引言TC4钛合金具有比强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空航天、武器装备等领域具有广泛的应用。现代战机常在机体表面涂覆雷达吸波涂层以对抗雷达探测。然而，战机在长期服役过程中由于受到海洋腐蚀环境的影响，其表面所涂覆的吸波涂层常面临各种损伤失效问题，如磨损、脱落等，严重影响战机隐身性能。因此，需要对损伤失效区域的涂层进行去除、再涂覆。激光清洗技术由于其绿色环保、清洗效率高、非接触式、自动化清洗等优点，在吸波涂层的去除中具有广阔的应用前景。目前，国内外学者在激光清洗钛合金方面开展了大量的研究工作。王利华等发现TC4钛合金表面氧化皮经激光清洗后，基材表面的显微硬度、抗拉强度、屈服强度和抗腐蚀性能均有所提高。Li等分析发现当表面温度略高于氧化膜沸点时，氧化膜的去除效果最好，激光清洗氧化膜的主要机理是激光烧蚀。廖大松等发现扫描速度对TC4钛合金表面的清洗效果影响显著，激光清洗可使TC4钛合金表面的硬度和耐腐蚀性能有所提高。

本文对TC4钛合金表面的NDW-63吸波涂层开展了激光清洗试验，研究脉冲激光功率和扫描速度对涂层去除效果的影响，及激光清洗后样品的表面形貌和表面粗糙度变化。然后，通过表面成分和物相分析确定了最佳的激光清洗吸波涂层工艺参数。最后，还对激光清洗后基材的显微维氏硬度进行了研究。

1、试验及方法

图1为吸波涂层的横截面及其表面形貌，吸波涂层厚度约为900μm，从图1（c）中可以看到涂层是由大小不均的颗粒物相间分布。

（a）样品截面形貌（b）样品表面形貌 

图1 TC4钛合金表面吸波涂层形貌图

实验所用的激光器为无锡锐科光纤激光技术股份有限公司生产的RFL-P300H脉冲激光器。激光清洗时选定激光功率在175-225W之间，扫描速度在7000-10000mm/s之间，具体的工艺参数如表1所示。

表1激光清洗工艺参数

清洗后采用光学显微镜和HITACHIS-4800型场发射扫描电子显微镜（SEM）观察试样的表面形貌，能谱仪（EDS）用于测定样品表面的化学成分，X射线衍射仪（XRD，日本理学UltimaⅣ，Cu靶，加速电压40kV，管电流40mA，2θ扫描角度范围为20°~80°，扫描步长0.02°，扫描速度为8°/min）用于测定样品表面的物相组成，利用LSM900激光共聚焦显微镜测量清洗后的表面形貌以及表面粗糙度的变化（测试面积约为650μm×650μm），借助HVS-50数显维氏硬度计测试激光清洗后基材表面的显微硬度（施加载荷大小为5Kgf，加载时间15s）。

2、结果与讨论

2.1工艺参数对TC4钛合金表面吸波涂层去除的影响 采用扫描电子显微镜对激光清洗后的样品进行微观形貌观察，从图2中可以看出，激光清洗过后，在样品表面可以看到明显的激光扫描痕迹，随着工艺参数的改变，清洗效果产生较大的差异。当设定激光功率为175W，扫描速度为7000mm/s时，清洗后的表面存在孔洞以及较多的微裂纹，如图2（a）所示。当扫描速度为8000mm/s时，清洗后的样品表面较为平整且微裂纹较少，清洗效果较好，同时清洗过后样品表面存在规则的沟壑，再涂覆吸波涂层时有利于增大基板与吸波涂层的接触面积，增加其结合力。样品表面存在的Mo颗粒是由于线切割产生，可以忽略其影响，如图2（b）所示。随着扫描速度进一步增大，如图2（c）和图2（d）所示，可以看到，由于扫描速度过大，清洗后的样品表面存在大量的飞溅，清洗效果较差。这是因为脉冲激光作用于样品表面一个微层会产生熔化及溅射，核心区域为一个冲击坑，其周围为熔化基体溅射形成的飞溅区域。当扫描速度较低时，冲击坑与飞溅区重叠；扫描速度较高时，冲击坑及飞溅区之间变得离散，飞溅现象变得明显。

