江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：

本文探討了采用脈沖激光清洗技術(shù)去除7075鋁合金表面氧化膜的方法。

摘要

本文采用脈沖激光清洗技術(shù)去除7075鋁合金表面的氧化膜

。分析了不同激光能量密度對(duì)7075鋁合金表面形貌、表面成分、顯微硬度和耐蝕性的影響。研究了激光清洗7075鋁合金表面氧化膜的去除機(jī)理。結(jié)果表明，激光清洗7075鋁合金氧化膜主要基于氣化機(jī)理和爆炸產(chǎn)生的沖擊波。激光清洗后，7075鋁合金表面顯微硬度從158.5HV提高到171.9HV。激光去除鋁合金表面的氧化膜后，表面的耐蝕性降低，表面熔化也會(huì)影響清洗后表面的耐蝕性。在本研究中，當(dāng)能量密度在1.43J/cm2到1.82J/cm2，氧化膜可以在很大程度上被去除，而不會(huì)損壞基板。，盡可能保證表面的耐腐蝕性。在本研究中，當(dāng)能量密度達(dá)到1.82J/cm2，清潔表面上的氧氣質(zhì)量百分比降低至2.03%，顯微硬度為167.7HV。

1.介紹

7075鋁合金作為一種Al·Zn·Mg·Cu系列強(qiáng)化鋁合金，因其強(qiáng)度高、機(jī)械性能好、耐腐蝕、耐低溫等優(yōu)點(diǎn)，常被用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)和零部件。

然而，暴露在大氣中的鋁合金表面會(huì)形成一層天然氧化膜，在某些情況下需要去除。例如，焊接前清除氧化膜可以顯著減少焊接過(guò)程中的氫孔，提高焊縫的強(qiáng)度和韌性。在高速鐵路維修過(guò)程中，為了保證鋁合金軸箱的使用壽命，需要去除氧化膜。在基于鋁合金的電鍍工藝之前去除氧化膜可以提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

在工業(yè)上，激光清洗技術(shù)已應(yīng)用于文物去污、焊前清洗、零件脫漆和金屬除銹等領(lǐng)域。

雖然傳統(tǒng)的物理清洗和化學(xué)清洗方法目前仍被廣泛使用，但它們存在精度差、對(duì)基板表面損傷嚴(yán)重、清洗效率低和環(huán)境污染等問(wèn)題。因此，具有高精度、高自動(dòng)化、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的激光清洗技術(shù)正在逐步取代傳統(tǒng)的清洗技術(shù)。

發(fā)現(xiàn)，使用Nd:YAG納秒光纖激光器可以有效去除鋁合金表面可見(jiàn)的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物。

在本研究中，清洗后的某些表面發(fā)生熔化和熱氧化。使用IPG納秒光纖激光器清潔表面含有天然海洋生物膜污染物的鋁合金板，發(fā)現(xiàn)激光燒蝕是主要的去除機(jī)制。然而，高激光能量密度會(huì)對(duì)清潔的基板造成損壞，并可能在清潔表面上形成納米結(jié)構(gòu)的氧化層。使用聲光調(diào)Q納秒脈沖激光去除鍍鉻模具中的橡膠污染物。當(dāng)激光能量密度為0.97j/cm2，橡膠層的去除機(jī)理包括氣化、彈力剝離和熱彈性膨脹。在這個(gè)能量密度下，基板沒(méi)有損壞。研究了飛機(jī)蒙皮表面的BMS10-11底漆經(jīng)傳統(tǒng)物理清洗和激光清洗后，清洗表面的微動(dòng)摩擦磨損性能和耐腐蝕性能的變化。當(dāng)激光能量密度為5J/cm2，覆鋁層不會(huì)燒穿并對(duì)基體造成損傷。

