摘要
随着服役时间的增加，飞机蒙皮会出现磨损、开裂和脱落等问题，进而导致蒙皮或机身结构腐蚀，对飞行安全构成威胁。为了解决这一问题，飞机需定期接受检查和维护，需要对飞机蒙皮表面损伤漆层进行清除，检测后再重新涂漆，以保证飞机的安全性和可靠性。激光清洗是一种绿色、灵活和高效的表面清洗方法，但是激光清洗主要依靠光热效应，如果表面吸收激光能量较大，会造成基体表面产生热损伤，如熔凝、相变和微裂纹等。因此，需要对激光与物质的相互作用机理，以及激光工艺参数对清洗质量进行研究，以获得最优的激光清洗工艺参数，降低光热效应对表面的不良影响，实现高质量飞机蒙皮激光清洗。 本文开展了脉冲激光清洗2024铝合金飞机蒙皮复合漆层的理论和试验研究，探究了脉冲激光清洗过程中激光工艺参数对铝合金表面粗糙度、微观形貌、显微硬度、耐腐蚀性和润湿性的影响，并与机械打磨除漆效果进行对比分析，主要研究工作如下： （1）建立了脉冲激光清洗铝合金飞机蒙皮复合漆层的热-应力耦合模型，通过加载激光工艺参数模拟出不同工况下试样温度、形貌以及应力的变化。当70%光斑搭接率搭配 5.5 J/cm2的激光能量密度时，平面扫描的除漆效果较好，烧蚀凹坑深度最高达到192μm，此时复合漆层几乎完全烧蚀，且阳极氧化膜表面的最大热应力超过漆层粘附力，漆层材料发生弹性剥落。该模拟求得的工艺参数可为后续清洗试验提供参考。 （2）调控光斑搭接率和能量密度进行激光清洗试验，分析清洗试样的表面形貌、除漆率以及粗糙度。结果显示，在选定70%的横向搭接率、50%的纵向搭接率和 5.5 J/cm2的能量密度进行清洗后，漆层特有的 Ti 元素降至 0.28%，粗糙度Sa降至0.297μm，实验结果有效的验证了有限元耦合模型结果的准确性。本文构建了工艺参数（能量密度、横向搭接率、纵向搭接率）与清洗质量（除漆率、粗糙度）之间的预测模型，为激光清洗提供优化工艺参数。通过响应面分析得出，当能量密度为 5.87 J/cm2，光斑横向搭接率为 68.643%，纵向搭接率为 54.602%时，激光清洗表面质量最佳。 （3）对不同能量密度下清洗的实验样品进行性能检测，探究能量密度对表面静态接触角、官能团、显微硬度以及耐腐蚀性的影响。结果显示，在 5.87 J/cm2的能量密度下清洗表面显微硬度达到最高的 349.85HV0.3，静态接触角降低至45.14°，漆层特有的官能团全部消失。在 5.87 J/cm2的能量密度下清洗腐蚀速率为0.15 mm/year，与机械打磨试样相比，腐蚀速率仅为 26.32%，激光清洗试样相较机械打磨与 7 J/cm2清洗试样有着更好的耐腐蚀性。结合阻抗谱和腐蚀形貌分析，氧化膜显著提高了试样的整体阻抗。同时耐腐蚀性能与表面的阳极氧化膜完整性相关，在能量密度为 5.87 J/cm2下清洗，试样受腐蚀溶液和应力作用氧化膜仅形成轻微裂纹。
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