1、引言

鈦合金因其卓越的力學性能、耐高溫性和耐腐蝕性，在航空航天、船舶制造、能源化工以及醫療器械等領域得到了廣泛應用 [1-2]。在鈦合金表面涂覆漆層可顯著提升其抗腐蝕性，部分特殊功能涂層還能通過硬化表面提升耐磨性。然而，隨著使用時間的延長，涂層可能會出現老化、剝落等問題，因此需要定期清除舊涂層并進行重新涂覆。當前，清洗操作已成為工業生產中至關重要的環節，對提高產品質量和延長工件使用壽命起著關鍵作用 [3-5]。在全球制造業轉型升級的背景下，傳統清洗技術面臨新的挑戰：機械清洗（如噴砂、打磨）雖技術成熟且適用范圍廣，但對深槽、微孔等復雜幾何結構的清洗效果有限，且易導致基材表面損傷 [6] 等；化學清洗雖然操作簡單、成本低廉，但長期使用會腐蝕基材表面，并且化學試劑會對環境造成污染，對工作人員的健康構成威脅 [7]。相比之下，激光作為一種高能量密度的光束，具有精度高、無污染等優點，尤其適用于材料的表面處理 [8-11]。激光清洗作為一種先進的清洗技術，與傳統方法相比，其具有綠色環保、效率高、非接觸以及低損傷等顯著優勢 [12-15]。近年來，國內外學者在激光清洗技術領域進行了廣泛且深入的研究。然而，在激光清洗過程中容易產生濺射性風險和粉塵污染，并且會引起靶材表面發生嚴重的熱缺陷，表現為重鑄層以及熱影響區，對靶材的力學性能產生不利的影響，使得清洗過程穩定性差。此外，金屬靶材在清洗過程中極容易發生氧化反應，影響最終的清洗效率，因此研究人員提出一種濕法激光清洗（WLC）技術。

WLC 是一種利用激光與液體介質協同作用的表面清潔技術，近年來在精密制造、文物保護、生物醫藥等領域展現出巨大的應用潛力。相較于傳統的干法激光清洗，WLC 通過引入一層液膜，顯著提升了清洗效率和效果，并降低了對基底材料的損傷風險。WLC 的核心機制在于激光能量與液膜的相互作用。當激光脈沖照射在被液膜覆蓋的表面時，液膜吸收激光能量后迅速汽化，產生高壓蒸汽或等離子體，形成沖擊波。該沖擊波能夠有效地去除表面的污染物或涂層 [10]。同時，液膜的存在不僅可以起到提高去除效率、降低熱損傷、減少二次污染等作用，還可以利用特定溶液增強清洗效果，在微電子制造、精密光學、文物保護、材料表面處理、生物醫藥、顯示面板制造、玻璃清潔等領域具有較好的應用前景。然而，WLC 在實際應用中仍然面臨一些挑戰，比如：激光的波長、脈沖寬度、能量密度等參數對清洗效果有很大影響，需要根據不同的材料和污染物進行優化；液膜的厚度、均勻性和穩定性對清洗效果至關重要，需要精確控制；清洗后可能需要在表面進行鈍化處理，防止二次污染或腐蝕。

本文提出一種水導激光清洗方法：通過去離子水射流在靶材表面形成均勻水層，結合激光輻照實現水光協同清洗。該方法融合了激光燒蝕與水射流沖擊的雙重效應，相比于單一能場加工，其具有定域性更強、剝離率更高、基材損傷更小的優勢。相較于高壓水射流、噴丸或化學清洗，該方法大幅降低了環境污染風險，實現了清洗廢料最小化。與單一能場（激光 / 高壓水）加工相比，結合激光熱輻照、燒蝕、水射流等效應的激光復合加工更具原理與工藝綜合優勢，能場作用定域性更好，附著物剝離率更高，靶材損傷更小，在高效激光清洗方面已展現出顯著的競爭優勢。射流 WLC 作為一種高效、環保、精確的表面清潔技術，將在各個領域發揮越來越重要的作用。通過不斷的技術創新和應用拓展，射流 WLC 有望成為未來表面處理的主流技術之一。本文針對 TC17 鈦合金表面的油漆膜進行激光清洗研究。首先，闡述了清洗過程的基本原理，利用光學顯微鏡和白光干涉表面輪廓儀對不同狀態下的表面形貌進行觀察；然后，對比干法激光清洗與水導送水激光清洗的效果，深入分析干法激光清洗后表面白層的形成原因。