图2 不同工艺参数下清洗后TC4基板的SEM形貌

单个光斑区域内累积输入的能量E（mJ）表达式为：

光斑的搭接率δ表达式为：

式中，P——脉冲激光功率W；D——光斑直径mm；f——脉冲激光的重复频率Hz；υ——激光扫描速度mm/s。由公式（1）和（2）可以看出，当脉冲激光参数一定时，扫描速度会影响清洗过程中单个光斑区域内累积输入的能量和光斑之间的搭接率。结合图2（a）分析，扫描速度为7000mm/s时，光斑搭接率大，累积输入能量高，TC4基体产生较严重的重熔，同时有孔洞和微裂纹产生。据研究，微裂纹形成于钛合金的富氧α层，富氧α层硬而脆，同时在富氧α层的生成过程中，由于内应力的产生和积聚，因而材料表面出现微裂纹。随着扫描速度的增大，清洗过程中单个光斑区域内累积输入的能量以及光斑搭接率均会减小，从图2（b）~（d）可以看出，相邻脉冲激光扫描痕迹之间的距离逐渐增大。

由公式（1）可以看出，随着激光功率增大，单个光斑区域内累积输入的能量增大。当激光功率增加至200W时，如图2（e）所示，重熔的基体增多，熔融的金属形成的脊峰增大，同时可以看到样品表面较图2（b）飞溅严重。随着激光功率进一步增大，如图2（f）所示，可以看到样品表面飞溅更为严重，同时样品表面有微裂纹和较多的氧化物颗粒产生，说明在此激光功率下，累积输入的能量过高，清洗过程中样品表面发生了氧化，清洗效果较差。

根据清洗后样品的表面形貌可知，激光去除吸波涂层的主要机制是烧蚀，激光照射在涂层颗粒上导致温度升高达到涂层颗粒熔点，钛合金表面的吸波涂层被烧蚀汽化，清洗过后样品表面存在熔化的涂层颗粒，如图2（h）所示。此外，清洗过后样品表面还存在完整的涂层颗粒，如图2（g）所示，说明激光去除涂层的机理是烧蚀效应和热膨胀效应共同发挥作用。

2.2不同工艺参数下清洗后TC4钛合金表面粗糙度分析 图3是不同工艺参数下激光清洗后样品的表面形貌和粗糙度。从图3（a）-（d）中可以看出在激光功率一定时，随着扫描速度从7000mm/s增加到10000mm/s，清洗后样品的表面粗糙度呈先降低后升高的趋势。当设定激光功率175W，扫描速度为7000mm/s时，如图3（a）所示，表面粗糙度为5.030μm，在此扫描速度下，激光光斑重叠率高，样品表面的热输入大，TC4基板重熔较为严重，样品表面出现较深的扫描痕迹，同时重熔的金属形成脊峰，样品表面的最大高度为59.92μm。当扫描速度为8000mm/s时，样品表面变得较为平整，表面粗糙度降低至1.723μm，最大高度降低至14.13μm，如图3（b）所示。当扫描速度继续增大至9000mm/s和10000mm/s时，样品表面粗糙度较扫描速度为8000mm/s时的样品表面粗糙度和样品表面的最大高度逐渐增加，如图3（c）和图3（d）所示。激光功率一定时，随着扫描速度的增加，激光光斑重叠率不断降低，样品表面的热输入逐渐降低，激光扫描痕迹相对变浅，从图2（c）和（d）可以看出，由于飞溅变得越来越严重，样品表面的粗糙度和最大高度反而逐渐增大。

图3 不同工艺参数下清洗后TC4基板的表面形貌和粗糙度

当扫描速度一定时，随着激光功率的增加，清洗后样品的表面粗糙度整体呈增大的趋势，如图3（b）、（e）、（f）所示。随着激光功率增加至200W和225W，样品的表面粗糙度分别增加至2.470μm和2.440μm。随着激光功率的增加，样品表面的热输入逐渐增大，TC4基板表面的温度升高，重熔的基板金属增多，形成的脊峰越来越高，同时结合图2（f）分析，样品表面有氧化物颗粒存在，样品表面的粗糙度逐渐增大，样品的表面高度也逐渐增大。

2.3不同工艺参数下清洗后TC4钛合金表面成分和物相分析 TC4钛合金表面吸波涂层的主要成分为羟基铁粉，其成分如图4（a）所示。通过氧、钛和铁元素的含量变化能有效地反映吸波涂层的去除程度，因此利用EDS对激光清洗前后的TC4钛合金表面成分进行了分析，EDS点扫得到的分析结果如图4所示。从图4（b）中可以看出，当激光功率为175W，扫描速度为8000mm/s时，TC4钛合金表面Fe含量变为3.30%，O含量变为2.33%，Ti含量变为86.27%，钛合金表面的吸波涂层得到了有效地去除。

