佟艷群，馬 健，上官劍鋒，蔣 濱，陸蔣毅，丁柳馨，陳 梁，王 帥

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

航空航天材料表面清洗是保證航空航天飛行器制造、加工質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。飛機(jī)在飛行過程中受到外力和輻射作用及各種氣流沖刷，容易造成蒙皮漆層的脫落、龜裂、老化等損傷，因此需要定期對(duì)蒙皮進(jìn)行清洗后重新上漆[1–2]。

激光清洗是一種新型的表面處理技術(shù)，逐步開始應(yīng)用于航空航天材料表面清洗。激光清洗技術(shù)利用高能量脈沖激光去除材料表面的漆層，在激光作用下漆層瞬間蒸發(fā)、剝離，實(shí)現(xiàn)表面潔凈，達(dá)到材料二次加工的需求[3]。與傳統(tǒng)的清洗方法相比，激光清洗在安全性、經(jīng)濟(jì)性、清洗效率、基材損傷等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，且激光時(shí)空定位準(zhǔn)確，適用于復(fù)雜形狀的機(jī)身與結(jié)構(gòu)件[4–5]，被認(rèn)為是未來航空航天材料表面清洗領(lǐng)域最具前景的解決辦法。

隨著激光清洗技術(shù)的不斷革新與提高，激光清洗方法與體系趨于成熟，在航空航天材料清洗領(lǐng)域得到的關(guān)注也日漸提高，正穩(wěn)步走向工業(yè)化應(yīng)用。本文總結(jié)了激光清洗技術(shù)在航空航天常用材料領(lǐng)域的研究成果，為技術(shù)的后續(xù)發(fā)展與工業(yè)應(yīng)用提供一定的參考作用。

1 激光清洗在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

清洗是航空航天零部件及材料表面處理中最重要的一環(huán)。傳統(tǒng)清洗方法有機(jī)械清洗、化學(xué)清洗、超聲波清洗、高壓水射流清洗等[6]。機(jī)械清洗即人工采用刮刀或砂紙打磨的方式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，危害工作人員的身體健康，還易對(duì)材料表面產(chǎn)生不可逆的損傷。化學(xué)清洗[7]使用調(diào)配好的有機(jī)溶劑，通過噴淋材料表面或整體浸泡的方式達(dá)到清洗表層油漆及污染物的目的，但在清洗過程中會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)以及嚴(yán)重的環(huán)境污染，且在材料小范圍清洗時(shí)不宜使用。超聲波清洗將被清洗的零部件放置除漆劑內(nèi)，超聲波的振動(dòng)作用會(huì)將零件表面的漆層去除，此類方法對(duì)部分高精度部件有極佳的效果[8]，超聲波容器的尺寸對(duì)材料的外形和體積有很大限制，例如飛機(jī)蒙皮以及發(fā)動(dòng)機(jī)外殼這種大面積和高精度零部件很難進(jìn)行超聲波清洗，且清洗后精密零件的干燥也是需要考慮的問題。高壓水射流清洗[9]是將水和砂混合，利用高壓沖擊零件表面達(dá)到清洗的目的，但操作人員工作強(qiáng)度大，極易破壞材料基體的完整性，使用時(shí)噪音及水資源浪費(fèi)現(xiàn)象都不可避免[10]。激光清洗能夠有效避免上述清洗方法帶來的弊端，提升航空航天材料表面清洗的效果，并降低清洗帶來的環(huán)境污染。

目前常用的激光清洗一般分為干式清洗和濕式清洗兩種。干式激光清洗已經(jīng)在學(xué)術(shù)界中進(jìn)行了大量研究，并得到廣泛應(yīng)用，通?；谌肷浼す馐推釋又g的快速熱能傳遞，漆層受熱快速膨脹并發(fā)生氣化、燒蝕或爆炸，從而脫離表面實(shí)現(xiàn)清洗[11]，其清洗原理如圖1所示；濕式激光清洗與干式激光清洗的區(qū)別在于待清洗層覆蓋了一層液膜，利用液體吸收激光能量，極速受熱汽化帶走漆層實(shí)現(xiàn)清洗[12]。相對(duì)于干式激光清洗，濕式激光清洗對(duì)激光能量要求較高，使用環(huán)境受到限制，因此干式激光清洗在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。

