能量输入对TC4钛合金纳秒脉冲激光清洗质量的影响

杨 烁, 宋文清, 雷正龙, 冯俊华, 李 凯, 彭 睿

(1.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043)(2.哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)(3.中车长春客车轨道股份有限公司, 吉林 长春 130062)

钛及钛合金是现代工业中不可缺少的结构材料和功能材料，广泛应用于航空航天、海洋船舶、化工、汽车、电力、医疗等领域[1-4]。钛及钛合金在加热成形或机械加工过程中，因长时间与高温空气接触，表面不断吸附氧而形成氧化层[5]。由于氧化层的存在，钛合金的弹性模量、抗疲劳强度、承载能力会大大降低[6]，在使用过程中易产生裂纹而使整个构件失效[7]。此外，氧化层也会对钛及钛合金的焊接性产生不利影响。因此，钛及钛合金材料在加工使用前需要对其表面的氧化层进行清洗，以提高使用寿命或者给后续材料的加工提供有利条件。清洗氧化层的传统方法有化学法(酸、碱洗法)[8]和机械法(水喷砂法等)[9]。虽然这2种方法能够达到一定的清洗效果，但是化学法存在清洗周期长、环境污染严重等缺点，机械法易对基材造成损伤，二者均存在很多局限性。

激光清洗技术作为一种绿色环保的表面处理新技术，具有精度高、清洗效果佳、应用范围广、易于自动化控制等优势，在航空航天、汽车、船舶、微电子及文物保护等领域应用前景广阔，被誉为是“21世纪最具发展潜力的绿色清洗技术”[10]。Wang等[11]研究了激光清洗功率对TC4钛合金样品表面形貌、涂层附着力、耐磨性和硬度的影响，当激光能量密度为4 J/cm2时可以将污染物和氧化层去除，且涂层附着力、耐磨性和硬度均有所提高。罗雅等[12]用激光对TC11钛合金表面进行焊前预处理，在激光功率150 W、光斑直径0.8 mm、清洗速率10 mm/s条件下可有效清除TC11钛合金表面的积碳、金属颗粒及氧化层，并且使焊缝质量得到提高。Yue等[13]利用短脉冲激光去除钛合金表面的富氧α层，测定了富氧α层的去除率并通过建立模型预测富氧α层的厚度。陈俊宏等[14]研究了不同焊前清洗方法对钛合金焊缝气孔率的影响，发现激光清洗可以使焊缝气孔率达到航天行业I级标准。

虽然研究人员已经开展了一些钛合金激光清洗试验，但研究内容主要集中在激光功率等工艺参数对表面形貌及性能的影响，鲜有关于纳秒脉冲激光能量输入对钛合金表面氧化层清洗效果的研究。本研究进行了TC4钛合金表面氧化层纳秒脉冲激光清洗试验，通过改变激光功率和脉宽等工艺参数研究了不同激光能量输入对清洗后钛合金表面形貌、氧化层去除厚度和粗糙度等的影响规律，从而获得比较合适的TC4钛合金激光清洗参数，以期为激光清洗钛合金氧化层工艺参数制定和清洗机理研究提供实验数据和理论依据。

1 实 验

待清洗试件为TC4钛合金板材，规格为75 mm×150 mm×2 mm。通过光学显微镜可以观察到TC4钛合金板材表面覆盖有大量黑色氧化物，该氧化物是在热加工过程中形成的，以TiO2为主，排布较为致密，几乎看不到银白色基体，如图1所示。图2为激光清洗前TC4钛合金板材横截面形貌，经测量氧化层厚度为(25±3)μm。

图1 激光清洗前TC4钛合金板材表面形貌Fig.1 Surface morphologies of TC4 titanium alloy plate before laser cleaning

图2 激光清洗前TC4钛合金板材横截面形貌Fig.2 Cross section morphology of TC4 titanium alloy plate before laser cleaning

采用激光清洗试验平台清洗样品表面氧化层，其结构示意图如图3所示。该平台配备有纳秒级光纤脉冲激光器，波长为1064 nm，脉宽在30～100 ns范围内可调，脉冲频率范围为2～50 kHz，最大输出功率为1000 W。激光清洗使用振镜扫描方式，X方向振镜和Y方向振镜在一定角度旋转，使激光在一定区域内扫描。

