1、小序
钛合金质料因具有强度高、耐蚀性好、耐高温性能、密度小等一系列优点，，，，，在航空领域有普遍的应用[1]。。。。 。。 。。在工业领域中，，，，，为了提高质料的使用寿命、降低使用本钱和应用的雅观性，，，，，质料外貌通 ；；；；；；；崤缤糠朗捶佬饧案阶帕细叩耐坎鉡2]。。。。 。。 。。但在重大的应用情形下，，，，，漆层会泛起划伤、剥落、老化等征象[3]，，，，，需要除去外貌的旧漆，，，，，喷涂新漆。。。。 。。 。。现有的除漆要领主要是机械打磨、脱漆剂除漆、喷砂除漆等[4]，，，，，普遍保存如下问题：除漆质量一致性差、基体微损伤、效率低、污染大等[5-6]。。。。 。。 。。激光洗濯手艺因具有绿色环保、洗濯效率高、非接触式、自动化洗濯等优势[7-8]，，，，，吸引了海内外科研职员的普遍关注，，，，，并在相关领域取得一定的研究希望。。。。 。。 。。
激光除漆的实质就是使用激光脉冲能量在短时间内使基材外貌漆层烧蚀、气化或振动剥离去除，，，，，抵达洗濯基材的目的[9]，，，，，而激光洗濯质量与工艺参数的选择亲近相关。。。。 。。 。。现在，，，，，海内外研究学者在激光除漆手艺的工艺研究方面开展了大宗事情。。。。 。。 。。郭召恒等[10]研究了激光功率、洗濯速率和脉冲频率对HT250铸铁除漆后外貌形貌、外貌粗糙度和除漆率的影响纪律，，，，，最后得出最优除漆工艺参数。。。。 。。 。。蒋一岚等[11]通过选择合适的扫描间距、激光功率密度及扫描次数，，，，，乐成地将飞机蒙皮外貌的两层油漆层完全去除。。。。 。。 。。赵海朝等[12]研究了洗濯速率、脉冲频率和激光功率对除漆质量的影响，，，，，并且剖析了激光洗濯漆层的历程和作用机制。。。。 。。 。。Li等[13]较量视察了差别激光能量密度下金属基体上的涂层烧蚀特征和涂层去除效果。。。。 。。 。。Zhao等[14]通过激光能量密度、扫描速率、重复频率举行正交优化实验，，，，，获得剥离涂层的最佳工艺参数。。。。 。。 。。雷正龙等[15]通过毫秒与纳秒脉冲激光除漆实验发明差别时间标准的激光除漆质量和除漆机制有很大差别。。。。 。。 。。童懿等[16]研究发明脉冲频率对激光除漆后试样外貌形貌、洗濯厚度和洗濯机理有较大的影响，，，，，同时得出脉冲频率的提高可获得更好的洗濯效果。。。。 。。 。。Kim[17]等研究了激光能量密度对去除底漆和氧化层的影响，，，，，通过选择合适的能量密度可以有用地去除油漆和氧化层，，，，，而不会损伤基材。。。。 。。 。。Mateo等[18]研究发明通过选择合适的激光能量和脉冲频率能够在不损伤基体的情形下将漆层去除清洁。。。。 。。 。 ；；；；；；；苹暗萚19]通过正交试验研究了工艺参数对Fe元素重量百分比和外貌粗糙度的影响纪律，，，，，确定了最佳的除漆参数。。。。 。。 。。Li等[20]研究了在差别激光洗濯速率和移动速率下洗濯后的质料外貌形貌、显微组织、化学因素和硬度。。。。 。。 。。
诸多学者虽对差别基材与差别漆层之间的去除工艺举行了大宗研究，，，，，对钛合金外貌漆层的激光洗濯历程和洗濯后质料外貌性能的研究还少见报道。。。。 。。 。。本文接纳TC4钛合金外貌涂覆的环氧锌黄漆层为试验工具，，，，，举行激光洗濯试验，，，，，研究激光能量密度和激光洗濯速率对除漆效果的影响纪律，，，，，及激光洗濯后的外貌形貌和外貌粗糙度，，，，，并剖析缘故原由。。。。 。。 。。最后通过物相剖析确定最佳的激光除漆工艺参数。。。。 。。 。。别的还对激光洗濯后的基材维氏硬度举行了研究。。。。 。。 。。
2、试验装置与要领
2.1试验质料
