阅读说明：本技术 一种锤击和切削复合去除损伤环境障涂层的喷砂层剥方法 (sandblasting layer stripping method for removing damaged environmental barrier coating by combination of hammering and cutting ) 是由 杨冠军 李广荣 刘梅军 杨博 李成新 李长久 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种锤击和切削复合去除损伤环境障涂层的喷砂层剥方法,首先,筛选硬度小于基体且大于涂层材料的砂粒材料；其次,采用500～1000μm的粗砂通过依次变化攻角在涂层表面形成锤击/切削的复合作用,达到逐层剥落涂层、且使70％的基体表面裸露的目的；最后采用50～450μm的细砂以0°～30°的攻角冲蚀涂层,以去除局部的残留涂层,达到95％以上的基体面积裸露的目的。本发明所提出的基于锤击/切削复合作用的损伤环境障涂层的喷砂层剥去除方法,可在不损伤基体的前提下,有效去除损伤的环境障涂层,以确保高质量新涂层的制备。(The invention discloses a sandblasting layer stripping method for removing damaged environmental barrier coatings by combining hammering and cutting, which comprises the steps of screening sand grain materials with hardness smaller than that of a matrix and larger than that of a coating material, forming a hammering/cutting combined action on the surface of the coating by sequentially changing an attack angle by using 500-1000 mu m coarse sand to achieve the purposes of peeling off the coating layer by layer and exposing 70% of the surface of the matrix, and finally eroding the coating by using 50-450 mu m fine sand at the attack angle of 0-30 degrees to remove partial residual coatings to achieve the purpose of exposing more than 95% of the area of the matrix.)

一种锤击和切削复合去除损伤环境障涂层的喷砂层剥方法

技术领域

本发明属于涂层技术领域，特别涉及一种损伤环境障涂层的高效无损去除方法。

背景技术

现代航空发动机追求的目标就是不断提高推重比、降低服役成本。随着推重比的增加，必然要求发动机涡轮前温度进一步升高。目前，发动机涡轮进口平均温度已远远超过了高温合金及金属间化合物的使用温度。因此，现有的高温合金材料体系已经难以满足先进航空发动机的需求。陶瓷基复合材料因其耐高温、低密度、高强度等特点，被认为是最有希望取代高温合金在发动机热端部件中得以应用的高温结构材料。目前，研究较多的主要是连续纤维增强陶瓷基复合材料，主要有碳纤维增强碳化硅(C_f/SiC)、碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_f/SiC)以及氧化物/氧化物陶瓷基复合材料。

然而，在干燥环境中具有良好稳定性的陶瓷基复合材料在发动机工作环境中表面稳定性却发生了急剧的恶化，根源在于陶瓷基复合材料在高温干燥环境下，表面生成一层致密、稳定的SiO₂，可以保护材料不发生进一步氧化，具有良好的表面稳定性。而当环境中含有水蒸气时，SiO₂与水蒸气发生反应生成易于挥发的Si(OH)₄，引发陶瓷基复合材料较大失重。环境障涂层(EBC)技术正是解决这一难题的关键技术。EBC是指在发动机环境下使用的高温结构材料表面的防护涂层(一般为氧化物或氧化物混合物陶瓷涂层)，该涂层能够在高温结构材料和发动机恶劣环境(腐蚀性截止、高速气流冲刷等)间设立一道屏障，阻止或减小发动机环境对高温结构材料性能的影响。

EBC的使用显著提高了陶瓷基复合材料在航空航天等领域的使役性能。然而，在航空发动机高温燃气高速冲刷环境下，服役一段时间后的EBC常常出现剥落等损伤问题，若不及时维修，昂贵的陶瓷基复合材料就可能一次性报废，甚至在后续持续使用中造成恶劣事故。因此，有必要开发损伤EBC涂层的去除工艺，以重新制备新的涂层。损伤EBC的去除首先需要确保在涂层去除的过程中，基体不受损伤；其次，要实现90％以上的损伤涂层充分去除，避免为后续的沉积新涂层造成界面影响。两方面需兼顾考虑，才能实现损伤EBC的有效去除，以为后续的维修工作奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种损伤环境障涂层的喷砂层剥去除方法，旨在不损伤基体的前提下有效去除损伤涂层。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种锤击和切削复合去除损伤环境障涂层的喷砂层剥方法，包括以下步骤：

