鋁合金作為航天飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應(yīng)用于航天器蒙皮、螺旋槳、油箱和起落架支柱等關(guān)鍵部位。2XXX系以銅為主要合金元素的鋁材，以其高強(qiáng)度、高耐熱和良好的加工性能，被主要用來生產(chǎn)大型飛機(jī)蒙皮構(gòu)件。2XXX系鋁材暴露在空氣中在表面會(huì)自然形成一層不均勻且非連續(xù)的氧化薄膜，在構(gòu)件重新涂裝、焊接前必須徹底清除，否則會(huì)影響涂層結(jié)合力、焊縫質(zhì)量。目前對(duì)于軋制的鋁合金件一般用鉻酸、硫酸、氫氟酸的混合液來去除表面的氧化膜，而壓鑄件一般采用硝酸去除為主，但化學(xué)清洗方法需要人工參與，而且對(duì)環(huán)境造成污染，清洗質(zhì)量也很難保證。近年來，激光清洗因其廣泛的適用性、加工的精確性以及清洗過程的環(huán)保性，已經(jīng)成為清洗技術(shù)的主流方向之一，被廣泛應(yīng)用于焊接前后、表面涂層去除的工業(yè)環(huán)節(jié)。基于此，用激光清洗作為2XXX系鋁合金噴涂、焊接前的處理方法是一種有效手段。 

山東產(chǎn)研強(qiáng)遠(yuǎn)激光科技有限公司利用自主研發(fā)大能量脈沖固體激光清洗機(jī)對(duì)航空航天系2024鋁合金進(jìn)行噴涂前清洗。通過對(duì)清洗后鋁合金試樣表面的SEM及EDS分析，研究了不同激光能量密度下鋁合金的清洗效果。對(duì)清洗后的鋁合金試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力及硬度測(cè)試，并進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光清洗可以有效去除2024鋁合金表面的雜質(zhì)及氧化物。激光清洗可以提高2024鋁合金表面的摩擦磨損性能，且隨著能量密度的升高而提升。激光清洗可以使2024鋁合金表面產(chǎn)生一層硬化層，與此同時(shí)表面會(huì)產(chǎn)生參與拉應(yīng)力。本文通過對(duì)激光清洗后鋁合金的組織和力學(xué)性能的研究，以期為激光清洗在航空航天領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供參考。

1、 實(shí)驗(yàn)流程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用航空航天用2024鋁合金，其化學(xué)成分表如表1所示，試樣大小為40mm′40mm′5mm。

表1 2024鋁合金的化學(xué)成分

1.2 激光清洗實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用Nd:YAG脈沖固體激光清洗設(shè)備(QYCL-SP200，山東產(chǎn)研強(qiáng)遠(yuǎn)激光科技有限公司，聊城，中國(guó))。激光清洗設(shè)備的示意圖如圖1所示，激光器的主要參數(shù)如表2所示。由Nd:YAG晶體棒作為激光器工作物質(zhì)，通過光纖耦合輸出，通過控制系統(tǒng)使激光清洗頭在工作臺(tái)上移動(dòng)從而完成清洗。整個(gè)清洗過程通過水冷裝置進(jìn)行散熱。在本實(shí)驗(yàn)中，清洗速度設(shè)定為5mm/s，脈沖頻率為8kHz，光斑搭接率為30%。激光的能量密度與激光器的平均功率成正比，通過控制激光器的平均功率改變激光能量密度。設(shè)定能量密度分別為8.5J/cm², 10.5J/cm², 12.5J/cm²，實(shí)驗(yàn)后利用SEM及EDS分析 (JSM-7610F, JEOL, Tokyo, Japan) 對(duì)清洗后的試樣進(jìn)行分析，從而研究清洗的效果。

圖1 激光清洗設(shè)備的示意圖

表2 激光器的主要參數(shù)

2．結(jié)果與討論

2.1 激光清洗后鋁合金的表面形貌

圖2為不同能量密度下激光清洗AA2024鋁合金的表面形貌，其中（a）為宏觀形貌：a1-未清洗,a2-8.5J/cm²,a3-10.5J/cm²,a4-12.5J/cm²；（b）為微觀形貌：b1-未清洗，b2-8.5J/cm²,b3-10.5J/cm²,b4-12.5J/cm²。從宏觀形貌可以看出，未清洗的鋁合金表面存在著明顯的黑色雜質(zhì)顆粒。隨著激光能量密度的不斷提高，雜質(zhì)逐漸被清除，鋁合金表面明顯變得光亮起來，證明大量表面污染物被去除。

