激光清洗航空航天铝合金后的表面性能研究

铝合金作为航天飞机的主要结构材料，被广泛应用于航天器蒙皮、螺旋桨、油箱和起落架支柱等关键部位。2XXX系以铜为主要合金元素的铝材，以其高强度、高耐热和良好的加工性能，被主要用来生产大型飞机蒙皮构件。2XXX系铝材暴露在空气中在表面会自然形成一层不均匀且非连续的氧化薄膜，在构件重新涂装、焊接前必须彻底清除，否则会影响涂层结合力、焊缝质量。目前对于轧制的铝合金件一般用铬酸、硫酸、氢氟酸的混合液来去除表面的氧化膜，而压铸件一般采用硝酸去除为主，但化学清洗方法需要人工参与，而且对环境造成污染，清洗质量也很难保证。近年来，激光清洗因其广泛的适用性、加工的精确性以及清洗过程的环保性，已经成为清洗技术的主流方向之一，被广泛应用于焊接前后、表面涂层去除的工业环节。基于此，用激光清洗作为2XXX系铝合金喷涂、焊接前的处理方法是一种有效手段。

山东产研强远激光科技有限公司利用自主研发大能量脉冲固体激光清洗机对航空航天系2024铝合金进行喷涂前清洗。通过对清洗后铝合金试样表面的SEM及EDS分析，研究了不同激光能量密度下铝合金的清洗效果。对清洗后的铝合金试样进行残余应力及硬度测试，并进行摩擦磨损实验。实验结果表明，激光清洗可以有效去除2024铝合金表面的杂质及氧化物。激光清洗可以提高2024铝合金表面的摩擦磨损性能，且随着能量密度的升高而提升。激光清洗可以使2024铝合金表面产生一层硬化层，与此同时表面会产生参与拉应力。本文通过对激光清洗后铝合金的组织和力学性能的研究，以期为激光清洗在航空航天领域的大规模应用提供参考。

1、 实验流程

1.1 实验材料

实验材料采用航空航天用2024铝合金，其化学成分表如表1所示，试样大小为40mm×40mm×5mm。

表1 2024铝合金的化学成分

1.2 激光清洗实验

实验设备采用Nd:YAG脉冲固体激光清洗设备(QYCL-SP200，山东产研强远激光科技有限公司，聊城，中国)。激光清洗设备的示意图如图1所示，激光器的主要参数如表2所示。由Nd:YAG晶体棒作为激光器工作物质，通过光纤耦合输出，通过控制系统使激光清洗头在工作台上移动从而完成清洗。整个清洗过程通过水冷装置进行散热。在本实验中，清洗速度设定为5mm/s，脉冲频率为8kHz，光斑搭接率为30%。激光的能量密度与激光器的平均功率成正比，通过控制激光器的平均功率改变激光能量密度。设定能量密度分别为8.5J/cm2, 10.5J/cm2, 12.5J/cm2，实验后利用SEM及EDS分析 (JSM-7610F, JEOL, Tokyo, Japan) 对清洗后的试样进行分析，从而研究清洗的效果。

图1 激光清洗设备的示意图

表2 激光器的主要参数

2．结果与讨论

2.1 激光清洗后铝合金的表面形貌

图2为不同能量密度下激光清洗AA2024铝合金的表面形貌，其中（a）为宏观形貌：a1-未清洗,a2-8.5J/cm2,a3-10.5J/cm2,a4-12.5J/cm2；（b）为微观形貌：b1-未清洗，b2-8.5J/cm2,b3-10.5J/cm2,b4-12.5J/cm2。从宏观形貌可以看出，未清洗的铝合金表面存在着明显的黑色杂质颗粒。随着激光能量密度的不断提高，杂质逐渐被清除，铝合金表面明显变得光亮起来，证明大量表面污染物被去除。

从微观形貌可以看出，未清洗的铝合金表面有很多白色的氧化物。当能量密度达到8.5J/cm2时，铝合金表面产生了疑似热氧化的白色斑点，分析是由于能量密度较小，激光脉冲的冲击振动作用不能使表面杂质去除，此时作用于工件表面污染物的只有热量，所以形成很多白色的氧化物。当能量密度达到10.5J/cm2时，铝合金表面白色的氧化物大大减少，表面趋于平整，残留少量不明显的凹坑结构，这是由于激光脉冲的冲击力与铝合金表面的反冲力共同作用形成的[21]。当能量密度继续提高到12.5J/cm2，脉冲的冲击振动效应及热输入增大，凹坑周围开始出现白色小圆点，分析这是由于热输入增大在凹坑周围形成了新的氧化物。

图2 不同能量密度激光清洗铝合金的表面形貌(a)宏观形貌：a1-未清洗,a2-8.5J/cm2,a3-10.5J/cm2,a4-12.5J/cm2;(b)微观形貌：b1-未清洗，b2-8.5J/cm2,b3-10.5J/cm2,b4-12.5J/cm2

