金屬表面腐蝕層及涂層的激光干式清洗研究進展

馬玉山，王鑫林，何濤，常占東，孫奇，劉海波，王學(xué)朋，鄧德偉,

（1.吳忠儀表有限責(zé)任公司，寧夏 吳忠 751100；2.大連理工大學(xué) 機械工程與材料能源學(xué)部，遼寧 大連 116024；3.沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司 沈鼓-大工研究院，遼寧 大連116023）

激光清洗是一種新型的綠色清洗技術(shù)，其利用脈沖或連續(xù)的中低能量密度激光對待清洗表面進行輻照，物體表面污染物（銹層、漆層、油污、變形層或涂層等）在吸收激光能量后，受到汽化揮發(fā)或者瞬間受熱膨脹等作用，而克服與基材表面的吸附力并脫離基體表面，從而實現(xiàn)表面清洗[1]。由于激光清洗擁有非接觸、無研磨、適用性廣和無熱效應(yīng)等特點，與傳統(tǒng)的清洗技術(shù)相比，其具備控制精度高、清洗效率高、清洗質(zhì)量好、應(yīng)用范圍廣、對基體損傷小、不污染環(huán)境等優(yōu)點，因此在工業(yè)、軍事、電子、建筑、文物保護和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[2-3]。

激光清洗的概念最早于 20世紀 60年代中期提出，Schawlow[4]通過激光技術(shù)清除書籍上的污染物而達到了修復(fù)的目的。20世紀70年代，美國加州大學(xué)的 Asmus等[5]開始了雕塑等藝術(shù)品的激光清洗研究工作，并利用脈沖紅寶石激光器和Nd:YAG激光器在不損傷石像本身的前提下，進行了雕塑表面深色污垢的激光清洗。20世紀80年代，弗羅里達州立大學(xué)的Allen等[6]利用TEA CO2激光器開展了微電子硅片表面上亞微米級污染顆粒的激光清洗，開啟了微納米顆粒的激光清洗研究。直到20世紀90年代，激光清洗技術(shù)才逐步開始較快的發(fā)展。由于激光清洗設(shè)備的工作參數(shù)需要與基體和污染物的種類、清洗要求等相匹配，較難形成統(tǒng)一的標準，而且缺少能夠進行定量描述的數(shù)學(xué)模型，激光清洗更多依賴于個人經(jīng)驗和大量實驗來優(yōu)化參數(shù)[3]。激光清洗技術(shù)以其顯著的特點和優(yōu)勢受到了國內(nèi)工業(yè)制造領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，雖然激光清洗技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，但是經(jīng)過近20年的發(fā)展，目前在微電子器件[7]和超精密光學(xué)器件清洗[8]、藝術(shù)品文物保護[9]、模具清洗[10-11]等領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的理論研究和技術(shù)應(yīng)用成果。國內(nèi)一些主要的光纖激光器企業(yè)均具備激光清洗設(shè)備開發(fā)制造能力，已生產(chǎn)出可達800 W的較高功率激光清洗用激光器，并研發(fā)出機器人激光清洗系統(tǒng)。本文針對激光干式清洗在不同金屬表面多種腐蝕層及涂層清除方面的研究進展進行綜述，以期為相關(guān)科研人員進行激光清洗的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究提供參考。

1 激光清洗技術(shù)的機理及分類

激光清洗的基體材質(zhì)以及污染物的種類、厚度和清洗要求等存在差別，并且材料與激光的相互作用機制和涉及的去除機理也不完全一致。因此，同一種激光器在不同清洗對象的清洗過程中將存在多種清洗機制。目前，典型的激光清洗方法可以分為激光干式清洗、蒸汽式激光清洗（激光濕式清洗）和激光沖擊波式清洗。激光清洗過程中可能發(fā)生的物理化學(xué)變化過程有燃燒、氣化、電離、分解、熔化、降解、收縮、膨脹、剝離、飛濺、爆炸、脫落等[12]。