2、實驗方法

2.1 干法與水導激光清洗的裝置與工藝參數

2.1.1 干法激光清洗

本實驗使用的激光清洗設備為 SIA-CLEANING1.0。待清洗試樣固定后，由六軸聯動機器人夾持設備激光頭進行清洗操作，設備配套搭載煙塵凈化回收裝置，以實現清洗過程中煙塵的高效處理與回收。該清洗過程為干法激光清洗，即激光直接作用于油漆表面進行清洗。該清洗設備的基本激光參數如表 1 所示。

表 1 清洗設備的基本激光參數

Parameter	Dry laser cleaning	Water-guided laser cleaning
Laser device	IPG	IPG
Laser power /W	200	200
Optical maser wavelength /nm	532	532
Scanning speed /(mm/s)	6000	-
Scanning line width /mm	60	-
Laser energy /mJ	1	1
Laser pulse width /ns	100-140	100-140
Laser focal length /mm	160	-
Pulse repetition frequency /kHz	100-200	100-200
Motion speed of the machine tool /(m/min)	-	5-30
Work length /mm	-	30-60
Spot diameter /mm	0.1-0.5	0.1-0.5
Jet diameter /mm	-	0.5-1.0

2.1.2 水導激光清洗

在上述干法激光清洗所用清洗機的基礎上，去掉激光清洗頭，將激光光纖連接激光 - 水射流耦合頭，如圖 1 所示。耦合頭包括殼體、激光聚焦透鏡、激光窗口和噴嘴。在殼體內設有液壓均衡腔，激光聚焦透鏡放置在殼體上端，殼體下端正對激光窗口，在噴嘴外側的殼體上設有射流入口，液體經過噴嘴后形成射流并由射流口噴出，激光在射流的包裹下向前傳播。激光由殼體后窗口鏡射入且依次穿過激光聚焦透鏡、激光窗口和液壓均衡腔內的液體，并通過噴嘴進行水光耦合，最終照射在工件表面。高壓水發生裝置將去離子水加壓至 300 atm（1 atm=101325 Pa）以上，以保證射流穩定輸出。將改裝好的水導傳輸激光耦合頭安裝到三軸機床上，通過激光運動控制水導激光的運動軌跡，水導激光在 X、Y 軸上進行 Z 字形往返運動。去離子水射流沖擊靶材表面會形成一層去離子水膜，從而減少激光對基底材料的熱影響，并沖刷掉清洗下來的顆粒，防止二次污染。

2.2 實驗材料及方法

本實驗所用的材料為 TC17 鈦合金，該樣品是經過兩次真空自耗熔煉與一次真空感應熔煉制備出的鑄錠。鑄錠經熱等靜壓（1300 ℃，150 MPa，3.5 h）和機加工制作成大小為 50 mm×10 mm×2 mm 的試件。試樣表面預處理流程如下：先采用 200#、800# 砂紙依次進行打磨，隨后用乙醇溶液清洗以去除表面雜質，再經氮氣吹干；最后在試樣表面均勻噴涂一層黑色油漆，厚度約為 20 µm。圖 2 所示為基材與油漆膜的光學表面形貌。

通過持續調整工藝參數（具體工藝參數調節范圍詳見表 1），最終選定表面質量最佳的一組工藝參數，最優工藝參數如下：激光功率為 160 W，掃描速度為 4000 mm/s，線寬為 60 mm，單脈沖能量為 1 mJ，脈沖寬度為 120 ns，工作距離為 160 mm，激光重復頻率為 200 kHz，光斑直徑為 0.1 mm，清洗面積為 100 mm×50 mm。選用表面清洗質量較高的試樣進行對比驗證。

