CN112410847A - 一种钛合金微弧氧化涂层的局部修复装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金微弧氧化涂层的局部修复装置及方法，可用于修复中大型钛合金工件表面受损的微弧氧化涂层；首先利用激光清洗技术对失效区域残余的膜层进行清除，再通过选区微弧氧化技术在已清洗区域上制备出一层新的涂层从而完成微弧氧化涂层的修复；本发明经济、环保，真正意义上实现激光清洗和微弧氧化的同步复合处理，摆脱了传统浸入式微弧氧化中电解槽对工件尺寸的束缚，并且通过激光清洗可改善材料表面状态，提高后续新制备微弧氧化涂层的结合力，同时流动的电解液可及时带走激光清洗所去除下的材料和降低激光清洗对基材的损伤。
Description
技术领域
本发明公开了一种钛合金微弧氧化涂层的局部修复装置及方法，涉及激光清洗和微弧氧化技术，可用于中大型钛合金工件表面受损微弧氧化涂层的修复。
背景技术
微弧氧化，是一种工艺简单、高效、绿色环保的新型表面处理技术。它是通过电解液与相应参数的组合，在镁、铝、钛等有色金属及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，原位生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷涂层。涂层与基体结合力强，韧性高，结构致密，并具有良好的耐磨、耐蚀、抗高温冲击和耐高压绝缘等特性。因此，微弧氧化技术在航空、航天、汽车、电子、医疗、民用等领域都得到了许多的应用。但是在实际工作环境下，微弧氧化涂层必然发生损伤，从而对工件产生伤害，影响工件的使用。因此，及时有效修复受损伤的微弧氧化涂层，对防止和延缓工件的失效，保证工件的安全使用有着重要的工程实践意义。然而，目前工件往往都是当损伤深度超过其微弧氧化涂层厚度或已被损伤基材才被迫拆卸下进行修复或更换。但是从防护的角度出发，在涂层损伤的前期，就对微弧氧化涂层进行修复，这对减缓失效的发生和延长工件的使用寿命有着重要的意义。
要实现轻度损伤微弧氧化涂层失效区域的局部修复，就需完成残余涂层的去除和新涂层的生长这两道工艺。对于残余涂层的局部去除，可采用激光清洗技术实现，它是基于激光与物质相互作用的一种新技术，通过低平均功率、高峰值功率、短脉冲激光作用于工件，使得表面污物、锈蚀或涂层吸收激光发生瞬间蒸发或剥离，从而达到清除表面污物的目的。相比于传统的清洗方法，激光清洗具有非接触、基材无损伤、精确清洗、“绿色”环保以及可在线等优点。然而，对于新涂层的生长，现有的大部分微弧氧化工艺往往都要将工件完全浸入到电解液当中，这就难以实现微弧氧化涂层的局部生长。因此，本发明在改进微弧氧化装置和工艺的基础上，结合激光清洗技术提出了一种微弧氧化涂层的局部修复方法及装置，可实现轻度损伤微弧氧化涂层失效区域的局部修复，延长涂层的使用寿命。
发明内容
本发明提供了一种钛合金微弧氧化涂层的局部修复装置及方法，可实现涂层局部去除和涂层选区生长的同步加工。首先利用激光清洗技术对失效区域残余的膜层进行清除，再通过选区微弧氧化技术在已清洗区域制备一层新的微弧氧化涂层从而完成涂层的修复。
本发明的技术方案如下：
一种钛合金微弧氧化涂层的局部修复装置，所述装置包括：泵、储存槽、电源、不锈钢管、收集槽、扫描振镜、激光器；所述不锈钢管下方设有绝缘套，并且不锈钢管与泵、储存槽、收集槽依次连通，所述电源的正极与工件相连，负极与不锈钢管相连，所述扫描振镜与激光器连接；
其中，依次连通的不锈钢管、泵、储存槽、收集槽用于电解液的循环；所述不锈钢管用于微弧氧化加工的阴极；所述绝缘套的尺寸根据不锈钢管的加工距离进行调整，用于防止不锈钢管和工件之间短路和控制材料表面电解液液面厚度；所述扫描振镜用于控制激光的运动以完成激光清洗工艺；
进一步，
所述不锈钢管材料为316L，直径为8mm，孔径为1-5mm；
所述激光器为纳秒激光器，激光器光斑为74μm。
本发明还提供了利用所述装置进行钛合金微弧氧化涂层局部修复的方法，具体步骤为：
(1)确定微弧氧化涂层失效部位，利用涡流测厚仪测量膜层残余厚度，以此确定激光清洗工艺参数；
