本文對(duì)飛機(jī)蒙皮激光剝漆技術(shù)進(jìn)行了研究。

摘要

本文對(duì)波音系列飛機(jī)蒙皮的激光剝漆技術(shù)進(jìn)行了研究，為提高飛機(jī)蒙皮的剝漆效率，降低現(xiàn)有飛機(jī)蒙皮的維護(hù)成本提供了參考。研究了激光能量密度為2-6 J/cm2時(shí)飛機(jī)蒙皮的剝離效應(yīng)。SEM和EDS分析表明，最佳清洗參數(shù)為5 J/cm2。飛機(jī)對(duì)安全有著近乎嚴(yán)格的要求，所以如果激光剝漆技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)維修，必須實(shí)現(xiàn)無(wú)損清洗。研究了不同能量密度激光剝漆后飛機(jī)蒙皮鉚釘孔的微動(dòng)摩擦磨損性能，研究了蒙皮其他部位的摩擦磨損性能，并與機(jī)械磨削和激光剝漆進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，激光并沒(méi)有降低飛機(jī)蒙皮表面任何部位的摩擦磨損性能。研究了激光剝漆后飛機(jī)蒙皮表面的殘余應(yīng)力、顯微硬度和腐蝕性能。通過(guò)與機(jī)械研磨法和激光剝漆法的對(duì)比，證明激光不會(huì)降低飛機(jī)蒙皮的硬度和耐腐蝕性。但是，在激光清洗后，飛機(jī)蒙皮表面會(huì)產(chǎn)生一些塑性變形，這是目前需要注意的問(wèn)題。

1. 介紹

如今，民用航空飛機(jī)已經(jīng)成為主要的交通工具，它可以為乘客提供方便的服務(wù)。飛機(jī)的維護(hù)對(duì)于的飛行安全至關(guān)重要。商用飛機(jī)必須每六年檢查一次，或在累計(jì)飛行24000小時(shí)后，或在2000次起降后。在維護(hù)飛機(jī)時(shí)，需要將飛機(jī)表面的油漆全部清除，并檢查蒙皮基板是否有腐蝕缺陷和疲勞裂紋，以避免飛機(jī)事故。因此，在剝離飛機(jī)蒙皮的油漆時(shí)，一定要特別注意清潔方法，防止損壞基材。傳統(tǒng)的油漆剝離方法主要有機(jī)械法、化學(xué)法和超聲波清洗法。雖然他們的技術(shù)已經(jīng)成熟，但仍然存在許多不足。例如，機(jī)械清洗方法容易對(duì)基材造成損傷，化學(xué)清洗方法對(duì)環(huán)境造成污染，超聲波清洗的效率限制了其大規(guī)模應(yīng)用。激光清洗以其綠色、高效、適用性廣、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)外殼的除漆。激光脫漆是激光清洗技術(shù)最有前途的應(yīng)用之一。這個(gè)過(guò)程是光和物質(zhì)之間的相互作用。當(dāng)激光破壞基材與污染物之間的結(jié)合力時(shí)，污垢通過(guò)蒸發(fā)、破碎、振動(dòng)等方式落下。

NFP之外的水平切片。

對(duì)一架飛機(jī)實(shí)施安全裕度，相當(dāng)于在每架飛機(jī)外增加一個(gè)緩沖區(qū)。向外移動(dòng)一對(duì)飛機(jī)的NFP邊緣，相當(dāng)于擴(kuò)大了該對(duì)飛機(jī)中相對(duì)可動(dòng)飛機(jī)參考點(diǎn)的不允許區(qū)域的邊界。原始NFPs的每條邊向外移動(dòng)距離n(上圖(b))，兩架飛機(jī)之間的最小安全距離為1米。

近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光清洗已經(jīng)變得更加自動(dòng)化，生產(chǎn)率更高，成本更低。廣泛應(yīng)用于除漆除銹、輪胎模具清洗、文物保護(hù)、核凈化。

