塞斯納172飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣脈沖激光清洗工藝研究*

楊文鋒，楊 帆，朱小偉，李紹龍，樊占鵬，李天權(quán)

（1. 中國(guó)民用航空飛行學(xué)院復(fù)合材料研究中心，廣漢 618307；2. 溫州大學(xué)激光與光電智能制造研究院，溫州 325035；3. 中國(guó)民用航空飛行學(xué)院飛機(jī)修理廠，廣漢 618301）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣長(zhǎng)期與大氣接觸，易受大氣中水分、塵埃與二氧化硫的侵蝕[1]，表面的保護(hù)漆層不可避免地遭到破壞，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修過(guò)程中，需對(duì)機(jī)匣表面破損漆層進(jìn)行清除，并完成漆層更換。目前普遍采用噴砂清洗和化學(xué)清洗相結(jié)合的方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣表面進(jìn)行除漆，但存在清洗不均與基體過(guò)度磨損的問(wèn)題[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員使用電化學(xué)法[3]、超聲波清洗法[4]、干冰清洗法[5]及高壓水射流法[6]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣表面漆層進(jìn)行清洗，這些方法雖已比較成熟，但均存在各自的局限性：電化學(xué)法清洗對(duì)金屬有一定的腐蝕性；干冰清洗設(shè)備體積龐大且價(jià)格昂貴；高壓水槍清洗對(duì)水資源浪費(fèi)較大；超聲波清洗噪聲大[7]。激光清洗技術(shù)是一種綠色、高效的清洗新技術(shù)，相關(guān)參數(shù)確定后可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化遠(yuǎn)程操作，清洗質(zhì)量穩(wěn)定可靠，未來(lái)有望部分或完全替代傳統(tǒng)的工業(yè)除漆方法。

近年來(lái)，隨著激光器技術(shù)的發(fā)展，尤其是大功率納秒脈沖激光器的出現(xiàn)及其在激光除漆領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[8–9]，飛機(jī)部件的激光清洗技術(shù)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。劉鵬飛[10]、趙海朝[11]等使用納秒脈沖激光對(duì)飛機(jī)蒙皮表面聚合物漆層進(jìn)行去除，認(rèn)為激光能量密度與掃描速度對(duì)除漆效果有很大影響，且不同工藝參數(shù)下的激光除漆作用機(jī)制存在差異，其中內(nèi)聚力破壞機(jī)制與裂紋擴(kuò)展機(jī)制是主要作用機(jī)制。Shan 等[12]利用納秒光纖脈沖激光對(duì)鋁合金表面漆層進(jìn)行了去除研究，當(dāng)能量密度為21.23 J/cm2時(shí)，激光清洗的清潔度和表面完整性最佳，激光清洗后的基體表面力學(xué)性能得到明顯改善。Zhao 等[13]指出，掃描速度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致掃描軌跡重疊率高，從而對(duì)基體造成破壞；掃描速度過(guò)高，則使激光光斑無(wú)法完全覆蓋漆層表面而導(dǎo)致除漆質(zhì)量下降。邱太文等[14]利用納秒脈沖激光清洗鋁合金表面環(huán)氧漆層，研究發(fā)現(xiàn)，激光除漆后可獲得與原始基體相似的表面形貌、元素含量和表面硬度。以上關(guān)于飛機(jī)部件的激光清洗技術(shù)研究主要集中于飛機(jī)蒙皮及其表面聚合物漆層，考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣在工作時(shí)承受各種交變載荷和熱負(fù)荷，且表面保護(hù)漆層通常采用鋁青銅漆層，除漆原理及工藝與飛機(jī)蒙皮除漆存在差異，因此，有必要對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣表面激光清洗技術(shù)開(kāi)展研究。