(2)将不锈钢管和扫描振镜装夹于机械手，并定位于工件待处理表面上方，调整不锈钢管和扫描振镜的加工距离；
所述工件材料为TC4钛合金；
所述不锈钢管距工件表面的加工距离为电极间距10-25mm；同时，不锈钢管的绝缘套为筒壁不等高的圆筒状，绝缘套与激光清洗区域相邻一侧的底端(半圆周)距工件表面1mm，而另外一侧的底端(半圆周)距工件表面3mm，如图3所示；
所述扫描振镜距工件表面的加工距离为激光焦距184mm；
(3)开启泵，使得储存槽中的电解液首先经管道、不锈钢管、绝缘套喷射至工件表面，后经收集槽回流至储存槽；
所述电解液的流速为0.5-2m/s；
所述电解液的组成为：Na2SiO3 5-15g/L，Na2HPO4 5-10g/L，NaOH 1-3g/L，溶剂为去离子水；
(4)设置激光清洗扫描区域和工艺参数，设置微弧氧化工艺参数，开启激光器和扫描振镜，开启电源，控制机械手带动扫描振镜和不锈钢管运动完成待修复区域的处理；
所述激光扫描区域长度为不锈钢管直径，宽度为5-15mm；
所述激光清洗工艺参数为：激光功率50-100W、扫描速度1500-2500mm/s、扫描间距0.02-0.06mm、频率500-1000Hz、脉宽10-200ns；
所述微弧氧化工艺参数为：恒流模式，脉冲电源电流密度1-5A/dm2、脉冲频率为300-1000Hz、占空比为10-40％；
所述机械手加工移动速度为1-10mm/min。
相比于现有技术，本发明有益效果主要有：
1)经济、环保，真正意义上实现激光清洗和微弧氧化的同步复合处理，可提升涂层修复的效率和质量。
2)摆脱了传统浸入式微弧氧化中电解槽对工件尺寸的束缚，为微弧氧化涂层选区/微区修复提供了一种新的工艺手段。
3)通过清洗改善材料表面状态，提高后续新制备微弧氧化涂层的结合力。
4)流动的电解液可及时带走激光清洗所去除下的材料并且降低激光清洗对基材的损伤。
附图说明
图1钛合金微弧氧化涂层局部修复装置示意图；其中，1-泵、2-储存槽、3-电源、4-不锈钢管、5-绝缘套、6-收集槽、7-扫描振镜、8-激光器。
图2加工区域俯视示意图，沿着加工方向主要分为已修复、修复、清洗和待修复四个区。
图3绝缘套距工件表面距离示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
钛合金微弧氧化涂层的局部修复装置如图1所示，所述装置包括：泵1、储存槽2、电源3、不锈钢管4、收集槽6、扫描振镜7、激光器8；所述不锈钢管4下方设有绝缘套5，并且不锈钢管4与泵1、储存槽2、收集槽6依次连通，所述电源3的正极与工件相连，负极与不锈钢管4相连，所述扫描振镜7与激光器8连接；
其中，依次连通的不锈钢管4、泵1、储存槽2、收集槽6用于电解液的循环；所述不锈钢管4用于微弧氧化加工的阴极；所述绝缘套5的尺寸根据不锈钢管的加工距离进行调整，用于防止不锈钢管4和工件之间短路和控制材料表面电解液液面厚度；所述扫描振镜7用于控制激光的运动以完成激光清洗工艺；
所述激光器8为纳秒激光器，激光器光斑为74μm。
实施例1
1)选取不锈钢管直径8mm，孔径5mm。
2)定位不锈钢管位置，到工件表面加工距离为25mm
3)配置电解液Na2SiO3 5g/L，Na2HPO4 5g/L，NaOH 1g/L，调整电解液流速为0.5m/s。
4)设定激光扫描区域宽度为15mm。
5)设定激光工艺参数激光功率50W、扫描速度1500mm/s、扫描间距0.02mm、频率1000Hz、脉宽10ns。
6)设置微弧氧化工艺参数脉冲电源电流密度5A/dm2、脉冲频率为300Hz、占空比为10％。
7)设定机械手加工移动速度为10mm/min。
8)开启激光器，扫描振镜，机械手进行微弧氧化涂层的修复。
对所修复的涂层表面进行检测，涂层表面质量好，无缺陷。
实施例2
1)选取不锈钢管直径8mm，孔径3mm。
2)定位不锈钢管位置，到工件表面加工距离为15mm
3)配置电解液Na2SiO3 15g/L，Na2HPO4 10g/L，NaOH 3g/L，调整电解液流速为2m/s。
4)设定激光扫描区域宽度为5mm。
5)设定激光工艺参数激光功率100W、扫描速度2500mm/s、扫描间距0.06mm、频率500Hz、脉宽200ns。