试验所用的质料为TC4钛合金，，，，，主要元素为Ti、Al和V等[21]。。。。 。。 。。用剪板机将TC4钛合金板材切割成15mm×15mm×2mm的长方体试样块，，，，，在试样的外貌匀称喷涂约35μm厚的灰色环氧锌黄底漆（由环氧树脂、颜料、助剂、硬化剂等组成），，，，，其具有优异的附着力且防腐防锈、防水耐磨[22]。。。。 。。 。。图1为光学显微镜下喷漆后的试样截面和漆层外貌，，，，，可以看出钛合金外貌漆层厚度较量匀称并且漆层外貌为圆弧状和巨细不均的颗粒状相间漫衍的外貌形貌。。。。 。。 。。
2.2激光洗濯试验装置与试验要领
图2是激光洗濯系统的试验装置示意图，，，，，该装置主要由脉冲光纤激光器、扫描振镜系统、控制系统、移动事情台、传输系统及其它辅助装备等组成。。。。 。。 。。激光发射口装置在机械人上，，，，，激光器在控制系统作用下发出激光，，，，，通过扫描振镜在X偏向的往复摆动和机械人在Y偏向的移动实现试样外貌的激光洗濯。。。。 。。 。。
由于漆层较薄且为了提高洗濯效率，，，，，本试验均接纳一次扫描。。。。 。。 。。试验中使用的脉冲光纤激光器的波长为1064nm，，，，，最大功率为1000W，，，，，聚焦到试样外貌的激光光斑为边长1.5mm的方形平顶光斑，，，，，平顶光斑内的能量是匀称漫衍的[23]。。。。 。。 。。设定脉宽为70ns，，，，，脉冲频率为10kHz，，，，，扫描线宽为10mm，，，，，振镜扫描速率为3000mm/s，，，，，选择激光能量密度在2.22J/cm2~4.44J/cm2，，，，，激光洗濯速率在3mm/s~9mm/s规模内举行激光洗濯试验。。。。 。。 。。
使用OLS5100型激光共聚焦显微镜剖析洗濯后的外貌形貌并丈量外貌粗糙度，，，，，丈量区域为1280.088μm×1279.821μm，，，，，剖析脉冲激光对TC4钛合金外貌漆层的洗濯历程。。。。 。。 。。使用X射线衍射仪（XRD）对激光洗濯漆层的物相转变举行了表征，，，，，试样扫描角度为5°~80°，，，，，扫描速率为8°/min。。。。 。。 。。使用HVS-1000型显微维氏硬度计测试除漆前后的维氏硬度，，，，，丈量时选择试验力为1kg，，，，，保荷时间为15s，，，，，剖析脉冲激光在去除漆层的历程中对基材外貌性能的影响。。。。 。。 。。
3、效果与讨论
影响激光除漆质量的工艺参数较多，，，，，但影响效果较显著的有激光能量密度e和激光洗濯速率v，，，，，激光能量密度可以体现为[24-25]：
式中，，，，，q为单脉冲能量，，，，，L为方形光斑的边长，，，，，P为脉冲激光的平均功率，，，，，f为脉冲频率。。。。 。。 。。为了研究在差别激光能量密度和洗濯速率下漆层去除情形以及能量密度过大对基材的影响。。。。 。。 。。通过改变激光功率来确定激光能量密度，，，，，激光功率按最大功率的10%的转变量依次降低，，，，，直到降到最大功率的50%，，，，，盘算后获得的能量密度划分为4.44J/cm2，，，，，4J/cm2，，，，，3.56J/cm2，，，，，3.11J/cm2，，，，，2.67J/cm2，，，，，2.22J/cm2。。。。 。。 。。洗濯速率从9mm/s逐渐降到3mm/s。。。。 。。 。。
3.1激光能量密度对除漆效果的影响