沒(méi)有證據(jù)表明，經(jīng)過(guò)分別10002000，大氣壓等離子體預(yù)處理提高了EPD鈍化拉伸剪切試樣的強(qiáng)度。

測(cè)量的強(qiáng)度值與參考樣品的強(qiáng)度值大致相同。另一方面，EPD鈍化試樣在激光預(yù)處理和鹽霧老化后顯示出更好的強(qiáng)度值。這里獲得的強(qiáng)度值分別比測(cè)量的參考值高26%和15%。對(duì)于沒(méi)有保護(hù)性EPD涂層的樣品，等離子體和激光預(yù)處理的效果特別明顯，這些涂層也在鹽霧室中經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室老化1000。雖然參考樣品在老化后只有殘余強(qiáng)度，但AP等離子體和激光預(yù)處理給出了明顯更高的值。

故障模式

由于粘合劑的內(nèi)聚失效，所有未老化的拉伸剪切試樣都失敗（上圖）。老化后，粘合劑失效開(kāi)始普遍存在，并根據(jù)老化。耐老化性取決于所選的表面預(yù)處理類型。大氣壓等離子體預(yù)處理和激光預(yù)處理都顯示出明顯的改善。經(jīng)過(guò)1000，參考試樣在整個(gè)粘合區(qū)域的一側(cè)顯示粘合失效。然而，等離子體預(yù)處理試樣的粘合接頭在兩側(cè)交替顯示粘合失效，激光預(yù)處理試樣僅沿邊緣顯示粘合失效。因此，相關(guān)的失效模式證實(shí)了強(qiáng)度測(cè)量的結(jié)果。

此外，

根據(jù)的研究，證明了在激光清洗過(guò)程中，改變激光能量密度和光斑重疊率可以影響5754鋁合金的表面粗糙度。研究發(fā)現(xiàn)，隨著光斑重疊的增加，表面粗糙度先增大后減小。研究了激光清洗后AA7024鋁合金表面氧化層的成分變化。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光能量密度為7.1J/cm2，AA7024鋁合金表面由MgO+MgAl2O4組成的原始氧化層被去除，但形成了由Al2O3+MgO組成的新氧化層。利用Nd:YAG脈沖激光對(duì)鋁鎂合金進(jìn)行激光清洗實(shí)驗(yàn)。

分析了激光清，研究了激光能量密度與氧化膜厚度的關(guān)系。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光能量密度的增加，激光清洗過(guò)程中形成的氧化膜變厚。Alshaer在焊接前使用100nsNd:YAG激光器清潔4043和AC-170O4PX鋁合金板。研究發(fā)現(xiàn)，激光清洗可以有效地去除材料表面的大部分涂層、潤(rùn)滑劑、污染層和氧化層，從而減少焊接接頭中的氣孔。結(jié)果還表明，激光清洗過(guò)程是基于燒蝕的。

以往的研究表明，在激光清洗過(guò)程中，不同的激光能量密度對(duì)清洗表面的表面特性有不同的影響。

目前，激光清洗7075鋁合金的研究很少。因此，本文采用IPG脈沖光纖激光器對(duì)7075鋁合金表面的氧化膜進(jìn)行了清洗。研究了激光能量密度對(duì)7075鋁合金氧化膜去除、表面形貌、表面成分和表面顯微硬度的影響。7075鋁合金通常用于制造飛機(jī)零件。對(duì)于在沿海環(huán)境中服役的飛機(jī)而言，飛機(jī)部件通常會(huì)受到海洋大氣環(huán)境的腐蝕。因此，本文還研究了激光清洗去除氧化膜對(duì)7075鋁合金表面耐蝕性的影響。

2.實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1.實(shí)驗(yàn)材料的制備與處理

實(shí)驗(yàn)材料為商用7075鋁合金板，厚度為3mm。所用7075鋁合金的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。采用線切割機(jī)對(duì)45mm×35mm×3mm的7075鋁合金塊體進(jìn)行切割。然后將它們放入超聲波清洗設(shè)備中，用無(wú)水乙醇清洗。之后，在室溫下自然干燥。通過(guò)X射線衍射（XRD）檢測(cè)激光清洗前鋁板的表面相，如圖1所示。從圖中可以看出，激光清洗前7075鋁合金表面的氧化層主要由MgAl2O4、MgO和Al2O3組成。

