CN114633017A - 一种纳秒激光高效去除热障涂层方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光加工技术领域，特指一种纳秒激光高效去除热障涂层方法。该方法具体实施步骤为：首先去除前，将涡轮叶片表面待去除的热障涂层进行划分并固定于工作台上；然后利用纳秒激光器控制软件进行激光工艺参数的设定，调整光斑搭接率和扫描填充路径；最后将激光束聚焦于待去除区域表面，实现热障涂层的高效去除。与常规热障涂层去除工艺相比，本发明提供的方法结合烧蚀和热应力剥离机制，具有去除效率高、去除效果好、无基体损伤以及经济环保等优势，涂层去除过程可控，特别适合整体和局部涂层的去除，以及复杂曲面上涂层的去除。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体为利用纳秒激光在不损伤涡轮叶片基体的前提下高效去除其表面涂敷的热障涂层的方法。
背景技术
热障涂层作为一种表面防护技术，主要指在高温合金基底表面涂敷一层金属粘结层，随后沉积隔热的陶瓷层。热障涂层开发设计的最初目的是为了降低高温合金部件的服役温度从而延长其使用寿命。目前，热障涂层不仅应用于高压涡轮叶片、航空发动机燃烧室等高温部件，在能源、冶金等领域也有广泛的应用前景。然而，随着航空发动机性能的提升，高压涡轮工作叶片的承受温度越来越高，其表面涂敷的热障涂层在承受高温高载荷的情况下，容易出现局部裂纹和剥落等现象，长期使用后，会在叶片表面沉积环境附着物，隔热和抗氧化腐蚀能力显著下降，造成叶片无法继续使用，导致首翻期后几乎全部的高压涡轮工作叶片热障涂层都需修理或更换，如果不及时处理容易引发灾难性的后果。
由于航空发动机关键零部件制造成本十分昂贵，当其服役一定时长、热障涂层厚度减小到低于临界尺寸或涂层出现裂纹、剥落等破损，导致防护作用逐渐降低时，需要对破损失效的涂层进行完全去除处理，并重新涂敷新的涂层，以实现零部件的修复和再制造，大幅节约生产成本。由于热障涂层厚度较大、结合强度较高，目前传统的去除方法存在一定的局限性，我们提出了一种纳秒激光高效去除热障涂层方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有的热障涂层去除方法存在低效率、损伤基体和破坏环境等问题，提供了一种纳秒激光高效去除热障涂层方法。
本发明的技术方案是：一种纳秒激光高效去除热障涂层方法，主要包括以下步骤：
步骤一，去除涡轮叶片表面的热障涂层前，先将待去除区域划分为若干个大小相近的方形区域，并将其固定于工作台上；
步骤二，利用纳秒激光器控制软件设定相应工艺参数和扫描填充路径；
步骤三，去除开始时，脉冲激光束从激光二极管发出，通过光纤传输到激光准直器后，入射到两反射镜上，利用芯片控制扫描电机带动反射镜分别沿X、Y轴转动，最后再由聚焦***将平行的的激光束聚焦于待去除区域表面上，形成预定的激光去除轨迹；
步骤四，去除过程中，实时观察去除效果并调整相关的工艺参数，实现涂层的最优化去除；
步骤五，逐个去除正方形区域，待全部去除后，取出加工工件。
优选的，所述脉冲激光束的脉冲宽度为纳秒级。
优选的，所述纳秒脉冲激光束具有较高的峰值能量密度和较短的持续时间，使得涂层吸收大量能量而烧蚀气化，同时还会在涂层和基体之间形成较大的热应力使其剥离。
优选的，所述步骤一中，合理划分的方形区域不宜过大，大小为8mm×8mm-10mm×10mm，有利于热积累。
优选的，所述步骤二中，设定的激光器的相应工艺参数为：光斑直径1mm、激光波长1064nm、脉冲宽度100ns、重复频率20kHz。
优选的，所述步骤二中的扫描填充路径为单向交替填充，如图2所示，即每次单向填充后都旋转90°，每扫描4次为1轮，可以实现涂层的均匀去除，避免局部去除不均匀而影响去除效果；其它参数为：填充间距0.1mm、扫描速度200mm/s～500mm/s以及激光功率300W～500W。
优选的，所述步骤三中，聚焦***安装在ABB机械手臂上，可以对复杂曲面上的涂层进行去除。
优选的，所述步骤四中，实时调整工艺参数，根据涂层厚度的变化选取激光功率，涂层厚度越大，激光功率越高，以避免对基体造成损伤为准。
本发明的有益效果
1、本发明先对小正方形区域的涂层进行去除，有利于去除过程中的热积累，提高去除效率，逐步实现大面积的涂层去除。
2、本发明利用纳秒激光束直接聚焦于待去除热障涂层表面，使用较高的光斑搭接率去除涂层时，出现了先以气化烧蚀去除涂层表层，后以热应力剥离涂层底层的现象，可以实现在保护基体的前提下高效去除热障涂层的目的。
3、本发明不仅仅可以在平面上的涂层进行整体或局部去除，还可以对复杂曲面上的涂层进行灵活去除，极大提高经济效益。
附图说明
图1为本发明的纳秒激光高效去除热障涂层方法示意图。
图2为本发明的加工路径优化示意图。
图3为热障涂层去除前的截面形貌图。
图4为实施例1中，激光每扫描一轮后热障涂层的表面形貌图。
图5为实施例1中，热障涂层去除后的截面形貌图。
