納秒紫外激光對鋼表面漆層進(jìn)行清洗

▲圖1 宏觀的三維和二維的光學(xué)照片： (a, e, i)為原始的表面；激光清洗時(shí)掃描速度為   1000 mm/s 且激光能量不同的時(shí)候得到的結(jié)果，其中 b, f, j 的激光能量為 2 J/cm2, c, g, k激光能量為 5 J/cm2,   d, h, l 激光能量為 7 J/cm2  

成果簡介：來自哈工大的學(xué)者采用環(huán)境友好的納米紫外（UV）激光器，革新的應(yīng)用于激光清洗AH36鋼材表面的油漆。采用這一紫外激光器進(jìn)行清洗的可能性被革新性的提出并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而且還采用理論模型進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。并對激光清洗后的表面質(zhì)量進(jìn)行了表征。其機(jī)械性能，如表面顯微硬度、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等均進(jìn)行了表征。結(jié)果表明激光清洗作為代替?zhèn)鹘y(tǒng)的海洋工程中去除油漆的手段，具有非常顯著的優(yōu)勢。

▲圖2 在不同的激光能量下進(jìn)行激光清洗得到的SEM照片：a 2 J/cm2, d 5 J/cm2, and g 7 J/cm2; b, c; e, f; 和 h, i 為相應(yīng)的放大之后的照片

1.背景介紹

在過去的幾十年里，表面清洗一直備受關(guān)注，尤其是在航空、海洋工程、微電子和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。對生物體表面的污染物，無非就是表面存在氧化物、油漆、聚合物、涂層、微生物和顆粒物。海中游弋的輪船是備受關(guān)注，這是因?yàn)樗饕獣馐芎Ｋ斐傻膰?yán)重的腐蝕。為此，輪船經(jīng)常要在服役一段時(shí)間后進(jìn)行去除表面油漆層的問題，同時(shí)在進(jìn)行上新油漆的維修過程。尤其需要注意的是，以上的工藝操作每次都會耗費(fèi)數(shù)十億美元的年度預(yù)算。因此，從基材表面進(jìn)行去除油漆處理以進(jìn)行重新涂新的涂層和借此延長輪船的使用壽命就顯得至關(guān)重要了。

觀察以前的研究，傳統(tǒng)的表面清洗手段，包括機(jī)械的和化學(xué)的清洗手段，是當(dāng)前最為常見的手段。然而，這些手段存在的問題是要么會污染空氣和水，要么會產(chǎn)生二次污染的廢物。基于這一點(diǎn)來考慮，激光清洗技術(shù)，作為一種新興的表面清洗技術(shù)，被認(rèn)為是最有可能成為替代傳統(tǒng)清洗技術(shù)的先進(jìn)技術(shù)，這是因?yàn)榧す馇逑醇夹g(shù)被認(rèn)為更加環(huán)境友好，而且不需要接觸被清潔的物體的表面。取決于AH36鋼所具有的（包括但不限于）優(yōu)異的塑性和強(qiáng)度、高的機(jī)械性能以及所伴隨的輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，使得AH36鋼廣泛的應(yīng)用于海洋工程。然而，需要特別強(qiáng)調(diào)的是，這種鋼材在服役時(shí)的壽命強(qiáng)烈的受到服役的海洋環(huán)境的影響，并且海洋環(huán)境中存在的大量的高腐蝕性的離子和微生物會協(xié)同作用而加速鋼基體表面的涂層的剝落。緊接著，鋼基體表面的內(nèi)層也會開始暴露在苛刻的海洋中開始持續(xù)失效。因此，表面清洗就變得非常有必要了，因?yàn)樗试S移除表面受損的油漆和受到污染的基材表面。

▲圖3 在不同的激光能量下進(jìn)行激光清洗后得到的SEM和EDS的照片: a 2 J/cm2, c 5 J/cm2, e 7 J/cm2, 和 b–f為相應(yīng)的EDS結(jié)果  