本文研究了Nd: YAG激光對(duì)波音系列飛機(jī)蒙皮BMS10-11涂層的清洗效果。通過(guò)改變不同的激光能量密度，探討了涂料層去除的最佳參數(shù)，并通過(guò)SEM和EDS分析了涂料層去除機(jī)理。清洗最關(guān)鍵的一點(diǎn)是不要損壞基板，這對(duì)飛機(jī)蒙皮更重要。因此，對(duì)激光清洗飛機(jī)外殼和傳統(tǒng)清洗飛機(jī)外殼的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究。在蒙皮的鉚接孔周圍存在典型的微動(dòng)摩擦和磨損，因此我們也進(jìn)行了微動(dòng)摩擦和磨損性能研究，以證明非破壞性清洗。此外，我們還對(duì)激光清洗和傳統(tǒng)清洗的蒙皮進(jìn)行了電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)、殘余應(yīng)力測(cè)試和顯微硬度測(cè)試，為激光清洗在飛機(jī)蒙皮中的大規(guī)模應(yīng)用提供了參考。

2. 實(shí)驗(yàn)的程序

2．1． 樣品材料制備

試驗(yàn)材料為波音飛機(jī)外殼(山東太古飛機(jī)工程有限公司，中國(guó)濟(jì)南)。蒙皮分為三層(如圖1所示)，第一層為BMS10-11底漆，第二層為鋁包層(純鋁)，第三層為基板(2024鋁合金)。將蒙皮材料切割成20 × 20 mm和?24 mm樣品，進(jìn)行激光清洗實(shí)驗(yàn)和摩擦磨損試驗(yàn)。

圖1 飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2 激光清洗實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為中功率高能激光二極管泵浦脈沖固態(tài)激光清洗設(shè)備(SC200W-350KW，山東科學(xué)院激光研究所，濟(jì)南)。激光清洗原理圖如圖2所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主要參數(shù)如表1所示。將激光介質(zhì)置于兩個(gè)平行反射鏡(一個(gè)為全反射鏡，一個(gè)為半反射鏡)之間，形成光學(xué)諧振腔。軸向傳播的單色光在腔內(nèi)來(lái)回傳播。將單色光在諧振腔中增強(qiáng)為激光器后，由高磁導(dǎo)率的輸出鏡發(fā)出，成為連續(xù)激光器。通過(guò)激光調(diào)q，可以將連續(xù)激光器轉(zhuǎn)換為高峰值功率脈沖激光器。實(shí)驗(yàn)中激光清洗速度為5 mm/s，光斑直徑為0.5 mm，光斑重疊率為0.3，場(chǎng)鏡焦距為100 mm，重復(fù)頻率為10 kHz。通過(guò)改變激光器的加載電流來(lái)控制不同能量密度的激光器。最后選取5組能量密度:2 J/cm2、3 J/cm2、4 J/cm2、5 J/cm2、6 J/cm2。我們使用SEM和EDS (JSM-7610F, JEOL, Tokyo, Japan)對(duì)激光清洗后的樣品進(jìn)行分析，研究清洗效果。

圖2 激光清洗示意圖。

表1 激光清洗設(shè)備主要參數(shù)。

2．3. 摩擦磨損試驗(yàn)

采用MFT-50 RTEC摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(San-Jose, CA, USA)研究激光清洗后飛機(jī)蒙皮的摩擦磨損性能。摩擦磨損試驗(yàn)示意圖如圖3所示。摩擦是球和板之間的干往復(fù)摩擦。GCr15軸承鋼球(Ra<0.1μm)，直徑為6.35 mm，硬度為HV750。加載力為10 N，磨損時(shí)間為30 min，位移幅值為4.5 mm，運(yùn)行頻率為2 Hz。采用RTEC微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(MFT-2000, San-Jose, CA, USA)研究了激光清洗后飛機(jī)蒙皮鉚釘孔周圍的微動(dòng)摩擦磨損性能。微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)示意圖如圖3所示，微動(dòng)磨損試驗(yàn)區(qū)域如圖4所示。同樣，摩擦法為室溫下干往復(fù)摩擦法。GCr15軸承鋼球(Ra <0.1μm)，直徑為9.525 mm，硬度為HV750。載荷為10 N，磨損時(shí)間為30 min，位移幅值為50 μm，運(yùn)行頻率為2 Hz。在進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后，利用MFT-4000白光干涉儀(蘭州華輝儀器科技有限公司)采集磨損形貌，測(cè)量磨損體積和摩擦系數(shù)。