激光干式清洗是利用較高能量密度的激光束直接輻照待清洗表面，其清洗機理主要為燒蝕效應(yīng)和振動效應(yīng)。在燒蝕效應(yīng)中，主要存在燃燒、分解、氣化幾種物理化學(xué)變化過程，污染物吸收激光能量溫度升高，發(fā)生燃燒或者分解等物理變化過程，以氣體形式離開基體表面，此過程往往需要較大的能量。在振動效應(yīng)中，基體或者污染物吸收激光能量，因溫度快速升高而發(fā)生熱膨脹，雖然熱膨脹的程度很小，但由于激光作用時間很短，產(chǎn)生的脫離加速度很大，引發(fā)基體或者污染物發(fā)生振動，從而克服污染物與基體之間的附著力（主要有范德華力、毛細力和靜電力），使得污染物脫離基體[13-14]。

蒸汽式激光清洗是在待清洗表面涂覆一層薄薄的液體（如純水、乙醇、乙醇+純水、丙酮等），形成幾微米厚的液膜，基體吸收激光能量導(dǎo)致液膜內(nèi)部形成蒸汽泡，發(fā)生爆炸性氣化，從而產(chǎn)生強大的瞬時爆炸性沖擊波，克服污染物與基體之間的附著力，使得污染物在蒸汽泡的作用下脫離基體[15-16]。

激光沖擊波式清洗是使激光束平行于待清洗表面，利用高能激光脈沖在焦點處的高能量密度（可達1012W/cm2）擊穿環(huán)境氣體，產(chǎn)生近球狀的等離子體沖擊波（在等離子團邊緣處的壓強可達到上百兆帕），沖擊波傳播到待清洗表面上，將基體表面的污染物移除[17]。

以上三種方法中，蒸汽式激光清洗的工藝復(fù)雜，液膜厚度難以控制；激光沖擊波式清洗主要針對尺寸較小的微粒（亞微米級或納米級），工藝要求高，既要保持基體與激光之間的距離滿足要求，又要保證能夠電離氣體介質(zhì)。與蒸汽式和沖擊波式的激光清洗相比，激光干式清洗過程易于控制，清洗操作簡單，因此使用最廣泛。應(yīng)用激光干式清洗，通過選取合適的激光器并優(yōu)化參數(shù)，可以對不同金屬表面的異質(zhì)表層進行有效去除。本文將主要介紹激光干式清洗在幾種較典型的金屬表面銹層、氧化物層、變性層、漆層以及涂層清除方面的研究進展。

2 金屬表面不同污染物的激光干式清洗

近些年來，激光清洗在許多領(lǐng)域的應(yīng)用獲得了廣泛關(guān)注，表1列出了激光干式清洗在多種金屬基材和異質(zhì)表層去除應(yīng)用的研究進展。目前，相對比較成熟的研究主要集中在鋼材的除銹以及鋼和輕質(zhì)合金基體的除漆。激光干式清洗可應(yīng)用的金屬基體涵蓋碳鋼、奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鈦合金以及鋁合金等，污染物包括銹層、硫化層、氧化層、漆層、Al-Si涂層及耐腐蝕涂層等，下面根據(jù)金屬表面異質(zhì)表層的類型對激光干式清洗的研究進展進行分類介紹。

表1 金屬表面不同表層的激光干式清洗研究小結(jié)Tab.1 Summary of the research in dry laser cleaning for different metal surface layers

2.1 銹層清除

當(dāng)工作環(huán)境的相對濕度超過臨界濕度時，金屬構(gòu)件表面暴露于這種條件下很容易發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致部件的強度、韌性和壽命顯著降低，因而對于鋼材部件大多需要進行防銹處理。一般在鋼材進行表面涂層防護或其他加工（如焊接）前，需要對表面做預(yù)先除銹處理，以保證漆層的附著強度及防護的有效性。傳統(tǒng)的物理或化學(xué)方法除銹，通常會帶來環(huán)境污染并對基材表面造成一定損傷，而激光除銹可以完全克服傳統(tǒng)除銹方法的缺點。銹層的激光清洗實際上是通過克服銹層與基體之間粘附力來實現(xiàn)除銹，在清除未與基體直接接觸的銹層時，所需的能量遠小于與基體直接接觸的銹層清洗時所需的能量[41]。由于脈沖激光脈沖短、能量高，且致密度低、疏松多孔的銹蝕產(chǎn)物對激光有較高的吸收率，所以銹層表面溫度能夠很快達到熔點，通過燒蝕機制來實現(xiàn)除銹[42]。