图3 激光清洗试验平台结构示意图Fig.3 Structure diagram of laser cleaning experimental platform

激光清洗效果与激光在材料上形成的温度场和应力场的时空分布密切相关[15]，而激光能量输入是影响温度场和应力场最主要的因素。控制激光功率和脉宽来改变激光能量输入，可以得到不同的清洗效果。激光清洗参数：脉冲频率20 kHz，光斑直径960 μm，扫描速度3000 mm/s，激光功率100、300、500 W，脉宽30、60、100 ns。

利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对激光清洗后的试样表面形貌进行观察和分析；利用激光共聚焦电子显微镜对清洗后表面粗糙度进行测定；利用超景深光学显微镜对清洗边界进行观察，测量清洗区和未清洗区的相对高度，计算氧化层的去除厚度。从清洗深度和表面形貌等维度评价不同激光能量输入下TC4钛合金表面氧化层的去除效果以及对基材表面的影响。

2 结果与分析

2.1 能量输入对表面形貌的影响

采用超景深光学显微镜观察激光清洗后的试样表面形貌并测量各区域的相对高度。通过相对高度信息绘制表面高度的起伏曲线，分析高度的变化趋势。图4为60 ns脉宽下以不同功率激光清洗后TC4钛合金表面的超景深光学显微镜照片。根据表面形貌的特点，可以将清洗界面大致分为清洗区、过渡区和未清洗区3个区域。过渡区形成的主要原因是在清洗区的末尾，由于脉冲激光搭接不充分，能量输入较少导致的。

图4 60 ns脉宽下不同功率激光清洗后TC4钛合金表面的超景深光学显微镜照片Fig.4 Surface morphologies of TC4 titanium alloy after laser cleaning with different power at pulse width of 60 ns by depth of field optical microscope: (a) 100 W； (b) 300 W； (c) 500 W

激光功率为100 W时，清洗区和过渡区仍残留较厚的且较为致密的氧化层，导致表面在光学显微镜下呈现黄白色，清洗区和未清洗区形貌差别不明显(图4a)。当激光功率为300 W时，清洗区、过渡区和未清洗区形貌呈现明显的区别(图4b)。清洗区因表面氧化层被去除得较为彻底，表面呈现钛合金基体的银白色，且较为平整；过渡区清洗不彻底，表面起伏较大，呈现黄黑色；未清洗区依然是原始的黑色表面。3个区域的相对厚度呈现阶梯状，清洗区和未清洗区的厚度差明显，清洗效果较好。激光功率为500 W时，清洗区呈现钛合金基体银白色，但是有烧蚀的现象产生，凹坑明显，表面起伏大；过渡区为黄白色，有少量氧化物残留(图4c)。

图5是脉宽30 ns，激光功率分别为100、300、500 W下清洗后TC4钛合金表面的SEM形貌。从图5可以看出，激光功率为100 W时，基材表面残留有大量氧化物，氧化物排列较为致密，附着在基材表面形成凹坑状的形貌；激光功率为300 W时，基材表面变得较为平整，有纳米级微裂纹出现，且局部明暗不一致，表明表面状态一致性较差；激光功率为500 W时，基材表面平整，氧化物基本被去除，可以明显看到密布在表面的微裂纹。

图5 30 ns脉宽下不同功率激光清洗后TC4钛合金表面的SEM形貌Fig.5 SEM morphologies of TC4 titanium alloy surface after laser cleaning with different power at pulse width of 30 ns:(a) 100 W； (b) 300 W； (c) 500 W

据研究[16]，微裂纹形成于钛合金的富氧α层。富氧α层是氧元素在表面α相中形成的间隙固溶体，改变α相的晶格常数和位错的滑移方向，导致位错运动阻力增加，使合金的脆性增大，因而表面易产生微裂纹。纳秒脉冲激光清洗去除氧化物后暴露出了富氧α层，因而观察到其表面存在大量微裂纹。微裂纹会极大地影响钛合金的拉伸性能和疲劳性能，在工程中应尽量避免。

图6是平均激光功率为300 W，脉宽分别为30、60、100 ns条件下清洗后TC4钛合金表面的SEM形貌。从图6可以看出，随着脉宽的增加，微裂纹的宽度和密度均有所下降。在清洗过程中，可以提高脉宽来减少微裂纹，从而提高清洗后钛合金的力学性能。

图6 激光功率300 W时不同脉宽下激光清洗后TC4钛合金表面的SEM形貌Fig.6 SEM morphologies of TC4 titanium alloy surface after laser cleaning with different pulse width at power of 300 W: (a) 30 ns； (b) 60 ns；(c) 100 ns