圖3 摩擦磨損試驗(yàn)示意圖。

圖4 微動(dòng)磨損試驗(yàn)區(qū)。

2.4. 硬度和殘余應(yīng)力測(cè)試

使用micro-Vickers硬度測(cè)試儀（402-MVD，Wilson，Norwood，USA）在激光清潔后測(cè)試飛機(jī)蒙皮表面的微觀硬度。試驗(yàn)方法是4點(diǎn)測(cè)量，負(fù)載為200g，測(cè)量同一樣品三次并取平均值。使用X射線殘余應(yīng)力分析儀（iXRDCOMBO，Proro，加拿大）在激光清潔后對(duì)飛機(jī)蒙皮表面進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。輻射類型為Cr_K-α，衍射布拉格角為139.0度，波長(zhǎng)為2.291 ?。分析和表征激光清洗后飛機(jī)蒙皮表面的強(qiáng)度和拉伸彎曲性能。

2．5 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

利用電化學(xué)工作站(CHI604E，上海晨華儀器有限公司，上海，中國(guó))研究了飛機(jī)表面激光清洗后的電化學(xué)特性。電化學(xué)工作站原理圖如圖5所示。電解質(zhì)為3.5% NaCl溶液。實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)典的三電極，飽和甘汞電極作為參考電極，鉑板作為輔助電極，飛機(jī)蒙皮樣品作為工作電極。實(shí)驗(yàn)前，非工作表面用Kraft硅膠包覆，然后浸于溶液中30 min，穩(wěn)定開路電位。為了得到完整的動(dòng)電位極化曲線，將初始電位與開路電位結(jié)合設(shè)置為?1.2 V，最終電位為?0.6 V。在10 mV/s的掃描速度下測(cè)量了極化曲線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用分析軟件(CHI604E電化學(xué)分析儀，版本15.03,3700 Tennision Hill Drive Austin, Austin, TX, USA)記錄。對(duì)極化曲線進(jìn)行擬合，得到陽(yáng)極極化曲線斜率(Ba)、陰極極化曲線斜率(Bc)、腐蝕電位(Ecorr)和腐蝕電流密度(Icorr)。

圖5 電化學(xué)工作站原理圖。

3.結(jié)果與討論

3．1. 激光清洗效果分析

3.1.1 激光清洗后飛機(jī)蒙皮表面形貌表征

在激光能量密度為2 J/ cm2-6 J/ cm2時(shí)，飛機(jī)蒙皮的宏觀形貌如圖6所示，微觀形貌如圖7所示。結(jié)合圖6(a)和圖7(a)可以得出，未進(jìn)行激光清洗的飛機(jī)蒙皮表面與綠色的BMS10-11底漆緊密貼合，并混入少量污漬。當(dāng)激光能量密度為2 J/cm2時(shí)，雖然蒙皮表面上一層的油漆層已經(jīng)開始開裂(圖6(b))，但蒙皮表面下一層的BMS10-11底漆仍然完全覆蓋蒙皮表面(圖7(b))。當(dāng)激光能量密度為3 J/cm2時(shí)，蒙皮表面的底漆開始明顯剝落，金屬色開始顯現(xiàn);即暴露出鋁包層(圖6(c)和圖7(c))。當(dāng)激光能量密度達(dá)到4 J/cm2時(shí)，蒙皮表面的油漆層幾乎被去除(圖6(d))，但微觀形貌顯示表面有大量的波(圖7(d))。初步猜測(cè)是鋁包層剛剛泄漏，發(fā)生了熱氧化。當(dāng)激光能量密度達(dá)到5 J/cm2時(shí)，從宏觀和微觀形貌可以看出，目前清洗效果最好。表面油漆層被完全去除，清洗后表面形貌平整(圖6(e)和圖7(e))。當(dāng)能量密度達(dá)到6 J/cm2時(shí)，清洗后蒙皮表面再次出現(xiàn)波(圖6(f)和圖7(f))。我們猜測(cè)高能激光穿透了鋁包層，所以飛機(jī)蒙皮暴露了基體本身，也就是2024鋁合金。這將在以后的EDS實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行演示。

圖6 不同激光能量密度清洗下飛機(jī)蒙皮表面宏觀形貌:(a)未清洗;(b) 2 J / cm2;(c) 3 J / cm2;(d) 4 J / cm2;(e)5 J / cm2;(f) 6 J / cm2。