Wang等[18]研究了不同工藝參數(shù)下 A3（Q235）鋼表面銹層的激光清洗效果，并對清洗后表層的粗糙度、硬度和耐腐蝕性能進行了測試。選用Nd:YAG激光器在激光頻率2.9 kHz和3.3 kHz下，激光能量密度分別為26 J/cm2和25.3 J/cm2時，可以實現(xiàn)完全的銹層清洗。清洗表面的粗糙度隨著激光能量密度的升高而變大，脈沖頻率對粗糙度的影響不明顯，通過不同工藝參數(shù)的搭配可實現(xiàn)表面粗糙度保持不變。激光除銹后，表面硬度和耐腐蝕性能均得到提高，并且隨著激光能量密度的增大而升高。沈全等[19]對Q235鋼進行了激光除銹實驗，研究了工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的增大、掃描總次數(shù)的增多和掃描速度的減小，基材的表面粗糙度增大，當(dāng)激光功率達到一定的閾值后，基體表面出現(xiàn)損傷。

俞鴻斌等[20]使用最大輸出功率為500 W的光纖激光器，進行了碳鋼表面銹層激光清洗的研究。在清洗過程中使用的脈沖激光為截斷式脈沖（峰值功率與設(shè)定功率一致），脈沖頻率為20 kHz，激光光斑直徑為60 μm。激光功率為126 W、掃描速度為1100 mm/s、離焦量為+3 mm時，除銹效果最好；在離焦量為+1 mm時，激光能量密度較大，因碳鋼本身散熱較慢，基體的熱量積累容易引起氧化；而在離焦量為+5 mm時，激光能量密度較低，未能達到清除銹層所需的清洗閾值。在優(yōu)化參數(shù)下清洗后的表面顯微形貌如圖1所示，基體表面呈排列整齊的塌陷形貌，塌陷處內(nèi)部的銹層在高能量密度脈沖激光作用下被清洗干凈，呈明亮的金屬光澤，但中間的金屬熔化后，受沖擊力作用向四周發(fā)生堆疊而形成凸起。

任志國等[23]采用脈沖光纖激光器進行了低碳鋼表面的銹層清洗研究，銹層平均厚度為70 μm，所使用的脈沖激光平均功率為10 W，頻率為20 kHz，掃描速度為 750 mm/s。通過能譜分析發(fā)現(xiàn)，激光除銹之后，試樣表面氧元素含量從13%下降到1%，除銹效果良好。但在激光除銹后，試樣表面依然存在腐蝕坑使表面粗糙度增加。由于激光清洗時的能量大于銹層的清洗閾值而小于金屬基體損傷閾值，清洗后金屬基體沒有發(fā)生重熔（如圖2所示），微觀組織依然以鐵素體和珠光體為主，屈服強度、硬度沒有明顯的改變。Narayanan等[24]采用平均功率為 30 W、脈寬為80 ns、頻率為50 kHz的光纖激光器，進行了低碳鋼表面銹層的激光清洗實驗，分析了掃描速度、清洗次數(shù)和掃描軌跡等參數(shù)對于清洗深度、清洗表面的輪廓、粗糙度以及硬度的影響。結(jié)果表明，隨著掃描次數(shù)的增加和掃描速度的減小，清洗深度增加，清洗后的表面粗糙度與清洗前的表面粗糙度無關(guān)。

