銅模內(nèi)，采用直徑為Φ10mm的圓形聚焦光斑輻照，頻率為1Hz～5Hz，激光光束與涂層表面的夾角為45°；

3、步驟(2)中將葉片固定在仿形的凹形銅模內(nèi)，采用直徑為Φ2mm的圓形聚焦光斑輻照，激光光束與涂層表面的夾角為45°，光斑搭接率為30％。

具體實(shí)施例3

具體過程與實(shí)施例1基本相同，不同點(diǎn)如下：

1、本發(fā)明中所述的待處理金屬為Φ60mm×60mm的高強(qiáng)鋼或鈦合金圓柱體，表面的涂層為采用熱噴涂工藝制備的純ZrO₂陶瓷層；

2、步驟(1)中將圓柱體固定在仿形的凹形銅模內(nèi)，采用直徑為Φ20mm的圓形聚焦光斑輻照，光斑搭接率為30％，光斑掃描方式采用逐層掃描法；

3、步驟(2)中將圓柱體固定在仿形的凹形銅模內(nèi)，采用直徑為Φ3mm的圓形聚焦光斑輻照，光斑搭接率為30％，光斑掃描方式采用逐點(diǎn)掃描法。