表17075Al合金的標(biāo)稱化學(xué)成分（重量%）。

圖1激光清洗前7075樣品表面的XRD圖案。

2.2.激光清洗實(shí)驗(yàn)

激光能量密度是激光清洗的主要因素之一。在本研究中，激光清洗的激光能量密度ε范圍為1.04～2.60J/cm2.此外，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中能量密度存在誤差，誤差結(jié)果ΔN已見(jiàn)表2。

表2激光清洗工藝參數(shù)。

激光清洗實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，其中使用了IPG脈沖光纖激光器。

振鏡光斑的掃描速度、方向和重疊比由波長(zhǎng)為1064nm的振鏡控制。移動(dòng)光斑的清洗速度、方向和重疊率由振鏡和配備激光頭的機(jī)械臂控制。移動(dòng)光斑的清洗速度、方向和重疊率由振鏡和配備激光頭的機(jī)械臂控制。點(diǎn)掃描模式和清洗表面的原始微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。可以看出，7075鋁合金的原始表面具有致密的帶狀氧化膜和條紋缺陷。在鋁合金的制造過(guò)程中發(fā)生了條紋缺陷。

圖2激光清洗實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖37075鋁合金的原始表面形貌。（a）激光光斑的掃描路徑;（b）原始表面的微觀形態(tài)。

2.3.表面分析實(shí)驗(yàn)

使用超景深三維顯微鏡（VHX-5000，基恩士，）觀察了激光清洗前后7075鋁合金的表面形貌。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察激光清洗后7075鋁合金的表面微觀結(jié)構(gòu)（S-3400N，，）。通過(guò)能量色散光譜儀和X射線衍射獲得了激光清洗前后7075鋁合金表面化學(xué)元素和成分的變化（Aeris，MalvernPanalytical，荷蘭）。X射線衍射的X射線源是Cu靶射線。衍射角2θ保持在20°至80°，步長(zhǎng)為0.02°，每步長(zhǎng)為99.45s。激光清洗前后的樣品顯微硬度通過(guò)數(shù)字微維氏顯微硬度計(jì)（HVS-1000A，Sida，中國(guó)）測(cè)量。測(cè)量方法是取每個(gè)樣品的三個(gè)不同點(diǎn)的顯微硬度，并計(jì)算其平均顯微硬度。使用的負(fù)載為500g。

暴露20年的alclad7075和1050的橫截面圖：（a和b）：北京試驗(yàn)場(chǎng)的alclad7075正面和背面。（c和d）：萬(wàn)寧試驗(yàn)場(chǎng)alclad7075的正面和背面。（e和f）：江津試驗(yàn)場(chǎng)alclad7075的正面和背面。（g）萬(wàn)寧試驗(yàn)場(chǎng)1050的背面。（h）江津試驗(yàn)場(chǎng)1050的正面。

使用光學(xué)顯微鏡分析alclad2024和7075的橫截面形態(tài)，發(fā)現(xiàn)alclad7075的腐蝕比alclad2024嚴(yán)重得多，因?yàn)閍lclad7075上的基板和覆層之間存在更大的電位差。上圖顯示了在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)暴露20年的alclad7075的橫截面圖。在北京試驗(yàn)場(chǎng)，即使經(jīng)過(guò)20年的風(fēng)化，正面和背面的覆層幾乎保持完整，背面比正面更規(guī)則（圖a和b）。在萬(wàn)寧試驗(yàn)場(chǎng)，正面覆層上出現(xiàn)了幾個(gè)離散的較深坑（圖c）。在背面，白色較厚腐蝕產(chǎn)物下的一些深坑已發(fā)展成一個(gè)大面積坑，并在該坑底部留下一層薄薄的覆層（圖d）。在江津試驗(yàn)場(chǎng)，正面水泡下也有深坑。同樣，留下了一層薄薄的包層（圖e）。在微觀層面上，覆層背面變得不均勻，而在宏觀層面上，試樣呈現(xiàn)出均勻的腐蝕。圖g和h顯示了在萬(wàn)寧和江津試驗(yàn)場(chǎng)暴露20年的純鋁1050（對(duì)比試驗(yàn)）的橫截面。1050的化學(xué)成分與包層（7072）的化學(xué)成分相似。顯然，在萬(wàn)寧和江津試驗(yàn)場(chǎng)，1050的坑深分別達(dá)到550μm和250μm。此外，這些凹坑的橫截面形狀是垂直的，這不同于這些相同試驗(yàn)地點(diǎn)相同表面上的包鋁中寬而淺的凹坑。