圖1 干式激光清洗原理Fig.1 Principle of dry laser cleaning

1.1 飛機(jī)蒙皮除漆

飛機(jī)在飛行過程中會(huì)受到各類輻射以及不同介質(zhì)的腐蝕，因此在飛機(jī)飛行一定時(shí)長(zhǎng)后需對(duì)機(jī)身與蒙皮進(jìn)行檢修。修補(bǔ)機(jī)身或者重新上漆時(shí)，都需對(duì)飛機(jī)蒙皮進(jìn)行除漆處理。1995年德國(guó)Schweizer等[13]使用2000W的TEA CO2激光器清洗飛機(jī)表面蒙皮，對(duì)于100μm厚的漆層激光清洗效率可達(dá)22.2m2/h。Concurrent Technologies 公司與美國(guó)機(jī)器人工程中心共同開發(fā)了一對(duì)機(jī)器人激光涂層去除系統(tǒng)（ARLCRS），此系統(tǒng)屬于半自動(dòng)化設(shè)備，機(jī)器人與IPG光纖激光器合作，應(yīng)用于F–16戰(zhàn)斗機(jī)和C–130貨機(jī)除漆，與傳統(tǒng)的除漆系統(tǒng)相比，能夠?qū)⒊崴俣忍岣?倍，如圖2所示[14]。蔣一嵐等[15]使用CO2激光器清洗飛機(jī)蒙皮上90μm的復(fù)合雙層漆，試驗(yàn)顯示清洗效果好且蒙皮無損傷。Zhu等[16]采用中功率高能激光二極管泵浦的脈沖固態(tài)激光清洗設(shè)備，應(yīng)用于去除波音飛機(jī)蒙皮表面的BMS10–11底漆，清洗后飛機(jī)蒙皮表面形貌如圖3所示[16]，試驗(yàn)結(jié)果表明，激光能量密度為5J/cm2時(shí)去除效果最佳，此時(shí)飛機(jī)表面和鉚釘孔的摩擦磨損性能不僅不會(huì)降低，還能夠減少鉚釘?shù)奈?dòng)疲勞磨損，提高飛機(jī)蒙皮抗腐蝕性。

圖2 ARLCRS對(duì)F–16戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行激光除漆[14]Fig.2 Laser paint removal for F–16 fighter by ARLCRS[14]

圖3 不同激光能量密度清洗下飛機(jī)蒙皮表面形貌[16]Fig.3 Surface morphology of aircraft skin cleaned by different laser energy density[16]

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)零部件清洗

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，其內(nèi)部的過濾系統(tǒng)與管道在工作時(shí)會(huì)被油污覆蓋，燃燒室會(huì)被積碳污染，這兩類污染物對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有較大的影響，需對(duì)其進(jìn)行清洗。而發(fā)動(dòng)機(jī)葉片會(huì)經(jīng)受高溫氧化腐蝕以及冷熱疲勞的影響，其表面的熱障涂層會(huì)被破壞。此時(shí)則需要去除損傷的涂層后重新涂覆。

陳翊坤[17]使用納秒與飛秒激光清洗飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)油濾和噴油嘴，并確定了最佳清洗工藝參數(shù)以及油污和積碳的去除機(jī)制，其使用飛秒激光清洗發(fā)動(dòng)機(jī)油濾效果如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，納秒激光清洗油濾較好，最佳的工藝參數(shù)為激光功率20W、頻率66kHz、脈寬400ns、掃描速度5000mm/s、線間距0.03mm，且主要清洗機(jī)制為燒蝕作用；而飛秒激光清洗噴油嘴效果更佳，最優(yōu)工藝參數(shù)為激光功率8W，頻率200kHz，脈寬350fs，掃描速度5000mm/s，線間距為0.015mm，且主要清洗機(jī)制為膜層的受熱膨脹振動(dòng)剝離。Marimuthu等[18]對(duì)激光清洗發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層的熱與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究表明，熱障涂層表面迅速升溫氣化為主要的清除機(jī)制，且清洗區(qū)域精確，對(duì)基底損傷小。

圖4 飛秒激光清洗前后發(fā)動(dòng)機(jī)油濾外觀[17]Fig.4 Appearance of engine oil filter before and after femtosecond laser cleaning[17]

1.3 材料焊接前預(yù)處理

航空航天飛行器材料普遍使用的鈦、鋁合金表面都會(huì)有一層致密的氧化膜，焊接時(shí)阻礙母材熔化并在凝固區(qū)易形成空隙，極大地降低了焊接質(zhì)量。因此在焊接前需完全去除鈦、鋁合金表面的氧化層以及其他的污染物。

