朱洪浩，夏 丹，史中正，谭君洋，董世运

（1.陆军装甲兵学院 装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072；2.空装驻北京地区第七军事代表室，北京 100076）

随着绿色环保越来越受到人们的重视，传统的金属表面清洗方式由于其耗能高、污染大等缺陷，急需寻求改变或替代。清洗激光清洗技术基于激光束与污染物和基底之间相互作用引起的物理和化学反应，在去除固体基体上涂层、氧化层或污染物上，相对于化学清洗和机械清洗有着特殊的优势。由于激光清洗具有通用性强、精度高、可控性强、选择性强、环保等特点，已应用于各行各业。

1 激光清洗的分类

在激光清洗领域，国内外研究人员提出了几种工作机理和加工方式，主要包括干式激光清洗、湿式激光清洗、斜入射激光清洗、激光冲击清洗以及激光辅助流体清洗。

（1）干式激光清洗。干式激光清洗已经在学术界中进行了大量研究，并得到了广泛应用。它通常基于入射激光束和基板/污染物之间的快速热能传递，污染物颗粒受热快速膨胀，提供了对污染物的清洗力。

（2）湿式激光清洗。湿式激光清洗是使用能够强烈吸收所用激光波长的液体层达到清洗的目的。清洗前在工件表面覆盖合适的液体层，激光照射可使液体迅速加热汽化，从而迫使颗粒从表面逸出。蒸汽激光清洗是湿式激光清洗的另一种应用，将工件保持在湿度增加的环境中，通过冷凝作用，在基底与污染物之间凝结出一层很薄的液体层。之后通过激光照射，液体层被加热并汽化，在固-液界面处引起气泡的产生与增大，这导致污染物以下的冲击压力强度足以从将其从表面除去。湿式激光清洗相对于干式激光清洗在去除污染物时对激光能量要求较低，但是由于部分工件的使用环境不便于覆盖液体层，对湿式激光清洗的应用条件有所限制。

（3）激光掠射清洗。在激光掠射清洗中，高强度激光聚焦于稍微高于待清洗的样品表面的一个点上。激光诱导的气体击穿产生强烈的冲击压力波，冲击到待清洗的表面，通过其产生的振动去除表面的污染物。激光掠射清洗技术也可与液相化学清洗相结合，激光诱导击穿发生在液体溶液中，并且液体中产生的冲击压力清洗过程具有显著加速作用。

2 钛合金激光清洗的研究

自1791年发现以来，钛就在航空航天制造业中占据了一席之地。如今，航空航天业是钛合金产品的最大应用领域。钛的高比强度、优秀的耐腐蚀性和高温性能使其在航空航天领域中占有重要地位。在加工过程中，钛合金部件通常会被加工冷却剂、车间灰尘、指纹以及在空气中氧化等污染。在对可靠性要求较高的应用上，例如喷气发动机压缩机叶片，更需要洁净的表面以获得较好的金属结合强度。目前，钛合金表面清洗较为广泛使用的是硝酸-氢氟酸体系的化学清洗方法[1]。

2.1 国外对钛合金激光清洗的研究

国外较早地探索了激光清洗钛合金的可行性，初期使用激光清洗钛合金最大的制约在于钛合金较为活泼，在激光清洗过程中会发生氧化反应。

Langlade[2]等在激光重熔纯钛和Ti6Al4V合金的工作中发现，使用脉冲Nd:YAG激光器，在不同的参数下，试样的表层形成了不同的钛氧化物，如TiO、TiO2、Ti2O3等。他们还指出，激光辐射的特殊非平衡条件是氧化钛层形成的主要原因。

国外学者通过进一步的研究，寻找适当的保护措施，防止钛合金在激光清洗过程中的氧化。

Gyorgy[3]等研究了不同气体环境下激光照射钛的微观结构和形貌效应。试验采用调Q开关Nd:YAG脉冲激光，波长1064nm，脉宽300ns，单脉冲能量2mJ，频率30kHz，脉冲数为1500。试验分别在氮气，氩气和空气环境中进行对比。结果显示，在氩气中进行钛的激光清洗比在空气或氮气环境中能产生更好的表面质量。激光照射过程中表面化学性质发生了变化，受激光强度和激光冲击次数的影响较大。

在此基础上，国外学者进一步研究了不同激光源和激光工艺参数对钛合金表面清洗质量的影响。

Turner分别使用CO2、Nd:YAG和准分子激光对激光清洗航空航天级钛合金进行了详细的研究。使用Nd:YAG激光的主要清洗机理是污染物通过基板表面热传导产生汽化。在CO2激光清洗过程中，一小部分激光束被污染物吸收，导致污染物有选择性地受热和汽化。通过选择能够使污染物汽化且避免与基底发生热诱导反应的激光通量，可以成功地清洁钛表面有机污染物。结果表明，钛合金的熔化阈值为5.51×106W/cm2。能量密度为4.09-5.51 106W/cm2时，表面组织无损伤。同时，结果表明了氩气吹送系统不足以有效保护钛的激光清洗表面，必须通过适当的封闭系统有效地减轻大气的污染。

2.2 国内对钛合金激光清洗的研究

国内早期对于激光清洗的应用于研究多关注于碳钢等材料，对于轻质合金（如铝合金、镁合金、钛合金等）的激光清洗研究起步较晚。直到2012年，黄先明[6]在期刊中摘译了国外的相关文献，激光清洗在钛合金上的应用才开始得到重视。目前，国内对于钛合金激光清洗的研究多为工艺参数的探索，研究不同工艺参数对钛合金激光清洗质量以及对后续加工质量的影响。

罗雅等利用1064nm激光清洗TC11钛合金表面进行焊前预处理。观察激光清洗前后的表面形貌，通过能谱分析试样表面的元素分布变化，结果表明采用合适的激光清洗参数可有效地清除TC11钛合金表面的积碳、金属颗粒及氧化层，激光清洗后TCI1钛合金试板的焊缝质量有明显提高。

3 结论

（1）分析激光清洗的工作机理。由于其具有的独特优势，能够替代现有的钛合金表面清洗方法。

（2）国内外对于钛合金激光清洗的大量研究，为钛合金激光清洗的应用提供了可行的依据。

（3）面对钛合金构件的不同工作环境，需要针对性的探索合适的激光清洗工艺参数。