從微觀形貌可以看出，未清洗的鋁合金表面有很多白色的氧化物。當(dāng)能量密度達(dá)到8.5J/cm²時(shí)，鋁合金表面產(chǎn)生了疑似熱氧化的白色斑點(diǎn)，分析是由于能量密度較小，激光脈沖的沖擊振動(dòng)作用不能使表面雜質(zhì)去除，此時(shí)作用于工件表面污染物的只有熱量，所以形成很多白色的氧化物。當(dāng)能量密度達(dá)到10.5J/cm²時(shí)，鋁合金表面白色的氧化物大大減少，表面趨于平整，殘留少量不明顯的凹坑結(jié)構(gòu)，這是由于激光脈沖的沖擊力與鋁合金表面的反沖力共同作用形成的^[21]。當(dāng)能量密度繼續(xù)提高到12.5J/cm²，脈沖的沖擊振動(dòng)效應(yīng)及熱輸入增大，凹坑周圍開始出現(xiàn)白色小圓點(diǎn)，分析這是由于熱輸入增大在凹坑周圍形成了新的氧化物。

圖2 不同能量密度激光清洗鋁合金的表面形貌(a)宏觀形貌：a1-未清洗,a2-8.5J/cm²,a3-10.5J/cm²,a4-12.5J/cm²;(b)微觀形貌：b1-未清洗，b2-8.5J/cm²,b3-10.5J/cm²,b4-12.5J/cm²

^{圖3為整個(gè)清洗過程的流程圖。結(jié)合表面形貌和流程圖對(duì)清洗過程進(jìn)行進(jìn)一步分析。未清洗時(shí)鋁合金表面鋁元素含量為53.5%，碳元素含量為38.0%，氧元素含量為3.7%。此時(shí)表面含有較多雜質(zhì)。當(dāng)能量密度達(dá)到8.5J/cm2時(shí)，鋁元素含量提升到80.9%，碳元素下降到6.3%，氧元素提高到6.5%。此時(shí)鋁合金表面的雜質(zhì)大部分已經(jīng)被去除，但其表面環(huán)形結(jié)構(gòu)的周圍存在著較多的氧化物，使得氧元素含量發(fā)生上升。這時(shí)處于欠清洗狀態(tài)。當(dāng)能量密度達(dá)到10.5J/cm2時(shí)，鋁元素的含量進(jìn)一步提升到83.2%，氧元素下降到最低點(diǎn)2.8%。這時(shí)，鋁合金表面環(huán)形結(jié)構(gòu)消失，表面最為平整，為最佳清洗狀態(tài)。當(dāng)能量密度提升到12.5J/cm2時(shí)，表面各元素?zé)o明顯變化，氧元素含量略有提高。此時(shí)鋁合金表面由于激光光斑作用的凹坑周圍發(fā)生熱氧化，使得氧元素含量發(fā)生再次提高，為過度清洗狀態(tài)。}

圖3 清洗過程流程圖

2.2激光清洗后的摩擦磨損性能

圖4為不同能量密度下各試樣的磨痕形貌：a1-未清洗, a2-8.5J/cm², a3-10.5J/cm², a4-12.5J/cm²。圖5為不同能量密度下各試樣的摩擦系數(shù)：a-摩擦系數(shù)，b-平均摩擦系數(shù)。從圖4及圖5我們可以得出在能量密度為0J/cm²、8.5J/cm²、10.5J/cm²、12.5J/cm²時(shí)各試樣的磨痕深度分別為0.12mm、111μm、86μm、0.13mm，各試樣的平均摩擦系數(shù)分別為0.3388、0.3201、0.3349、0.3197。未清洗時(shí)的試樣表面附著著雜質(zhì)與氧化物，表面較為粗糙，因此磨痕深度和平均摩擦系數(shù)均為最大值。當(dāng)能量密度為8.5J/cm²時(shí)，試樣表面的雜質(zhì)和氧化物基本被去除。但是其表面存在的環(huán)形結(jié)構(gòu)增大了摩擦阻力，導(dǎo)致摩擦系數(shù)略有降低，磨痕深度減小，此時(shí)鋁合金表面的抗磨性產(chǎn)生了提高。當(dāng)能量密度達(dá)到10.5J/cm²時(shí)，鋁合金表面最為平整且氧化物最少，清洗效果為最佳狀態(tài)。此時(shí)試樣的磨痕深度最淺，但是平均摩擦系數(shù)相比8.5J/cm²時(shí)產(chǎn)生了提高，我們初步猜測(cè)可能是硬度下降而導(dǎo)致。當(dāng)能量密度達(dá)到12.5J/cm²時(shí)，試樣的磨痕深度發(fā)生了顯著增加，而平均摩擦系數(shù)產(chǎn)生明顯下降。此時(shí)鋁合金發(fā)生了熱氧化，表面有一層新的氧化膜。新生成的氧化膜的粘附力較低，導(dǎo)致磨痕深度升高。而其平均摩擦系數(shù)產(chǎn)生下降的原因是由于硬度提高造成的，這在本文之后的實(shí)驗(yàn)討論中會(huì)得到解釋。綜上所述，激光清洗可以提高鋁合金表面的耐磨性能，在12.5J/cm²時(shí)效果最佳。