本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣表面漆層更換時(shí)的除漆需求，采用納秒脈沖激光對(duì)塞斯納172 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣表面漆層開(kāi)展激光清洗研究；系統(tǒng)地分析了激光工藝參數(shù)與除漆質(zhì)量間的耦合關(guān)系，確定了機(jī)匣表面最佳除漆工藝參數(shù)，通過(guò)表面形貌、粗糙度與顯微硬度測(cè)試對(duì)除漆質(zhì)量進(jìn)行表征；實(shí)現(xiàn)了塞斯納172 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣表面高質(zhì)量無(wú)損清洗技術(shù)，以期為激光清洗技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造和再制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為塞斯納172 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣，其作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)提供扭矩，如圖1 所示。

圖1 塞斯納172 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣Fig.1 Cessna 172 aircraft engine accessory casing

機(jī)匣基體材料為ZL105 鋁合金，具有耐工業(yè)、耐海洋大氣腐蝕的能力，廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)。使用美國(guó)PerkinElmer 公司Optima8000 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)試其化學(xué)成分，結(jié)果如表1 所示。

表1 ZL105 鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of ZL105 aluminium alloy (mass fraction) %

1.2 研究方法

激光清洗系統(tǒng)主要由光纖脈沖激光器、工業(yè)機(jī)器人、清洗加工頭和控制系統(tǒng)組成。激光清洗頭搭載在六自由度工業(yè)機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)與工件表面的空間相對(duì)定位、光束聚焦與清洗工作。清洗系統(tǒng)及清洗路徑的示意圖如圖2 所示，采用深圳市創(chuàng)鑫激光股份有限公司MFPT–120P 脈沖光纖激光器，最大功率為120 W，場(chǎng)鏡焦距為190 mm，采用“S”形軌跡對(duì)機(jī)匣表面進(jìn)行掃描。

圖2 激光清洗系統(tǒng)和清洗路徑示意圖Fig.2 Schematics of laser cleaning system and cleaning path

激光能量密度Ed和掃描速度ν是影響激光除漆質(zhì)量的關(guān)鍵因素，激光能量密度可以表示為[15]

式中，f為重復(fù)頻率；D為光斑直徑；P為激光平均功率。

固定重復(fù)頻率f與光斑直徑D，通過(guò)調(diào)整激光功率以獲得不同的能量密度。此外，根據(jù)式 （1），當(dāng)脈沖重復(fù)頻率、光斑直徑和激光功率不變時(shí)，激光能量密度為定值，此時(shí)激光與材料表面的相互作用程度主要由激光的掃描速度決定，本文主要通過(guò)改變激光能量密度Ed和掃描速度ν進(jìn)行機(jī)匣表面除漆質(zhì)量分析。根據(jù)前期的預(yù)研試驗(yàn)結(jié)果，選擇激光能量密度12.22～24.45 J/cm2、掃描速度800～2400 mm/s 范圍下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 激光清洗試驗(yàn)工藝參數(shù)Table 2 Technological parameters of laser cleaning test

激光除漆試驗(yàn)完成后，通過(guò)對(duì)除漆表面形貌、粗糙度、除漆率及顯微硬度的表征綜合評(píng)估機(jī)匣表面除漆質(zhì)量。使用深圳市善時(shí)儀器有限公司SS – 60 型掃描電子顯微鏡，觀察除漆表面的微觀形貌，判斷激光除漆對(duì)基材表面的影響；使用西班牙Sensofar 公司S Neox090 光學(xué)表面輪廓儀，觀測(cè)除漆表面的三維形貌并對(duì)其表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量 （機(jī)匣原始表面粗糙度Sa為2.38 μm）；使用奧地利Rockwell（Qness）公司Q10A+全自動(dòng)顯微維氏硬度計(jì)，對(duì)除漆表面的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試；利用杭州?？低暪綧V – CS050 – 10GV – PRO 工業(yè)相機(jī)對(duì)除漆表面進(jìn)行拍照，并使用Matlab 軟件對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，將殘余漆層區(qū)域和除漆區(qū)域分別識(shí)別為黑色和白色，如圖3 所示 （其中，ξ為除漆率）。