劉洪偉等[22,43]利用峰值功率可達1550 W的光纖激光器開展了船用AH32鋼板激光表面銹層的研究，通過點激光實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光能量密度為0.5～5 J/cm2時，能夠較好地清除表面銹蝕層，清潔度可以達到Sa1/2級，表面粗糙度達到30～70 μm，清洗后的表面呈規(guī)則的溝槽形貌特征。激光能量過高時會造成基體表面氧化，同時伴有燒蝕熔渣殘留。激光清洗后的表面力學(xué)性能與原始基材相當(dāng)，清洗后表面形成了馬氏體，馬氏體相變膨脹產(chǎn)生的壓應(yīng)力有利于提高金屬力學(xué)性能。佟艷群等[44]采用脈沖激光器開展了海上鉆井平臺用鋼表面氧化層的激光清洗研究，認為金屬氧化物的激光去除機理是激光燒蝕的物理化學(xué)效應(yīng)和彈性振動效應(yīng)共同作用的結(jié)果，兩種效應(yīng)對清洗機理的影響程度與激光能量密度密切相關(guān)。通過實驗得出氧化層的清洗閾值為0.65 J/cm2，并建立了氧化物去除率和聲波持續(xù)時間、等離子體發(fā)光強度之間的關(guān)系。此外，高雯雯等[21]采用納秒激光器開展了304不銹鋼表面紅棕色銹層的激光清洗研究，分析了掃描次數(shù)、掃描速度和激光功率的影響，優(yōu)化后的工藝參數(shù)為：激光功率26 W，掃描次數(shù)45次，掃描速度 100 mm/s。

因材質(zhì)和腐蝕環(huán)境的不同，導(dǎo)致鋼材銹層的厚度存在一定差異，激光清洗參數(shù)（能量密度）的選擇范圍較寬。通常，銹層的去除深度隨激光功率的升高而增大，由于激光清洗過程中的快速熱作用，基體表層的硬度和耐腐蝕性均有所提高。激光清洗對表面粗糙度的影響取決于原始基體的表面質(zhì)量，對于原始表面粗糙度較低的材料，激光除銹后的表面粗糙度增大，而對于原始表面粗糙度較高的材料，激光除銹后的表面粗糙度略有降低。

2.2 氧化物層及變性層去除

鋼材表面可以通過CVD、PVD等工藝引入ZrO2、Cr2O3和Al2O3等氧化膜，或因基材中含有Cr、Al元素而形成 Cr2O3和 Al2O3氧化膜層[25,45]。這些氧化膜常溫下可以對基體起到防腐蝕的保護作用，但對焊接加工有害，并且熱循環(huán)條件下，在接近表面區(qū)域因氧化膜存在而形成的應(yīng)力場可能誘發(fā)表面裂紋[46]，因此在特定條件下需要對氧化膜進行清除。Oltra等[25]利用Nd:YAG激光器進行了鋼表面Al2O3、Cr2O3和ZrO2氧化層的激光清洗實驗，并研究了氧化層的去除機制。發(fā)現(xiàn)對于不同種類和厚度的氧化層，當(dāng)激光脈沖能量為 0.4～1 J/cm2時，可以實現(xiàn)氧化層的有效去除而不損傷基體，清洗時將氧化層剝離而未發(fā)生熔化和氣化，清洗后樣品的表面形貌如圖3a所示。氧化層去除機制可以由熱彈性應(yīng)力作用來解釋，當(dāng)氧化層和基體的交界處吸收激光能量后，由于光熱效應(yīng)，會產(chǎn)生高能聲脈沖，如圖3b所示，聲脈沖一部分傳遞到基體中，一部分傳遞到氧化層。由于反射使得交界處的壓力波變?yōu)槔Σ?，造成基體表面氧化層的去除，如圖3c所示。

