鋁合金的一種激光表面處理方法

韓紅敏，韓建平，宋可為，朱麗君

(西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025)

0 引言

復(fù)合材料因其有高的比強度、比剛度以及其他良好的綜合性能，近年來代替金屬材料成為發(fā)動機殼體的理想材料，但具有良好綜合性能的鋁合金作為連接件仍被廣泛用于各種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和航天發(fā)動機上。鋁合金作為復(fù)合材料發(fā)動機殼體用連接件有相當(dāng)一部分采用膠接，而鋁合金在空氣中放置，表面會生成厚度不均、無定形的氧化鋁(γ-Al2O3)薄膜。這種自然形成的氧化膜結(jié)構(gòu)不牢固，存在很多缺陷，要獲得牢固的膠接接頭，必須對其表面進行處理，除去其天然的氧化鋁薄膜，獲得適合膠接的表面層[1]。為獲得較高的膠接性能，普遍而有效的方法是化學(xué)浸蝕和機械噴砂[2]，但這些處理均會造成一定程度的污染。而激光清洗作為一種新興的清洗技術(shù)，是一種“綠色”的清洗工藝。該技術(shù)成本低、清潔度高、適用性廣，具有良好的應(yīng)用前景。激光清洗的原理是利用高功率密度的激光直接作用于待清洗物表面，在快速熱振動、汽化、熔化和等離子體剝離等機理的共同作用下，使污物脫離基底，實現(xiàn)對清洗物表面的清洗。激光清洗不需要使用任何化學(xué)藥劑和清洗液，可輕易解決化學(xué)清洗帶來的環(huán)境污染問題。激光清洗能清除各種材料表面的各種類型的污染物，達到常規(guī)清洗無法達到的清潔度[3]，且高能激光對工件有刻蝕作用，使其表面形成粗糙化。激光清洗已在文物保護、脫漆、除銹、工業(yè)模具清洗等諸多領(lǐng)域取得顯著效果[4]。

本文采用激光干式清洗法對LY12硬鋁表面進行清洗，并研究激光清洗對鋁合金膠接性能的影響。對激光清洗參數(shù)進行篩選，與鋁試件的酸蝕處理、噴砂處理進行對比，并對清洗后的材料表面的微觀結(jié)構(gòu)和激光清洗的有效期進行研究。

1 實驗

1.1 原材料

二氧化硅丁腈橡膠片，西安航天復(fù)合材料研究所自制；JX-9膠，上海橡膠制品研究所；重鉻酸鉀，化學(xué)分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；濃度98%的濃硫酸，化學(xué)純試劑，利安隆博華(天津)醫(yī)藥化學(xué)有限公司；汽油，工業(yè)品，中國石油公司產(chǎn)品；丙酮，工業(yè)品，中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司；LY12硬鋁試片，2 mm×20 mm×70 mm；LY12硬鋁蘑菇頭，φ25 mm；80#棕剛玉砂布，西安駿馬實業(yè)有限公司。

1.2 試件表面處理方式

噴砂處理：汽油、酒精清理干凈，晾置，正壓噴2遍；噴嘴直徑φ8 mm，噴砂距離110～130 mm，空氣壓力0.35～0.45 MPa，石英砂規(guī)格10～20目，噴槍進給速度2.5 mm/s。

酸蝕處理：汽油清洗干凈、晾置；80#棕剛玉砂布打磨；丙酮清洗、晾置；配制重鉻酸鉀∶濃硫酸∶水=1∶10∶30酸處理液，在酸處理液中按(65±1)℃/10 min進行處理；沖洗至中性，烘干。

激光清洗：采用北京航天控制儀器研究所研制的短脈沖光纖激光器作為光源，對試件表面直接進行激光處理。

1.3 試樣制備

(1)剪切試樣制備

將剪切鋁試片分別按照不同的表面處理方法進行處理：酸蝕處理、噴砂、激光清洗；在處理過的試片上涂刷JX-9膠，晾置；在環(huán)化處理后的二氧化硅丁腈橡膠片上涂刷JX-9膠，晾置；將涂過膠的橡膠片粘貼在鋁試片上、搭接，然后上夾具、加壓；按照固化制度固化：RT→80 ℃/2 h→100 ℃/2 h→150 ℃/6 h→自然降溫。