羅雅等[19]在電子束焊接前使用納秒激光清洗TC11鈦合金表面的污染物與氧化層，試驗(yàn)結(jié)果表明，激光清洗能夠明顯提高TC11鈦合金焊接質(zhì)量，激光清洗后的焊縫質(zhì)量能夠達(dá)到一級(jí)。金文濤等[20]對(duì)6005A–T6鋁合金焊接前后激光清洗展開研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，激光清洗對(duì)鋁合金材料以及焊縫無不可接受的損傷，且清洗效果佳，清洗后材料性能符合要求，其焊接前后清洗效果如圖5所示。Zhou等[21]通過改變平均激光功率、光斑重疊率，研究了皮秒激光與100ns激光清洗焊前鋁合金的特性，通過試驗(yàn)確定了皮秒激光的最佳清洗參數(shù)為功率100W，疊加率60%，納秒激光最佳清洗參數(shù)為功率100W，疊加率40%。對(duì)比二者清洗效果，皮秒激光清洗擁有更好的表面質(zhì)量，而納秒激光清洗的效率更高，且清洗時(shí)加入輔助氣體氬氣后，焊縫氣孔率低，焊接質(zhì)量更好。Makarjan 等[22]研究航空航天的金屬材料電子束焊接前激光清洗技術(shù)，使用光纖激光器、CO2激光器、Nd∶YAG激光器和準(zhǔn)分子激光器去除表面污染物，結(jié)果表明，激光清洗可以通過光化學(xué) （用于有機(jī)污染物）和光熱 （用于氧化物顆粒）燒蝕去除表面污染物，而不對(duì)金屬基底造成任何損傷。

圖5 鋁合金焊接前后激光清洗效果[20]Fig.5 Laser cleaning effect of aluminum alloy before and after welding[20]

對(duì)飛機(jī)蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件以及航空材料焊前預(yù)處理等，激光清洗后材料表面涂覆性能與焊接性能都已達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求。

2 航空航天材料激光清洗技術(shù)

2.1 碳纖維復(fù)合材料激光清洗技術(shù)研究

碳纖維復(fù)合材料 （CFRP）屬于新型材料。由于航空航天材料對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)以及低熱膨脹和高強(qiáng)度重量比需求越來越高，碳纖維復(fù)合材料在航空航天產(chǎn)品的整體材料組成中的份額也越來越大，目前碳纖維復(fù)合材料約占現(xiàn)代寬體飛機(jī)空客A350XWB結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%[23]。因此，碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)制造、表面改性處理以及表面清洗得到學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的高度持續(xù)關(guān)注。

碳纖維復(fù)合材料在生產(chǎn)制造時(shí)，液體脫模劑通常是擦拭或在纖維放置過程前噴涂到金屬工具上[24]。將工具中固化的碳纖維復(fù)合材料分離出時(shí)，會(huì)有少量的脫模劑殘留在碳纖維復(fù)合材料表面。這些脫模劑等污染物通常含有聚二甲基硅氧烷（PDMS），會(huì)更易吸附油脂，降低材料黏附性能。為了去除這些污染，科研人員研究了不同的粘接前處理技術(shù)，包括噴砂、剝離、火焰處理以及機(jī)械打磨[25]。由于這些方式自身的缺陷，不能完全、可靠地去除表面污染物，因此都不能夠完全成為主要的去污方式，而激光清洗技術(shù)能夠滿足上述要求。江蘇大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的表面激光清洗展開研究，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)樹脂的激光清洗狀況分成4個(gè)不同的階段，包括表面樹脂未完全清除、表面樹脂完全清洗、頂層碳纖維斷裂和深層碳纖維開始斷裂階段，如圖6所示[26–27]，在激光功率為16W時(shí)清洗的表面其膠接強(qiáng)度最好，比未清洗提升1.6倍，碳纖維拉伸失效模式基本為內(nèi)聚破壞模式。宣善勇[28]采用Nd∶YAG激光器對(duì)碳纖維復(fù)合材料表面進(jìn)行激光除漆試驗(yàn)。結(jié)果表明，在最佳的激光工藝參數(shù)條件下，除漆時(shí)碳纖維復(fù)合材料表面溫度不超過60℃，不僅可以準(zhǔn)確清除碳纖維復(fù)合材料表面的面漆與底漆，對(duì)基底無任何損傷，且清洗后材料的彎曲強(qiáng)度符合制造要求。試驗(yàn)結(jié)果顯示激光清洗后碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度比未處理的碳纖維復(fù)合材料降低了8.82%。Man等[29]采用激光對(duì)碳纖維復(fù)合材料表面進(jìn)行清洗，并進(jìn)行掃描電鏡分析和拉伸性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示激光清洗對(duì)碳纖維復(fù)合材料表面漆層去除效果極佳，并且通過力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果得出碳纖維復(fù)合材料利用激光清洗后拉伸強(qiáng)度得到顯著提升。