2.4.中性鹽霧實(shí)驗(yàn)

海洋大氣中有很多氯化物。這些氯化物和潮濕的環(huán)境是金屬點(diǎn)蝕和開(kāi)裂的主要原因

。而鹽霧腐蝕室可以模擬這樣的環(huán)境。因此，本文采用中性鹽霧實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬海洋大氣環(huán)境，探討激光清洗前后鋁合金表面的耐腐蝕性。在中性鹽霧實(shí)驗(yàn)中，使用PH為6.5～7.2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液。環(huán)境溫度為35±2°C，實(shí)驗(yàn)周期為24h。在實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)樣品的質(zhì)量進(jìn)行三次稱重，并計(jì)算出平均質(zhì)量。之后，將樣品的切割面和非實(shí)驗(yàn)表面涂上PE保護(hù)膜，并記錄實(shí)驗(yàn)表面的暴露區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用流動(dòng)水清潔腐蝕的樣品表面并用鼓風(fēng)機(jī)干燥。采用掃描電子顯微鏡（SEM）和EDS（能量色散光譜儀）對(duì)腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了觀察和分析。根據(jù)ISO8407：2009去除樣品表面上的腐蝕產(chǎn)物后，對(duì)其進(jìn)行稱重并計(jì)算腐蝕速率。最后，用超景深三維顯微鏡測(cè)量腐蝕坑的深度。

3.結(jié)果和討論

3.1.激光清洗對(duì)清洗表面的影響

7075鋁合金在激光清洗后的表面形貌與不同的激光能量密度如圖4（a）所示。

隨著能量密度增加到1.82J/cm2，清除清潔表面上的大多數(shù)亮白色物質(zhì)。當(dāng)能量密度大于或等于2.21J/cm2，從區(qū)域1和2可以看出，清潔表面上出現(xiàn)白色裂縫。原因是激光能量密度過(guò)高，一些清洗區(qū)域的熱量積聚效應(yīng)明顯。這種基板損壞的現(xiàn)象是由7075鋁合金基體表面的熔化和氣化引起的。

圖4不同激光能量密度下的清洗表面形貌。

清洗表面的溫度與激光能量密度呈正相關(guān)。隨著激光能量密度的增加，清洗表面的溫度升高。7075鋁合金基體的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于表3中其氧化層的熔點(diǎn)，鋁合金的天然氧化膜厚度一般只有亞微米級(jí)。激光照射清洗表面后，約5%～10%的激光能量將被氧化層吸收，6%～20%的剩余激光能量將被7075鋁合金基體的表面吸收。因此，當(dāng)激光能量密度達(dá)到2.21J/cm2除，但鋁合金基體的表面溫度會(huì)首先達(dá)到自己的熔點(diǎn)，基體在激光清洗過(guò)程中會(huì)熔化甚至氣化。但是，因?yàn)锳l2O3并不是7075鋁合金氧化層中唯一的成分，鋁合金的元素成分和表面粗糙度也不同，因此上述激光能量吸收率只能作為理論參考。

