TiNi合金表面轧制氧化膜激光清洗工艺研究

（南昌航空大学 焊接工程系，南昌 330063）

TiNi形状记忆合金(SMA)，具有优异的形状记忆性能和超弹性，以及较高的比强度、抗腐蚀、抗磨损和生物相容性等特点，在航天航空、原子能、海洋开发、仪器仪表及医疗器械等领域应用前景广阔[1—4]。然而，TiNi合金极易在其表面形成一层致密的氧化膜，对焊接质量造成严重影响。传统的金属氧化膜去除方法一般为化学清洗法、机械摩擦法，会对环境造成污染。激光清洗是一种新的清洗方法，与传统清洗法相比较而言，激光清洗金属表面时无接触、无研磨，对材料表面的损伤较小；此外激光清洗不需要任何化学溶剂，不会对环境造成污染，是一种绿色清洗方法[5—12]。

国内外学者均对激光清洗金属表面展开了研究。高雯雯[13]采用532 nm激光清洗304不锈钢表面，得出了最佳的加工参数为功率P=26 W，扫描次数N=45，扫描速度S=100 mm/s，并且研究了激光工艺参数对清洗效果的影响。Ruoyang Li[14]研究了激光清洗在厚板超窄间隙多道多层激光焊接工艺上的应用，研究了清洗参数包括槽角、激光功率、离焦量、清洗速度对焊接的影响，实现了40 mm厚钢板激光焊接。Aniruddha Kumar[15]采用脉冲光纤激光清洗Ti-3Al-2.5V管，确定了不同激光重复频率下的阈值参数，优化脉冲焊接参数，实现钛管的对接，然而，目前对TiNi合金激光清洗研究较少。

文中采用Nd： YAG激光清洗手段去除TiNi合金表面轧制氧化膜，通过改变激光清洗工艺参数，研究激光清洗工艺参数对 TiNi合金表面轧制氧化膜的影响，探究激光清洗去除 TiNi合金表面轧制氧化膜的可行性。

1 材料与方法

被焊材料为 0.25 mm厚的表面有致密氧化膜的热轧态 Ti-49.4%Ni（原子数分数），形状记忆合金，简称TiNi合金。采用线切割将材料加工成30 mm×20 mm的试样，其化学成分（质量分数）：Ti 为44.34%，Ni为55.66%。

采用激光清洗设备为 MoDel RQM-0100型 Nd：YAG脉冲激光清洗机，激光平均功率为 100 W，光斑大小为 70 μm×70 μm，波长 1030 nm≤λ≤1080 nm。激光清洗参数见表1。

表1 激光清洗参数Tab.1 Parameters of laser cleaning

2 结果分析

2.1 激光清洗对试样形貌的影响

激光清洗参数为频率20 Hz、功率百分比80%、扫描速度200 mm/s、扫描间距0.03 mm，扫描次数6次时试样形貌见图 1，称之为 1#试样，图 1a为试样表面形貌，图1b为试样横截面形貌。

图1 1#试样激光清洗形貌Fig.1 Laser cleaning morphology of sample 1#

激光清洗参数为频率20 Hz、功率百分比80%、扫描速度200 mm/s、扫描间距0.03 mm、扫描次数10次时试样形貌见图2，称之为 2#试样，其中图 2a为试样表面形貌，图2b为试样横截面形貌。观察激光清洗过后的1#试样和2#试样，可以发现，相较扫描6次的1#试样，扫描 10次的2#试样表面更加明亮，且从试样横截面可以清洗过后的 2#试样截面比 1#试样截面更加均匀一些，但总体来说都还未完全去除氧化膜，且两个试样区别并不明显。结合前期实验结果，说明仅改变扫描次数时，扫描次数到达一定的值后，对试样激光清洗效果的影响变小，即扫描次数具有饱和性[13,16]。