圖3 激光除漆前后機(jī)匣表面照片及除漆后二值化圖像Fig.3 Image of casing surface before and after laser paint removal and binarization image after paint removal

計(jì)算二值化圖像中黑色像素點(diǎn)與總像素點(diǎn)的比值并作為除漆率，從而實(shí)現(xiàn)除漆效果的量化，除漆率ζ可表示為[16]

式中，Qb為黑色像素點(diǎn)的總數(shù)量；Q為圖像總像素點(diǎn)數(shù)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌與粗糙度

不同能量密度下的激光除漆表面形貌與粗糙度變化如圖4 所示，其中掃描速度為1600 mm/s，重復(fù)頻率為100 kHz，脈沖寬度為200 ns。能量密度為12.22 J/cm2時(shí)，由于漆層與基體的熱膨脹系數(shù)不同，漆層與基體結(jié)合面處出現(xiàn)溫度梯度并產(chǎn)生了熱應(yīng)力，漆層受熱應(yīng)力作用開(kāi)始以塊狀形式分裂 （圖4（a）），表面粗糙度Sa=7.68 μm；能量密度為15.28 J/cm2時(shí)，激光作用在表面的熱效應(yīng)使漆層進(jìn)一步氣化分解，除漆表面較之前更為平整，粗糙度略微下降 （Sa=6.87 μm），但仍有一層薄漆層以片狀結(jié)構(gòu)附著在基體上，向上的熱應(yīng)力導(dǎo)致漆層表面出現(xiàn)了更多微裂紋 （圖4（b）），有助于漆層從基體表面分離；能量密度達(dá)到18.33 J/cm2時(shí)，基體表面已觀察不到漆層附著（圖4（c）），表面較為光滑，粗糙度達(dá)到最小值 （Sa=2.48 μm）；當(dāng)能量密度增大至21.39 J/cm2，“溢出”的脈沖激光能量直接作用于機(jī)匣基體，基體表面產(chǎn)生固–液–固相變，留下輕微的燒蝕痕跡和小孔（圖4（d）），表面完整性遭到破壞，粗糙度開(kāi)始增加（Sa=4.89 μm）；隨著能量密度達(dá)到24.45 J/cm2，表面呈多孔洞形貌（圖4（e）），并呈現(xiàn)出明顯的高低差別，表面粗糙度急劇上升 （Sa=9.51 μm）。多孔洞形貌的形成是因?yàn)殇X合金基體在凝固過(guò)程中產(chǎn)生縮孔現(xiàn)象[17]；由于脈沖激光作用時(shí)間較短，基體因激光作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)熔化后快速凝固，但凝固收縮空隙沒(méi)有及時(shí)得到足量的熔融金屬填充，最終在基體表面形成尺寸各異、數(shù)量密集的氣孔。

圖4 不同能量密度下激光除漆表面形貌Fig.4 Surface morphology of laser paint removal under different energy densities

圖5 為不同能量密度時(shí)激光除漆后機(jī)匣表面粗糙度變化，能量密度為18.33 J/cm–2時(shí)，表面漆層清除干凈，粗糙度達(dá)到最小值，對(duì)應(yīng)Sa= 2.48 μm。

圖5 不同能量密度下激光除漆表面粗糙度變化（v=1600 mm/s）Fig.5 Surface roughness change of laser paint removal under different energy densities ( v=1600 mm/s)