圖7 不同激光能量密度清洗下飛機(jī)蒙皮表面微觀形貌:(a)未清洗;(b) 2 J / cm2;(c) 3 J / cm2;(d) 4 J / cm2;(e)5 J / cm2;(f) 6 J / cm2。

3.1.2 激光脫漆機(jī)理研究

清洗過(guò)程中，隨著激光能量密度從2 J/ cm2增加到5 J/ cm2，底漆逐漸完全脫落，飛機(jī)蒙皮表面無(wú)可見(jiàn)金屬蒸氣。我們收集激光清洗后脫附的油漆層碎片，進(jìn)行SEM和EDS分析，如圖8所示。結(jié)合能譜1 - 3和圖1可以看出，BMS10-11底漆的所有元素都包含在飛機(jī)蒙皮表面脫落的碎片中。掃描電鏡(SEM)下的涂層碎片呈塊狀狀，EDS分析顯示大部分的氧以塊狀形式存在。我們可以推斷激光剝漆主要是由于蒙皮表面的油漆層吸收激光能量，然后通過(guò)振動(dòng)熱氧化而脫離蒙皮表面。

圖8 激光剝漆原理圖。

3.1.3 激光剝漆工藝

對(duì)所有清洗過(guò)的樣品進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如圖9所示。在2 J/cm2時(shí)，BMS10-11底漆層吸收激光能量后開始開裂，氧含量迅速上升。其中Si、Ca、W、Cl等在高溫下易氧化，形成氧化物并從蒙皮表面脫落。在3 J/ cm2時(shí)，漆層中Si、Ca、W、Re、Mg、Fe等元素消失。大部分涂料層已被去除，鋁含量從0.4%迅速增加到76.9%，蒙皮開始暴露鋁層(圖6(c))。此時(shí)，蒙皮表面的氧氣處于低狀態(tài)。隨著激光能量密度的增加，在4 J/ cm2時(shí)，Al含量繼續(xù)上升至79.3%，蒙皮表面的油漆層幾乎被去除。鋁包層開始熱氧化，導(dǎo)致蒙皮表面產(chǎn)生波浪。5 J/cm2時(shí)，Al含量最高，達(dá)到79.5%。鋁包層繼續(xù)被熱氧化，之前被氧化過(guò)的部位被重新熔化，使蒙皮表面顯得比較平整，可以認(rèn)為是最好的清潔狀態(tài)。

當(dāng)激光能量密度達(dá)到6 J/ cm2時(shí)，高能激光將鋁層中的鋁離子電離汽化，鋁元素含量降低，表面可見(jiàn)金屬蒸氣。EDS顯示Cu出現(xiàn)在蒙皮表面。結(jié)合圖6(f)，蒙皮表面開始出現(xiàn)2024鋁合金基體。飛機(jī)蒙皮清洗的原則是不損壞基材。蒙皮失去了鋁涂層的保護(hù)，失去了其高的耐腐蝕性，不利于下一步對(duì)漆層進(jìn)行重漆。將整個(gè)清洗過(guò)程分為兩個(gè)階段:5 J/ cm2為最佳清洗參數(shù);5 J/ cm2之前為第一階段，即欠清洗階段;5 J/ cm2后為超凈，為第二階段。

圖9 不同能量密度下的激光清洗效果。

３．２ 激光清洗后的摩擦磨損性能分析

3.2.1 摩擦磨損性能分析

對(duì)不同激光能量密度清洗后的飛機(jī)蒙皮樣品進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)機(jī)械研磨進(jìn)行了對(duì)比。各試樣表面的磨痕形貌如圖10所示。蒙皮在不同能量密度激光清洗下的摩擦系數(shù)曲線如圖11所示，磨損量和平均摩擦系數(shù)如圖12所示。

圖10 不同激光能量密度清洗下飛機(jī)蒙皮表面磨痕的形態(tài)：(a)機(jī)械清洗;(b) 2 J / cm2;(c) 3 J / cm2;(d) 4 J / cm2;(e)5 J / cm2;(f) 6 J /cm2。

