【封面文章】沈阳工业大学王蔚副教授等：光斑搭接率对激光清洗铝合金阳极氧化膜表面质量及耐磨性能的影响

科技 2024-10-17 17:15 重庆

背景与意义

7075 铝合金是一种超高强度的金属材料，它在航空领域应用广泛。在服役过程中，飞机基材表面的阳极氧化膜会与其他结构件发生微动摩擦，从而损伤机体，因此需要定期（5~6 年）进行一次重大检测维修。为了方便检测零部件，需要对基材表面的阳极氧化膜进行去除。去除基材表面阳极氧化膜可能会影响铝合金表面的显微硬度和表面粗糙度，进而影响铝合金的耐磨性。由于激光清洗技术具有高效、一致性好、对基材损伤小、除膜效果好、环保等特点，因此受到了广泛关注，并成为一个蓬勃发展的市场。在激光清洗过程中，如果能够在洗净阳极氧化膜的同时，提高 7075 铝合金表面的显微硬度，并使基体表面具有更低的表面粗糙度，将有助于提高7075铝合金的耐磨性能。

沈阳工业大学王蔚副教授团队采用 IPG 纳秒脉冲光纤激光器对 7075 铝合金表面的阳极氧化膜进行清洗。研究激光光斑搭接率对 7075 铝合金形貌、表面成分、表面粗糙度、显微硬度的影响，并基于清洗后试样的表面质量，研究不同光斑搭接率清洗 7075 铝合金表面的阳极氧化膜对 7075 铝合金耐磨性能的影响。

图文导读

采用不同光斑搭接率对 7075 铝合金试样进行激光清洗，清洗后其表面三维形貌如图 3 所示。从图3a、e 可以看出，当光斑搭接率为60%时，试样的表面粗糙度为 0.364 μm，此时试样表面存在较多烧蚀形成的凹坑，经清洗后表面的三维形貌特征起伏波动较大。当激光清洗光斑搭接率为 46.7%时，清洗后的表面粗糙度为 0.266 μm，试样的表面三维形貌如图 3b所示，可以看出，试样表面的凹坑相较于光斑搭接率为60%时有所减少，凹陷深度更浅。当清洗试样表面的光斑搭接率从 60%减至 46.7%时，试样表面因光斑搭接率过大造成的过度烧蚀随之减弱。当激光光斑搭接率继续减至33.3%时，清洗后的表面粗糙度为 0.194 μm。如图 3c 所示，除试样表面存在几处面积较小的凹坑外，其他区域的形貌特征分布均匀，试样表面未出现较大的起伏，与光斑搭接率为 46.7%时相比，试样表面清洗后的三维形貌有所改善。当光斑搭接率为 20%时，清洗后的表面粗糙度为 0.252 μm。通过分析图3d 可知，试样表面部分区域存在阳极氧化膜残留，标记区域有一处较明显的突起，使试样表面粗糙度增大，清洗后表面的三维形貌随之变差。如图 3e 所示，当激光清洗光斑搭接率从 60%减至 20%时，清洗后表面的粗糙度呈先减小后增大的趋势。由此可见，在光斑搭接率为 33.3%时，清洗后其表面粗糙度达到较低状态。

考虑到维氏硬度计自身存在的变异现象，在测量试样表面维氏硬度时，采用如图 11a 所示的取点测量方法，在试样表面取 3×5 个点测量显微硬度，取点间距为 1 mm，通过取平均值的方法减小测量误差。采用不同光斑搭接率清洗后，试样的显微硬度的变化如图 11b 所示。

如图 16、17 所示，通过观察激光清洗前后的摩擦磨损三维形貌可以看出，采用合适的光斑搭接率（33.3%）清洗后，试样表面的耐磨性相较于原始铝合金基体表面有所提升。从图 17b 可以看出，原始铝合金基材表面的磨损三维形貌的磨痕深度较大，磨痕底部的中间区域有加深的趋势。从截面轮廓曲线可知，磨痕底部与试样表面的高度差超过 70 μm，相较于激光清洗后的试样，磨痕深度较大。综合对比图16、图 17 可知，当采用光斑搭接率为20%~60%时，通过对试样表面进行摩擦磨损试验可知，试样表面耐磨性会受到激光光斑搭接率的影响，当光斑搭接率为33.3%时试样表面的耐磨性相较于原始铝合金基体表面明显提升。

结论

针对 7075 铝合金表面的阳极氧化膜进行激光清洗试验，分析了不同激光光斑搭接率对清洗后表面微观形貌、三维形貌、元素含量、表面粗糙度和耐磨性能的影响，得出以下主要结论。

1）当光斑搭接率为 33.3%时，清洗表面未发生明显烧蚀现象，清洗后表面平坦，相较于原始表面其粗糙度有所降低，为 0.194 μm。当光斑搭接率为46.7%~60%时，会在试样表面产生烧蚀坑，引起表面粗糙度增大。当光斑搭接率为 20%，残存的氧化膜会引起表面粗糙度的增大。

2）当光斑搭接率为 33.3%时，基于去除过程存在的热氧化现象所生成的熔融热氧化层使得铝合金基体表面显微硬度提升，此时显微硬度达到最大值（152HV），清洗表面氧含量达到最低值（原子数分数 0.43%）。

3）经不同光斑搭接率清洗后，清洗表面磨损机制主要以磨粒磨损和剥层磨损为主。当光斑搭接率为33.3%时，清洗后表面磨痕较浅，且未发生严重剥层磨损，耐磨性较好，相较于清洗前其表面磨损量减少了 2.803 2 mg。

4）显微硬度、表面粗糙度及熔融热氧化层是影响清洗表面耐磨性变化的主要因素。经 33.3%光斑搭接率清洗后，试样表面生成的熔融热氧化层粗糙度较小，显微硬度较大，可以有效提高清洗表面的耐磨性。

文章信息

该文章发表在《表面技术》第53 卷第 17 期。

引文格式：王蔚, 李晓旭, 刘伟军, 等. 光斑搭接率对激光清洗铝合金阳极氧化膜表面质量及耐磨性能的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(17): 112-125.

WANG Wei, LI Xiaoxu, LIU Weijun, et al. Effect of Spot Overlap Rate on Surface Quality and Wear Resistance of Laser Cleaned Aluminum Alloy Anodic Oxide Film[J]. Surface Technology, 2024, 53(17): 112-125.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.010

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编辑 | 邓李旸

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