表3.其表面的熔點(diǎn)為7075鋁合金和三種氧化物。

為了分析不同激光能量密度值對(duì)清洗表面微形貌的影響，采用SEM進(jìn)一步研究了清洗后7075鋁合金的微表面?？梢钥闯觯X合金清洗表面出現(xiàn)孔洞，條紋缺陷明顯減少，如圖5（a）所示，證明激光清洗可以有效去除鋁合金表面的條紋缺陷。當(dāng)激光能量密度達(dá)到1.43J/cm2，如圖5（b）所示的清潔表面上出現(xiàn)大量孔洞和剝落的氧化膜碎片。在鋁合金成形過(guò)程中，各種氣體不可避免地會(huì)溶解到鋁基體中或存在于鋁合金的，氫氣占鋁合金中氣體成分的60%～90%。因此，在1.43J/cm2的能量密度下，空穴的出現(xiàn)主要是由于原存在于氧化膜中的氫氣沉淀和條紋缺陷造成的。

片狀氧化膜碎片的出現(xiàn)表明，在激光清洗氧化膜的過(guò)程中，不僅存在氣化機(jī)理，而且存在爆炸機(jī)理。

由于空氣和水的爆炸條紋缺陷，爆炸產(chǎn)生的沖擊波會(huì)破壞附近的氧化膜，這使得部分氧化膜克服了氧化膜與基板之間的粘附，使其從基板表面剝落。圖5（c）顯示了7075鋁合金在1.82J/cm2激光能量密度下清洗后的微觀形貌。，條紋缺陷基本消失，表面變得光滑。在7075鋁合金基體上沒(méi)有明顯的損壞現(xiàn)象。但是，從圖5（d），圖5（e）和圖5（f）可以看出，清潔后的表面呈現(xiàn)波浪形貌，這意味著當(dāng)激光能量密度大于或等于2.21J/cm2，7075鋁合金基體表面會(huì)出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。這是因?yàn)槊繂挝幻娣e激光器的一部分用于去除表面氧化膜，但激光的其余部分被基板吸收。基板吸收激光能量，表面溫度升高，最終超過(guò)基板的熔點(diǎn)，導(dǎo)致材料在基板表面熔化。

圖5激光清洗后7075鋁合金的表面形貌。

，熔融表面材料分散，激光引起的基板表面溫升是瞬間的。因此，分散的熔融表面材料會(huì)瞬間冷卻和凝固，從而形成波浪形貌。此外，從圖5（d）可以看出，清潔表面上的孔徑大于圖5（b）和（c）中的孔徑。，溶解在鋁合金基體中的大量氫氣也開(kāi)始沉淀，導(dǎo)致在圖5（d）中的能量密度下表面孔徑更大。同樣，從圖5（e）可以看出，在2.60J/cm的激光能量密度下2，基板表面也隨著燒蝕坑的出現(xiàn)而融化。表面的熔融材料在填充部分孔[31]后凝固。圖5（e）中基板表面的孔徑小于圖5（d）中的孔徑。

3.2.激光清洗后的表面成分分析

為了進(jìn)一步分析激光能量密度對(duì)7075鋁合金表面氧化膜清洗效果的影響，對(duì)激光清洗前后的樣品組分進(jìn)行了分析。

圖6（a）和（b）顯示了激光清洗前后鋁和氧在表面上質(zhì)量百分比的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，激光清洗后，鋁的含量增加，氧氣的含量降低。這意味著清潔表面上的氧化膜被去除，基板的暴露面積增加。隨著激光能量密度的增加，鋁含量首先增加，然后減少，最后增加。然而，隨著激光能量密度的增加，氧含量首先降低，然后增加，最后減少。根據(jù)氧含量的變化，可以認(rèn)為亮白色物質(zhì)是3.1中提到的氧化膜。

圖6.用不同的激光能量密度清洗后，7075鋁合金表面鋁含量和氧含量的變化。

從圖6（a）和（b）可以看出，當(dāng)能量密度從0J/cm2增加至1.82J/cm2，清潔表面上氧氣的質(zhì)量百分比從3.19%下降到1.16%，鋁的質(zhì)量百分比從68.72%增加到76.12%。這證明，適當(dāng)?shù)募す饽芰棵芏瓤梢杂行У厍鍧?075鋁合金表面的氧化膜，從而增加鋁合金基體的暴露面積。但是當(dāng)能量密度繼續(xù)增加到2.21J/cm2，氧氣的質(zhì)量百分比再次增加到1.35%。結(jié)合以上分析，可以得出結(jié)論，在2.21J/cm2以下，清洗表面的熱量積聚效果顯著。密度下2.21J/cm2，不僅有足夠的激光能量去除氧化膜，而且有足夠的激光能量照射基板的表面，這使得基板的表面溫度上升并超過(guò)基板的熔點(diǎn)。