2.2 能量输入对氧化层去除厚度的影响

TC4钛合金表面氧化层去除厚度随激光功率和脉宽的变化如图7所示。激光功率为100 W时，由于激光能量较低，产生的热影响区较小，对氧化层的烧蚀效应和振荡剥离效应不明显，只能去除少部分的氧化物，清洗效率较低。激光功率为300 W时，几乎能将所有氧化物去除，清洗效率明显增加。激光功率增加到500 W时，去除厚度相比300 W时增加并不多，主要原因是激光功率过大，激光在清洗氧化层后还对基材造成了一定的损伤，而激光对基材的烧蚀速率远低于对氧化层的烧蚀速率，导致去除厚度增加不明显。

图7 TC4钛合金表面氧化层去除厚度与激光能量的关系Fig.7 Relationship between removal thickness of oxide layer on TC4 titanium alloy surface and laser energy: (a) laser power； (b) pulse width

激光能量输入是影响温度场和应力场最主要的因素，与激光清洗效果有直接关系。激光能量输入主要包括单脉冲激光能量密度和作用时间，受脉宽的影响[17]。单脉冲能量密度Et、激光作用时间T0表达式分别如式(1)、式(2)所示：

(1)

T0=Ttf

(2)

式中：P为激光功率；f为脉冲频率；R为激光光斑半径;v为清洗光斑移动速度；T为激光扫描时间；t为脉宽。在相同的激光扫描时间下，脉宽增加时，激光作用时间变长；当激光功率和清洗光斑移动速度不变，脉宽增加时，单脉冲能量密度减小。激光功率恒定而脉宽较长时，单脉冲热输入不变但是激光作用时间较长，热量在钛合金中的传导时间长，激光产生的热影响区域变大而用于烧蚀氧化层的热量减小，并且钛合金板材的热变形明显。因此，当激光功率为500 W时，脉宽100 ns下的清洗效果不如30 ns和60 ns。激光功率为100 W时，去除厚度随脉宽的变化不明显，主要原因是100 W的激光总热输入较小，没有达到氧化层的清洗阈值。激光功率为300 W时，去除厚度随脉宽的增大而明显减小。激光功率为500 W时，随着脉宽增加，去除厚度呈现先增加后减小的趋势。氧化层去除厚度随脉宽的变化是单脉冲能量密度和激光作用时间共同影响的结果，当脉宽小于60 ns时，单脉冲能量密度的影响效果占主导；脉宽大于60 ns时，热作用时间的影响效果占主导。

2.3 能量输入对表面粗糙度的影响

激光清洗后钛合金表面粗糙度随激光功率的变化趋势如图8所示。由图8可见，随着激光功率由100 W增加到500 W，清洗区钛合金表面粗糙度呈现出先减小后增大的趋势。激光功率为100、300 W时，各脉冲下清洗区的粗糙度差别不大，脉宽对粗糙度的影响较小；激光功率增加到500 W时，清洗区粗糙度显著增大。这是由于激光功率较低时，钛合金表面部分氧化物被去除，在材料表面留下激光烧蚀的划痕，未被清洗的腐蚀坑露出材料表面，导致样件表面凹凸不平，粗糙度稍有增大；当激光功率较高时，表面污垢和氧化层被去除后，使得试件表面平整，粗糙度减小；当激光功率更高时，试件表面吸收较高的激光能量，产生较大的光致应力并发生微区熔化现象，微熔池液面在光致应力的作用下震荡，并在激光脉冲间隔期间迅速冷却形成粗糙表面，最终使得材料表面的粗糙度显著增大。

图8 激光能量与TC4钛合金表面粗糙度的关系Fig.8 Relationship between laser energy and surface roughness of TC4 titanium alloy after laser cleaning

3 结 论

(1) 采用纳秒脉冲光纤激光可以有效去除TC4钛合金表面氧化层。在激光功率300 W、脉宽60 ns条件下能获得较好的清洗效果，且基材未受到明显损伤。

(2) 清洗后的TC4钛合金表面存在纳米级微裂纹，增加脉宽可以抑制微裂纹的形成。

(3) 随着激光功率的增加，TC4钛合金表面氧化层去除厚度增大；随着脉宽的增加，氧化层去除厚度先增加后减小。

(4) 随着激光功率的增加，TC4钛合金表面粗糙度呈现先减小后增大的趋势；脉宽对粗糙度的影响较小。