圖4不同能量密度下各試樣的磨痕形貌：a-未清洗,b-8.5J/cm²,c-10.5J/cm²,d-12.5J/cm²

圖5 不同能量密度下各試樣的摩擦系數(shù)：a-摩擦系數(shù)，b-平均摩擦系數(shù)

2.3激光清洗后的力學(xué)性能

金屬材料表面微觀組織的改變會(huì)影響其力學(xué)性能，因此我們研究了激光清洗對(duì)鋁合金表面顯微硬度和殘余應(yīng)力的影響。圖6（a）為不同能量密度下各試樣的顯微硬度值，圖6（b）為不同能量密度下各試樣的殘余應(yīng)力值。從圖6（a）可以看出，未清洗時(shí)鋁合金表面的顯微硬度值為137.97HV，在激光能量密度為8.5J/cm²,10.5J/cm², 12.5J/cm²時(shí)，清洗后鋁合金表面的顯微硬度分別為119.96HV、136.82HV、174.47HV。在能量密度為8.5J/cm²和10.5J/cm²時(shí)，鋁合金的表面硬度要比未清洗時(shí)要低，當(dāng)能量密度達(dá)到12.5J/cm²（過度清洗）時(shí)，其表面硬度發(fā)生了明顯提高。圖7為激光清洗后鋁合金表面硬度強(qiáng)化原理圖，當(dāng)激光光斑作用到鋁合金表面時(shí)，由于脈沖激光的沖擊效應(yīng)，會(huì)在表面形成凹坑，受沖擊壓力的影響，凹坑內(nèi)部形成微強(qiáng)化層，在欠清洗狀態(tài)時(shí)，鋁合金表面大多為環(huán)形結(jié)構(gòu)為主，硬度略有下降。當(dāng)達(dá)到過度清洗狀態(tài)時(shí)，鋁合金表面生成大量的凹坑，凹坑的均勻分布使得試樣表面整體形成了一層強(qiáng)化膜，使硬度明顯提高。 

金屬表面的殘余應(yīng)力是能夠反映材料基本強(qiáng)度和塑性指標(biāo)之一，從圖6（b）可以看出，未清洗時(shí)鋁合金表面的殘余應(yīng)力值為7.06Mpa，在激光能量密度為8.5J/cm²、10.5J/cm²、12.5J/cm²時(shí)，清洗后鋁合金表面的殘余應(yīng)力值分別為41.9Mpa、79.93Mpa、59.16Mpa。激光清洗后鋁合金表面殘余拉應(yīng)力發(fā)生了顯著提高，由之前鋁合金表面的組織變化可以分析得出，當(dāng)高能量的激光光斑照射到鋁合金基體時(shí)，表面的氧化膜產(chǎn)生破裂及熱氧化，此時(shí)表面的殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生重組，從而導(dǎo)致殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生[22]。綜上所述，在適當(dāng)?shù)募す夤に噮?shù)下，激光清洗可以略微提高鋁合金表面硬度，但是會(huì)造成殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生。

圖6 (a)不同能量密度下各試樣的維氏顯微硬度，(b)不同能量密度下各試樣的殘余應(yīng)力

圖7 鋁合金表面硬度強(qiáng)化原理

山東產(chǎn)研強(qiáng)遠(yuǎn)激光科技有限公司作為山東省科學(xué)院激光研究所、山東省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院、山東山科控股集團(tuán)有限公司股權(quán)投資企業(yè)，專注于激光清洗/焊接設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及綜合解決方案的高科技創(chuàng)新企業(yè)。公司牽頭制定了航天領(lǐng)域激光清洗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/YH1024-2022《運(yùn)載火箭鋁合金材料焊接前表面激光清洗檢驗(yàn)方法》、T/YH1025-2022《熱控涂層激光精密成型試驗(yàn)方法》，標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施可填補(bǔ)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系在此領(lǐng)域的空白，樹立起具有權(quán)威性的行業(yè)參照。

公司已通過ISO9001質(zhì)量管理體系認(rèn)證、ISO14001環(huán)境管理體系認(rèn)證、ISO45001職業(yè)健康安全管理體系認(rèn)證，歐盟CE認(rèn)證，獲得3 A級(jí)質(zhì)量服務(wù)誠(chéng)信企業(yè)資質(zhì)。公司具備激光設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成能力，可實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用場(chǎng)景自動(dòng)化操作，針對(duì)不同客戶應(yīng)用需求，定制設(shè)計(jì)、開發(fā)出移動(dòng)式清洗/ 焊接平臺(tái)、龍門式激光清洗/ 焊接成套生產(chǎn)線，已攻克大幅面、自動(dòng)化、高精度的協(xié)同運(yùn)動(dòng)技術(shù)，解決行業(yè)激光焊接、清洗難題，開發(fā)設(shè)備指標(biāo)、性能達(dá)到國(guó)內(nèi)優(yōu)秀水平，多項(xiàng)重大研究成果填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

文獻(xiàn)：The Surface Properties of an Aviation Aluminum Alloy after Laser Cleaning[J]. Coatings Volume 12, Issue 2. 2022. PP 273-273