結(jié)果，基板表面的材料熔化并與空氣中的氧氣接觸，形成新的氧化物。而剩余的激光能量不足以去除新形成的氧化物，導(dǎo)致氧含量再次增加。激光能量密度為1.82J/cm2和2.60J/%和1.11%，鋁的質(zhì)量百分比分別為76.12%和77.07%。結(jié)果表明，激光清洗氧化膜在兩種激光能量密度下效果相似，能量密度為2.60J/cm2，由于激光能量較大，清洗表面氧含量降低。激光能量密度為2.60J/cm2，熱氧化產(chǎn)生的氧化膜再次被去除，鋁合金基體的暴露面積再次增加。

結(jié)合以上分析，可以得出結(jié)論，當(dāng)激光能量密度在1.43J/cm2至1.82J/cm2，鋁合金表面的氧化膜可以大大去除，基體不會(huì)熔化。當(dāng)能量密度為1.82J/cm2，氧氣的質(zhì)量百分比降低2.03%。圖7顯示了激光能量密度清洗前后的表面元素含量?？梢钥闯?，激光清洗后，7075鋁合金表面的碳含量和氧含量大大降低，但鋁含量卻大大增加。

圖77075鋁合金表面激光清洗前后的EDS。（a）ε=0J/cm2;（b）ε=1.82J/cm2.

為了分析激光清洗過(guò)程中鋁合金表面氧化物具體成分的變化，對(duì)激光清洗前后的表面進(jìn)行了相位分析。

圖8顯示了用不同激光能量密度清潔的表面的XRD圖案。對(duì)比圖1可以看出，在激光能量密度為1.04J/cm2、1.43J/cm2和1.82J/cm2，清洗后鋁合金表面的MgO和Al2O3峰基本消失。實(shí)驗(yàn)還證明，脈沖激光可以有效去除7075鋁合金表面的氧化物。當(dāng)激光密度為2.21J/cm2，氧化鋁又出現(xiàn)了峰值，且這里的峰值強(qiáng)度比1.82J/cm2強(qiáng)。基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在2.21J/cm2激光能量密度下，清洗表面發(fā)生二次氧化，空氣中的氧氣與熔融基體中的Mg和Al結(jié)合，形成新的MgO和Al2O3氧化物。熱氧化原理如圖9所示。當(dāng)激光能量密度為2.60J/cm2，MgO和Al2O3的峰值強(qiáng)度降低。這些現(xiàn)象與上面的分析是一樣的。

圖8.激光清洗后7075鋁合金表面的XRD圖案。

圖9激光清洗后7075鋁合金的熱氧化原理。

3.3.顯微硬度

圖10（a）是顯微硬度壓痕位置和三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的位置關(guān)系。圖10（b）顯示了7075鋁合金在激光清洗前后的表面顯微硬度變化。

從圖10（b）可以看出，經(jīng)過(guò)不同的激光能量密度清洗后，清洗后的表面顯微硬度一般都有所提高。當(dāng)表面被脈，基板將吸收部分激光能量，并由于圖11所示的薄氧化膜而產(chǎn)生高溫和高壓等離子體。然而，這些等離子體受到尚未完全去除的氧化膜的限制。它們?cè)谖崭嗟募す饽芰亢蟊?，?dǎo)致沖擊波。此外，在去，空氣和水的爆炸也會(huì)產(chǎn)生沖擊波。在兩次沖擊波的共同作用下，清洗表面發(fā)生塑性變形，清洗面上的晶粒細(xì)化。，在激光照射，被清洗表面的掃描速度更快，導(dǎo)致被清洗表面瞬間產(chǎn)生較大的溫差。這導(dǎo)致在清潔表面出現(xiàn)馬氏體相。以上兩種分析都是清洗后表面顯微硬度提高的原因。激光清洗過(guò)程中，7075鋁合金表面會(huì)發(fā)生激光沖擊強(qiáng)化。