圖11 研究了不同能量密度激光清洗下的表面摩擦系數(shù)曲線。

圖12 (a)不同激光能量密度清洗下飛機(jī)蒙皮表面的平均摩擦系數(shù);(b)不同激光能量密度清洗下飛機(jī)蒙皮表面的摩擦磨損量。

然后，通過(guò)摩擦系數(shù)和磨損量分析蒙皮表面的摩擦磨損特性。機(jī)械研磨后的飛機(jī)蒙皮表面平均摩擦系數(shù)為0.3919，磨損量為0.3694 mm3。激光能量密度為2 J/cm2-6 J/cm2時(shí)清洗后的飛機(jī)蒙皮的平均摩擦系數(shù)分別為0.4084、0.4021、0.4255、0.3887、0.4283，磨損量分別為0.3048、0.4476、0.5332、0.3472、0.5472 mm3。當(dāng)激光能量密度為2J/cm2時(shí)，蒙皮表面的油漆層剛剛開始剝落，大部分底漆還附著在蒙皮表面。由圖11可以看出，蒙皮的摩擦系數(shù)在磨損初期處于低狀態(tài)，然后迅速增加，最后維持在0.4084左右。此時(shí)，磨損量相對(duì)較低。根據(jù)圖10(b)的磨損疤痕形態(tài)，可以推斷此時(shí)蒙皮的磨損機(jī)制主要為黏著磨損，這與其他激光參數(shù)下的磨粒磨損(圖10(a, c-f))不同。當(dāng)激光能量密度為3 J/ cm2時(shí)，蒙皮表面的油漆大部分被去除，鋁包層被暴露。

從圖11可以看出，在沒(méi)有涂漆層保護(hù)的情況下，蒙皮磨損初期的摩擦系數(shù)值比較高，然后慢慢降低到一個(gè)穩(wěn)定值。此時(shí)，蒙皮的平均摩擦系數(shù)開始增加到0.4201，磨損量也開始增加。當(dāng)能量密度為4 J/ cm2時(shí)，飛機(jī)蒙皮表面的油漆層幾乎被去除，鋁涂層開始氧化，使蒙皮表面發(fā)生波動(dòng)。蒙皮的平均摩擦系數(shù)進(jìn)一步增大到0.4255，磨損量達(dá)到最大值。當(dāng)能量密度達(dá)到5 J/ cm2時(shí)，隨著鋁包層被氧化部分的進(jìn)一步熱氧化和重熔，在鋁包層表面形成致密扁平的氧化膜。飛機(jī)蒙皮表面的平均摩擦系數(shù)降至0.3887，磨損量顯著降低，優(yōu)于機(jī)械研磨后的蒙皮表面。當(dāng)能量密度達(dá)到6 J/cm2時(shí)，蒙皮表面鋁包層開始開裂，暴露2024鋁合金基體，表面再次開始波動(dòng)。蒙皮表面的摩擦系數(shù)開始增加，達(dá)到0.4283，磨損量也開始增加。

3.2.2 微動(dòng)摩擦磨損性能分析

測(cè)試了不同能量密度激光清洗飛機(jī)蒙皮鉚釘孔的微動(dòng)摩擦磨損性能，并與傳統(tǒng)機(jī)械清洗進(jìn)行了對(duì)比。各試樣表面的磨痕形貌如圖13所示，微動(dòng)行為區(qū)域如圖14所示。由圖13(a-f)可以看出，蒙皮表面的接觸壓力導(dǎo)致蒙皮塑性變形和粘附，磨損磨屑不易去除，加速了微動(dòng)磨損過(guò)程。當(dāng)振動(dòng)足夠大時(shí)，微動(dòng)磨損會(huì)成為疲勞裂紋的核心，導(dǎo)致疲勞斷裂。在圖14(a-f)中，微動(dòng)行為曲線為平行四邊形，表明在整個(gè)微動(dòng)磨損中存在一個(gè)滑移區(qū)。在行為曲線的傾斜部分，摩擦副與蒙皮表面之間的靜摩擦發(fā)生局部滑動(dòng)。隨著滑移量的增加，摩擦大于靜摩擦，相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定。