水膜激光清洗的工藝參數與干法激光清洗相同，在其表面噴射一層均勻流動的水膜，水膜厚度為 5~13 mm。水導水射流的主要參數如下：激光功率為 160 W，單脈沖能量為 1 mJ，脈沖寬度為 120 ns，激光重復頻率為 200 kHz，光斑直徑為 0.1 mm，水壓為 500 atm，射流直徑為 1 mm，穩定射流長度為 40 mm。去離子水射流的工藝參數包括：電導率為 0.1~0.05 μS/cm，電阻率 > 10 MΩ・cm，鹽的質量濃度 < 0.1 mg/L，表面溫度不大于 25 ℃。根據設定的去離子水膜參數，減弱對靶材基底的熱影響。機床運動速度為 3 m/min，在 X、Y 方向作直線往復掃描運動，清洗面積為 100 mm×50 mm。

檢測項目涵蓋殘余應力、表面質量和微觀形貌，所使用的儀器設備包括 X 射線殘余應力測試儀、白光干涉三維輪廓儀（SuperView W1 1200）、金相顯微鏡（Axiophoto 2 image）以及掃描電子顯微鏡（SEM；JSM-6301F）。通過這些設備，觀察激光清洗后基材的表面形貌、微觀組織。

3、分析與討論

3.1 激光清洗表面形貌觀察

在激光清洗后，對表面形貌進行觀察。圖 3 對比了干法激光清洗、水膜激光清洗和水導激光清洗 3 種技術對樣品表層的處理效果，包含宏觀粗糙度與微觀組織結構演變特征。

觀察結果顯示，清洗方法不同，所產生的表面形態也不同：經干法激光清洗后，表面呈現中間下凹、四周隆起的凹坑形態 [圖 3 (a)、(d)]。利用白光干涉儀分析表面微觀形貌（圖 4、圖 5），發現：這些凹坑分布均勻，排列方向基本一致，形狀主要為圓形、橢圓形和半圓形，直徑范圍為 170~260 µm [圖 4 (a)]；對于干法激光清洗中特征明顯的凹坑三維輪廓（圖 5），其凹坑直徑約為 200 µm。圖 3 (b)、(e) 為水膜激光清洗后的 SEM 圖像，圖 4 (b) 為白光干涉儀探測的表面微觀形貌，表面凹坑的數量相比于干法激光清洗明顯減少，且深度減小，粗糙度也隨之降低，表面質量稍有提高。圖 3 (c)、(f) 為水導激光清洗后的 SEM 圖像，圖 4 (c) 為白光干涉儀探測的表面微觀形貌，表面存在極少量的凹坑，且深度減小，原基材表面存在的加工劃痕等缺陷消失，粗糙度也隨之降低，表面質量明顯提高，與此同時，表面出現了皸裂的紋路，這些細小紋路的方向沒有明顯規律。

3.2 激光清洗表面組織

通過金相顯微鏡觀察清洗后基材的斷面可以發現，干法激光清洗后基材表面和亞表面出現了一層均勻分布的褶皺狀白色硬化層，俗稱白層（white layer）。通過殘余應力測試分析可知，這層很薄的硬化層表面呈現拉應力狀態，測試不同的 5 個位置，得到拉應力平均值為 174.4 MPa±9.29 MPa，清洗前金屬表面的殘余應力為 50 MPa±3.02 MPa。水膜激光清洗后表面殘余應力為−45~−90 MPa，在表面形成一層較小的殘余壓應力。通過 SEM 觀察截面可知，該白層厚度范圍為 5~13 μm，其表面形貌如圖 6 所示。

水導激光清洗后基材表面未發現白層（圖 7），且呈現壓應力狀態，壓應力最大可以達到−256 MPa±3.17 MPa（清洗前金屬表面的殘余應力約為 50 MPa），可有效抑制基材因機械加工形成的拉應力。形成壓應力的可能原因是：激光誘導等離子體在黑漆表面發生爆炸，產生等離子體沖擊波，沖擊波向基體內部傳播，產生一定的塑性變形后形成表面殘余壓應力。