6)设置微弧氧化工艺参数脉冲电源电流密度2A/dm2、脉冲频率为500Hz、占空比为40％。
7)设定机械手加工移动速度为5mm/min。
8)开启激光器，扫描振镜，机械手进行微弧氧化涂层的修复。
对所修复的涂层表面进行检测，涂层表面质量好，无缺陷。
实施例3
1)选取不锈钢管直径8mm，孔径1mm。
2)定位不锈钢管位置，到工件表面加工距离为10mm
3)配置电解液Na2SiO3 8g/L，Na2HPO4 8g/L，NaOH 2g/L，调整电解液流速为1m/s。
4)设定激光扫描区域宽度为10mm。
5)设定激光工艺参数激光功率75W、扫描速度2000mm/s、扫描间距0.04mm、频率750Hz、脉宽100ns。
6)设置微弧氧化工艺参数脉冲电源电流密度1A/dm2、脉冲频率为1000Hz、占空比为25％。
7)设定机械手加工移动速度为1mm/min。
8)开启激光器，扫描振镜，机械手进行微弧氧化涂层的修复。
对所修复的涂层表面进行检测，涂层表面质量好，无缺陷。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种钛合金微弧氧化涂层的局部修复装置，其特征在于，所述装置包括：泵、储存槽、电源、不锈钢管、收集槽、扫描振镜、激光器；所述不锈钢管下方设有绝缘套，并且不锈钢管与泵、储存槽、收集槽依次连通，所述电源的正极与工件相连，负极与不锈钢管相连，所述扫描振镜与激光器连接。
2.如权利要求1所述钛合金微弧氧化涂层的局部修复装置，其特征在于，所述不锈钢管材料为316L，直径为8mm，孔径为1-5mm。
3.如权利要求1所述钛合金微弧氧化涂层的局部修复装置，其特征在于，所述激光器为纳秒激光器，激光器光斑为74μm。
4.利用如权利要求1所述装置进行钛合金微弧氧化涂层局部修复的方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)确定微弧氧化涂层失效部位，利用涡流测厚仪测量膜层残余厚度，以此确定激光清洗工艺参数；
(2)将不锈钢管和扫描振镜装夹于机械手，并定位于工件待处理表面上方，调整不锈钢管和扫描振镜的加工距离；
所述不锈钢管距工件表面的加工距离为电极间距10-25mm；
所述扫描振镜距工件表面的加工距离为激光焦距184mm；
(3)开启泵，使得储存槽中的电解液首先经管道、不锈钢管、绝缘套喷射至工件表面，后经收集槽回流至储存槽；
所述电解液的组成为：Na2SiO3 5-15g/L，Na2HPO4 5-10g/L，NaOH 1-3g/L，溶剂为去离子水；
(4)设置激光清洗扫描区域和工艺参数，设置微弧氧化工艺参数，开启激光器和扫描振镜，开启电源，控制机械手带动扫描振镜和不锈钢管运动完成待修复区域的处理；
所述激光清洗工艺参数为：激光功率50-100W、扫描速度1500-2500mm/s、扫描间距0.02-0.06mm、频率500-1000Hz、脉宽10-200ns；
所述微弧氧化工艺参数为：恒流模式，脉冲电源电流密度1-5A/dm2、脉冲频率为300-1000Hz、占空比为10-40％。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述工件材料为TC4钛合金。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述不锈钢管的绝缘套为筒壁不等高的圆筒状，绝缘套与激光清洗区域相邻一侧的底端距工件表面1mm，而另外一侧的底端距工件表面3mm。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述电解液的流速为0.5-2m/s。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述激光扫描区域长度为不锈钢管直径，宽度为5-15mm。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述机械手加工移动速度为1-10mm/min。
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