一种去除氧化锆热障涂层的方法

技术领域

本发明涉及热障涂层材料技术领域，更具体地说，涉及一种超声波协同激光清洗氧化钇部分稳定的氧化锆热障涂层的方法。

背景技术

热障涂层是一种用于航空发动机叶片领域的陶瓷材料，主要成分为氧化钇部分稳定的氧化锆(以下简称为YSZ)，其中Y

电子束-物理气相沉积法是一种在真空条件下采用物理方法将材料源沉积于基材表面的表面处理技术之一，也是热障涂层的常用制备方法。

化学清洗是指利用化学试剂达到去除目标材料，在热障涂层领域，目前已经公开报道的热障涂层化学清洗方案是采用氢氟酸与硝酸搭配的酸洗方案。

激光清洗是一种表面清洗新兴技术，其原理是通过脉冲光束作用物体表面，利用被去除区域与保留区域的材料性能差异，引起被去除区域材料的熔化、汽化、蒸发、电离、分解等物理化学变化，从而实现表面材料的去除效果。激光清洗是一种环保、非接触、精确和可控的方法。除了成功克服机械和化学清洗的不足外，该技术在某些领域已经取得巨大成果。例如，在古文物保护方面，已成功用于去除石膏、壁画、羊皮纸和其他文化遗产上的表面污染物。在汽车行业，使用激光清洗可以有效替代含有二氯甲烷、氟氯化碳等对人体和环境有害的化学溶剂。据报道使用激光清洗波音系列飞机蒙皮可以强化蒙皮表面，抑制铆钉的疲劳磨损。如果采用激光清洗热障材料，能够提高经济效益，减少环境污染。激光清洗技术目前已在文物保护、汽车制造业、船舶海洋微生物去除方面取得巨大成功并带来可观的经济效益。

超声清洗：是一种在清洗液中以空化效应为主的清洗技术，通过分散、乳化、剥离达到清洗目的。

目前YSZ在生产制备过程中，内部存在的孔隙超过一定程度会转化为裂纹并进一步在YSZ表面和内部扩展，严重影响生产的良品率，造成经济浪费与材料浪费。因此对于不合格的涂层需要一种方法去除以便于重新制备，目前采用的化学清洗方法存在环境污染、无法精准控制去除力度、去除效率低等问题。这些问题会导致去除过程中对操作人员与基材材料造成不可挽回的损失和损伤。因此急需一种绿色环保、高效精准的去除新方法，以实现YSZ的重新制备。

发明内容

本发明目的是提供一种红外脉冲激光与超声振动结合的热障涂层去除方法，以解决现有技术环境污染、无法精准控制去除力度、去除效率低，同时对基材合金材料造成不可控损伤、去除过程会产生对环境与人身安全带来威胁等问题，尤其是是解决激光清洗过程中飞溅颗粒导致的表面涂层残留，清洗不彻底的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种去除氧化锆热障涂层的方法，包括以下步骤：

S1、YSZ涂层表面预处理：超声清洗去除表面杂质；

S2、激光光束调节：使光束垂直入射涂层材料表面；

S3、设置参数：功率为40-100W，扫描速度为20-200mm/s，重复频率为20-40kHz；清洗过程中控制光斑尺寸在10-60μm，光斑搭接率控制在97.5-99.0％；设置超声功率60-80W，重复频率40-100kHz，经过逐层多次扫描，直至涂层的去除。

优选的，步骤S1中所述超声清洗前用纯度为95-99.9％的无水乙醇浸泡。

优选的，超声清洗时间为10-15min，在60-70℃下干燥至涂层表面的无水乙醇完全挥发。

优选的，超声清洗时的溶液介质为水。

优选的，光斑搭接率通过公式η＝1-v/(2*f*D)获得；

其中，v：扫描速度，f：重复频率，η：光斑搭接率，D：光斑尺寸。

优选的，步骤S3中所述逐层多次扫描为重复步骤S1-S3清洗至表面Zr元素完全去除。

优选的，去除氧化锆热障涂层的方法，包括以下步骤：

S1、将激光光束在保持聚焦镜头与YSZ涂层表面距离为160-200mm，以垂直角度入射待清洗的YSZ涂层表面上方，涂层厚度为100-220μm；

S2、设置参数：超声功率为80W,重复频率为40kHz；激光功率为40W，脉冲宽度为5μs，脉冲频率为40-100kHZ，光斑重叠率97.5-99.0％；激光扫描速度20-100mm/s，激光光斑尺寸为10-60μm；逐层多次扫描去除YSZ涂层。

本发明提供一种去除氧化锆热障涂层的设备，包括激光器，所述激光器射出的脉冲光束依次通过光学振镜和光学聚焦透镜射入超声振动发生器。

优选的，所述激光器连接冷却设备和控制台。

本发明具有如下有益效果：

本发明针对航空发动机领域的YSZ热障涂层材料(氧化钇部分稳定的氧化锆)，主要是针对成分为Y

附图说明

图1是本发明清洗YSZ热障涂层流程图；

图2是本发明清洗YSZ热障涂层操作示意图；

图3是涂层表面原始形貌图；

图4是直接采用激光去除涂层后表面残留颗粒形貌图；

图5是直接采用超声清洗后表面形貌图；

图6是本发明超声振动辅助激光清洗后的表面形貌图；

图7是本发明超声振动辅助激光完全清洗涂层后的表面形貌图；

图8是本发明超声振动辅助激光完全清洗涂层后的元素分布图；

其中：1、激光器；2、光学振镜；3、光学聚焦透镜；4、冷却设备；5、控制台；6、超声振动发生器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示，是本发明超声振动辅助激光清洗技术操作示意图，本发明采用的固体激光器，整个装置由激光器1、光学振镜2、光学聚焦透镜3、冷却设备4、控制台5、超声振动发生器6。光学振镜控制激光清洗移动轨迹，光学聚焦透镜控制激光清洗过程中清洗表面与光束聚焦表面一致、冷却设备防止激光清洗过程中设备过热破坏清洗效果、控制台负责设置激光清洗工艺参数，超声振动发生器负责在水介质环境中产生超声振动波。