图4 激光清洗前后TC4基板表面的EDS谱图及结果

为了探究不同工艺参数下清洗后TC4钛合金表面的物相变化，对激光清洗前后的样品表面进行了XRD分析，结果如图5所示。从图5（g）中可以看出，吸波涂层含有的主要物质Fe的衍射峰特别明显，同时由于基板表面涂覆着较厚的吸波涂层，未能检测到Ti的衍射峰。当固定激光功率为175W时，从图5（a）~（d）可以看出，除扫描速度为10000mm/s的样品外，其余样品表面的Fe衍射峰都基本消失，说明不同扫描速度下表面的吸波涂层均已基本去除干净。从图5（a）中可以看出，经7000mm/s的扫描速度清洗后，样品表面的TiO2和TiO衍射峰强度较高，说明在该扫描速度下样品表面发生了热氧化。当扫描速度增加至8000mm/s和9000mm/s时，样品表面的TiO2和TiO衍射峰强度逐渐减弱。继续增大扫描速度至10000mm/s时，虽然样品表面的TiO2和TiO衍射峰基本消失，但又出现了Fe衍射峰，说明试样表面还存在残留的吸波涂层。可以看出，激光功率一定时，扫描速度过小时容易使样品表面发生热氧化，扫描速度过大时又无法获得良好的清洗效果。

图5 不同激光清洗工艺参数下清洗后TC4基板表面的XRD谱

当固定扫描速度为8000mm/s时，从图5（b）和图5（e）、（f）可以看出，不同激光功率下样品表面的Fe衍射峰都基本消失，说明表面的吸波涂层均已基本去除干净。但是随着激光功率的增大，样品表面Ti的衍射峰强度逐渐降低，结合之前分析，激光能量的增大导致样品表面存在较多散落的氧化物颗粒。

2.4激光清洗吸波涂层对TC4钛合金表面硬度的影响 为了解激光清洗过后TC4钛合金的表面性能，对激光功率为175W，扫描速度为8000mm/s的样品表面进行了显微维氏硬度测试，每个样品分别选取6个点进行测试，压痕位置如图6（a）所示，取其平均值作为样品表面的显微维氏硬度。从图6（b）中可以看出，经过激光清洗后，样品表面的平均显微维氏硬度由352.7HV提高到390.3HV，约提高了10.66%。分析认为，造成该现象的主要原因是高能激光束照射到基板表面使基板温度迅速上升至熔点而发生局部融化，但由于脉冲光斑的作用时间极短，基板表层金属又快速凝固，形成晶粒细化的重熔层；激光清洗吸波涂层时产生高温高压的等离子体，等离子体膨胀产生冲击波，也会在基板表面产生一定的残余应力，对基板表面具有冲击强化作用；此外，激光冲击强化还会促使样品内部产生大量高密度位错，阻碍其它位错运动。在以上多重因素的作用下，基板表面的显微硬度得以提高。

（a）压痕位置示意图（b）激光清洗前后样品表面硬度 

图6 显微硬度测试

3、结论

①激光功率和扫描速度对清洗TC4钛合金表面吸波涂层具有较大的影响。随着扫描速度的增大，清洗效果先变好后变差；随着激光功率的增加，清洗效果逐渐变差。在激光功率为175W，扫描速度为8000mm/s时，清洗后样品表面形貌较好。激光去除涂层颗粒的机制是烧蚀和热膨胀共同作用。

②激光功率和扫描速度对清洗后样品的表面粗糙度也具有很大的影响。随着扫描速度的增加，样品表面粗糙度先减小后增大；随着激光功率的增大，样品表面粗糙度整体上逐渐增大，且样品表面的最大高度也整体上逐渐增大。当激光功率为175W，扫描速度为8000mm/s时，表面粗糙度最小值为Sa=1.723μm。

③吸波涂层的主要成分为Fe，清洗过后样品表面有氧化物TiO₂和TiO生成。

④激光清洗过后，重熔和激光冲击强化的作用会使得样品表面的显微硬度有所提高，相较于TC4钛合金基板约提高了10.66%。

相关链接