为了研究激光能量密度对除漆效果的影响，，，，，选择激光能量密度在2.22J/cm2~4.44J/cm2规模内，，，，，洗濯速率为3mm/s，，，，，试验效果的二维形貌如图3所示。。。。 。。 。。从图3（a）可以看出，，，，，当能量密度为2.22J/cm2时，，，，，漆层外貌泛起了许多漫衍不均且巨细差别的凹坑，，，，，外貌漆层相对较量完整 ；；；；；；；从图3（b）可以看出，，，，，当能量密度为2.67J/cm2时，，，，，漆层外貌呈暗玄色，，，，，钛合金基体最先显露出来，，，，，且露出的基体区域泛起巨细纷歧，，，，，不规则漫衍的圆弧形貌 ；；；；；；；从图3（c）、（d）可以看出，，，，，当能量密度划分为3.11J/cm2和3.56J/cm2时，，，，，露出的基体面积逐渐变大，，，，，外貌笼罩的漆层也逐渐镌汰 ；；；；；；；从图3（e）可以看出，，，，，当能量密度为4J/cm2时，，，，，可显着看到亮色的钛合金基体且外貌无残留漆层 ；；；；；；；从图3（f）可以看出，，，，，当能量密度继续增大到4.44J/cm2时，，，，，会泛起太过洗濯，，，，，使钛合金外貌爆发烧蚀损伤[22]，，，，，外貌呈棕黄色。。。。 。。 。。由式（1）可知，，，，，光斑巨细一准时，，，，，单脉冲能量与激光能量密度成正比，，，，，随着激光能量密度的增添，，，，，单脉冲能量增添，，，，，激光洗濯强度越高，，，，，除漆效果也越好。。。。 。。 。。
图4是激光洗濯速率为3mm/s时差别激光能量密度下试样外貌的三维形貌。。。。 。。 。。从图4（a）可以看出，，，，，试样外貌笼罩着的漆层上保存许多巨细、深浅差别的凹坑，，，，，这是由于油漆中的有机粘结剂在激光的照射下吸收热量爆发热剖析，，，，，由于气化点低，，，，，爆发热解气，，，，，膨胀气体会突破油漆的约束，，，，，释放到空气中[15]，，，，，导致油漆外貌形成巨细差别的凹坑 ；；；；；；；从图4（b）可以看出，，，，，露出的基材区域为圆弧形的外貌形貌，，，，，并且其周围的漆层侧壁较平滑，，，，，基材外貌的漆层厚度相对较量匀称 ；；；；；；；从图4（c）、（d）可以看出，，，，，残留的漆层外貌厚度不均，，，，，尤其是靠近露出基材边沿的区域，，，，，有较高的凸起犹如崎岖升沉的山脉 ；；；；；；；从图4（e）可以看出，，，，，基材外貌的漆层被所有去除，，，，，外貌形貌平整平滑 ；；；；；；；从图4（f）可以看出，，，，，由于过大的激光能量密度使基材爆发损伤，，，，，可以看到基材外貌的条纹形貌，，，，，泛起出显着的崎岖差别。。。。 。。 。。
3.2激光洗濯速率对除漆效果的影响
为了研究激光洗濯速率对除漆效果的影响，，，，，选择激光洗濯速率在3mm/s~9mm/s规模内，，，，，能量密度为4J/cm2，，，，，试验效果的二维形貌如图5所示。。。。 。。 。。从图5（a）可以看出，，，，，当洗濯速率为9mm/s时，，，，，由于激光洗濯速度过快导致漆层吸收的热量较小，，，，，试样外貌依然保存着相对较量完整的漆层，，，，，漆层外貌泛起许多凹坑和部分的凸起 ；；；；；；；从图5（b）可以看出，，，，，当洗濯速率为8mm/s时，，，，，洗濯速率有所减小，，，，，试样外貌吸收的激光能量增添，，，，，导致热量积累，，，，，漆层外貌泛起了显着的熔融痕迹和较大的融坑 ；；；；；；；从图5（c）~（e）可以看出，，，，，当洗濯速率为6mm/s时，，，，，最先露出基材，，，，，并且随着洗濯速率的进一步减小，，，，，激光作用到漆层的时间逐渐变长，，，，，试样外貌残留的漆层逐渐镌汰，，，，，由相互毗连的片状漆层到无规则漫衍的残留漆层颗粒 ；；；；；；；从图5（f）可以看出，，，，，当洗濯速率为3mm/s时，，，，，漆层所有去除。。。。 。。 。。由图5可知，，，，，随着洗濯速率的减小，，，，，激光光斑在洗濯速率偏向上的扫描线之间的光斑搭接变大，，，，，漆层外貌的热量积累也逐渐升高，，，，，导致了漆层被大宗去除，，，，，除漆效果逐渐变好。。。。 。。 。。最佳工艺参数是能量密度为4J/cm2，，，，，洗濯速率为3mm/s，，，，，在此工艺参数下，，，，，试样外貌洗濯的最清洁、无漆层残留，，，，，且对基体的损伤最小。。。。 。。 。。