圖6 激光過度清洗表面形貌[26]Fig.6 Surface morphology of laser treatment[26]

碳纖維復(fù)合材料的激光清洗機(jī)理研究同步進(jìn)行，Xu等[30]利用ANSYS建立了納秒紫外激光清洗碳纖維復(fù)合材料與其表面樹脂的仿真模型，研究了脈沖能量以及光斑間距對(duì)熱影響區(qū)的作用機(jī)理，并以熱影響區(qū)尺寸和加工效率為目標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化了工藝參數(shù)，仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著光斑間距的增大，徑向熱影響區(qū)殘余梯度、寬度增大，而軸向熱影響區(qū)的寬度略有減小，并且燒蝕深度隨著脈沖能量的增加而增加，在脈沖能量較低時(shí)，清洗效果好，碳纖維基底表面形貌較為完整。Yang等[31]基于有限元方法的“Element death”技術(shù)，建立非均勻纖維矩陣網(wǎng)格上碳纖維激光清洗的數(shù)值模型，模擬了碳纖維與樹脂層之間的熱傳導(dǎo)過程，仿真結(jié)果表明，激光清洗過程會(huì)在樹脂層和基底材料上產(chǎn)生兩個(gè)高溫區(qū)，且光斑疊加率的上升能夠顯著提高基底的溫度，碳纖維復(fù)合材料的激光清洗工藝試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本符合，在最佳的激光工藝參數(shù)下，漆層被完全去除，且碳纖維基底無損傷，激光能量密度是影響碳纖維復(fù)合材料清洗效果的重要因素。

2.2 鈦合金激光清洗技術(shù)研究

鈦合金由于其高比強(qiáng)度以及較好的連接性能，在燃?xì)廨啓C(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。用于航空航天上的零部件大多由鈦合金制造，如轉(zhuǎn)子鼓以及風(fēng)扇葉片等[32]。目前鈦合金零部件清洗基于化學(xué)方法，典型的工藝包括水洗滌劑清洗以及通過刻蝕控制材料去除，隨后使用去離子水干燥。這確保了鈦合金在連接操作前可以暴露出來，并達(dá)到所需的強(qiáng)度[33]。但上述方式需要使用到既危險(xiǎn)又有害的氯化物和氟化物等化學(xué)試劑，若防護(hù)不當(dāng)，將會(huì)威脅到操作人員的生命安全。采用激光清洗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方式[34]，在鈦合金零部件的加工中效果佳、無污染，應(yīng)用意義深遠(yuǎn)。

Li等[35]以激光能量密度和激光頭移動(dòng)速度為變量對(duì)TA15鈦合金氧化膜進(jìn)行激光清洗研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著激光通量的增加，TA15鈦合金氧化膜由原來的銀灰色變?yōu)殂y白色。當(dāng)激光能量超5.97J/cm2時(shí)，由于在大氣條件下使用高能量密度去除氧化膜后形成了鈦合金氧化物 （Ti6O、TiO2–銳 鈦 礦、γ–TiO2和TiO），材料表面從銀白色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S褐色。當(dāng)激光能量密度和激光頭移動(dòng)速度分別為3.98J/cm2和5mm/s時(shí)，獲得最佳的表面性能，此時(shí)氧化含量和粗糙度分別為2.08%和37μm。當(dāng)表面溫度略高于氧化膜的沸點(diǎn)時(shí)，氧化膜的去除效果最好，并且此時(shí)激光清洗TA15鈦合金的主要清洗機(jī)制是激光燒蝕。并且激光能量密度不同，TA15鈦合金表面顯示出的微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)有明顯差異，具體表面結(jié)構(gòu)演化差異如圖7所示[35]：當(dāng)激光能量密度為1.99J/cm2時(shí)，TA15鈦合金氧化膜未完全去除，只是部分熔化并產(chǎn)生淺坑；當(dāng)激光能量密度增加至5.97J/cm2時(shí)，TA15鈦合金氧化膜被完全清除，且被輕微熔化的基材在表面形成了周期性結(jié)構(gòu)；當(dāng)激光能量密度達(dá)到最大值7.96J/cm2時(shí)，TA15鈦合金基材嚴(yán)重?fù)p傷，受熱熔化后重新凝固成脊形結(jié)構(gòu)。