图6为实施例1中，热障涂层去除后的基体金相图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但不仅限于实施例，其中实验材料为400μmYSZ陶瓷层、100μmFeCrAlY粘结层和Fe基高温合金基体。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有脱离本发明构思的前提下，做出其他工艺改进，都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例主要研究扫描速度为300mm/s时的工艺优化参数，具体步骤如下：
(1)加工工件前，将待去除涂层区域划分为10mm×10mm的正方形区域，并将其固定于工作台上；
(2)通过Markingmate工作软件设定激光功率为430W、加工路径为单向交替填充、扫描速度为300mm/s、填充间距为0.1mm，其余工艺参数有：波长1064nm、圆形光斑直径1mm、脉冲宽度100ns、重复频率20kHz；
(3)激光器开始工作，脉冲激光束从激光二极管发出，通过光纤传输到激光准直器后，入射到两反射镜上，利用芯片控制扫描电机带动反射镜分别沿X、Y轴转动，最后再由聚焦***将平行的的激光束聚焦于待去除区域表面上，形成预定的激光去除轨迹；
(4)扫描1轮后，通过Markingmate工作软件调整激光功率为380W，其余参数不变，扫描2轮，每轮扫描后的涂层表面形貌如图4所示(共扫描3轮)，可以明显看出涂层表面有烧蚀和热应力剥离的现象；
(5)去除完成，取出工件，由图5和图6可知，涂层已基本去除且对基体没有损伤，去除共用时34.2s，去除效率约为70.2mm3/min。
实施例2
本实施例主要研究扫描速度为400mm/s时的工艺优化参数，具体步骤如下：
(1)加工工件前，将待去除涂层区域划分为10mm×10mm的正方形区域，并将其固定于工作台上；
(2)通过Markingmate工作软件设定激光功率为430W、加工路径为单向交替填充、扫描速度为400mm/s、填充间距为0.1mm，其余工艺参数有：波长1064nm、圆形光斑直径1mm、脉冲宽度100ns、重复频率20kHz；
(3)激光器开始工作，脉冲激光束从激光二极管发出，通过光纤传输到激光准直器后，入射到两反射镜上，利用芯片控制扫描电机带动反射镜分别沿X、Y轴转动，最后再由聚焦***将平行的的激光束聚焦于待去除区域表面上，形成预定的激光去除轨迹；
(4)扫描3轮后，通过Markingmate工作软件调整激光功率为380W，其余参数不变，扫描3轮；
(5)扫描后，通过Markingmate工作软件调整激光功率为330W，其余参数不变，扫描3轮(共扫描9轮)；
(6)去除完成，取出工件，共用时79.8s，去除效率约为30.1mm3/min。与实施例1相比，实施例2的扫描速度的提高导致光斑搭接率的减小，因此热积累效应相对减弱，去除效率也随之降低。
Claims (6)
1.一种纳秒激光高效去除热障涂层方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，去除涡轮叶片表面的热障涂层前，先将待去除区域划分为若干个大小相近的方形区域，并将其固定于工作台上；
步骤二，利用纳秒激光器控制软件设定相应工艺参数和扫描填充路径；
步骤三，去除开始时，脉冲激光束从激光二极管发出，通过光纤传输到激光准直器后，入射到两反射镜上，利用芯片控制扫描电机带动反射镜分别沿X、Y轴转动，最后再由聚焦***将平行的的激光束聚焦于待去除区域表面上，形成预定的激光去除轨迹；
步骤四，去除过程中，实时观察去除效果并调整相关的工艺参数，实现涂层的最优化去除；
步骤五，逐个去除正方形区域，待全部去除后，取出加工工件。
2.如权利要求1所述的一种纳秒激光高效去除热障涂层方法，其特征在于，所述步骤一中，合理划分的方形区域不宜过大，大小为8mm×8mm-10mm×10mm，有利于热积累。
3.如权利要求1所述的一种纳秒激光高效去除热障涂层方法，其特征在于，所述步骤二中，设定的激光器的相应工艺参数为：光斑直径1mm、激光波长1064nm、脉冲宽度100ns、重复频率20kHz。
4.如权利要求1所述的一种纳秒激光高效去除热障涂层方法，其特征在于，所述步骤二中的扫描填充路径为单向交替填充，即每次单向填充后都旋转90°，每扫描4次为1轮，可以实现涂层的均匀去除，避免局部去除不均匀而影响去除效果；其它参数为：填充间距0.1mm、扫描速度200mm/s～500mm/s以及激光功率300W～500W。
5.如权利要求1所述的一种纳秒激光高效去除热障涂层方法，其特征在于，所述步骤三中，聚焦***安装在ABB机械手臂上，能够对复杂曲面上的涂层进行去除；脉冲激光束的脉冲宽度为纳秒级。
6.如权利要求1所述的一种纳秒激光高效去除热障涂层方法，其特征在于，所述步骤四中，实时调整工艺参数，根据涂层厚度的变化选取激光功率，涂层厚度越大，激光功率越高，以避免对基体造成损伤为准。
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