图6是激光能量密度为4J/cm2时差别激光洗濯速率下试样外貌的三维形貌。。。。 。。 。。从图6（a）可以看出，，，，，漆层在激光的照射下，，，，，外貌温度升高导致漆层受热膨胀和热剖析，，，，，漆层外貌泛起了许多不规则漫衍的凸起和大宗的凹坑，，，，，且凸起部分圆润平滑 ；；；；；；；从图6（b）可以看出，，，，，漆层外貌泛起了较大的融坑，，，，，以及周围凸起的岑岭，，，，，说明漆层受热融化从而形成崎岖升沉的熔融痕迹 ；；；；；；；从图6（c）可以看出，，，，，当洗濯速率为6mm/s时，，，，，基材显露出来，，，，，剩余漆层外貌且靠近露出基材的区域有部分凸起但整体外貌形貌和厚度漫衍较匀称，，，，，并且漆层外貌有许多漫衍不均的凹坑 ；；；；；；；从图6（d）、（e）可以看出，，，，，外貌依然笼罩着许多片状和颗粒状漆层且漆层边沿呈圆弧形貌 ；；；；；；；从图6（f）可以看出，，，，，漆层去除清洁后露出的平整平滑的钛合金外貌形貌。。。。 。。 。。
3.3外貌粗糙度
表1为差别能量密度下的单脉冲能量和激光洗濯后的外貌粗糙度。。。。 。。 。。从表1可以看出，，，，，能量密度在2.22J/cm2~4J/cm2规模内时，，，，，随着能量密度的增添，，，，，外貌粗糙度先增大后减小，，，，，团结图4三维形貌剖析以为：当能量密度为2.22J/cm2时，，，，，此时单脉冲能量较小，，，，，漆层吸收的激光能量没有使外貌温度升高许多，，，，，使漆层坚持的相对较量完整，，，，，此时粗糙度较小Sa=6.439μm ；；；；；；；当能量密度为3.11J/cm2时，，，，，由于已经露出大部分基材以及剩余漆层受热所爆发的高低不平的外貌形貌，，，，，如图4（c）所示，，，，，此时粗糙度抵达最大值Sa=24.790μm ；；；；；；；随着激光能量密度的增添，，，，，漆层吸收的脉冲能量增添，，，，，使漆层外貌的温度升高，，，，，更多的漆层被烧蚀、气化去除，，，，，外貌粗糙度也逐渐减小！！！ 。。 。 ；；；；；；；当能量密度为4J/cm2时，，，，，试样的外貌粗糙度抵达最小Sa=2.082μm，，，，，此时外貌漆层已经洗濯清洁，，，，，并且与原始TC4钛合金外貌粗糙度Sa=2.091μm相靠近 ；；；；；；；当能量密度继续增大到4.44J/cm2时，，，，，过大的激光脉冲能量对基材造成损伤，，，，，使外貌粗糙度又变大，，，，，如图4（f）所示泛起的沟壑条纹形貌。。。。 。。 。。
表2为差别洗濯速率下激光洗濯后的外貌粗糙度。。。。 。。 。。从表2可知，，，，，当激光洗濯速率从9mm/s降到3mm/s的历程中，，，，，外貌粗糙度先增添后减小。。。。 。。 。。团结图6的三维形貌剖析可知，，，，，当洗濯速率为9mm/s时，，，，，激光洗濯速度过快，，，，，试样外貌吸收的热量较小对漆层影响效果不显着，，，，，此时粗糙度Sa=8.747μm ；；；；；；；当洗濯速率为8mm/s时，，，，，漆层受热融化并凝固形成显着的熔融痕迹，，，，，此时外貌粗糙度转变幅度较大 ；；；；；；；当洗濯速率为6mm/s时，，，，，由于露出基材的区域泛起不规则漫衍的圆弧形貌以及剩余漆层外貌泛起部分凸起和大宗的凹坑，，，，，此时粗糙度抵达最大值Sa=24.956μm ；；；；；；；之后，，，，，随着洗濯速率的减小，，，，，外貌粗糙度最先减小，，，，，尤其是当洗濯速率从5mm/s降到4mm/s的历程中，，，，，大部分的片状漆层被去除，，，，，试样外貌仅有残留的漆层颗粒，，，，，以是外貌粗糙度减小的幅度较大 ；；；；；；；当外貌漆层洗濯清洁后，，，，，外貌粗糙度抵达最小Sa=2.082μm。。。。 。。 。。
3.4物相剖析
