鈦合金激光清洗作用機(jī)理及研究現(xiàn)狀

朱洪浩，夏 丹，史中正，譚君洋，董世運(yùn)

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；2.空裝駐北京地區(qū)第七軍事代表室，北京 100076）

隨著綠色環(huán)保越來(lái)越受到人們的重視，傳統(tǒng)的金屬表面清洗方式由于其耗能高、污染大等缺陷，急需尋求改變或替代。清洗激光清洗技術(shù)基于激光束與污染物和基底之間相互作用引起的物理和化學(xué)反應(yīng)，在去除固體基體上涂層、氧化層或污染物上，相對(duì)于化學(xué)清洗和機(jī)械清洗有著特殊的優(yōu)勢(shì)。由于激光清洗具有通用性強(qiáng)、精度高、可控性強(qiáng)、選擇性強(qiáng)、環(huán)保等特點(diǎn)，已應(yīng)用于各行各業(yè)。

1 激光清洗的分類

在激光清洗領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了幾種工作機(jī)理和加工方式，主要包括干式激光清洗、濕式激光清洗、斜入射激光清洗、激光沖擊清洗以及激光輔助流體清洗。

（1）干式激光清洗。干式激光清洗已經(jīng)在學(xué)術(shù)界中進(jìn)行了大量研究，并得到了廣泛應(yīng)用。它通?；谌肷浼す馐突?污染物之間的快速熱能傳遞，污染物顆粒受熱快速膨脹，提供了對(duì)污染物的清洗力。

（2）濕式激光清洗。濕式激光清洗是使用能夠強(qiáng)烈吸收所用激光波長(zhǎng)的液體層達(dá)到清洗的目的。清洗前在工件表面覆蓋合適的液體層，激光照射可使液體迅速加熱汽化，從而迫使顆粒從表面逸出。蒸汽激光清洗是濕式激光清洗的另一種應(yīng)用，將工件保持在濕度增加的環(huán)境中，通過(guò)冷凝作用，在基底與污染物之間凝結(jié)出一層很薄的液體層。之后通過(guò)激光照射，液體層被加熱并汽化，在固-液界面處引起氣泡的產(chǎn)生與增大，這導(dǎo)致污染物以下的沖擊壓力強(qiáng)度足以從將其從表面除去。濕式激光清洗相對(duì)于干式激光清洗在去除污染物時(shí)對(duì)激光能量要求較低，但是由于部分工件的使用環(huán)境不便于覆蓋液體層，對(duì)濕式激光清洗的應(yīng)用條件有所限制。

（3）激光掠射清洗。在激光掠射清洗中，高強(qiáng)度激光聚焦于稍微高于待清洗的樣品表面的一個(gè)點(diǎn)上。激光誘導(dǎo)的氣體擊穿產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊壓力波，沖擊到待清洗的表面，通過(guò)其產(chǎn)生的振動(dòng)去除表面的污染物。激光掠射清洗技術(shù)也可與液相化學(xué)清洗相結(jié)合，激光誘導(dǎo)擊穿發(fā)生在液體溶液中，并且液體中產(chǎn)生的沖擊壓力清洗過(guò)程具有顯著加速作用。

2 鈦合金激光清洗的研究

自1791年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，鈦就在航空航天制造業(yè)中占據(jù)了一席之地。如今，航空航天業(yè)是鈦合金產(chǎn)品的最大應(yīng)用領(lǐng)域。鈦的高比強(qiáng)度、優(yōu)秀的耐腐蝕性和高溫性能使其在航空航天領(lǐng)域中占有重要地位。在加工過(guò)程中，鈦合金部件通常會(huì)被加工冷卻劑、車(chē)間灰塵、指紋以及在空氣中氧化等污染。在對(duì)可靠性要求較高的應(yīng)用上，例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)葉片，更需要潔凈的表面以獲得較好的金屬結(jié)合強(qiáng)度。目前，鈦合金表面清洗較為廣泛使用的是硝酸-氫氟酸體系的化學(xué)清洗方法[1]。

2.1 國(guó)外對(duì)鈦合金激光清洗的研究

國(guó)外較早地探索了激光清洗鈦合金的可行性，初期使用激光清洗鈦合金最大的制約在于鈦合金較為活潑，在激光清洗過(guò)程中會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。

