摘要
激光清洗技术以绿色、安全、便于控制等优点，在航空航天、电子、交通领域有着重要的应用价值。本文对激光清洗飞机蒙皮涂层开展了研究，首先利用有限元软件建立纳秒激光清洗铝合金表面模型，结合实验对单光斑、单轨道、面清洗三个阶段进行分析，研究激光功率、激光扫描速度及线间距对激光清洗效果的影响。然后采用纳秒脉冲激光清洗航空2A12铝合金表面TB06-9涂层，设计了一种新型的两步法无损清洗工艺，并对激光清洗前后试样性能进行测试，对比研究分析材料的性能，主要内容如下： 1.结合实验建立有限元模型，从单光斑、单轨道、面清洗三个阶段分别研究分析激光功率、扫描速度、线间距对试样温度场及表面形貌的影响。在单光斑清洗阶段，随着激光功率的增加，激光的清洗深度逐渐增加，当激光功率为40W时，氧化膜最高温度仅上升0.3℃。在单轨道阶段，随着激光扫描速度的减少，凹坑逐渐靠近，当扫描速度大于1000mm/s时，凹坑之间相互远离，涂层表面留下相互远离的凹坑，当扫描减少到1000mm/s时，凹坑相互叠加形成连续的单轨道，此时氧化膜最高温度仅上升0.5℃。在面清洗阶段，随着线间距的增加，轨道之间相互靠近，当线间距为0.05mm时，氧化膜最高温度为29.3℃，表面清洗均匀，此时激光清洗的最大深度为18.7μm，用同样的参数进行激光清洗实验得出最大清洗深度为19.47μm，误差为4.1%。 2.开展了纳秒激光清洗实验，设计了一种新型的两步法无损激光清洗工艺。在第一步激光清洗过程中，随着激光功率、搭接率的增加，激光清洗涂层的效果越来越好，但是当功率、搭接率大于一定阈值时会对基材的氧化膜造成损伤，最终得到当激光频率为20kHz，激光搭接率为60%（1040mm/s，0.052mm），激光功率为40W时，可以保证在不损伤氧化膜的情况下清洗效果较好。在第一步清洗的基础上进行第二步清洗，采用激光频率为1000kHz，扫描速度为690mm/s，线间距为0.0345mm，激光功率为80W进行第二步清洗，激光清洗后试样的表面与原始试样表面形貌相似。 3.在对涂层进行第一步激光清洗时，随着激光功率的增加，TB06-9涂层特有元素（碳、钛、硅、镁）含量逐渐减少，氧化层及基材特有的铝元素含量逐渐增加，硫元素含量呈先增加后降低的趋势。激光清洗后试样表面与基材原始的氧化层表面形貌、主要元素相同、原子数占比相近，激光清洗后试样表面未发现涂层特有的元素存在，即表明涂层已经完全清洗干净。 4.激光清洗过程中，试样最高温度为133.2℃，不会对材料的组织形态造成影响。对激光清洗前后的试样进行对比分析可知，激光清洗表面显微硬度及抗拉强度基本保持一致，较好地保留了材料的原有力学性能。激光清洗前后试样的自腐蚀电流密度相近，并且远小于基材的自腐蚀电流密度，激光清洗较好保留试样的原耐腐蚀性能。
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