大氣常壓等離子體除漆的現(xiàn)狀及發(fā)展

熊偉

關(guān)鍵詞：大氣等離子體;油漆剝離;疲勞裂紋;液體滲透檢測

物質(zhì)通常以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)3種狀態(tài)存在，但在某些特殊情況下，可以這3種狀態(tài)之外的第四種狀態(tài)存在，如存在于太陽表面的物質(zhì)和地球大氣電離層中的物質(zhì)，都是以常三態(tài)之外的物質(zhì)第四態(tài)—等離子體狀態(tài)存在的[1]。

等離子體中存在如下物質(zhì)：處于高速運(yùn)動狀態(tài)的電子;處于激發(fā)狀態(tài)的中性原子、分子、原子團(tuán)（自由基）;離子化的原子、分子;分子解離反應(yīng)過程中生成的紫外線;未反應(yīng)的分子、原子等。這些物質(zhì)總體上保持電中性[1]。

等離子清洗技術(shù)的應(yīng)用源于20世紀(jì)初，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電子、紡織、塑料、航空、醫(yī)療以及汽車行業(yè)等領(lǐng)域，效果矚目。該技術(shù)與高能耗、高污染的濕法化學(xué)清洗工藝相比，具有無污染且無需干燥處理的優(yōu)點(diǎn)。

20世紀(jì)60年代，科學(xué)家們展開了真空等離子體清洗的實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究。之后隨著產(chǎn)品商用化，真空環(huán)境下操作不靈活、設(shè)備及其自身維護(hù)成本高、真空腔體龐大以及生產(chǎn)效率低等不利條件日益突出，阻礙了等離子體清洗技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[2]。

在此背景下，從20世紀(jì)90年代開始，人們普遍開始了常壓下的等離子體清洗研究，以解決真空等離子體清洗引發(fā)的諸多問題。常壓等離子體產(chǎn)生的方式較多，如電暈放電、電弧放電和介質(zhì)阻擋放電等[3]。

1 大氣等離子體清洗設(shè)備

利用大氣等離子體（Atmospheric Pressure，AP）通量系統(tǒng)進(jìn)行大氣等離子體漆剝離。

該過程是在一個工作室的3D機(jī)器人表面進(jìn)行的，該工作室內(nèi)配備一個排氣和過濾系統(tǒng)。等離子體產(chǎn)生了高速流動的化學(xué)活性氮和氧自由基，這些自由基以等離子體羽流的形式離開噴嘴尖端。

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對于等離子體清洗技術(shù)用于清洗去污的研究及其應(yīng)用，國內(nèi)外已經(jīng)有不少研究人員進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但是對基材表面油漆去除實(shí)驗(yàn)的研究較少，尤其在國內(nèi)，幾乎無人研究這一方面。

像國外的Merati等[4]對飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用環(huán)保脫漆工藝，通過對比化學(xué)剝離、研磨介質(zhì)噴砂和大氣等離子體3種脫漆工藝，根據(jù)油漆去除效果、除漆金屬基體的潛在損傷以及對液體滲透檢測（Liquid Penetrant Inspection，LPI）過程的影響等方面，對結(jié)果進(jìn)行了表征。通過硬度和電導(dǎo)率測量以及金相切片和顯微鏡，以表征剝離樣品，并通過單獨(dú)的基底疲勞裂紋擴(kuò)展特性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證大氣常壓等離子體除漆對基底有無損傷。

1.2 選材和實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 3種油漆去除對比實(shí)驗(yàn)

研究使用的材料是3003-H14鋁和SAE 1008鋼以及可熱處理的航空鋁合金2024-T3和7075-T6的大型面板。根據(jù)航空航天噴漆規(guī)程，用油漆和底漆配制。每張貼片涂上黃色環(huán)氧聚酰胺（MILGUARD-23377）底漆（厚度45～80 μm）和灰色聚氨酯涂層（MIL-PRF-85285D）面漆（厚度30～50 μm）[5]。針對2024-T3和7075-T6型大型面板，在涂層后引入疲勞裂紋，研究脫漆工藝對裂紋LPI檢測能力的影響。

有裂縫和沒有裂縫的面板部分經(jīng)歷了3種脫漆工藝：大氣等離子體、淀粉-丙烯酸介質(zhì)（VII型）爆破和化學(xué)溶液。每次剝漆過程完成后，首先，目視檢查每個面板部分的油漆脫落和損壞程度，如燒傷或翹曲;其次，更詳細(xì)地檢查裂紋中可能存在的殘留以及是否存在影響LPI檢測能力的殘留[5];最后，通過LPI檢查所有的面板切片，評估和比較3種油漆去除技術(shù)。

