主要作者：Wei Wang , Qingyu Jiang , Weijun Liu , Fei Xing , Wei Wang , Tianhao Yao

第一单位：Shenyang University of Technology

发表期刊：Optics and Laser Technology

原文链接：

研究背景

20世纪50年代以来，钛合金凭借强度高、密度低等优异性能在航空航天领域广泛应用。TA15钛合金塑性、可焊性和耐腐蚀性更佳，常用于制造飞机承载部件。但飞机复杂使用环境易使钛合金表面受腐蚀和磨损，喷漆层可防护，不过长期使用会老化需定期除漆。传统除漆方法易损伤基体，危害人员与环境。而激光清洗技术高效、环保、安全，成为工业清洗新选择。

研究方法

该研究以厚度为3毫米的TA15钛合金板为基体材料，将其切割成15毫米×15毫米×3毫米的试样块，并在其表面均匀喷涂一层40微米厚的白色环氧树脂底漆和一层20微米厚的灰色黑色丙烯酸聚氨酯面漆,通过设置不同的激光能量密度，对TA15钛合金表面的漆层进行清洗实验。激光清洗的具体设置如Table 1：

Table 1 Main process parameters of laser cleaning

经过不同激光清洗后，通过超景深显微镜、扫描电子显微镜、X射线能谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、显微硬度计和接触角测量仪等设备，对清洗后试样表面的金相形貌、三维形貌、粗糙度、表面元素含量、相结构、元素价态、显微硬度和表面润湿性等进行了全面分析。

研究结果

1、表面形貌和清洗效果：当激光能量密度为7.78 J/cm²时，漆层可完全去除且基体表面无损伤，清洗后的表面形貌、化学成分和表面性能与原始基体非常接近。随着激光能量密度的增加，漆层去除程度逐渐提高，但在超过8.48 J/cm²后，基体表面开始出现烧蚀现象。具体形貌特征如Fig.1.所示：

Fig 1. Metallographic morphology of specimen surface after cleaning with different laser fluences. (a) 6.36J/cm2; (b) 7.07J/cm2; (c) 7.78J/cm2; (d) 8.48J/cm2; (e) 9.19J/cm2; (f) 9.90J/cm2.

2、表面清洗机制的分析：在清洗的过程中，在激光能量密度为（6.36–7.07 J/cm²）时，试样的表面主要以烧蚀气化为主，残留熔融凝结块如图2a-b所示；在能量密度为7.78 J/cm²时，主要是由于热应力剥离占主导，漆层通过爆炸机制破碎如图2c所示；在≥8.48 J/cm²时，基体表面的涂层主要是在热应力、爆炸机制和烧蚀气化机制的共同作用下被去除的,如图3(b3)所示。

Fig 2. Microscopic morphology of the surface. (a1) 6.36J/cm2, (b1) 7.07J/cm2, (c1) 7.78J/cm2, (a2) ~ (c2) and (a3) ~ (c3) corresponding high magnification images.

Fig 3. Microscopic morphology of the surface of the specimen after cleaning (8.48J/cm2 ~ 9.90J/cm2).(a1) 8.48J/cm2, (b1) 9.19J/cm2, (c1) 9.90J/cm2, (a2) ~ (c2) and (a3) ~ (c3) corresponding high magnification images.

3、表面性能变化：激光能量密度的变化还会影响清洗后表面的显微硬度、粗糙度和润湿性。在7.78 J/cm²至9.90 J/cm²范围内，清洗后表面显微硬度逐渐增加，表面粗糙度呈现先增加后减小再增加的趋势，而接触角则随着激光能量密度的增加先减小后增大，表现出显著亲水性（表面氧化层极性增强）。激光清洗前后显微硬度、表面粗糙度以及表面湿润性变化如Fig.4、Fig.5、Fig.6所示：

Fig.4.The microhardness values and average microhardness values of the surface of the specimens after cleaning with different laser fluences. (a) Microhardness value of each test point, (b) Average microhardness.

Fig.5. Surface roughness of specimens after cleaning with different laser fluences.

Fig.6. Variation trend of contact angle.

研究结论

1、最佳工艺参数：激光能量密度7.78 J/cm²可实现漆层完全去除，且基体表面形貌、成分与原始状态接近；

2、相结构变化：在7.78 J/cm²时，清洗后的基体表面相结构与原始基体一致，主要成分为Ti和TiO₂。随着激光能量密度增加，基体表面出现TiO相，且TiO含量逐渐增加，Ti和TiO₂含量逐渐减少;

3、显微硬度：在6.36 - 9.90 J/cm²，随激光能量密度增加而上升。7.78 J/cm²时与原始基体相近，超8.48 J/cm²因细晶再熔层硬度进一步提高。

4、表面粗糙度：随能量密度增加呈先升后降再升趋势。7.78 J/cm²时与原始基体相近，超8.48 J/cm²因表面熔化趋于平坦，9.90 J/cm²时因漆层溅射颗粒粗糙度增加。

5、润湿性：7.78 J/cm²时接触角与原始基体相近，具疏水性。能量密度增加，接触角减小，亲水性增强，9.19 J/cm²时最佳。9.90 J/cm²因漆层溅射颗粒形成疏水结构，呈高疏水性。

未来展望

未来的研究可以进一步探索激光清洗参数对TA15钛合金表面性能的长期影响，如耐腐蚀性、疲劳寿命等。同时，可以结合其他表面处理技术，如激光合金化、激光熔覆等，开发出更高效的表面改性工艺，以满足航空航天等领域对高性能表面处理的更高要求。此外，还可以研究不同种类漆层在激光清洗下的行为和机制，为更广泛的工业应用提供技术支持。