Psyllaki等[26]利用Nd:YAG激光器進行了不銹鋼表面Cr2O3、Al2O3高溫氧化層的激光清洗實驗，并研究了激光能量對于清洗機制的影響。當(dāng)激光能量密度為1.0～2.0 J/cm2時，可以實現(xiàn)基體表面氧化層的有效去除而不損傷基體，Cr2O3氧化層清洗時需要的激光能量相對較低。不同氧化層的去除機制如圖4所示，Cr2O3氧化層與基體的結(jié)合力較弱，相對較低的激光能量就可以使氧化層發(fā)生屈曲，并由輻照區(qū)域邊界形成的拉應(yīng)力引發(fā)裂紋萌生和擴展，最終導(dǎo)致脫粘；Al2O3氧化層與基體的結(jié)合力較強，輻照邊界區(qū)域的應(yīng)力可以使氧化層破裂但不足以引發(fā)脫粘，氧化層以劈裂的方式去除主要發(fā)生在拉應(yīng)力較高的輻照中心區(qū)域。當(dāng)氧化層和基體之間的界面與激光入射方向垂直時，產(chǎn)生的應(yīng)力場可以將氧化層全部去除且不損傷基體；當(dāng)不垂直時，無法實現(xiàn)材料的去除。當(dāng)激光照射待清洗表面時產(chǎn)生與交界垂直的應(yīng)力時，應(yīng)力場的擴大使得氧化層碎裂，此時，氧化層中壓應(yīng)力的釋放促使其脫離基體。

鋼板熱軋生產(chǎn)過程中，高溫加工后的鋼材在空氣中冷卻導(dǎo)致表面發(fā)生氧化，形成致密的氧化層。為避免影響后續(xù)焊接和表面涂覆的加工質(zhì)量，工業(yè)中常用酸洗或打磨的處理方法來去除表面氧化層[47]。但是，酸洗會對環(huán)境帶來污染，打磨又會損傷表面，尤其對于較薄的鋼板并不合適，而激光清洗則可以有效地避免上述傳統(tǒng)氧化層去除方法的不足。Zhang等[27]利用脈寬為100 ns的Nd:YAG脈沖激光器進行了Q235熱軋鋼板表面氧化層（厚度約為25 μm）的激光清洗實驗，通過工藝參數(shù)優(yōu)化實現(xiàn)了高效、高質(zhì)量的清洗。但清洗后的表面表現(xiàn)出了很多由熱損傷而形成的條紋，如圖5所示。由于氧化層和基體具有相近的熔點和沸點，在氧化層剝離時很難避免基體不受熱損傷，但是可以通過減小脈寬和光斑直徑來降低這種熱損傷。對激光清洗參數(shù)進行合理優(yōu)化，不僅可以有效去除Q235熱軋鋼表面的氧化層，也可以避免由于加熱而形成新的氧化層。

在600～1000 ℃高溫條件下，氧氣的擴散很容易在Ti合金表面形成富氧層，即α相鈦合金，α相在鍛造加工的Ti合金中較為常見。α相的脆硬性會顯著降低材料的拉伸強度和疲勞性能，破壞 Ti合金結(jié)構(gòu)的完整性，并減少材料的使役壽命[48]。α相層的厚度通常約為 100～300 μm，機械打磨法和水射流法的清除效果不太理想，目前主要以化學(xué)腐蝕方法去除，但常用的腐蝕試劑氫氟酸對環(huán)境危害較大，因此已有研究人員將注意力轉(zhuǎn)移到了激光清洗技術(shù)。Yue等[28]利用15 ns的準分子激光進行了Ti-6Al-4V表面富氧α相層的激光清洗實驗，研究了α相層的清洗效率、能量閾值以及不同燒蝕深度下材料表面裂紋的寬度和密度，建立了不同表面粗糙度和裂紋寬度下 α相層厚度的預(yù)測模型。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，在激光清洗過程中α相層會產(chǎn)生裂紋，而Ti-6Al-4V基體層不會出現(xiàn)裂紋，圖6給出了激光清洗后表層橫截面的宏觀形貌，以及清洗后α相表層和一定深度下基體的顯微形貌。

