撰稿人：王蔚
单位：沈阳工业大学
王蔚, 王孝宇, 刘伟军, 邢飞, 王静. 光斑搭接率对GH3030合金表面积碳及氧化物清洗质量的影响[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(2): 20220164. doi: 10.3788/IRLA20220164
GH3030由于具有良好的高温强度，抗氧化性和抗热腐蚀性，被用在航空航天、能源、化工等工业的高温零部件上。高温合金制成的零部件需要在表面沉积一层热障涂层，才能保证其在高温下以一定的热效率稳定运行。但是，高温合金暴露在空气或成型过程中会形成结构较差且不均匀的氧化层覆盖在材料表面，这些氧化层的存在会使热障涂层与高温合金间的结合性不牢固。此外，在焊接时，材料表面氧化层的存在会影响焊缝的成分从而影响焊缝的力学及化学性能，降低焊缝的质量。因此高温合金材料在使用前需要对表面的污染物进行清洁处理。激光清洗是一种利用短脉冲或超短脉冲高功率密度激光辐照清洗对象，通过激光和清洗对象发生复杂的物理化学作用过程，去除表面涂层或污染物的非接触式清洗方式。激光清洗技术具有高效、高精、绿色环保特征，被誉为“21世纪最具潜力绿色清洗技术”。本文采用纳秒脉冲光纤激光器对 GH3030 镍基高温合金表面积碳及氧化物进行激光清洗实验研究。探究了激光光斑搭接率对 GH3030 高温合金的表面质量的影响规律。
图1 GH3030高温合金表面形貌和成分。（a）原始板材；（b）微观形貌
GH3030作为高温合金，被广泛应用于航空航天重要的零部件，在制作时需要在表面沉积一层热障涂层，才能使其在高温下稳定运行，并提高零件的热效率。但是，在使用过程中会粘附上大量积碳，并在成型、存放和运输过程中其表面易形成氧化物，这些污染物影响了涂层与合金之间的结合性，因此需要对高温合金材料表面的污染物进行清除。目前传统清洗方法物理性的机械擦洗和喷砂清洗，化学性的试剂清洗。与传统清洗方法相比，激光清洗技术具有高效率、高精度、非接触、无污染等技术优点，可使材料表面的污染物吸收能量后发生瞬间气化、崩碎从表面剥离的过程。随着激光器制造技术的快速发展以及解决制造业的实际应用需求，激光清洗技术处于快速发展阶段，成为激光制造技术领域一个新的研究应用热点。国外发达国家在激光清洗理论基础研究、工艺试验探索和实际推广应用等方面均领先于国内，在理论研究方面，针对高温合金清洗过程的机制和模型鲜有研究，由于激光清洗过程十分复杂，甚至多种机制同时作用，清洗模型还不能完整准确描述解析激光清洗行为。在工艺探索方面，激光去除涂层（积碳，轻质合金氧化膜）为研究热点。
本文以 GH3030 镍基高温合金表面积碳及氧化物为研究对象，采用纳秒脉冲光纤激光器对合金表面的积碳及氧化物进行清除，探究不同工艺参数对 GH3030 镍基高温合金表面清洗效果的影响规律。通过分析清洗后表面微观形貌、元素成分及含量、物相、表面粗糙度以及显微硬度，确定激光清洗高温合金氧化膜的合理参数，获取激光工艺参数与GH3030合金表面清洗质量的映射关系。利用电子扫描电镜对7000~10000 mm/s的清洗表面进行微观形貌观察，如图2所示，其中(a1)~(e1)为对应的高倍微观图像。图2(a)为未清洗表面微观形貌，材料表面凹凸不平，氧化物呈块状覆盖在基体之上。同样从图2(b1)~(e1)中可以看出在4种扫描速度下的清洗表面上，块状氧化物已全部消失，表面变得光滑平坦，仅剩颗粒状氧化物残留在样品上，如橙色线框区域所示。但是，残留氧化物颗粒的数量存在差别，图2(c-c1)时，残留的氧化物较少。从图2(c1)~(e1)中可以看出，随着扫描速度的增大，激光作用时间相对变短，光斑搭接率变小，光斑的作用在减弱，样品表面的热量积累减少，导致氧化物吸热不足，清洗程度下降，从而氧化物的残留增多。从图2(b1)可以看出，氧化物残留相较图2(c1)的清洗表面增多，这是由于光斑搭接率变大，激光光斑的能量效应变强，氧化物吸收的能量较多，在原始氧化物去除的同时，有多余的能量传到基体，促使其与空气发生反应，生成了新的氧化物附着在基体表面上。