3.3 干法激光清洗白層形成機制

根據之前的研究成果 [12-13]，干法激光清洗后的白層一般有以下兩種成因：

其一，高能量密度激光在基體表面轉化成熱量，焦點處瞬時溫度可達幾千攝氏度，達到材料的熔點或沸點，材料因此發生燃燒、分解甚至汽化，消除油漆與基體的結合力，這被稱作激光清洗燒蝕效應。一般情況下，激光清洗要求不損傷基材表面，但是在燒蝕過程中，表面重熔層的硬度和強度明顯提高，而基體其他部位仍保持較好的韌性，因此可將激光清洗過程看作表面激光淬火，同時實現了表面污染物清除。

其二，基于激光清洗振動波理論 [14]，在高能量密度激光的作用下，表面油漆受熱膨脹，材料在極短的時間內受熱和冷卻，在金屬材料表面會形成很大的應力梯度，由于基材與油漆的熱膨脹系數差別極大，因此界面處產生強大的熱膨脹力。當油漆顆粒的膨脹力大于污垢對基體的附著力時，油漆脫離物體表面。橫向與縱向位移證明了激光誘導沖擊波的存在，其實質是基材表面的彈性振動波，這種振動波可以利用熱傳導方程與熱致彈性波動方程來描述，實現了振動波的求解。如果該振動波幅值大于基體塑性變形所需要的應力水平，將導致基體金屬表面發生一定程度的塑性變形。激光清洗過程中白層的形成機制如圖 8 所示。

激光熔化在清洗區產生平行于材料表面的拉應力，并使材料發生塑性變形，由于重熔過程涉及復雜的熱應力交互過程，在加工完成后，周圍材料對重熔區有反作用，將在重熔區產生殘余拉應力 [15]。同時，激光誘導沖擊波作用在實驗件表面，沖擊波的峰值大于材料的屈服強度，使材料表面由于機械作用發生冷卻硬化，并產生殘余應力。在油漆膜表面激光清洗過程中，表面重熔和沖擊波振動是主要作用機制，二者協同作用 [16-18]。

待清洗附著物（如油漆層、氧化膜）因多孔結構及對激光的吸收率高，更易引發局部升溫，顯著增加基底熱損傷風險。在水輔助的激光清洗過程中，水射流通過強制對流換熱加速靶材表面熱耗散，削弱激光光束對待清洗靶材的熱影響，保證清洗過程中待清洗靶材的熱穩定性，防止待清洗靶材的表面發生氧化反應，保證清洗表面的質量。此外，水射流沖刷清洗掉的顆粒污染物，防止二次污染，進而保證清洗過程的穩定性。水膜激光清洗實際是一種射流旁軸輔助成膜的激光清洗方法，激光能量發生較大損失，且無法對其進行定量控制，表面也會出現不同程度的熱損傷。

水導激光清洗方法不僅具備上述優勢，還因為激光光束通過穩定射流傳輸，水導中的激光光斑能量更集中，從而增大激光清洗強度，有利于降低激光清洗掃描次數，提高工作效率，可實現激光能量傳輸損耗率的主動調控，工藝效果穩定，工藝過程易于管控。干法激光清洗主要依靠熱燒蝕汽化造成附著物剝離，水導激光清洗過程主要依靠爆炸產生的沖擊波使黑漆破碎，等離子體爆炸使表面漆層發生汽化，以達到剝離的目的。該方法可有效地解決現有激光清洗中存在的基體損傷、清洗效率低和清洗過程穩定性差的問題。

4、結論

激光清洗后，全部除去油漆膜，采用不同清洗方法時金屬基底表面的微觀形貌出現明顯區別。采用干法激光清洗時，表面出現中間下凹、四周隆起的凹坑。干法激光清洗后基材表面和亞表面出現一層均勻分布的褶皺狀白色硬化層，表面呈現拉應力狀態，該白色硬化層是高能激光表面重熔與等離子體沖擊波造成的塑性變形共同作用的結果。

水導激光清洗過程主要依靠爆炸產生的沖擊波使黑漆破碎，等離子體爆炸使表面漆層發生汽化，以達到剝離的目的，不僅可以降低激光清洗過程中所產生的熱影響，防止氧化，還能夠沖刷清洗掉的顆粒污染物，防止二次污染。此外，激光光束通過穩定射流傳輸，激光光斑的能量更高、更集中，能量損失的比例可控，工藝穩定可控。

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（注，原文標題：水導與干法激光清洗對鈦合金除漆表面質量的對比）

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