如附图1所示，是本发明采用的清洗步骤流程图，具体步骤如下：

S1:YSZ涂层表面预处理：采用纯度为95％-99.9％的无水乙醇作为浸泡液，利用超声清洗设备去除待清洗材料表面灰尘等杂质，超声清洗时间为10min，之后在干燥箱中60℃-70℃下干燥2-3h，使待清洗YSZ涂层表面残留的无水乙醇充分挥发并不会发生自燃；

S2:光束调节：将待清洗YSZ涂层放置于激光清洗操作平台中的超声清洗池内，调节激光光束，保证清洗过程中，光束垂直入射YSZ涂层材料表面，池内溶液介质为水；

设置参数：设置激光参数，其中功率P为40W-100W，激光扫描速度v为20mm/s-200mm/s，重复频率f为20kHz-40kHz，光斑搭接率η通过公式η＝1-v/(2*f*D)获得，清洗过程中控制光斑尺寸D在10μm-60μm范围内，光斑搭接率控制在97.5％-99.0％范围内。设置超声功率60W-80W，重复频率40kHz-100kHz。溶液介质为水，未添加其他清洗试剂。

逐层多次扫描的方式进行YSZ涂层去除，获得去除后的基材，即完成YSZ涂层的去除。

实施例1

1、将激光光束在保持聚焦镜头与YSZ涂层表面距离为160-200mm，以垂直角度入射待清洗的YSZ涂层表面上方，涂层厚度为100-220μm。

2、设置参数：激光功率为40W，脉冲宽度为5μs，脉冲频率为40kHZ，光斑重叠率控制在97.5-99.0％；激光扫描速度20mm/s-100mm/s，激光光斑尺寸为10-60μm；超声功率为80W,重复频率为40kHz最后基于以上参数范围设置激光清洗工艺参数，采用逐层多次扫描方式去除YSZ涂层。其中逐层多次扫描为重复实例1中步骤1与步骤2，清洗至表面无Zr元素即表明清洗操作完毕，如图7-8所示，本发明超声振动辅助激光完全清洗涂层后A、B处情况。

如附图6所示，为采用激光与超声振动结合后的表面形貌图，从图中可以看出，表面颗粒明显减少，裂纹也明显减少，本方法设置的工艺参数范围能够有效保证去除效果稳定。

对比例1

只利用激光进行清洗

设置参数具体为：设置激光参数，其中功率P为40W，扫描速度v等于100mm/s，重复频率f为40kHz，光斑搭接率η通过公式η＝1-v/(2*f*D)可以获得，清洗过程中控制光斑尺寸D在10μm-60μm范围内，搭接率控制在97.5％-99.0％范围内。

如附图4所示，为只用激光清洗涂层后表面残留颗粒形貌图，实验激光功率为40W，重复频率为40kHz，扫描速度为100mm/s。实验结果表明，表面残留了大量的飞溅颗粒，这种清洗不彻底会对后续工艺的执行产生负面影响，但表面明显地具有烧蚀去除现象发生，因此并不适合航空发动机叶片上的YSZ涂层去除的要求。

对比例2

只利用超声进行清洗

设置参数具体为：超声功率80W，重复频率40kHz。溶液介质为水，未添加其他清洗试剂。附图5所示，为只用超声清洗涂层后表面形貌图，超声功率为80W,重复频率为40kHz。对照附图3所示的涂层表面原始形貌图，结果表明只采用超声清洗时，表面涂层与初始涂层相比未发生变化。

本发明经研究验证了激光清洗技术应用于YSZ热障涂层具备精准可控、高效环保的技术优势和特点，可以避免化学试剂清洗方法带来的很多难题。在激光清洗技术应用于热障涂层前，以化学清洗方法为例，采用硝酸与氢氟酸作为主要清洗试剂，经蜡封、酸洗、中和等六个程序完成涂层清洗。蜡封的目的是保护部分区域不被酸液腐蚀，由于需要事先进行蜡封工艺，对工艺执行标准要求较高。同时在化学清洗过程中难以防止腐蚀涂层的同时不会对基底造成损伤，严重时可能会产生“氢脆”，使用强碱性试剂也是同理。针对酸洗的清洗效果仅靠目视无法做到精准清除表面涂层，在清理环节，需要利用毛刷或纱布清除化学腐蚀产物，化学清洗后废液的处理以及其带来的酸雾环境，给操作人员的健康带来潜在隐患。现有激光清洗去污方法和超声进行清洗，均不能解决本发明YSZ热障涂层清洗所存在的上述问题，本发明将激光清洗去污方法和超声进行清洗结合的方法，可以实现基材表面的涂层完全去除，为解决上述清洗方法存在的问题提供可靠的技术方案。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。