分析实验数据结果，认为是清洗过程中能量输入过小导致不能够让表面氧化膜振动挥发，所以决定使用100 kHz的频率，并大幅度提高扫描速度，使其达到1500 mm/s，增大扫描间距为0.09 mm，同时减少扫描次数的参数激光清洗试样，以下称之为3#试样，其表面形貌和横截面分别见图3a和3b。通过对比发现，与 1#, 2#试样相比，3#试样的表面更加明亮，未被扫描的区域减少，且从横截面可以看出，3#试样清洗过的表面残留氧化膜更少。

为得到更好的清洗效果，在上述参数上进行改进，适当范围内增加扫描次数，可使得清洗效果变化明显，所以在保持其他清洗参数不变的情况下选择增加清洗次数为5次，称之为4#试样。清洗效果见图4，其中图4a为试样表面形貌，图4b为试样横截面形貌。可以看出，改进后清洗参数得到的清洗表面较3#试样更加明亮，且从横截面可以看出，激光清洗后的试样较其他激光清洗参数处理后的试样表面更加均匀，氧化膜去除更加彻底。

图2 2#试样激光清洗形貌Fig.2 Laser cleaning morphology of sample 2#

2.2 激光清洗对氧化膜的影响

观察对比各个清洗参数下的试样表面形貌以及横截面可看出，表面氧化膜清除效果最好的是 4#参数，所以将4#试样用体积比为HF∶HNO3∶H2O=1∶4∶5的腐蚀剂腐蚀，腐蚀后横截面见图5a。图5b为5a中A区放大图，图5c为5a中B区放大图。不难发现，在脉冲激光的冲击作用下，清洗处基材表面呈现致密的强化层，强化层的平均厚度为8.80 µm。激光冲击作用后，TiNi基材组织表层一般呈压应力状态，这种压应力可以提高TiNi基材表面的强度[15—16]。综上所述，激光清洗不仅达到清洗氧化膜的效果，而且还能提高基材表面力学性能，对材料表面强化具有一定的意义。

为进一步确定激光清洗表面氧化膜效果，根据不损伤母材且清洗效果较好的原则，比较各参数下清洗过后的图像，选用4#参数下的清洗试样：频率为100 kHz、功率百分比为100%、扫描速度为1500 mm/s、扫描间距为0.09 mm、扫描次数为5次。对激光清洗过的TiNi合金表面进行XRD测试。测试结果见图6。

由XRD测试结果可知，TiNi合金在4#参数下激光清洗过后，表面仍有TiO, TiO2, Ti3O5等氧化物存在。分析认为，TiNi合金表面的氧化膜致密且坚硬，难以用激光去除，且在清洗过程中，没有保护气体进行保护，激光清洗过程中，热输入很大，而 Ti元素在对氧具有较强的亲和力，极易形成 Ti元素的氧化物，在清洗过程中可能发生了二次氧化，从而表面氧化膜未能清洗完全。

图3 3#试样激光清洗形貌Fig.3 Laser cleaning morphology of sample 3#

图4 4#试样激光清洗形貌Fig.4 Laser cleaning morphology of sample 4#

图5 4#试样腐蚀后横截面形貌Fig.5 Cross section morphology of sample 4# after corrosion

图6 4#参数激光清洗后TiNi合金XRD图谱Fig.6 XRD pattern of TiNi alloy after laser cleaning with parameter 4#

3 结论

1)选用频率为100 kHz、功率百分比为100%、扫描速度为1500 mm/s、扫描间距为0.09 mm、扫描次数为5次的激光清洗参数对TiNi合金表面轧制氧化膜进行激光清洗，可得到表面明亮且均匀的 TiNi合金。

2)激光清洗中，扫描次数具有饱和性，即当扫描次数达到一定数值时，随着扫描次数增加，清洗效果变化不大。

3)经激光清洗过后的TiNi合金表面仍存在一定含量的TiO, TiO2, Ti3O5等氧化物，当激光清洗的热输入过小时，难以将 TiNi合金表面轧制氧化膜清洗去除，热输入过大则可能发生 Ti元素二次氧化，且可能会损伤基材。