圖10（a）顯微硬度壓痕和測(cè)試點(diǎn)位置;（b）激光清洗前后顯微硬度值的變化。

圖11激光沖擊強(qiáng)化示意圖。

3.4.腐蝕行為

暴露在海洋大氣中的鋁合金容易受到鹽霧腐蝕，鋁合金表面的氧化膜會(huì)起到保護(hù)作用。

結(jié)合表4和圖12（a），發(fā)現(xiàn)未潔凈表面沒(méi)有腐蝕坑，但有小而致密的腐蝕產(chǎn)物，主要由O、Al和Cu組成。激光清洗后，去除鋁合金表面的大量鈍化保護(hù)氧化膜。清潔表面上出現(xiàn)一個(gè)大的腐蝕坑，并在圖12（b）所示的腐蝕坑周圍產(chǎn)生一大塊產(chǎn)品。腐蝕產(chǎn)物的主要成分有O、Mg、Al和Zn。Cl的存在也表明鹽霧中的Cl在腐蝕過(guò)程中會(huì)粘附在腐蝕產(chǎn)物上。

表4通過(guò)EDS分析的腐蝕產(chǎn)物的元素含量。

圖127075鋁合金鹽霧腐蝕產(chǎn)品。(一)未清潔表面;(b)激光清洗表面。

根據(jù)以上分析，當(dāng)激光能量密度大于1.82J/cm2，清洗表面出現(xiàn)熱氧化和熔化現(xiàn)象。因此，本部分研究這些現(xiàn)象對(duì)清潔表面耐腐蝕性的影響?？梢钥闯觯邴}霧腐蝕24，用三種不同的激光能量密度清潔的表面上出現(xiàn)腐蝕坑，但腐蝕坑的形態(tài)在圖13中有所不同。如圖13（a）-（c）所示，激光能量密度為1.82J/cm2和2.60J/cm2清洗后，表面腐蝕坑出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，但在激光能量密度為2.21J/cm2，沒(méi)有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。由于缺乏氧化膜保護(hù)，鹽霧滲透到暴露的鋁合金基體中，腐蝕坑中出現(xiàn)裂紋，并在基體中積聚，加劇了腐蝕過(guò)程。在圖13（a1）（a2）所示的1.82J/cm2激光能量密度下清洗的表面腐蝕坑中出現(xiàn)了深腐蝕孔和點(diǎn)蝕表面。在2.21J/cm2的能量密度下清洗后，表面出現(xiàn)腐蝕坑和腐蝕裂紋，但圖13（b1）（b2）所示的腐蝕坑中未出現(xiàn)深腐蝕孔。進(jìn)一步證明，在2.21J/cm2的激光能量密度下，清洗后的表面耐蝕性得到了提高。

圖13不同激光能量密度清洗后的腐蝕表面形貌。（a）ε=1.82J/cm2；（b）ε=2.21J/cm2；（c）ε=2.60J/cm2。

當(dāng)能量密度繼續(xù)增加到2.60J/cm2，可以看出腐蝕溶液沿著腐蝕裂紋流動(dòng)，并沿著圖13（c1）（c2）所示的裂紋滲透到基體中。根據(jù)上述分析，當(dāng)激光能量密度從1.82J/J/cm2，新形成的MgO和Al2O3表面的氧化層阻礙了鹽霧與7075鋁合金基體之間的直接接觸，提高了被清潔表面的耐腐蝕性。但是，過(guò)高的能量密度會(huì)去除新產(chǎn)生的氧化膜，熔融不平的表面也容易使鹽霧溶液積聚在表面，使被清潔表面的耐腐蝕性再次降低。