步骤1、用砂粒以攻角α₁冲蚀损伤环境障涂层，直至损伤环境障涂层上部形成凹坑和凸起；

步骤2、用砂粒以攻角α₂冲蚀损伤环境障涂层，直至去除步骤1形成的凹坑和凸起，所述攻角α₂比攻角α₁至少小60°；

步骤3、重复步骤1至步骤2，直至基体≥70％的表面裸露；

步骤4、用砂粒以攻角α₂冲蚀损伤环境障涂层，直至≥95％的基体表面裸露；

步骤1至步骤4中，所选砂粒硬度大于损伤环境障涂层的硬度，且小于基体的硬度。

进一步的，攻角α₁为60°～90°，攻角α₂为0°～30°。

进一步的，步骤1至步骤4中，所述砂粒的材质为Al₂O₃或SiO₂。

进一步的，步骤2和步骤4所用砂粒为多棱角形，步骤1所用砂粒为球形。

进一步的，步骤1至步骤4中，用喷砂机对损伤环境障涂层进行冲蚀，喷砂送气压力介于0.1MPa～0.5MPa，粒子速率介于30m/s～80m/s。

进一步的，步骤1和步骤2中所用的砂粒的粒径相同，步骤4中所用砂粒的粒径为步骤1中所用的砂粒粒径的10％～45％。

进一步的，步骤1和步骤2中，采用的砂粒的粒径为500μm～1000μm；步骤4中所用砂粒的粒径为50μm～450μm。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明公开一种锤击和切削复合去除损伤环境障涂层的喷砂层剥方法，首先挑选喷砂硬度，使其硬度低于基体、且高于损伤环境障涂层的硬度，达到在喷砂去除损伤环境障涂层的过程中基体不受损伤。其次通过粗砂粒攻角的调整，在损伤环境障涂层表面交替形成锤击和切削的复合作用，以达到沿厚度方向逐层剥落去除，达到去除70％以上损伤环境障涂层的目的；最后通过细砂粒在小攻角下的切削作用，层剥去除残余的微小局部区域，使得95％以上的残余涂层得到有效去除，以确保后续新涂层的高质量沉积。

进一步的，步骤1至步骤4中，砂粒的材质为Al₂O₃或SiO₂，这两种材料成本低，硬度适中，工程应用较为广泛。

进一步的，步骤1中所用砂粒优选球形，以便于在损伤环境障涂层表面形成锤击效果；步骤2和步骤4中所用砂粒优选多棱角形，以便于在低角度下对损伤环境障涂层形成切削作用。

进一步的，步骤1至步骤4中，用喷砂机对损伤环境障涂层进行冲蚀，喷砂送气压力介于0.1MPa～0.5MPa，粒子速率介于30m/s～80m/s；喷砂送气压力介于0.1MPa～0.5MPa，既不会对基体产生损伤，也能保证去除损伤环境障涂层的效率；压力过高，容易对基体造成损伤，而压力过低，去除效率低。

进一步的，步骤1和步骤2中所用的砂粒的粒径相同，步骤4中所用砂粒的粒径为步骤1中所用的砂粒粒径的10％～45％。使用小粒径一方面是为了使砂粒与残余的微区有效接触，以便充分去除残余微区；另一方面，相同质量下小粒径砂粒的数量更多，增加砂粒与残余微区的撞击频率，也有利于去除残余微区。

附图说明

图1为本发明喷砂去除损伤环境障涂层的示意图；

图2为损伤环境障涂层初始态的断面形貌示意图；

图3为基于锤击/切削复合作用的喷砂去除损伤涂层的示意图；

附图中：1-喷嘴，3-喷砂束流，4-基体，5-损伤环境障涂层，6-片层，7-层间孔隙裂纹。

具体实施方式

以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是，这些实施例是本发明较优的例子，用于本领域的技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

参阅图2，基体4上的损伤环境障涂层5包括多层堆叠的片层6，相邻的片层6之间具有层间孔隙裂纹7。

实施例1

请参阅图1至图3所示，以氧化铝砂粒去除碳化硅基陶瓷基复合材料表面硅酸镱涂层为例，说明本发明的制备方法。所用氧化铝的显微维氏硬度为19～21.6GPa，基体碳化硅的显微维氏硬度＞30GPa，而硅酸镱的显微维氏硬度小于10GPa。因此，所选用的去除砂粒满足硬度小于基体且大于涂层的要求。

本发明提供一种锤击和切削复合去除损伤环境障涂层的喷砂层剥方法，包含以下步骤：

步骤1，采用粒径800～1000μm的球形氧化铝砂粒，用喷砂机以90°的攻角α冲蚀损伤环境障涂层5，冲蚀时间为3min，在涂层表面形成锤击作用，扩大层间孔隙裂纹7，直至部分区域的损伤环境障涂层5脱落形成凹坑和凸起。所选喷砂机的喷砂压力为0.4MPa，粒子速度80m/s。攻角α的定义为喷砂束流3的中轴线与基体4的上表面之间的夹角。

步骤2，采用与步骤1相同粒径的多棱角形氧化铝砂粒，用喷砂机以30°的攻角冲蚀损伤环境障涂层5，冲蚀时间为3min。所选喷砂压力为0.4MPa，粒子速度80m/s。砂粒作用于损伤环境障涂层区域，涂层在切削作用下逐层剥落，直至凹坑和凸起的部分消失，损伤环境障涂层5表面趋于平整。

步骤3，重复步骤1至步骤2，直至70％的基体4的表面积裸露；重复过程中，改变步骤1和步骤2中的攻角大小，步骤1中的功角角度取值范围为60°～90°，步骤2中的功角角度取值范围为0°～30°，步骤2中选用的角度和步骤1中的角度相差60度。

步骤4，采用粒径50μm～450μm的多棱角形氧化铝砂粒，以30°的攻角冲蚀损伤环境障涂层5。所选喷砂压力为0.4MPa，粒子速度80m/s。砂粒作用于凸起的局部残留损伤环境障涂层区域，在切削作用下逐层剥落，直至99％的基体面积裸露，且基体无损。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤1和2中，粗砂粒径选用650～800μm，步骤1中攻角选用75°，步骤2中攻角选用15°，去除时间均为2min。步骤4中，采用粒径50μm～450μm的多棱角形氧化铝砂粒，以30°的攻角冲蚀损伤环境障涂层5，直至95％的基体面积裸露，且基体无损。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤1和2中，粗砂粒径选用500～650μm，步骤1中攻角选用60°，步骤2中攻角选用0°，去除时间均为1min。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤4中，细砂粒选用200～300μm，攻角选用15°。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤4中，细砂粒选用50～200μm，攻角选用0°。