鈦合金激光清洗作用機理及研究現狀

朱洪浩，夏 丹，史中正，譚君洋，董世運

（1.陸軍裝甲兵學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072；2.空裝駐北京地區第七軍事代表室，北京 100076）

隨著綠色環保越來越受到人們的重視，傳統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反應，在去除固體基體上涂層、氧化層或污染物上，相對于化學清洗和機械清洗有著特殊的優勢。由于激光清洗具有通用性強、精度高、可控性強、選擇性強、環保等特點，已應用于各行各業。

1 激光清洗的分類

在激光清洗領域，國內外研究人員提出了幾種工作機理和加工方式，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。干式激光清洗已經在學術界中進行了大量研究，并得到了廣泛應用。它通常基于入射激光束和基板/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烈吸收所用激光波長的液體層達到清洗的目的。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用，將工件保持在濕度增加的環境中，通過冷凝作用，在基底與污染物之間凝結出一層很薄的液體層。之后通過激光照射，液體層被加熱并汽化，在固-液界面處引起氣泡的產生與增大，這導致污染物以下的沖擊壓力強度足以從將其從表面除去。濕式激光清洗相對于干式激光清洗在去除污染物時對激光能量要求較低，但是由于部分工件的使用環境不便于覆蓋液體層，對濕式激光清洗的應用條件有所限制。

（3）激光掠射清洗。在激光掠射清洗中，高強度激光聚焦于稍微高于待清洗的樣品表面的一個點上。激光誘導的氣體擊穿產生強烈的沖擊壓力波，沖擊到待清洗的表面，通過其產生的振動去除表面的污染物。激光掠射清洗技術也可與液相化學清洗相結合，激光誘導擊穿發生在液體溶液中，并且液體中產生的沖擊壓力清洗過程具有顯著加速作用。

2 鈦合金激光清洗的研究

自1791年發現以來，鈦就在航空航天制造業中占據了一席之地。如今，航空航天業是鈦合金產品的最大應用領域。鈦的高比強度、優秀的耐腐蝕性和高溫性能使其在航空航天領域中占有重要地位。在加工過程中，鈦合金部件通常會被加工冷卻劑、車間灰塵、指紋以及在空氣中氧化等污染。在對可靠性要求較高的應用上，例如噴氣發動機壓縮機葉片，更需要潔凈的表面以獲得較好的金屬結合強度。目前，鈦合金表面清洗較為廣泛使用的是硝酸-氫氟酸體系的化學清洗方法[1]。

2.1 國外對鈦合金激光清洗的研究

國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，在激光清洗過程中會發生氧化反應。

Langlade[2]等在激光重熔純鈦和Ti6Al4V合金的工作中發現，使用脈沖Nd:YAG激光器，在不同的參數下，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。

國外學者通過進一步的研究，尋找適當的保護措施，防止鈦合金在激光清洗過程中的氧化。

Gyorgy[3]等研究了不同氣體環境下激光照射鈦的微觀結構和形貌效應。試驗采用調Q開關Nd:YAG脈沖激光，波長1064nm，脈寬300ns，單脈沖能量2mJ，頻率30kHz，脈沖數為1500。試驗分別在氮氣，氬氣和空氣環境中進行對比。結果顯示，在氬氣中進行鈦的激光清洗比在空氣或氮氣環境中能產生更好的表面質量。激光照射過程中表面化學性質發生了變化，受激光強度和激光沖擊次數的影響較大。

在此基礎上，國外學者進一步研究了不同激光源和激光工藝參數對鈦合金表面清洗質量的影響。

Turner分別使用CO2、Nd:YAG和準分子激光對激光清洗航空航天級鈦合金進行了詳細的研究。使用Nd:YAG激光的主要清洗機理是污染物通過基板表面熱傳導產生汽化。在CO2激光清洗過程中，一小部分激光束被污染物吸收，導致污染物有選擇性地受熱和汽化。通過選擇能夠使污染物汽化且避免與基底發生熱誘導反應的激光通量，可以成功地清潔鈦表面有機污染物。結果表明，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，表面組織無損傷。同時，結果表明了氬氣吹送系統不足以有效保護鈦的激光清洗表面，必須通過適當的封閉系統有效地減輕大氣的污染。

2.2 國內對鈦合金激光清洗的研究

國內早期對于激光清洗的應用于研究多關注于碳鋼等材料，對于輕質合金（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]在期刊中摘譯了國外的相關文獻，激光清洗在鈦合金上的應用才開始得到重視。目前，國內對于鈦合金激光清洗的研究多為工藝參數的探索，研究不同工藝參數對鈦合金激光清洗質量以及對后續加工質量的影響。

羅雅等利用1064nm激光清洗TC11鈦合金表面進行焊前預處理。觀察激光清洗前后的表面形貌，通過能譜分析試樣表面的元素分布變化，結果表明采用合適的激光清洗參數可有效地清除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量有明顯提高。

3 結論

（1）分析激光清洗的工作機理。由于其具有的獨特優勢，能夠替代現有的鈦合金表面清洗方法。

（2）國內外對于鈦合金激光清洗的大量研究，為鈦合金激光清洗的應用提供了可行的依據。

（3）面對鈦合金構件的不同工作環境，需要針對性的探索合適的激光清洗工藝參數。