合金鋼在含H2S和H2O的環(huán)境中會發(fā)生硫化腐蝕并形成硫化層，透平機械葉片在天然氣輸送系統(tǒng)中長時間服役，很容易發(fā)生嚴重的硫化腐蝕。硫化層和氧化層的形成機制較為相似，但硫化過程較氧化過程更復(fù)雜，且相同條件下的硫化腐蝕速率要比氧化腐蝕速率高出幾倍甚至幾個數(shù)量級[49]。離心壓縮機工作過程中，葉片受到交變載荷，表面的硫化物會發(fā)生龜裂甚至脫落，從而影響設(shè)備的平穩(wěn)運行，因此需要對硫化層進行定期清除。Tang等[29]采用脈寬為200 ns的光纖激光，開展了離心壓縮機葉輪用FV520B不銹鋼表面硫化層的激光清洗研究，由于基材中合金元素Cr、Ni、Fe向表面擴散的速度不同，硫化層表現(xiàn)為明顯的雙層（如圖7所示）。上層硫化層的清洗閾值約為0.41 J/cm2，而在激光能量密度為8.25-9.90 J/cm2時，下層硫化層可以實現(xiàn)清洗且不損傷基體，但當(dāng)激光能量密度大于9.90 J/cm2時會引起基體燒蝕。經(jīng)過激光去除硫化層后，試樣表面的粗糙度由 1.270 μm降低至0.391 μm。

2.3 漆層清洗

油漆涂料常噴涂于各類金屬基體表面來保護其免受空氣或者各種液體的腐蝕，但是在長期使用過程中，漆層同樣會發(fā)生老化、分解、破裂和脫落，而再噴涂新的漆層之前則需徹底清除原來的漆層。施曙東等[30]采用 Nd:YAG激光開展了鋼表面漆層的激光清洗研究，認為漆層的清洗機制是振動效應(yīng)，而發(fā)生基體損傷時的機理是振動效應(yīng)和燒蝕效應(yīng)。在保證掃描搭接率和激光功率密度適當(dāng)?shù)那闆r下，通過提高激光頻率、功率或增加光斑直徑，可以提高清洗效率并改善清洗效果。郭為席等[31]采用高脈沖TEA CO2激光器進行了超低碳鋼表面不同漆層（紅色醇酸漆、紅色金屬噴漆和黃色金屬噴漆）的激光清洗，確定了3種漆層的清洗閾值分別為10.37、9.66、10.71 J/cm2，損傷閾值分別為11.43、10.37、11.07 J/cm2。

Li等[32]采用100 ns的Nd:YAG脈沖激光進行了船用鋼板漆層的激光清洗實驗研究，對～360 μm厚的漆層進行3次清洗，第1次清洗時的平均功率為10 W，頻率為15 kHz，能量密度為8.5 J/cm2，掃描速度為50 mm/s，清洗后表面有燒蝕的碎片殘留；第2次以較低能量密度的激光來去除散雜的殘留清洗痕跡；與第 1次清洗相比，第 3次清洗將掃描速度提高為150 mm/s而其余參數(shù)不變，可以在不引起基體損傷的情況下實現(xiàn)漆層的徹底去除。漆層的清洗機制如圖8所示，漆層吸收激光能量，光熱效應(yīng)發(fā)生在很短的時間內(nèi)，漆層溫度快速升高形成蒸氣，隨著激光能量的進一步增加，漆層材料被電離形成等離子體，等離子體和蒸氣對漆層材料的熔池產(chǎn)生壓力，由于等離子體的快速膨脹，沖擊波引起漆層材料振動并飛離基體。Addona等[33]使用脈沖寬度為500 ns的脈沖激光進行了船用碳鋼板20～50 μm厚底漆的焊前激光清洗研究，發(fā)現(xiàn)通過減小2次連續(xù)激光掃描間距或者增大平均功率的方式，可以將激光清洗的工作速度提高至1000 mm/min。

Zeng等[34]采用脈沖光纖激光器進行不銹鋼表面灰色醇酸漆的激光清洗實驗，研究了激光能量密度、掃描速度和線寬對激光清洗的影響。確定清洗閾值為10.2 J/cm2、平均功率為40 W、頻率為200 kHz、掃描速度為4200 mm/s時的清洗效果最好，并且可以在增加功率和頻率的基礎(chǔ)上進一步提高掃描速度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)x和y方向的搭接率均為60%時，清洗效果最好。章恒等[35]采用低頻YAG脈沖激光器對FV520B基體表面漆層進行了激光清洗實驗，并分析了激光除漆的機理。激光干式清洗漆層時，除漆機制主要是燒蝕效應(yīng)，當(dāng)激光掃描速度為249 mm/min、掃描道間搭接量為0.6 mm、激光能量密度為0.239 J/cm2時，激光除漆效率達15.5 mm2/s。

