能量輸入對TC4鈦合金納秒脈沖激光清洗質量的影響

楊 爍, 宋文清, 雷正龍, 馮俊華, 李 凱, 彭 睿

(1.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043)(2.哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)(3.中車長春客車軌道股份有限公司, 吉林 長春 130062)

鈦及鈦合金是現代工業中不可缺少的結構材料和功能材料，廣泛應用于航空航天、海洋船舶、化工、汽車、電力、醫療等領域[1-4]。鈦及鈦合金在加熱成形或機械加工過程中，因長時間與高溫空氣接觸，表面不斷吸附氧而形成氧化層[5]。由于氧化層的存在，鈦合金的彈性模量、抗疲勞強度、承載能力會大大降低[6]，在使用過程中易產生裂紋而使整個構件失效[7]。此外，氧化層也會對鈦及鈦合金的焊接性產生不利影響。因此，鈦及鈦合金材料在加工使用前需要對其表面的氧化層進行清洗，以提高使用壽命或者給后續材料的加工提供有利條件。清洗氧化層的傳統方法有化學法(酸、堿洗法)[8]和機械法(水噴砂法等)[9]。雖然這2種方法能夠達到一定的清洗效果，但是化學法存在清洗周期長、環境污染嚴重等缺點，機械法易對基材造成損傷，二者均存在很多局限性。

激光清洗技術作為一種綠色環保的表面處理新技術，具有精度高、清洗效果佳、應用范圍廣、易于自動化控制等優勢，在航空航天、汽車、船舶、微電子及文物保護等領域應用前景廣闊，被譽為是“21世紀最具發展潛力的綠色清洗技術”[10]。Wang等[11]研究了激光清洗功率對TC4鈦合金樣品表面形貌、涂層附著力、耐磨性和硬度的影響，當激光能量密度為4 J/cm2時可以將污染物和氧化層去除，且涂層附著力、耐磨性和硬度均有所提高。羅雅等[12]用激光對TC11鈦合金表面進行焊前預處理，在激光功率150 W、光斑直徑0.8 mm、清洗速率10 mm/s條件下可有效清除TC11鈦合金表面的積碳、金屬顆粒及氧化層，并且使焊縫質量得到提高。Yue等[13]利用短脈沖激光去除鈦合金表面的富氧α層，測定了富氧α層的去除率并通過建立模型預測富氧α層的厚度。陳俊宏等[14]研究了不同焊前清洗方法對鈦合金焊縫氣孔率的影響，發現激光清洗可以使焊縫氣孔率達到航天行業I級標準。

雖然研究人員已經開展了一些鈦合金激光清洗試驗，但研究內容主要集中在激光功率等工藝參數對表面形貌及性能的影響，鮮有關于納秒脈沖激光能量輸入對鈦合金表面氧化層清洗效果的研究。本研究進行了TC4鈦合金表面氧化層納秒脈沖激光清洗試驗，通過改變激光功率和脈寬等工藝參數研究了不同激光能量輸入對清洗后鈦合金表面形貌、氧化層去除厚度和粗糙度等的影響規律，從而獲得比較合適的TC4鈦合金激光清洗參數，以期為激光清洗鈦合金氧化層工藝參數制定和清洗機理研究提供實驗數據和理論依據。

1 實 驗

待清洗試件為TC4鈦合金板材，規格為75 mm×150 mm×2 mm。通過光學顯微鏡可以觀察到TC4鈦合金板材表面覆蓋有大量黑色氧化物，該氧化物是在熱加工過程中形成的，以TiO2為主，排布較為致密，幾乎看不到銀白色基體，如圖1所示。圖2為激光清洗前TC4鈦合金板材橫截面形貌，經測量氧化層厚度為(25±3)μm。

圖1 激光清洗前TC4鈦合金板材表面形貌Fig.1 Surface morphologies of TC4 titanium alloy plate before laser cleaning

圖2 激光清洗前TC4鈦合金板材橫截面形貌Fig.2 Cross section morphology of TC4 titanium alloy plate before laser cleaning

采用激光清洗試驗平臺清洗樣品表面氧化層，其結構示意圖如圖3所示。該平臺配備有納秒級光纖脈沖激光器，波長為1064 nm，脈寬在30～100 ns范圍內可調，脈沖頻率范圍為2～50 kHz，最大輸出功率為1000 W。激光清洗使用振鏡掃描方式，X方向振鏡和Y方向振鏡在一定角度旋轉，使激光在一定區域內掃描。