圖7 激光清洗TA15鈦合金氧化膜表面結(jié)構(gòu)隨激光能量密度增加的演化差異[35]Fig.7 Evolutionary behavior of laser cleaning surface structure of TA15 titanium alloy oxide film with laser energy density increased[35]

Wen等[36]采用脈沖激光對(duì)Ti–6Al–4V鈦合金表面涂層的清洗過程進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著激光功率、清洗次數(shù)和掃描速度這3個(gè)工藝參數(shù)的提高，激光清洗涂層的去除質(zhì)量先上升后下降，最優(yōu)工藝參數(shù)為15W，掃描8次，掃描速度400mm/s，且鈦合金表面涂層激光清洗機(jī)理為燒蝕和熱膨脹的耦合作用。Turner等[37]使用Nd∶YAG激光器對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的Ti–6Al–4V鈦合金清洗進(jìn)行研究，研究表明激光功率密度在（4.09～5.51）×106W/cm2之間對(duì)鈦合金材料表面清洗效果好且無損傷，并確定鈦合金材料熔化閾值 為5.98×106W/cm2。Wang等[38]使用激光清除Ti–6Al–4V鈦合金氧化層表面的污染物，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激光能量密度為4J/cm2時(shí)，基底氧化層表面的污染物被清洗干凈，且在激光燒蝕的作用下出現(xiàn)了一些淺凹坑，能進(jìn)一步提高材料表面的附著力，其橫截面微觀形貌如圖8所示，激光清洗鈦合金的機(jī)理以燒蝕作用為主，并伴有膨脹振動(dòng)作用。鈦合金在表面被清洗干凈時(shí)都會(huì)輕微重熔并產(chǎn)生淺坑，非常利于后續(xù)的涂覆或焊接處理。

圖8 激光清洗后的鈦合金材料橫截面[38]Fig.8 Cross section of titanium alloy material after laser cleaning[38]

2.3 鋁合金激光清洗技術(shù)研究

鋁合金有著比強(qiáng)度高、韌性好、易于加工、抗腐蝕性好等諸多優(yōu)勢(shì)，普遍用于航空制造領(lǐng)域，在汽車、高鐵等其他交通運(yùn)輸行業(yè)中也顯現(xiàn)著不可或缺的地位[39]。鋁合金激光清洗主要有兩種：一種為焊接前的激光處理，由于鋁合金暴露在空氣中易于氧氣發(fā)生反應(yīng)在表面生成Al2O3氧化膜[40]，焊接前需要將其表面的氧化膜清洗干凈；另一種是激光去除鋁合金表面漆層[41]。上述兩種激光清洗方式都是目前研究的重點(diǎn)方向，并且使用的大多為短脈寬激光，進(jìn)而降低激光熱效應(yīng)影響，減少鋁合金清洗后的二次氧化。江蘇大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)對(duì)鋁合金材料激光清洗工藝進(jìn)行了研究[42–43]，其通過試驗(yàn)確定了6061鋁合金清洗工藝參數(shù)為功率15W，搭接率0，重復(fù)頻率100kHz，重復(fù)掃描5次達(dá)到最佳效果，并通過LIBS在線檢測(cè)鋁合金在激光清洗前后的不同物質(zhì)元素組成成分，確定鋁合金表面氧化的殘留情況，實(shí)時(shí)評(píng)判激光清洗效果。王利華等[44]使用1064nm光纖激光器清洗3mm厚的鋁合金氧化膜，激光清洗脈寬為2ns，頻率為100～300kHz，能量密度為5.1～15.29J/cm2，清洗前后鋁合金的3D表面形貌如圖9所示，通過試驗(yàn)得到最佳去除鋁合金氧化物的密度為5.1J/cm2，且不同的能量密度激光清洗機(jī)理不同，5.1J/cm2、10.18J/cm2為振動(dòng)機(jī)制，15.29J/cm2為燒蝕機(jī)制。

圖9 激光清洗前后鋁合金的3D表面形貌[44]Fig.9 3D surface morphology of aluminum alloy before and after laser cleaning[44]