王澤敏等[36]研究了YAG脈沖激光去除鋁板表面三種漆層的工藝參數(shù)和機理，認為起始清洗閾值只決定于油漆成分而與厚度無關(guān)，基體顯露閾值、完全清洗閾值和損傷閾值隨著漆層厚度的增加而增加，并指出激光除漆的機理有3個：一是激光產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致油漆表層瞬間燃燒和氣化；二是油漆深層受熱振動和激光脈沖的熱沖擊作用，使其以顆粒的形式發(fā)生飛濺；三是聲波的干涉作用震碎漆層。

胡太友等[37]采用脈沖光纖激光器研究了Ti17合金表面丙烯酸樹脂啞光黑色油漆的激光清洗機理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過激光處理后的試樣表面均出現(xiàn)大量凹坑和白色褶皺硬化層，表層硬度提高而表面粗糙度變化不大。分析認為凹坑的形成主要有兩方面原因：一是基材表面熔融留下的熔坑；二是表面在沖擊波作用下產(chǎn)生塑性變形而形成的凹坑。激光清洗可實現(xiàn)表面材料改性，在一定程度上改善基材的表面質(zhì)量。

王德良等[50]用硅片收集激光輻照除漆過程中噴濺物，進行了除漆機制的研究，通過噴濺顆粒的形貌和成分來判斷除漆機制。發(fā)現(xiàn)在激光除漆過程中產(chǎn)生了微米和納米量級的顆粒以及納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顆粒平均尺寸隨著激光能量的增大而增大。X射線能譜儀的結(jié)果顯示，微米量級的顆粒成分同漆成分一致，與振動去除機制有關(guān)，而納米量級顆粒則是由燒蝕作用形成的。

金屬表面漆層厚度一般在20～100 μm之間，普通漆層厚度多為50 μm左右，防護要求較高時需要涂覆底漆和面漆，漆層厚度可達100 μm左右。漆層通常為高分子材料，材料內(nèi)部結(jié)合力主要來自于原子間的共價鍵，以及分子間的范德華力和氫鍵，其結(jié)合力相對較弱，在高溫條件下很容易發(fā)生結(jié)合鍵斷裂。由上述文獻研究結(jié)果可知，對于耐高溫油漆，其清除機制以熱沖擊和熱振動為主，而普通油漆的激光清除機制主要為高溫?zé)g。在漆層較厚的情況下，通過增加清洗次數(shù)可以達到較好的清洗效果。

2.4 合金及陶瓷涂層去除

對于部分熱壓成形鋼板（HPF），如車用（超）高強鋼或硼鋼等，為防止高溫?zé)峒庸l件下發(fā)生氧化和脫碳，鋼板表面需要預(yù)涂覆Al-Si涂層[51]。然而在焊接過程中，Al-Si涂層會稀釋到焊縫區(qū)形成較脆的Fe-Al相，從而降低焊接接頭的強度[52]。因此，必須在焊接加工前除去 Al-Si涂層。Li等[38]采用脈寬為100 ns的光纖激光進行了HPF鋼板表面Al-Si涂層的單點清洗研究，發(fā)現(xiàn)涂層有效清除的脈沖頻率必須大于5 kHz，當(dāng)脈沖頻率為25 kHz時，清洗閾值為4.4 J/cm2，而由于累積效應(yīng)的存在，增加脈沖頻率可以減小清洗閾值，去除材料的機理主要為材料氣化和相爆炸。給出的清洗機理示意圖如圖9所示，圖9a對應(yīng)短脈沖和超短脈沖激光燒蝕過程，隨著燒蝕坑的形成和加深，激光束照射的表面積增大，導(dǎo)致激光束的有效能量密度降低；圖9b顯示了燒蝕過程中的熱傳導(dǎo)，在燒蝕坑底部曲率較大位置，由于更有效的熱擴散使得溫度下降更快，因而抑制了清除速率；圖9c為燒蝕過程中形成等離子體的示意圖，分別有表面區(qū)域的大氣等離子體、蝕坑底部的金屬蒸汽等離子體以及燒蝕坑中部由燒蝕飛濺顆粒輔助形成的大氣等離子體；圖9d為燒蝕過程中抑制材料溢出機制圖，在起始階段，材料很容易從平坦表面流失，隨著燒蝕孔深度的增加，材料從孔底溢出的阻力增大。Messaoudi等[39]采用皮秒激光器進行熱成形 22MnB5鋼表面Al-Si涂層的激光清洗實驗，發(fā)現(xiàn)清洗時材料吸收的激光能量與波長密切相關(guān)，相比于波長為1030 nm，當(dāng)波長為515 nm時需要高出兩倍的能量輸入來實現(xiàn)涂層的去除，然而也正是因為較低的去除速率可使得其清洗質(zhì)量較高。