圖3 激光清洗試驗平臺結構示意圖Fig.3 Structure diagram of laser cleaning experimental platform

激光清洗效果與激光在材料上形成的溫度場和應力場的時空分布密切相關[15]，而激光能量輸入是影響溫度場和應力場最主要的因素。控制激光功率和脈寬來改變激光能量輸入，可以得到不同的清洗效果。激光清洗參數：脈沖頻率20 kHz，光斑直徑960 μm，掃描速度3000 mm/s，激光功率100、300、500 W，脈寬30、60、100 ns。

利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對激光清洗后的試樣表面形貌進行觀察和分析；利用激光共聚焦電子顯微鏡對清洗后表面粗糙度進行測定；利用超景深光學顯微鏡對清洗邊界進行觀察，測量清洗區和未清洗區的相對高度，計算氧化層的去除厚度。從清洗深度和表面形貌等維度評價不同激光能量輸入下TC4鈦合金表面氧化層的去除效果以及對基材表面的影響。

2 結果與分析

2.1 能量輸入對表面形貌的影響

采用超景深光學顯微鏡觀察激光清洗后的試樣表面形貌并測量各區域的相對高度。通過相對高度信息繪制表面高度的起伏曲線，分析高度的變化趨勢。圖4為60 ns脈寬下以不同功率激光清洗后TC4鈦合金表面的超景深光學顯微鏡照片。根據表面形貌的特點，可以將清洗界面大致分為清洗區、過渡區和未清洗區3個區域。過渡區形成的主要原因是在清洗區的末尾，由于脈沖激光搭接不充分，能量輸入較少導致的。

圖4 60 ns脈寬下不同功率激光清洗后TC4鈦合金表面的超景深光學顯微鏡照片Fig.4 Surface morphologies of TC4 titanium alloy after laser cleaning with different power at pulse width of 60 ns by depth of field optical microscope: (a) 100 W； (b) 300 W； (c) 500 W

激光功率為100 W時，清洗區和過渡區仍殘留較厚的且較為致密的氧化層，導致表面在光學顯微鏡下呈現黃白色，清洗區和未清洗區形貌差別不明顯(圖4a)。當激光功率為300 W時，清洗區、過渡區和未清洗區形貌呈現明顯的區別(圖4b)。清洗區因表面氧化層被去除得較為徹底，表面呈現鈦合金基體的銀白色，且較為平整；過渡區清洗不徹底，表面起伏較大，呈現黃黑色；未清洗區依然是原始的黑色表面。3個區域的相對厚度呈現階梯狀，清洗區和未清洗區的厚度差明顯，清洗效果較好。激光功率為500 W時，清洗區呈現鈦合金基體銀白色，但是有燒蝕的現象產生，凹坑明顯，表面起伏大；過渡區為黃白色，有少量氧化物殘留(圖4c)。

圖5是脈寬30 ns，激光功率分別為100、300、500 W下清洗后TC4鈦合金表面的SEM形貌。從圖5可以看出，激光功率為100 W時，基材表面殘留有大量氧化物，氧化物排列較為致密，附著在基材表面形成凹坑狀的形貌；激光功率為300 W時，基材表面變得較為平整，有納米級微裂紋出現，且局部明暗不一致，表明表面狀態一致性較差；激光功率為500 W時，基材表面平整，氧化物基本被去除，可以明顯看到密布在表面的微裂紋。

圖5 30 ns脈寬下不同功率激光清洗后TC4鈦合金表面的SEM形貌Fig.5 SEM morphologies of TC4 titanium alloy surface after laser cleaning with different power at pulse width of 30 ns:(a) 100 W； (b) 300 W； (c) 500 W

據研究[16]，微裂紋形成于鈦合金的富氧α層。富氧α層是氧元素在表面α相中形成的間隙固溶體，改變α相的晶格常數和位錯的滑移方向，導致位錯運動阻力增加，使合金的脆性增大，因而表面易產生微裂紋。納秒脈沖激光清洗去除氧化物后暴露出了富氧α層，因而觀察到其表面存在大量微裂紋。微裂紋會極大地影響鈦合金的拉伸性能和疲勞性能，在工程中應盡量避免。

圖6是平均激光功率為300 W，脈寬分別為30、60、100 ns條件下清洗后TC4鈦合金表面的SEM形貌。從圖6可以看出，隨著脈寬的增加，微裂紋的寬度和密度均有所下降。在清洗過程中，可以提高脈寬來減少微裂紋，從而提高清洗后鈦合金的力學性能。

圖6 激光功率300 W時不同脈寬下激光清洗后TC4鈦合金表面的SEM形貌Fig.6 SEM morphologies of TC4 titanium alloy surface after laser cleaning with different pulse width at power of 300 W: (a) 30 ns； (b) 60 ns；(c) 100 ns