圖12 （a）不同激光能量密度清洗下飛機(jī)蒙皮表面的平均摩擦系數(shù)；（b）不同激光能量密度下飛機(jī)蒙皮表面的摩擦磨損量。

其次，通過(guò)摩擦系數(shù)和磨損量分析了蒙皮表面的摩擦磨損特性。機(jī)械研磨后飛機(jī)蒙皮表面的平均摩擦系數(shù)為0.3919，磨損量為0.3694 mm3。在2 J/cm2-6 J/cm2激光能量密度下清洗的飛機(jī)蒙皮的平均摩擦系數(shù)分別為0.4084、0.4021、0.4255、0.3887、0.4283，磨損量分別為0.3048 mm3、0.4476 mm3、0.5332 mm3、0.3472 mm3、0.5472 mm3。當(dāng)激光能量密度為2 J/cm2時(shí)，蒙皮表面的油漆層剛剛開始剝落，大部分底漆仍附著在蒙皮表面。從圖11可以看出，表面摩擦系數(shù)在磨損早期處于較低狀態(tài)，然后迅速增加，最終維持在0.4084左右。此時(shí)，磨損量相對(duì)較低。

根據(jù)圖10（b）中的磨痕形態(tài)，推斷此時(shí)蒙皮的主要磨損機(jī)制是粘著磨損，這與其他激光參數(shù)下的磨粒磨損不同（圖10（a、c-f））。當(dāng)激光能量密度為3 J/cm2時(shí)，蒙皮表面的大部分油漆已被去除，鋁覆層暴露。從圖11可以看出，在沒(méi)有漆層保護(hù)的情況下，蒙皮在磨損早期的摩擦系數(shù)值相對(duì)較高，然后慢慢降低到穩(wěn)定值。此時(shí)，蒙皮的平均摩擦系數(shù)開始增加到0.4201，磨損量也開始增加。當(dāng)能量密度為4 J/cm2時(shí)，飛機(jī)蒙皮表面的油漆層幾乎被去除，鋁涂層開始氧化，導(dǎo)致蒙皮表面波動(dòng)。表面的平均摩擦系數(shù)進(jìn)一步增加至0.4255，磨損量達(dá)到最大值。當(dāng)能量密度達(dá)到5J/cm2時(shí)，隨著覆鋁層氧化部分的進(jìn)一步熱氧化和重熔，在覆鋁層表面形成了致密平坦的氧化膜。飛機(jī)蒙皮表面的平均摩擦系數(shù)降至0.3887，磨損量顯著減少，優(yōu)于機(jī)械研磨清潔的蒙皮表面。當(dāng)能量密度達(dá)到6 J/cm2時(shí)，蒙皮表面的鋁覆層開始開裂，暴露出2024鋁合金基體，并且表面再次開始波動(dòng)。蒙皮表面的摩擦系數(shù)開始增加到0.4283，磨損量也開始增加。

3.2.2. 微動(dòng)摩擦磨損性能分析

對(duì)不同能量密度激光清洗的飛機(jī)蒙皮鉚釘孔進(jìn)行了微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的機(jī)械清洗方法進(jìn)行了比較。每個(gè)樣品表面的磨痕形態(tài)如圖13所示，微動(dòng)行為區(qū)域如圖14所示。從圖13（a-f）可以看出，蒙皮表面的接觸壓力導(dǎo)致蒙皮的塑性變形和粘附，并且磨損碎屑不容易去除，從而加速了微動(dòng)磨損過(guò)程。當(dāng)振動(dòng)足夠大時(shí)，微動(dòng)磨損將成為疲勞裂紋的核心，導(dǎo)致疲勞斷裂。在圖14（a-f）中，微動(dòng)行為曲線為平行四邊形，表明整個(gè)微動(dòng)磨損中存在滑移區(qū)。在行為曲線的傾斜部分，摩擦副與蒙皮表面之間的靜摩擦發(fā)生局部滑動(dòng)。隨著滑移量的增加，摩擦力大于靜摩擦力，相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定。

圖13 不同激光能量密度清洗下飛機(jī)蒙皮表面微動(dòng)磨痕的形態(tài)：（a）機(jī)械清洗；（b） 2 J/cm2；（c） 3 J/cm2；（d） 4 J/cm2；（e） 5J/cm2；（f） 6 J/cm2。

圖14 不同激光能量密度清洗的飛機(jī)蒙皮表面微動(dòng)行為區(qū)：（a）機(jī)械清洗；（b） 2 J/cm2；（c） 3 J/cm2；（d） 4 J/cm2；（e） 5J/cm2；（f） 6 J/cm2。