Liu等[45]采用激光清洗5083鋁合金氧化膜，研究了不同能量密度預(yù)處理后氧含量變化和表面形態(tài)變化對(duì)焊縫孔隙率的影響，激光清洗后，氧含量先降低后上升，并且激光清洗前后的主要氧化物均為Al2O3，隨著能量密度的增加促進(jìn)了熔體的流動(dòng)，激光燒蝕產(chǎn)生的凹坑逐漸改變形貌缺陷并進(jìn)行融合，最終形成條紋形態(tài)，如圖10所示[45]，并且試驗(yàn)結(jié)果顯示激光清洗過的鋁合金表面微觀形貌對(duì)后續(xù)的穿透率和焊縫寬度沒有顯著影響。

圖10 激光清洗前后鋁合金表面形態(tài)影響[45]Fig.10 Effect of surface morphology before and after laser cleaning[45]

激光清洗鋁合金機(jī)理研究同步展開，邵壯等[46]使用ANSYS建立了激光清洗5052鋁合金表面油漆溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的仿真模型，并確定了在激光功率20W，掃描速度600mm/s時(shí)鋁合金表面油漆清洗完全，且對(duì)基底影響極小。Gao等[47]在ABAQUS上建立了激光與材料相互作用的瞬態(tài)熱力耦合模型，并通過試驗(yàn)共同驗(yàn)證確定了2J/cm2單脈沖激光對(duì)6061鋁合金材料表面損傷的主要機(jī)制是熔化與飛濺。Zhang等[48]通過比較鋁合金在不同能量密度下的清洗效果，建立了熱力學(xué)模型，闡明了清洗機(jī)理和等離子體的產(chǎn)生，試驗(yàn)結(jié)果表明，激光清洗可以完全去除氧化層，且初始清洗閾值為12.7J/cm2，完全清洗閾值為25.5J/cm2，鋁合金表面SEM圖如圖11所示，在低能量密度下，激光燒蝕引起的相變爆炸是主要的清洗機(jī)制，在高能量密度下，除相變爆炸外，蒸發(fā)壓力引起的沖擊效應(yīng)也會(huì)引起氧化層的飛濺和去除。材料熱力學(xué)仿真模型表明，在低能量密度下，基底蒸發(fā)迫使熔融氧化物層被剝離，并在基底表面形成凹坑。在高能量密度下，瞬態(tài)能量吸收引起熱應(yīng)力耦合效應(yīng)，基底與氧化層分離。蒸發(fā)壓力引起的沖擊效應(yīng)將氧化層去除。鋁合金材料吸收了激光的能量，形成等離子體，且等離子體壽命與能量密度呈正相關(guān)，當(dāng)激光能量密度為25.5J/cm2和51.0J/cm2時(shí)，其壽命分別為6μs和10μs。不同的激光能量密度決定了激光清洗鋁合金材料的機(jī)制，隨著激光能量密度的不斷提高，其主要清洗機(jī)制分別為振動(dòng)作用、燒蝕作用以及氣化作用。并且在清洗時(shí)防止鋁合金發(fā)生二次氧化也是需要重視的問題。

圖11 不同能量密度下鋁合金表面的SEM圖像[48]Fig.11 SEM images of aluminum alloy surface at different energy densities[48]

3 結(jié)論

本文面向航空航天材料清洗巨大的工業(yè)需求，對(duì)比了激光清洗相較于傳統(tǒng)清洗方式的優(yōu)點(diǎn)與特色。綜合歸納了激光清洗技術(shù)在飛機(jī)蒙皮除漆、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件清洗、材料焊接前預(yù)處理領(lǐng)域的工藝參數(shù)、清洗效果與清洗后材料表面性能等應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了碳纖維復(fù)合材料、鈦合金、鋁合金3類航空航天常見材料激光清洗的最佳工藝參數(shù)與多機(jī)理復(fù)合作用，以期為激光技術(shù)的完善與提高提供一定的借鑒，達(dá)到航空航天領(lǐng)域高精度高穩(wěn)定性的清洗要求，實(shí)現(xiàn)高效、無損的清洗效果。隨著今后激光清洗系統(tǒng)設(shè)備的不斷升級(jí)，工藝技術(shù)的提升以及精度定位、自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)檢測(cè)等相關(guān)技術(shù)的輔助配合，這種無耗材、無污染的智能清洗工藝在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加寬泛。