從圖14可以看出，腐蝕坑的深度和腐蝕速率隨著激光能量密度的增加而先增加，然后減小，最后增加。結(jié)合前面的分析，可以得出結(jié)論，在激光能量密度從0J/cm2增加至1.82J/cm2，7075鋁合金表面的大量氧化膜被去除，使得基體表面逐漸暴露出來(lái)。由于氧化膜失去鈍化保護(hù)，鋁合金基體與鹽霧之間的直接接觸加速了電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致越來(lái)越明顯的腐蝕。在1.82J/cm2的能量密度下，腐蝕坑的深度為2.41μm，腐蝕速率為0.0655g/mm2·h.然后能量密度達(dá)到2.21J/cm2，腐蝕坑深度降至0.56μm，腐蝕速率降至0.0436g/mm2·h.此外，當(dāng)能量密度繼續(xù)增加到2.60J/cm22，腐蝕坑的深度再次增加到2.50μm，腐蝕速率再次增加到0.0791g/mm2·h。

圖14（a）鹽霧腐蝕24深度;（b）鋁合金表面的腐蝕速率。

因此，可以得出結(jié)論，在激光清洗中，不同的激光能量密度會(huì)對(duì)清洗表面的腐蝕行為產(chǎn)生不同的影響。氧化膜的去除程度是影響清洗表面耐蝕性的重要因素，清洗表面的熱氧化和熔化現(xiàn)象也影響清洗表面的耐蝕性。當(dāng)激光能量密度為2.60J/cm2，盡管清潔后表面的氧含量低于1.82J/cm2，清潔表面上的腐蝕坑更深，腐蝕速度更快。因此，它表明當(dāng)激光能量密度為1.82J/cm2，激光不僅可以去除7075鋁合金表面上更多的氧化膜，還可以盡可能地保證清潔表面的耐腐蝕性。

4.結(jié)論

通過(guò)對(duì)7075鋁合金表面氧化膜進(jìn)行激光清洗試驗(yàn)，研究了激光能量密度對(duì)7075鋁合金表面形貌、表面元素組成、表面顯微硬度和表面耐蝕性的影響。研究結(jié)論如下：

(1)在這項(xiàng)研究中，當(dāng)能量密度在1.43J/cm2~1.82J/cm2，原始氧化膜被大量去除，基體不會(huì)熔化。，盡可能保證清潔表面的耐腐蝕性。以1.82J/cm2的能量密度清洗后，7075鋁合金表面的氧質(zhì)量百分比可降低2.03%。

(2)在激光清洗中，等離子體爆炸產(chǎn)生的沖擊波和條紋缺陷中空氣和水爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)清洗表面具有沖擊強(qiáng)化作用。這使得7075鋁合金的表面顯微硬度提高了5.62%，達(dá)到8.45%。

(3)IPG脈沖光纖激光器可以有效去除7075鋁合金上的氧化膜和表面條紋缺陷。氧化膜的去除主要基于氣化機(jī)理和爆炸產(chǎn)生的沖擊波。當(dāng)激光能量密度大于或等于2.21J/cm2，會(huì)發(fā)生熔化。

(4)激光清洗后，鋁合金表面的鈍化保護(hù)氧化膜被去除，導(dǎo)致清洗表面出現(xiàn)大的腐蝕坑和腐蝕產(chǎn)物。腐蝕產(chǎn)物的主要成分有O、Mg、Al和Zn。激光清洗中的熔化現(xiàn)象會(huì)使清洗表面的耐腐蝕性變差。

來(lái)源：Effectoflaserenergydensityonsurfacephysicalcharacteristicsandcorrosionresistanceof7075aluminumalloyinlasercleaning，Optics&LaserTechnology，/10.1016/

參考文獻(xiàn)：Su,Qu,Li,YouInfluenceofRRAtreatmentonthemicrostructureandstresscorrosioncrackingbehaviorofthespray-formed7075alloyMater.Sci.,51(3)(2015),pp.372-380,10.1007/s11003-015-9851-7

江蘇激光聯(lián)盟陳長(zhǎng)軍

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