一种去除氧化锆热障涂层的方法技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种去除氧化锆热障涂层的方法


[0001]本专利技术涉及热障涂层材料
，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。

技术介绍

[0002]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Y2O3质量占比为6％～9％。自1970年首次被应用于航空发动机领域以来，至今仍然作为一种提高航空发动机涡轮叶片耐热温度的关键材料，由于具有低热导率、高热容，与基材合金材料良好的热膨胀匹配等性能优势，在高温燃气射流的持续冲刷下依然具有良好的热稳定性能，在航空发动机领域占据着重要地位。目前，世界各航空强国均在重大推进计划中把热障涂层列为核心关键材料，我国也已经把热障涂层列为重点关注的关键材料。
[0003]电子束
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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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。

技术实现思路

[0008]本专利技术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。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术提供一种去除氧化锆热障涂层的方法，包括以下步骤：
[0010]S1、YSZ涂层表面预处理：超声清洗去除表面杂质；
[0011]S2、激光光束调节：使光束垂直入射涂层材料表面；
[0012]S3、设置参数：功率为40
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100W，扫描速度为20
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200mm/s，重复频率为20
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40kHz；清洗过程中控制光斑尺寸在10
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60μm，光斑搭接率控制在97.5
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99.0％；设置超声功率60
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80W，重复频率40
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100kHz，经过逐层多次扫描，直至涂层的去除。
[0013]优选的，步骤S1中所述超声清洗前用纯度为95
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99.9％的无水乙醇浸泡。
[0014]优选的，超声清洗时间为10
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15min，在60
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70℃下干燥至涂层表面的无水乙醇完全挥发。
[0015]优选的，超声清洗时的溶液介质为水。
[0016]优选的，光斑搭接率通过公式η＝1
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v/(2*f*D)获得；
[0017]其中，v：扫描速度，f：重复频率，η：光斑搭接率，D：光斑尺寸。
[0018]优选的，步骤S3中所述逐层多次扫描为重复步骤S1
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S3清洗至表面Zr元素完全去除。
[0019]优选的，去除氧化锆热障涂层的方法，包括以下步骤：
[0020]S1、将激光光束在保持聚焦镜头与YSZ涂层表面距离为160
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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
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220μm；
[0021]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
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100kHZ，光斑重叠率97.5
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99.0％；激光扫描速度20
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100mm/s，激光光斑尺寸为10
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60μm；逐层多次扫描去除YSZ涂层。
[0022]本专利技术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。
[0023]优选的，所述激光器连接冷却设备和控制台。
[0024]本专利技术具有如下有益效果：
[0025]本专利技术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Y2O3和ZrO2，其中Y2O3质量占比为6％～9％的清洗。本专利技术的优势特点在于直接采用激光清洗会在被去除表面产生大量残留颗粒，这些残留颗粒是由于在激光烧蚀去除过程中，部分熔池内的液体发生过热现象，并且在等离子体冲击波的作用下产生溅射行为，残留颗粒会在被去除区域富集，从而对去除效果产生负面影响，本专利技术通过利用超声波振动抑制激光清洗过程中的颗粒飞溅，削弱激光清洗过程中热影响对去除效果的负面影响，使得超声清洗和激光清洗产生协同作用，从而提高清洗效率与清洗效果；而目前现有的超声清洗方案对热障涂层的去除不会产生任何效果。
附图说明
[0026]图1是本专利技术清洗YSZ热障涂层流程图；
[0027]图2是本专利技术清洗YSZ热障涂层操作示意图；
[0028]图3是涂层表面原始形貌图；
[0029]图4是直接采用激光去除涂层后表面残留颗粒形貌图；
[0030]图5是直接采用超声清洗后表面形貌图；
[0031]图6是本专利技术超声振动辅助激光清洗后的表面形貌图；
[0032]图7是本专利技术超声振动辅助激光完全清洗涂层后的表面形貌图；
[0033]图8是本专利技术超声振动辅助激光完全清洗涂层后的元素分布图；
[0034]其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种去除氧化锆热障涂层的方法，其特征在于，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
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100W，激光扫描速度为20
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200mm/s，重复频率为20
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40kHz；清洗过程中控制光斑尺寸在10
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60μm，光斑搭接率控制在97.5
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99.0％；设置超声功率60
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80W，重复频率40
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100kHz，经过逐层多次扫描，直至涂层的去除。2.根据权利要求1所述的去除氧化锆热障涂层的方法，其特征在于，步骤S1中所述超声清洗前用纯度为95
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99.9％的无水乙醇浸泡。3.根据权利要求1所述的去除氧化锆热障涂层的方法，其特征在于，超声清洗时间为10
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15min，在60
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70℃下干燥至涂层表面的无水乙醇完全挥发。4.根据权利要求1所述的去除氧化锆热障涂层的方法，其特征在于，超声清洗时的溶液介质为水。5.根据权利要求1所述的去除氧化锆热障涂层的方法，其特征在于，光斑搭接率通过公式η＝1
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v/(2*f*...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹新鹏，郑海忠，耿永祥，周培峰，赵鹏森，肖怡新，田宇，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：