在不同能量密度的激光清洗下，鉚釘孔表面的微動(dòng)摩擦系數(shù)曲線如圖15所示，磨損量和平均摩擦系數(shù)如圖16所示。機(jī)械研磨和清洗后，表面的平均摩擦系數(shù)為0.6524，磨損量為0.007515 mm3。2 J/cm2-6 J/cm2能量密度激光清洗后的蒙皮平均摩擦系數(shù)分別為0.4022、0.6736、0.8026、0.6483和0.7381，磨損量分別為0.002133 mm3、0.01914 mm3、0.02691 mm3、0.01024 mm3和0.02012 mm3?？梢钥闯觯?dāng)激光能量密度為2 J/cm2時(shí)，蒙皮表面的油漆層剛剛開始脫落。由于底漆的存在，表面的摩擦系數(shù)和磨損量最小。隨著激光能量密度的增加，蒙皮表面的漆層逐漸被去除，從而暴露出覆鋁層。沒(méi)有底漆保護(hù)的蒙皮表面的平均摩擦系數(shù)逐漸增加，在4 J/cm2時(shí)達(dá)到最大值0.8026。

結(jié)合圖13（a）和（b-f），我們可以看到，機(jī)械研磨后蒙皮表面的磨痕小于激光清潔后的磨痕，因?yàn)闄C(jī)械研磨提高了蒙皮表面的硬度，使磨痕變淺。當(dāng)能量密度為6J/cm2時(shí)，蒙皮表面的覆鋁層在高能激光照射下繼續(xù)被熱氧化和汽化，導(dǎo)致覆鋁層開裂。蒙皮表面的摩擦系數(shù)再次上升至0.7381，磨損量也顯著增加。

圖15 研究了不同激光能量密度下的表面微動(dòng)摩擦系數(shù)。

圖16 （a）不同激光能量密度下飛機(jī)蒙皮表面的平均微動(dòng)摩擦系數(shù)；（b）不同激光能量密度清洗下飛機(jī)蒙皮表面的微動(dòng)磨損量。

通過(guò)分析可以推斷，與傳統(tǒng)的清洗方法相比，當(dāng)激光能量密度為5J/cm2時(shí)，激光清洗不會(huì)降低蒙皮表面的摩擦磨損性能，加快鉚釘?shù)奈?dòng)疲勞磨損，從而保證了飛機(jī)的安全。

3.3. 激光清洗后的表面硬度和殘余應(yīng)力分析

不同能量密度激光清洗下的飛機(jī)蒙皮表面顯微硬度值如圖17（a）所示，表面殘余應(yīng)力值如圖17（b）所示。如圖17（a）所示，激光清洗后蒙皮表面的顯微硬度普遍增加，表明脈沖激光使飛機(jī)蒙皮表面形成硬化層。從圖17（b）可以看出，激光清洗后飛機(jī)蒙皮表面存在顯著的殘余拉應(yīng)力，且隨著激光能量密度的增加而增加，表明脈沖激光導(dǎo)致蒙皮表面塑性變形。圖18是激光清洗過(guò)程中飛機(jī)蒙皮表面變化的示意圖。當(dāng)脈沖激光照射到飛機(jī)蒙皮表面時(shí)，蒙皮表面的底漆層和覆鋁層吸收激光能量，振動(dòng)、破裂并蒸發(fā)。BMS10-11涂層的破裂導(dǎo)致產(chǎn)生的沖擊波作用于蒙皮表面，在蒙皮表面形成致密穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，從而使蒙皮表面硬化。同時(shí)，蒙皮表面的殘余應(yīng)力被釋放和重新分布，導(dǎo)致塑性變形。綜上所述，激光清洗可以提高飛機(jī)蒙皮表面的硬度，產(chǎn)生影響部件穩(wěn)定性的殘余拉應(yīng)力，這是目前工程部門需要解決的問(wèn)題。