航空壓縮機的 Ti合金葉片，在服役過程中會受到大量灰塵、砂礫和火山灰的侵蝕，為了延長 Ti合金部件的使用壽命并降低維護成本，需要對其涂覆TiAlN涂層。在經(jīng)過一定工作時長后，TiAlN涂層不可避免地發(fā)生惡化，重新涂覆涂層或修復(fù)部件則需要將原涂層去除。Ragusich等[40]利用飛秒 Ti:Sappjire激光和納秒準分子激光器，開展了鈦合金零件表面20 μm厚的TiAlN耐腐蝕涂層的激光清洗工藝研究。結(jié)果表明，與納秒激光器相比，飛秒激光清洗后的表面粗糙度降低了35%，其原因為納秒激光器產(chǎn)生的單脈沖能量更高，去除速率高1個數(shù)量級。確定了800 nm波長藍寶石飛秒激光器和248 nm波長準分子納秒激光器對于TiAlN涂層的清洗閾值分別為0.63 J/cm2和1.72 J/cm2。利用飛秒激光進行清洗后，表面粗糙度約為 1 μm，與材料原始粗糙度相近；納秒激光雖然可以提高涂層去除速率，但會使表面粗糙度和氧化程度升高，相比之下納秒激光更適合于剝離20 μm厚的TiAlN涂層。

3 結(jié)語

綜上所述，激光干式清洗需要根據(jù)不同污染物的種類和厚度，選擇合適的激光脈沖寬度、波長、脈沖頻率等工藝參數(shù)。國內(nèi)外的清洗研究大多選用波長為1064 nm的納秒激光器，重點關(guān)注清洗后的表面粗糙度以及表面的力學(xué)性能，表面粗糙度可達 1 μm，且隨著能量輸入的升高而增大，表面力學(xué)性能與基材相當(dāng)甚至有所提升。對于不同污染物存在不同的去除機制，銹層的去除主要依靠燒蝕作用，變性層是由于產(chǎn)生的熱彈性應(yīng)力而剝離，而漆層和涂層則是由于燒蝕氣化、熱振動、熱沖擊等機制實現(xiàn)清洗。雖然激光清洗相關(guān)工藝參數(shù)選擇得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并已開展了大量的研究工作，但是激光清洗的理論和機理研究仍有待進一步完善。激光清洗作為先進制造技術(shù)，可以在不損傷基材表面的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)污染物的“綠色”清洗，并且適應(yīng)性較強，在設(shè)置合適激光參數(shù)后對于金屬、無機、高分子材料均可以進行有效清洗。其在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊，包括航空航天、微電子、汽車、船舶、核電工業(yè)等。隨著激光清洗技術(shù)的不斷進步，我國傳統(tǒng)清洗工業(yè)面臨的環(huán)境污染、效率低下和自動化程度低等難題也將在一定程度上得到解決，大力發(fā)展激光清洗技術(shù)具有非常重要的經(jīng)濟及社會意義。