2.2 能量輸入對氧化層去除厚度的影響

TC4鈦合金表面氧化層去除厚度隨激光功率和脈寬的變化如圖7所示。激光功率為100 W時，由于激光能量較低，產生的熱影響區較小，對氧化層的燒蝕效應和振蕩剝離效應不明顯，只能去除少部分的氧化物，清洗效率較低。激光功率為300 W時，幾乎能將所有氧化物去除，清洗效率明顯增加。激光功率增加到500 W時，去除厚度相比300 W時增加并不多，主要原因是激光功率過大，激光在清洗氧化層后還對基材造成了一定的損傷，而激光對基材的燒蝕速率遠低于對氧化層的燒蝕速率，導致去除厚度增加不明顯。

圖7 TC4鈦合金表面氧化層去除厚度與激光能量的關系Fig.7 Relationship between removal thickness of oxide layer on TC4 titanium alloy surface and laser energy: (a) laser power； (b) pulse width

激光能量輸入是影響溫度場和應力場最主要的因素，與激光清洗效果有直接關系。激光能量輸入主要包括單脈沖激光能量密度和作用時間，受脈寬的影響[17]。單脈沖能量密度Et、激光作用時間T0表達式分別如式(1)、式(2)所示：

(1)

T0=Ttf

(2)

式中：P為激光功率；f為脈沖頻率；R為激光光斑半徑;v為清洗光斑移動速度；T為激光掃描時間；t為脈寬。在相同的激光掃描時間下，脈寬增加時，激光作用時間變長；當激光功率和清洗光斑移動速度不變，脈寬增加時，單脈沖能量密度減小。激光功率恒定而脈寬較長時，單脈沖熱輸入不變但是激光作用時間較長，熱量在鈦合金中的傳導時間長，激光產生的熱影響區域變大而用于燒蝕氧化層的熱量減小，并且鈦合金板材的熱變形明顯。因此，當激光功率為500 W時，脈寬100 ns下的清洗效果不如30 ns和60 ns。激光功率為100 W時，去除厚度隨脈寬的變化不明顯，主要原因是100 W的激光總熱輸入較小，沒有達到氧化層的清洗閾值。激光功率為300 W時，去除厚度隨脈寬的增大而明顯減小。激光功率為500 W時，隨著脈寬增加，去除厚度呈現先增加后減小的趨勢。氧化層去除厚度隨脈寬的變化是單脈沖能量密度和激光作用時間共同影響的結果，當脈寬小于60 ns時，單脈沖能量密度的影響效果占主導；脈寬大于60 ns時，熱作用時間的影響效果占主導。

2.3 能量輸入對表面粗糙度的影響

激光清洗后鈦合金表面粗糙度隨激光功率的變化趨勢如圖8所示。由圖8可見，隨著激光功率由100 W增加到500 W，清洗區鈦合金表面粗糙度呈現出先減小后增大的趨勢。激光功率為100、300 W時，各脈沖下清洗區的粗糙度差別不大，脈寬對粗糙度的影響較小；激光功率增加到500 W時，清洗區粗糙度顯著增大。這是由于激光功率較低時，鈦合金表面部分氧化物被去除，在材料表面留下激光燒蝕的劃痕，未被清洗的腐蝕坑露出材料表面，導致樣件表面凹凸不平，粗糙度稍有增大；當激光功率較高時，表面污垢和氧化層被去除后，使得試件表面平整，粗糙度減小；當激光功率更高時，試件表面吸收較高的激光能量，產生較大的光致應力并發生微區熔化現象，微熔池液面在光致應力的作用下震蕩，并在激光脈沖間隔期間迅速冷卻形成粗糙表面，最終使得材料表面的粗糙度顯著增大。

圖8 激光能量與TC4鈦合金表面粗糙度的關系Fig.8 Relationship between laser energy and surface roughness of TC4 titanium alloy after laser cleaning

3 結 論

(1) 采用納秒脈沖光纖激光可以有效去除TC4鈦合金表面氧化層。在激光功率300 W、脈寬60 ns條件下能獲得較好的清洗效果，且基材未受到明顯損傷。

(2) 清洗后的TC4鈦合金表面存在納米級微裂紋，增加脈寬可以抑制微裂紋的形成。

(3) 隨著激光功率的增加，TC4鈦合金表面氧化層去除厚度增大；隨著脈寬的增加，氧化層去除厚度先增加后減小。

(4) 隨著激光功率的增加，TC4鈦合金表面粗糙度呈現先減小后增大的趨勢；脈寬對粗糙度的影響較小。