圖17 （a）不同能量密度激光清洗飛機(jī)蒙皮表面的顯微硬度值；（b）不同能量密度激光清洗下飛機(jī)蒙皮的表面殘余應(yīng)力值。

圖18 飛機(jī)表面激光清洗過(guò)程中的示意圖發(fā)生變化。

3.4. 激光清洗后的腐蝕性能分析

不同能量密度激光清洗后飛機(jī)蒙皮的動(dòng)電位極化曲線如圖19所示，測(cè)試樣品的電化學(xué)參數(shù)如表2所示。腐蝕電位（Ecorr）表征了試樣在電化學(xué)腐蝕條件下的熱力學(xué)穩(wěn)定性。腐蝕電流密度（Icorr）意味著腐蝕速率和擊穿電位是發(fā)生點(diǎn)蝕的最低電位值。

圖19 研究了不同能量密度激光清洗后飛機(jī)蒙皮的動(dòng)電位極化曲線。

表2 激光清洗后飛機(jī)蒙皮表面的電化學(xué)參數(shù)。

從表2和圖15可以看出，機(jī)械研磨后蒙皮的腐蝕電流密度為2.414 × 10-4 A?cm?2，腐蝕電位為?0.755 V。當(dāng)激光能量密度為2 J/cm2時(shí)，油漆層仍緊密附著在表面。蒙皮的腐蝕電流密度為1.585 × 10-4 A?cm?2，此時(shí)耐腐蝕性最好。隨著激光能量密度的進(jìn)一步增加，飛機(jī)蒙皮表面的油漆層逐漸被去除。覆鋁層的暴露使表面的腐蝕電流密度明顯增加，使蒙皮的耐腐蝕性降低。在4j/cm2時(shí)，蒙皮的腐蝕電流密度達(dá)到最大值2.907 × 10-4 A?cm?2?蒙皮的耐腐蝕性最差。

當(dāng)能量密度達(dá)到5J/cm2時(shí)，覆鋁層被氧化，在蒙皮表面形成致密的氧化膜，使蒙皮的耐腐蝕性顯著提高。此時(shí)，蒙皮的腐蝕電流密度降至1.601 × 10-4 A?cm?2 、防腐性能優(yōu)于機(jī)械清洗蒙皮。當(dāng)能量密度達(dá)到6J/cm2時(shí)，高能激光使覆鋁層表面的氧化膜再次開裂。蒙皮的腐蝕電流密度上升到1.996 × 10-4 A?cm?2，蒙皮的耐腐蝕性再次下降。與傳統(tǒng)的機(jī)械清洗方法相比，當(dāng)激光能量密度為2 J/cm2、5 J/cm2、6 J/cm2時(shí)，激光清洗不會(huì)降低飛機(jī)蒙皮表面的耐腐蝕性，當(dāng)激光能量密度為5 J/cm2時(shí)，腐蝕性能最好。

4.結(jié)論

在這項(xiàng)工作中，使用中功率高能激光二極管泵浦脈沖固體激光清洗設(shè)備去除波音系列飛機(jī)蒙皮表面的BMS10-11底漆。研究了不同能量密度下的清洗效果，并對(duì)其表面形貌、摩擦磨損性能、顯微硬度和殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試和分析。主要研究結(jié)果如下，可為激光清洗在飛機(jī)維修中的大規(guī)模應(yīng)用提供參考。

（1） Nd:YAG激光器可以有效去除波音系列飛機(jī)蒙皮表面的BMS10-11涂層。當(dāng)激光能量為5J/cm2時(shí)，清洗效果最好。過(guò)度清潔會(huì)穿透蒙皮表面的覆鋁層并損壞基底。

（2）在5J/cm2激光清洗條件下，飛機(jī)蒙皮表面和鉚釘孔的摩擦磨損性能不會(huì)降低。與傳統(tǒng)的清洗方法相比，可以減少鉚釘?shù)奈?dòng)疲勞磨損。

（3）激光清洗可使飛機(jī)蒙皮表面硬化，表面略有強(qiáng)化；激光清洗后的蒙皮表面發(fā)生塑性變形，增加了殘余拉伸應(yīng)力。

（4）與傳統(tǒng)清洗方法相比，當(dāng)激光能量密度為2 J/cm2、5 J/cm2、6 J/cm2時(shí)，激光清洗不會(huì)降低飛機(jī)蒙皮表面的耐腐蝕性，當(dāng)激光能量密度為5 J/cm2時(shí)，腐蝕性能最好。

來(lái)源：Corrosion and wear performance of aircraft skin after laser cleaning，Optics andLaser Technology，doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106475