能量密度對A7N01鋁合金激光清洗表面形貌的影響

陳輝剛　陳婧雯　陳輝

摘要：為了獲得激光清洗后鋁合金表面形貌的變化規律，利用脈沖寬度150 ps的激光清洗鋁合金表面氧化膜后，分別采用光學顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀、粗糙度儀等觀察和測試了激光清洗后的鋁合金表面形貌、微觀組織、成分和粗糙度等，結果發現，鋁合金表面氧含量、粗糙度均有所降低，油污和氧化膜被清洗掉后形成了由潮水狀組織和微小顆粒組成的規律的清洗痕跡。研究得出：當能量密度大于1.53 J/cm2時，鋁合金表面溫度較高，產生的等離子氣體沖擊微熔的鋁合金表面，加深痕跡，同時加大了空氣中的氧氣和高溫鋁合金接觸的面積和時間，產生了更加劇烈的氧化現象，從而使鋁合金表面的激光清洗痕跡和二次氧化現象均隨著能量密度的增加而增大。

關鍵詞：激光清洗;鋁合金;形貌;粗糙度

中圖分類號：TG146.21文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0097-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.18

0 前言

激光清洗是利用激光對物質的光致電離、光熱燒蝕、光熱彈性振動等作用[1-3]清洗材料表層的附著物，具有非接觸、無損傷、無污染等優點[4]，可替代傳統的化學清洗和機械清洗，已應用于模具[5]、高鐵[6]、航空[7]、航天[8]、船舶[9]等領域。

鋁合金在大氣中形成的天然氧化膜厚度約為4～5 nm，結構疏松且耐蝕性較差，因此在加工和使用前需要對其進行清洗預處理[10]。鋁合金激光清洗過程涉及去除油污和氧化膜，油污去除是基于激光束分解或蒸發污染物;氧化膜去除則是利用激光束與氧化物層之間相互作用產生的足夠的熱效應[11]使鋁合金的表面形貌發生較大變化，會對后續加工和使用產生影響。

董世運等[12]發現鋁合金激光清洗可顯著增加鋁合金表面的粗糙度，這與其周期性分布的波紋狀溝槽織構有關，且表面粗糙度大小由溝槽輪廓線的波動幅度Δz和中心距Δy共同決定。佟艷群等[13]進行激光清洗鋁合金，發現表面形成了約6 μm深坑，且發生了鋁合金的二次氧化。陳婧雯等[14]在激光清洗鋁合金時發現，掃描速度為50 mm/s、100 mm/s時，x、y方向粗糙度相差很小，隨著掃描速度的增加，粗糙度降低。成健等[15]采用相同功率和速度、不同脈沖寬度進行激光清洗發現，在60～240 ns時，表面清洗區域顏色發生變化，其清洗機制在不停轉變。周聰等[16]用激光清洗鋁合金發現，過大或過小的重疊率（光斑重疊率和掃描軌跡重疊率）均會導致激光清洗表面粗糙度增大、表面形貌變差。A.W.AlShaer等[17]發現，鋁合金表面污染物通常會使表面微觀不均勻，激光清洗表面比未清洗表面的橫截面更平滑、更均勻，粗糙度降低。F.D. Zhang等[11]發現激光清洗鋁合金氧化膜后，表面粗糙度高于初始表面，并且隨著激光能量的增加而增大。

鑒于對鋁合金氧化膜激光清洗表面形貌變化存在爭議，本研究采用熱積累較少、脈沖寬度150 ps的皮秒激光清洗器對A7N01鋁合金進行氧化膜的激光清洗，通過激光能量密度的變化，研究激光清洗對A7N01鋁合金表面形貌的影響，為激光清洗鋁合金的研究和實際應用提供一定的參考及理論依據。

1 試驗材料、設備與方法

1.1 試驗材料

試驗采用A7N01鋁合金，化學成分如表1所示。

1.2 激光清洗設備與方法

采用IPG公司YLPP-1-150V-30型激光器清洗鋁合金氧化膜，波長1 064 nm，頻率600 kHz，脈沖寬度150 ps，離焦量為0，光斑直徑50 μm，脈沖能量密度0.51～2.55 J/cm2，光斑掃描路徑如圖1所示。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀形貌結果與分析

激光清洗前后鋁合金表面形貌如圖2所示。由圖2a可知，鋁合金初始表面為亮白色基體上附著大量灰黑色油污。由圖2b可知，選用激光能量密度為0.51 J/cm2進行清洗后，鋁合金表面的灰黑色油污痕跡仍有少許殘余，同時存在著大量激光光斑燒蝕鋁合金基體形成的條帶狀激光清洗痕跡[12]，表面由亮白色變為啞光白色，說明此時鋁合金清洗后表面對光的反射率降低、吸收率增加，這是激光清洗痕跡所導致的，其存在減小了光的鏡面反射，光需要多次反射才能從表面溢出。由圖2c可知，采用激光能量密度為1.02 J/cm2進行清洗后，鋁合金表面的灰黑色油污痕跡進一步減少，條帶狀激光清洗痕跡更加明顯，表面顏色進一步變暗。由圖2d可知，采用激光能量密度為1.53 J/cm2進行清洗后，鋁合金表面灰黑色油污已全部被清洗掉，清洗痕跡較能量密度為1.02 J/cm2時變淺，說明當能量密度小于1.53 J/cm2時，激光清洗去掉的部分主要由表面油污組成，而當油污全部去掉后，清洗痕跡主要由鋁合金氧化膜和基體形貌變化組成，所以清洗痕跡變淺。圖2e和2f分別為能量密度為2.04 J/cm2和2.55 J/cm2激光清洗后的微觀形貌，兩者的條帶狀清洗痕跡在深淺和大小上幾乎一致，均較能量密度為1.53 J/cm2時加深，亮度也變暗，特別是能量密度為2.55 J/cm2時最暗，說明當能量密度為1.53～2.55 J/cm2時，光的反射率減小，吸收率增大。