1.2.2 鋁基底疲勞裂紋擴(kuò)展特性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用鋁7075-T6和2024-T3兩種合金，以兩種不同的厚度制備大小尺寸一致的實(shí)驗(yàn)板，用來研究大氣等離子體涂層剝離對材料性能，尤其是疲勞性能的影響。

在疲勞裂紋擴(kuò)展行為方面，將剝離線與另一端的相似位置進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計是為了使缺口孔承受相同的拉伸疲勞載荷[6]，這樣就可以比較對稱孔洞的疲勞結(jié)果，并闡明脫漆過程的影響。

將帶有完好油漆的實(shí)驗(yàn)板沿著特定的行，利用大氣等離子體通量系統(tǒng)進(jìn)行大氣等離子體油漆剝離。鋁板部分剝離之后，再使用MTS單軸加載框架對鋁板進(jìn)行循環(huán)加載。每個面板最大總應(yīng)力為14 ksi，載荷比R=0.1，在頻率為3 Hz的情況下，使用正弦波進(jìn)行疲勞加載。

1.3 相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)通過檢測等離子體噴頭的高度、速度以及在同一區(qū)域的單個條紋（通過）的數(shù)量，識別有效、無效和有害參數(shù)包絡(luò)的邊界條件，包括實(shí)驗(yàn)最小和最大的參數(shù)，建立一個適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)區(qū)域，在不損壞或變形基材的情況下，實(shí)現(xiàn)有效的油漆剝離[7]。通過實(shí)驗(yàn)確定最佳和安全的工作區(qū)域后，使用相關(guān)工藝參數(shù)，將大氣等離子體脫漆工藝與傳統(tǒng)的化學(xué)溶液法和直徑爆破法進(jìn)行比較。

通過等離子體除漆，得到實(shí)驗(yàn)后的樣板，脫漆后的貼片（無裂紋）沒有明顯的等離子體羽流造成的損傷。雖然AP工藝的目的不是完全去除底漆，但是該工藝確實(shí)能夠完全去除。

對存在裂紋的貼片處理結(jié)果也令人振奮，圖1是一個光學(xué)分析的例子，展現(xiàn)了AP脫漆后一個干凈的裂紋開口，沒有明顯的碎片困在裂紋內(nèi)部。在對裂紋檢測能力的影響方面，AP脫漆前后和LPI檢測后測得的裂紋長度沒有不同的值，裂縫清晰可見，除了一些可能殘留的斑點(diǎn)外，裂縫內(nèi)部似乎是清晰的[5];還應(yīng)該注意的是，電導(dǎo)率和硬度測量是在面板剝離處理前后進(jìn)行的。結(jié)果表明，電導(dǎo)率和硬度的差異可以忽略不計，說明AP工藝對鋁板的熱處理和性能沒有顯著影響。

相關(guān)人員研究結(jié)果表明，AP等離子體通量系統(tǒng)能提供大量的參數(shù)組合，以去除油漆。這一系統(tǒng)允許有選擇的操作，可以一次清除每一層涂層。大氣等離子體技術(shù)有足夠的潛力取代目前危險和昂貴的除漆技術(shù)，且不影響LPI裂紋檢測[5]。

對于電導(dǎo)率與疲勞加載實(shí)驗(yàn)，電導(dǎo)率結(jié)果表明，測試板任何部位的電導(dǎo)率在脫漆前后都沒有變化，這一結(jié)果證明了等離子體局部熱暴露的時間不足以改變合金的析出條件。裂紋長度測量結(jié)果表明，AP涂層剝離過程對金屬基體的疲勞裂紋擴(kuò)展性能無利無害，也就是說，無論油漆的顏色、基材的厚度或者鋁合金的種類如何，油漆剝離區(qū)域的裂紋平均長度近似等于未剝離區(qū)域的裂紋長度[8]。

2 結(jié)語

研究大氣等離子體脫漆技術(shù)的根本目的是使大氣等離子體脫漆成為航空航天工業(yè)和海運(yùn)輪船工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的脫漆工藝。因此，必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室徹底的測試，證明其不會對基材的疲勞性能、基體疲勞裂紋的檢測、基材的回火和力學(xué)性能等產(chǎn)生不利影響。

大氣等離子體除漆工藝有潛力取代現(xiàn)有的危險和不太環(huán)保的除漆方法。雖然迄今為止，其仍需一個完整的、系統(tǒng)的研究和測試過程，但也證明了其是一個公認(rèn)的工業(yè)油漆去除方案，給科研人員帶來了無限的動力。