通过控制激光能量密度和激光洗濯速率，，，，，发明当能量密度为4J/cm2，，，，，洗濯速率为3mm/s时钛合金外貌漆层基本被洗濯清洁。。。。 。。 。。激光洗濯TC4钛合金外貌漆层前后的XRD图如图7所示，，，，，从图中可以看出，，，，，通过XRD可以检测出漆层中含有的主要物质CaCO3和TiO2的衍射特征峰很是显着，，，，，由于钛合金外貌笼罩着较厚的漆层，，，，，以是检测不到钛合金基材Ti的衍射特征峰，，，，，如图7（a）所示。。。。 。。 。。试样经激光洗濯后，，，，，CaCO3和TiO2的特征峰完全消逝，，，，，只能检测出钛合金所含有的Ti和Ti6O的特征峰，，，，，如图7（b）所示。。。。 。。 。。说明在激光能量密度为4J/cm2，，，，，洗濯速率为3mm/s时钛合金外貌的漆层已经所有被去除。。。。 。。 。。
3.5激光除漆对钛合金维氏硬度的影响
硬度是权衡质料软硬水平的一个指标，，，，，指质料对外界物体压陷、刻划等作用的局部对抗能力。。。。 。。 。。在激光洗濯历程中，，，，，漆层被烧蚀、气化或振动剥离去除，，，，，这个历程基材也会受到一定的影响。。。。 。。 。。使用HVS-1000型维氏硬度计丈量除漆前后TC4钛合金的维氏硬度，，，，，丈量时标块上显示的硬度标准差为±10HV，，，，，压痕为棱形，，，，，每个试样划分选取12个点举行测试，，，，，图8为硬度压痕位置示意图和激光除漆前后TC4钛合金维氏硬度的平均值。。。。 。。 。。
从图8（b）中可以看出，，，，，激光洗濯后的钛合金外貌平均维氏硬度由343.48HV提高到368.74HV，，，，，约提高了7.4%。。。。 。。 。。剖析以为当激光照射到试样外貌时，，，，，基体外貌温度会升高，，，，，由于脉冲激光作用时间很短（ns级）以及由高温形成的等离子体攻击波所爆发的应力影响使钛合金表层及内部组织爆发改变，，，，，使质料的显微硬度增添，，，，，这一历程相当于激光攻击强化作用。。。。 。。 。。
4、结论
通过激光洗濯手艺研究激光能量密度和激光洗濯速率对TC4钛合金外貌漆层洗濯效果的影响，，，，，对洗濯后试样的外貌形貌、粗糙度、物相组成和维氏硬度举行了剖析，，，，，结论如下：
（1）激光能量密度和激光洗濯速率对洗濯TC4钛合金外貌漆层具有很大影响。。。。 。。 。。随着激光洗濯速率的减小，，，，，除漆效果逐渐变好 ；；；；；；；随着激光能量密度的增添，，，，，除漆效果逐渐变好，，，，，但过大的激光能量密度会爆发太过洗濯，，，，，在激光能量密度为4.44J/cm2，，，，，洗濯速率为3mm/s时，，，，，基材爆发损伤，，，，，损伤体现为：基材外貌部分区域泛起棕黄色，，，，，外貌粗糙度增添。。。。 。。 。。
（2）激光能量密度和洗濯速率对试样洗濯后的外貌粗糙度有很大影响，，，，，随着激光能量密度的增添或洗濯速率的减小，，，，，外貌粗糙度先增大后减小。。。。 。。 。。当能量密度为4J/cm2，，，，，洗濯速率为6mm/s时，，，，，洗濯后的试样外貌粗糙度最大Sa=24.956μm ；；；；；；；当能量密度为4J/cm2，，，，，洗濯速率为3mm/s时，，，，，外貌粗糙度最小Sa=2.082μm，，，，，这与原始基材外貌的粗糙度十分相近。。。。 。。 。。
（3）通过合理选择激光能量密度和洗濯速率可以获得较好洗濯效果。。。。 。。 。。当能量密度为4J/cm2，，，，，洗濯速率为3mm/s时，，，，，洗濯后外貌物相剖析中不含有CaCO3因素，，，，，漆层已经完全被去除。。。。 。。 。。洗濯后钛合金外貌的平均维氏硬度高于原始基材，，，，，激光去除漆层的同时也能够提高TC4钛合金外貌硬度。。。。 。。 。。
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