為了進一步研究激光清洗后的鋁合金表面形貌，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鋁合金表面。鋁合金激光清洗前后SEM圖像如圖3所示。圖3a為鋁合金表面初始形貌，表面有凹凸不平的斷續劃痕，劃痕寬度約為5 μm，且存在條帶狀油污。由圖3b可知，能量密度為0.51 J/cm2進行激光清洗后，鋁合金表面出現了一些微小的顆粒狀（小于1 μm）和鋸齒狀條帶組織，各組織排列雜亂無規律，說明表面油污已被部分清洗干凈，同時鋁合金激光清洗時，溫度可達7 000 ℃[13]，表面的鋁合金開始熔化且會產生大量的等離子氣體沖擊表面，使得表面形成了少量油污和部分熔化鋁合金沖擊后凝固形態的混合物相。由圖3c可知，激光能量密度為1.02 J/cm2時，表面出現周期排列的潮水狀形貌且邊緣仍呈鋸齒狀，局部有球形的微小顆粒，顆粒尺寸與0.51 J/cm2清洗后相當，此時油污已被完全去掉，熔化的鋁合金被瞬間產生的等離子氣體沖擊，部分發生飛濺，由于熔化、沖擊和凝固時間均較短[18]，鋁合金液體在飛濺過程中凝固，形成微小的顆粒;等離子體的產生滯后于鋁合金的熔化，所以等離子體作用熔化鋁合金方向為已清洗方向往清洗方向，產生了一個向清洗方向的潮水狀組織。由圖3d可知，激光能量密度為1.53 J/cm2時，表面形貌與1.02 J/cm2時相似，只是球形的微小顆粒明顯增加。當激光能量密度增加至2.04 J/cm2和2.55 J/cm2時（見圖3e、3f），總體相貌與能量密度為1.53 J/cm2時相差不大，只是局部的微小顆粒尺寸增大，同時潮水狀形貌邊緣的鋸齒狀開口增大，且隨著能量密度的增加而增大，這是由于隨著能量密度的增加，熔化的鋁合金體積增加，產生的等離子氣體體積和壓力也增加，等離子氣體對鋁合金的作用加強所致。

2.2 表面成分結果與分析

為獲知激光清洗過程中鋁合金表面成分的變化，采用能譜儀分析鋁合金表面成分。激光清洗前后表面元素的質量分數如圖4所示，鋁合金初始表面氧元素質量分數為9.47%，當能量密度為1.53 J/cm2時，表面氧元素質量分數為2.52%，隨著能量密度的增加，鋁合金表面氧元素質量分數逐漸上升直至4.77%，之后保持穩定不變，這是由于鋁合金在脈沖激光作用下熔化、汽化并在表面產生等離子體[19]，通過高密度金屬蒸氣和等離子體去除表面氧化物層，使氧元素顯著降低[20]。鋁合金表面的鎂元素含量一直較為穩定，這是因為鎂元素在A7N01鋁合金中占比較少。變化較大的為鋁元素，從初始表面的87.51%變為清洗后的95.41%，同時氧元素含量下降，說明激光清洗去掉物質主要為鋁合金表面的氧化膜。

2.3 表面粗糙度結果與分析

為了進一步研究激光清洗對鋁合金表面的影響，測試了激光清洗后的鋁合金表面粗糙度。分別沿著軋制方向和垂直于軋制方向進行3次測量并取其平均值，結果如圖5所示。

鋁合金初始表面沿著軋制方向的粗糙度為0.62 μm，垂直于軋制方向的粗糙度為0.38 μm。采用能量密度為0.51 J/cm2激光清洗后，沿軋制方向表面粗糙度為0.50 μm，隨著激光能量密度的增加，其表面粗糙度逐漸增大，激光能量密度為2.04 J/cm2時，表面粗糙度為0.53 μm，但激光能量密度增大到2.55 J/cm2后，表面粗糙度降低為0.53 μm。鋁合金初始表面垂直于軋制方向的粗糙度為0.38 μm。采用激光能量密度為0.51 J/cm2進行清洗后，沿著軋制方向表面粗糙度為0.28 μm，當激光能量密度增加至1.02 J/cm2時，其表面粗糙度增大至0.30 μm，激光能量密度繼續增加，表面粗糙度開始減小，最低降至0.20 μm。激光清洗后，鋁合金表面的粗糙度無論是沿著軋制方向還是沿垂直軋制方向，粗糙度均降低，降低幅值分別為0.12 μm和0.18 μm，最大降低幅度分別為19.35%和47.37%。

2 結論

采用激光能量密度0.51～2.55 J/cm2對鋁合金氧化膜進行清洗，得出以下結論：

（1）鋁合金表面形成了激光光斑燒蝕鋁合金基體形成的條帶狀痕跡，能量密度越大，痕跡越明顯，鋁合金表面對光的反射率越低，吸收率越強。

（2）鋁合金表面形成了周期排列的潮水狀形貌，其邊緣呈鋸齒狀，局部伴有球形的微小顆粒，隨著能量密度的增加，潮水狀形貌邊緣的鋸齒狀開口增大，且球形微小顆粒也增大。

（3）鋁合金表面氧化膜被清洗掉，氧元素質量分數降低，當能量密度為1.53 J/cm2時，鋁合金表面的氧化膜被清洗干凈，氧元素質量分數為2.52%。

（4）鋁合金表面粗糙度降低，在軋制方向和垂直軋制方向，最大降低幅度分別為19.35%和47.37%。

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