不同掃描速度下的激光除漆表面形貌與粗糙度變化分別如圖6 和7 所示，其中激光能量密度為18.33 J/cm2，重復(fù)頻率為100 kHz，脈沖寬度為200 ns。當(dāng)掃描速度為2400 mm/s，基體表面有激光燒蝕堆積現(xiàn)象 （圖6（a）），這些片層狀結(jié)構(gòu)是激光與漆層劇烈作用所產(chǎn)生的裂解及燒蝕產(chǎn)物，其主要原因是此時(shí)掃描速度較快，激光輻照表面形成的熱量沒(méi)有完全傳遞到整個(gè)漆層；掃描速度降低至2000 mm/s，相鄰光斑中心距減小導(dǎo)致單位光斑獲得的能量密度增加，激光對(duì)表面的振動(dòng)效應(yīng)與燒蝕作用明顯，基體逐漸裸露 （圖6（b）），成片的漆層減少，但仍存在片狀與顆粒狀殘余漆層；當(dāng)掃描速度為1600 mm/s，基體表面已觀察不到殘余漆層存在 （圖6（c））；當(dāng)掃描速度為1200 mm/s，漆層被高溫氣化去除后，基體表面可隱約看到與X軸平行的激光輻照路徑 （圖6（d））；隨著掃描速度降低至800 mm/s，由于相鄰光斑距離過(guò)近，燒蝕效應(yīng)作用時(shí)間延長(zhǎng)，可明顯觀察到光斑搭接痕跡與激光的輻照路徑 （圖6（e）），基體表面損傷嚴(yán)重。

圖6 不同掃描速度下激光除漆表面形貌Fig.6 Surface morphology of laser paint removal under different scanning speeds

如圖7 所示，在掃描速度由2400 mm/s 變化到1600 mm/s 的過(guò)程中，除漆表面粗糙度逐漸降低。這是因?yàn)殡S著掃描速度的降低，相鄰光斑中心距減小，單位時(shí)間內(nèi)表面漆層接受的能量增加，漆層被逐漸去除使除漆表面趨于平緩，粗糙度降低；掃描速度達(dá)到1600 mm/s時(shí)，已觀察不到漆層附著，漆層被完全去除，此時(shí)表面粗糙度達(dá)到最小值 （Sa=2.48 μm）；當(dāng)掃描速度小于1600 mm/s 時(shí)，由于掃描速度過(guò)低，較高的單個(gè)光斑能量密度使機(jī)匣表面溫度急劇升高，基體開(kāi)始損傷，表面平整性遭到燒蝕破壞，粗糙度隨之逐漸增大。

圖7 不同掃描速度下激光除漆表面粗糙度變化（Ed=18.33 J/cm2）Fig.7 Surface roughness change of laser paint removal under different scanning speeds (Ed=18.33 J/cm2)

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果與分析可以看出，激光的能量密度和掃描速度過(guò)大或過(guò)小均會(huì)導(dǎo)致機(jī)匣表面粗糙度增大，表面質(zhì)量下降。其中，激光能量密度18.33 J/cm2、掃描速度1600 mm/s 時(shí)，機(jī)匣基體未損傷，除漆后表面粗糙度為2.48 μm，與原始表面粗糙度Sa相比增加0.1 μm，但粗糙度的適度增加可以增大機(jī)匣基體與漆層的接觸面積[18]，提升基體與漆層間的黏附力，有利于機(jī)匣表面的再次涂裝。

2.2 除漆率

不同能量密度及掃描速度對(duì)機(jī)匣表面除漆率的影響如圖8 所示。從圖8（a）可以看出，隨著激光能量密度的增大，除漆率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。表面漆層因激光能量密度的增加被逐層去除，除漆率隨之上升；但隨著表面獲得的激光能量持續(xù)增大，表面熱積累效應(yīng)嚴(yán)重，導(dǎo)致漆層焦化、轉(zhuǎn)變?yōu)闅饣撝蹈叩目篃g層[19]，阻擋了激光對(duì)深層材料的直接作用，降低了漆層的質(zhì)量遷移。因此，激光能量密度過(guò)大后，激光除漆率反而逐漸下降。

圖8 不同激光參數(shù)下的除漆率變化Fig.8 Change of paint removal rate under different laser parameters