图2 不同扫描速度下激光清洗试样的表面微观形貌。(a) 未清洗；(b) 7000 mm/s；(c) 8000 mm/s；(d) 9000 mm/s；(e) 10000 mm/s；(a1)-(e1)为对应的高倍放大图像激光清洗常见的作用机理有烧蚀气化、等离子体冲击、相爆炸、热弹性膨胀和光化学作用等，其中相爆炸和气化作用在氧化物的清洗过程中便时常发生。当激光作用在氧化物表面时，光能会被转化为热能，氧化物缺陷内的空气或水分在吸收热量后，受热膨胀发生爆炸反应，进而击碎周围的氧化物形成细小颗粒。如图2(e)下的红色框中，清洗表面看到的细小氧化物颗粒便证实了膨胀爆炸反应的存在，如图2(e1)所示。随着扫描速度的减小，光斑重叠率增大，热积累效应加强，氧化物迅速升温达到沸点，发生气化从基体表面分离。图2(e1)~(c1)便可以很好的说明气化作用的发生，氧化物颗粒不断减少，在扫描速度为8000 mm/s时仅存少数，说明此时氧化物主要是通过气化机制而去除，并伴随有少量的爆炸反应，清洗过程如图3所示。
采用X射线衍射（XRD）方法对样品表面的物相成分进行分析，更深入探究4种扫描速度下GH3030高温合金的表面清洗效果。未经激光处理和不同扫描速度处理后样品表面的XRD结果如图4所示。可以看出，未经激光处理的表面XRD结果显示有Ni峰，C峰和两种氧化物(NiO，Cr2O3)峰。当扫描速度为8000 mm/s时，与其他扫描速度下的清洗表面相比Ni峰的强度更强，Cr2O3峰强度更弱，说明此时氧化物的残留更少，清洗效果更好。随着扫描速度进一步增大，Cr2O3峰的强度又有所增强，材料表面由于热积累不足，氧化物没有被清洗干净，依然残留在样品表面。综上可以得出，在激光功率和光斑直径一定时，扫描速度的大小在很大程度上代表光束能量效应。
图4 激光清洗前后GH3030高温合金表面的XRD图谱
表面粗糙度是材料加工过程中一项必不可少的技术要求，对材料的可加工性、耐磨和耐蚀性均有显著影响，因此对激光处理后材料表面粗糙度的研究是十分有必要的。不同扫描速度清洗后样品表面粗糙度的变化规律如图5所示，Ra和Rz均呈先减小后增加的趋势。未清洗表面分布着凹凸不平的氧化物，粗糙度值最大(Ra约为0.336 μm，Rz约为1.85 μm)，经不同扫描速度清洗后的表面粗糙度均小于未清洗表面粗糙度。随着扫描速度的增加，光斑作用时间缩短，热效应减弱，氧化物的去除方式由气化作用为主导转变为以相爆炸为主导，爆炸后表面残留的氧化物导致粗糙度的增加。
图5 激光扫描速度对样品表面粗糙度的影响
图6为不同激光扫描速度对基材表面显微硬度的影响，从图6(a)可以看出，所有测量点的显微硬度浮动区间变化不大，说明激光清洗没有对基材表面的显微硬度产生影响。同样从图6(b)中可以看出未清洗表面与不同扫描速度清洗后表面的平均显微硬度相差甚微。未清洗表面的平均显微硬度约为225.7 HV，经不同扫描速度清洗后，基材表面的平均显微硬度围绕225.9 HV上下波动，变化幅度微小。因此，可以得出在这四种扫描速度下GH3030高温合金表面氧化物被去除的同时，基材的显微硬度没有发生明显变化。
图6 激光清洗前后基材的显微硬度。（a）不同点的显微硬度；（b）平均显微硬度
本文对GH3030镍基高温合金表面积碳及氧化物进行清洗实验，探究了激光光斑搭接率对清洗表面形貌、元素成分、物相变化、表面粗糙度和显微硬度的影响规律，研究表明激光清洗作为GH3030镍基高温合金表面积碳及氧化物的清理工艺具有可行性。采用合适的激光光斑搭接率不仅可以有效去除表面的积碳及氧化物，而且不会造成基体的二次氧化。清洗过程中的主要去除机制是相爆炸和气化机制。且不同光斑搭接率清洗后的表面显微硬度与未清洗表面的相比基本不变。但是，目前由于激光清洗工艺参数众多，激光与材料间作用关系复杂，后续研究还需要对全方面的激光清洗工艺参数进行探索和完善，同时借助实时温度检测设备和高速摄像机对激光清洗过程中的动态温度和氧化膜的爆炸及飞溅现象进行深入分析。
沈阳工业大学激光与智能制造研究所由刘伟军教授和邢飞教授带头，团队现拥有成员28人，国家万人计划人才2人，辽宁省攀登学者2人，辽宁省兴辽英才计划青年拔尖人才2人，辽宁省百千万人才工程百层次3人。依托辽宁省激光表面工程技术重点实验室和辽宁省复杂曲面数控制造技术与装备工程研究中心在数字红外焦平面技术域开展研究。紧紧围绕国家先进装备制造业领域的重大需求和战略发展目标，立足于航空航天、海工、船舶等高端装备核心零部件数字化制造技术的发展前沿，开展创新性应用基础研究和重大共性关键技术攻关；致力于发展具有自主知识产权的核心技术及专用装备，推进工程应用和产业化。
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