然而，當(dāng)前的激光清洗主要是紅外波段的納秒激光器，通常是利用熱誘導(dǎo)的缺陷，這意味著會在物體表面形成再鑄層和熱影響區(qū)。另外一方面，紫外激光也許可以避免這些問題，這是因?yàn)樽贤饧す馄魇且揽抗庾幽芰亢拖鄳?yīng)地?fù)舸┓肿渔I來實(shí)現(xiàn)的，據(jù)作者所知，目前還沒有采用紫外激光器來去除油漆層的研究。更為重要的是，其相應(yīng)地工藝參數(shù)對清洗效果的影響也不清楚。在本研究中，來自哈工大的學(xué)者首次采用UV激光來進(jìn)行去除油漆的研究，并且變化激光能連開展研究。進(jìn)一步的，對清洗后的樣品進(jìn)行了金相、掃描電鏡和光學(xué)輪廓測量以及機(jī)械性能等方面的測試。

▲圖4 在不同的激光能量下進(jìn)行激光清洗之后得到的線型EDS結(jié)果：a 2 J/cm2, b 5 J/cm2, and c 7 J/cm2,

2.激光清洗機(jī)理

本次實(shí)驗(yàn)采用江蘇激光聯(lián)盟單位華日生產(chǎn)的紫外激光器。作用機(jī)理為：一般認(rèn)為，在激光清洗的過程中，光化學(xué)相互作用，即UV激光發(fā)射出去的光子的能量，比材料內(nèi)部的分子鍵合的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，這反過來進(jìn)一步的破壞了分子的鍵合。

▲圖5 采用紫外激光進(jìn)行清洗之后的顯微硬度表征結(jié)果

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于創(chuàng)新地采用納秒紫外激光器來對AH36基材上的油漆層進(jìn)行了激光剝離。這一革新的實(shí)驗(yàn)，在理論上和現(xiàn)實(shí)上證明了紫外激光清洗AH36鋼表面漆層的可行性和有效性，以及紫外激光的基本的相互作用機(jī)理，如光熱和光化學(xué)相互作用。建立起熱動力學(xué)模型來描述溫度和激光能量之間的關(guān)系，結(jié)果顯示進(jìn)行激光清洗時(shí)的門檻值為4.65 J/cm exp(2)同理論值非常接近（理論值為5 J/cm exp(2)）。同時(shí)對存在的這一差值進(jìn)行了討論。

并且還采用SEM、EDS、光學(xué)輪廓儀和機(jī)械性能測試手段來詳細(xì)的評估了表面形貌、化學(xué)成分和激光清洗前后的機(jī)械性能。經(jīng)SEM測試后，在不同的激光能量輸入條件下表面存在一些典型的起皺的形狀、坑和圓形的顯微組織。對于機(jī)械性能，需要提到的是利用UV激光去除油漆可以顯著的提高表面顯微硬度、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。這歸因于UV激光進(jìn)行表面清洗時(shí)所經(jīng)受的快速熔化和快速凝固，從而產(chǎn)生圓形和起皺形態(tài)的顯微組織，與此同時(shí)還產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)。因此，這一先進(jìn)的紫外納秒激光清洗技術(shù)，不僅僅環(huán)境友好，而且可顯著的改善激光清洗后部件的機(jī)械性能。可以預(yù)期，采用這一有前途的手段來大規(guī)模的進(jìn)行海洋工程表面的去除油漆和在未來在海洋工程以及其他工業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

▲圖6 應(yīng)變和拉伸應(yīng)力之間的關(guān)系

▲圖7 彎曲位移和完全應(yīng)力之間的關(guān)系

▲圖8 光學(xué)3D輪廓儀測量得到的激光進(jìn)行去除油漆后的表面：(a)為激光去除油漆后的表面； (b) 涂油漆的表面以及激光能量為: 2 J/cm2 c, 5 J/cm2, d 7 J/cm2, 和 (a1)–(d1)為相應(yīng)的線掃描結(jié)果

▲圖9 納秒激光進(jìn)行去除油漆時(shí)的作用機(jī)理

該項(xiàng)目得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

文章來源：Lu, Y., Ding, Y., Wang, M. et al. A characterization of laser cleaning painting layer from steel surface based on thermodynamic model. Int J Adv Manuf Technol 116, 1989–2002 (2021). https://doi.org/10.1007/s00170-021-07566-6

參考文獻(xiàn)：Improved thermal stress model and its application in ultraviolet nanosecond laser cleaning of paint,Applied Optics,Vol. 59,Issue 25,pp. 7652-7659,(2020)，https://doi.org/10.1364/AO.398101

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