图3为整个清洗过程的流程图。结合表面形貌和流程图对清洗过程进行进一步分析。未清洗时铝合金表面铝元素含量为53.5%，碳元素含量为38.0%，氧元素含量为3.7%。此时表面含有较多杂质。当能量密度达到8.5J/cm2时，铝元素含量提升到80.9%，碳元素下降到6.3%，氧元素提高到6.5%。此时铝合金表面的杂质大部分已经被去除，但其表面环形结构的周围存在着较多的氧化物，使得氧元素含量发生上升。这时处于欠清洗状态。当能量密度达到10.5J/cm2时，铝元素的含量进一步提升到83.2%，氧元素下降到最低点2.8%。这时，铝合金表面环形结构消失，表面最为平整，为最佳清洗状态。当能量密度提升到12.5J/cm2时，表面各元素无明显变化，氧元素含量略有提高。此时铝合金表面由于激光光斑作用的凹坑周围发生热氧化，使得氧元素含量发生再次提高，为过度清洗状态。

图3 清洗过程流程图

2.2 激光清洗后的摩擦磨损性能

图4为不同能量密度下各试样的磨痕形貌：a1-未清洗, a2-8.5J/cm2, a3-10.5J/cm2, a4-12.5J/cm2。图5为不同能量密度下各试样的摩擦系数：a-摩擦系数，b-平均摩擦系数。从图4及图5我们可以得出在能量密度为0J/cm2、8.5J/cm2、10.5J/cm2、12.5J/cm2时各试样的磨痕深度分别为0.12mm、111μm、86μm、0.13mm，各试样的平均摩擦系数分别为0.3388、0.3201、0.3349、0.3197。未清洗时的试样表面附着着杂质与氧化物，表面较为粗糙，因此磨痕深度和平均摩擦系数均为最大值。当能量密度为8.5J/cm2时，试样表面的杂质和氧化物基本被去除。但是其表面存在的环形结构增大了摩擦阻力，导致摩擦系数略有降低，磨痕深度减小，此时铝合金表面的抗磨性产生了提高。当能量密度达到10.5J/cm2时，铝合金表面最为平整且氧化物最少，清洗效果为最佳状态。此时试样的磨痕深度最浅，但是平均摩擦系数相比8.5J/cm2时产生了提高，我们初步猜测可能是硬度下降而导致。当能量密度达到12.5J/cm2时，试样的磨痕深度发生了显著增加，而平均摩擦系数产生明显下降。此时铝合金发生了热氧化，表面有一层新的氧化膜。新生成的氧化膜的粘附力较低，导致磨痕深度升高。而其平均摩擦系数产生下降的原因是由于硬度提高造成的，这在本文之后的实验讨论中会得到解释。综上所述，激光清洗可以提高铝合金表面的耐磨性能，在12.5J/cm2时效果最佳。

图4不同能量密度下各试样的磨痕形貌：a-未清洗,b-8.5J/cm2,c-10.5J/cm2,d-12.5J/cm2

图5 不同能量密度下各试样的摩擦系数：a-摩擦系数，b-平均摩擦系数

2.3 激光清洗后的力学性能

金属材料表面微观组织的改变会影响其力学性能，因此我们研究了激光清洗对铝合金表面显微硬度和残余应力的影响。图6（a）为不同能量密度下各试样的显微硬度值，图6（b）为不同能量密度下各试样的残余应力值。从图6（a）可以看出，未清洗时铝合金表面的显微硬度值为137.97HV，在激光能量密度为8.5J/cm2,10.5J/cm2, 12.5J/cm2时，清洗后铝合金表面的显微硬度分别为119.96HV、136.82HV、174.47HV。在能量密度为8.5J/cm2和10.5J/cm2时，铝合金的表面硬度要比未清洗时要低，当能量密度达到12.5J/cm2（过度清洗）时，其表面硬度发生了明显提高。图7为激光清洗后铝合金表面硬度强化原理图，当激光光斑作用到铝合金表面时，由于脉冲激光的冲击效应，会在表面形成凹坑，受冲击压力的影响，凹坑内部形成微强化层，在欠清洗状态时，铝合金表面大多为环形结构为主，硬度略有下降。当达到过度清洗状态时，铝合金表面生成大量的凹坑，凹坑的均匀分布使得试样表面整体形成了一层强化膜，使硬度明显提高。 

金属表面的残余应力是能够反映材料基本强度和塑性指标之一，从图6（b）可以看出，未清洗时铝合金表面的残余应力值为7.06Mpa，在激光能量密度为8.5J/cm2、10.5J/cm2、12.5J/cm2时，清洗后铝合金表面的残余应力值分别为41.9Mpa、79.93Mpa、59.16Mpa。激光清洗后铝合金表面残余拉应力发生了显著提高，由之前铝合金表面的组织变化可以分析得出，当高能量的激光光斑照射到铝合金基体时，表面的氧化膜产生破裂及热氧化，此时表面的残余应力会发生重组，从而导致残余拉应力的产生[22]。综上所述，在适当的激光工艺参数下，激光清洗可以略微提高铝合金表面硬度，但是会造成残余拉应力的产生。

图6 (a)不同能量密度下各试样的维氏显微硬度，(b)不同能量密度下各试样的残余应力

图7 铝合金表面硬度强化原理

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

来源：增材制造硕博联盟