Langlade[2]等在激光重熔純鈦和Ti6Al4V合金的工作中發(fā)現(xiàn)，使用脈沖Nd:YAG激光器，在不同的參數(shù)下，試樣的表層形成了不同的鈦氧化物，如TiO、TiO2、Ti2O3等。他們還指出，激光輻射的特殊非平衡條件是氧化鈦層形成的主要原因。

國(guó)外學(xué)者通過(guò)進(jìn)一步的研究，尋找適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，防止鈦合金在激光清洗過(guò)程中的氧化。

Gyorgy[3]等研究了不同氣體環(huán)境下激光照射鈦的微觀結(jié)構(gòu)和形貌效應(yīng)。試驗(yàn)采用調(diào)Q開(kāi)關(guān)Nd:YAG脈沖激光，波長(zhǎng)1064nm，脈寬300ns，單脈沖能量2mJ，頻率30kHz，脈沖數(shù)為1500。試驗(yàn)分別在氮?dú)猓瑲鍤夂涂諝猸h(huán)境中進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，在氬氣中進(jìn)行鈦的激光清洗比在空氣或氮?dú)猸h(huán)境中能產(chǎn)生更好的表面質(zhì)量。激光照射過(guò)程中表面化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，受激光強(qiáng)度和激光沖擊次數(shù)的影響較大。

在此基礎(chǔ)上，國(guó)外學(xué)者進(jìn)一步研究了不同激光源和激光工藝參數(shù)對(duì)鈦合金表面清洗質(zhì)量的影響。

Turner分別使用CO2、Nd:YAG和準(zhǔn)分子激光對(duì)激光清洗航空航天級(jí)鈦合金進(jìn)行了詳細(xì)的研究。使用Nd:YAG激光的主要清洗機(jī)理是污染物通過(guò)基板表面熱傳導(dǎo)產(chǎn)生汽化。在CO2激光清洗過(guò)程中，一小部分激光束被污染物吸收，導(dǎo)致污染物有選擇性地受熱和汽化。通過(guò)選擇能夠使污染物汽化且避免與基底發(fā)生熱誘導(dǎo)反應(yīng)的激光通量，可以成功地清潔鈦表面有機(jī)污染物。結(jié)果表明，鈦合金的熔化閾值為5.51×106W/cm2。能量密度為4.09-5.51 106W/cm2時(shí)，表面組織無(wú)損傷。同時(shí)，結(jié)果表明了氬氣吹送系統(tǒng)不足以有效保護(hù)鈦的激光清洗表面，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)姆忾]系統(tǒng)有效地減輕大氣的污染。

2.2 國(guó)內(nèi)對(duì)鈦合金激光清洗的研究

國(guó)內(nèi)早期對(duì)于激光清洗的應(yīng)用于研究多關(guān)注于碳鋼等材料，對(duì)于輕質(zhì)合金（如鋁合金、鎂合金、鈦合金等）的激光清洗研究起步較晚。直到2012年，黃先明[6]在期刊中摘譯了國(guó)外的相關(guān)文獻(xiàn)，激光清洗在鈦合金上的應(yīng)用才開(kāi)始得到重視。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于鈦合金激光清洗的研究多為工藝參數(shù)的探索，研究不同工藝參數(shù)對(duì)鈦合金激光清洗質(zhì)量以及對(duì)后續(xù)加工質(zhì)量的影響。

羅雅等利用1064nm激光清洗TC11鈦合金表面進(jìn)行焊前預(yù)處理。觀察激光清洗前后的表面形貌，通過(guò)能譜分析試樣表面的元素分布變化，結(jié)果表明采用合適的激光清洗參數(shù)可有效地清除TC11鈦合金表面的積碳、金屬顆粒及氧化層，激光清洗后TCI1鈦合金試板的焊縫質(zhì)量有明顯提高。

3 結(jié)論

（1）分析激光清洗的工作機(jī)理。由于其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠替代現(xiàn)有的鈦合金表面清洗方法。

（2）國(guó)內(nèi)外對(duì)于鈦合金激光清洗的大量研究，為鈦合金激光清洗的應(yīng)用提供了可行的依據(jù)。

（3）面對(duì)鈦合金構(gòu)件的不同工作環(huán)境，需要針對(duì)性的探索合適的激光清洗工藝參數(shù)。