不同掃描速度下除漆率變化規(guī)律如圖8（b）所示，隨著掃描速度減小，激光除漆率先增大再減小，再增大。當(dāng)激光掃描速度較高時(shí)，相鄰光斑中心距較大，未被激光輻照的漆層受熱應(yīng)力作用被振動(dòng)去除。隨著掃描速度的減小，漆層與基體間的溫度梯度變小，熱應(yīng)力和溫度不足以將漆層完全去除，表面可見(jiàn)殘余漆層顆粒（圖6（d）），除漆率下降；但隨著激光除漆速度繼續(xù)減小，光斑能量密度的增加導(dǎo)致熱積累效應(yīng)明顯，漆層表面溫度急劇增大，此時(shí)熱燒蝕效應(yīng)開(kāi)始起主導(dǎo)作用，除漆率再次上升。

由上述分析可以看出，當(dāng)能量密度18.33 J/cm2、掃描速度1600 mm/s 時(shí)，除漆率可達(dá)到98.7%，且除漆后的表面形貌和表面質(zhì)量較好，是本研究條件下的最佳除漆參數(shù)。

2.3 表面顯微硬度

機(jī)匣作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的保護(hù)殼體，表面硬度可以反映其抵抗表面塑性變形與破壞的能力。盡管在最佳除漆參數(shù) （Ed=18.33 J/cm2，v=1600 mm/s）作用下，機(jī)匣基體表面未發(fā)生損傷，但激光除漆是一種熱加工，基體的表面組織可能因激光除漆時(shí)的熱傳遞而發(fā)生變化，從而影響其表面強(qiáng)度，因此按照ISO 6507—1： 2018《金屬材料—維氏硬度試驗(yàn)—第1 部分：試驗(yàn)方法》中的試驗(yàn)方法對(duì)機(jī)匣原始表面與激光除漆表面進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。樣本點(diǎn)呈“田”字形點(diǎn)陣分布，加載載荷為1.961 N，保載時(shí)間為15 s，測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。

圖9 原始基材與激光除漆表面顯微硬度Fig.9 Microhardness of original substrate and laser paint removal surface

可以看出，機(jī)匣原始表面硬度范圍為136HV～139HV，激光除漆表面的硬度范圍為139HV～143HV，激光除漆后機(jī)匣表面硬度值整體高于機(jī)匣原始表面，其平均值 （140.71HV）較原始表面 （138.04HV）提升1.9%，這說(shuō)明激光作用到機(jī)匣表面時(shí)存在激光沖擊強(qiáng)化的效果。激光沖擊強(qiáng)化是一種利用短脈沖激光束對(duì)材料表面進(jìn)行改性，提高材料的疲勞強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性能和耐磨性等機(jī)械性能的技術(shù)[20]。故激光除漆后其表面的硬度略高于原始基體，這表明該激光清洗過(guò)程對(duì)機(jī)匣的保護(hù)性能有一定程度的改善作用。Shan 等[12]的研究結(jié)果也表明，激光清洗后基材的顯微硬度會(huì)增加，并認(rèn)為這是由于激光清洗過(guò)程中激光沖擊和熱效應(yīng)的共同作用使基體表面產(chǎn)生了位錯(cuò)與晶格畸變，這令晶粒變形和位錯(cuò)滑移變得更加困難，從而可抵抗較大的外部壓力，最終使基體表面顯微硬度增加。

3 結(jié)論

（1）在本研究條件下，激光能量密度18.33 J/cm2、掃描速度1600 mm/s 為機(jī)匣表面最佳激光除漆工藝參數(shù)，這一結(jié)果為激光除漆工藝在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)參考。

（2）激光能量密度和掃描速度對(duì)除漆質(zhì)量影響顯著，隨著激光能量密度與掃描速度增加，機(jī)匣表面粗糙度總體變化趨勢(shì)相似，均為先減少后增大，除漆率的變化與之相反。

（3）機(jī)匣在最佳激光除漆參數(shù)的作用下，基體本身未損傷，除漆率可達(dá)98.7%；與機(jī)匣原始表面相比，激光除漆表面顯微硬度得到增強(qiáng)，表面粗糙度無(wú)顯著增加，保證了足夠漆膜附著力，有利于機(jī)匣表面的再次涂裝。