(2)拉伸試樣制作

將蘑菇頭鋁試件按照下列處理方法進行表面處理：酸蝕處理、激光清洗、噴砂；在處理過的蘑菇頭上涂刷JX-9膠，晾置；蘑菇頭搭接，上夾具、加壓。按照固化制度固化：RT→80 ℃/2 h→100 ℃/2 h→150 ℃/6 h→自然降溫。

1.4 測試標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備

剪切強度測試采用HG4-853—81標(biāo)準(zhǔn)；拉伸強度測試參照HG4-852—81標(biāo)準(zhǔn)。測試設(shè)備為INSTRON 4505型電子萬能材料試驗機。

試件的表面微觀形貌測試設(shè)備采用JSM-6460LV型掃描電鏡。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光清洗參數(shù)對膠接性能的影響

調(diào)試不同的激光清洗參數(shù)對LY12硬鋁試件膠接面進行表面清洗，制作剪切試件并測試。不同激光處理參數(shù)見表1，剪切強度數(shù)據(jù)見表2，殘樣見圖1。觀察表1、表2數(shù)據(jù)，對比激光清洗狀態(tài)A、B、C，當(dāng)清洗速度均為2.92 mm2/s時，峰值功率較高(3000 W)的膠接試件的剪切性能最好，說明清洗速度確定時，在一定范圍內(nèi)提高峰值功率對膠接性能有利。

表1 不同激光清洗參數(shù)狀態(tài)

表2 不同清洗參數(shù)的剪切性能統(tǒng)計

對比狀態(tài)C、D，在相同峰值功率和清洗速度下，在一定范圍內(nèi)清洗2次效果優(yōu)于清洗1次。這是由于清洗峰值功率較低(1500 W)時，清洗2次對試件表面的清洗更徹底；對比激光清洗狀態(tài)A、E、F、G，當(dāng)激光的峰值功率為2000 W，清洗速度為3.61 mm2/s時，膠接試件的剪切強度最高，說明激光清洗在設(shè)定峰值功率后，需要調(diào)整一個合適的清洗速度，速度太快或太慢，均會影響膠接試件的界面性能。這是因為激光清洗速度太快，會造成清洗不徹底、刻蝕不夠的現(xiàn)象；清洗太慢則會造成過度刻蝕，反而影響粘接性能的結(jié)果。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，采用激光清洗狀態(tài)B、F處理后的膠接試件，其剪切強度達到并超過采用酸蝕處理后制作的試件，更優(yōu)于采用噴砂處理工藝的膠接試件，膠接試件的破壞均為內(nèi)聚破壞(見圖1)?？梢?，激光處理方式完全滿足界面膠接的需要，接頭處理效果良好。因此，僅采用激光清洗對鋁工件進行表面處理，即可代替酸蝕處理或噴砂處理來對鋁工件進行膠接前的表面處理。經(jīng)測試，經(jīng)激光處理的B、F狀態(tài)試件，其親水性更好，即膠粘劑對膠接接頭的浸潤性更好，所以更利于提高膠接試件的強度。酸蝕處理工序復(fù)雜，需經(jīng)過溶劑除脂、酸液浸蝕、清洗、烘干等工序，不僅浪費人力、物力，且試件處理后帶來的廢液也會對環(huán)境造成較大的污染；噴砂處理則先采用溶劑除脂，然后采用壓縮空氣流將石英砂噴在試件表面，也會造成一定的粉塵和廢液污染。激光清洗不需要化學(xué)溶液，且廢料都是固體粉末、體積小、易于存放，對環(huán)境基本上不造成污染，還可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，有效減少了對操作人員的健康損害。

2.2 表面處理微觀結(jié)構(gòu)分析

圖2給出了鋁合金試件經(jīng)不同表面處理后的微觀形貌。圖2(a)為鋁合金試件的材料原貌，可看出未處理的鋁合金表面光滑平整；圖2(b)為噴砂處理后試件微觀形貌，與圖2(a)相比，采用片狀石英砂進行噴砂處理后的試件表面，去除了一部分疏松氧化層使表面得到凈化，并達到了對試件粗糙化的效果，提高了試件的膠接面積，有利于提高試件的膠接強度；圖2(c)為酸蝕處理后試件微觀形貌，經(jīng)棕剛玉砂布打磨后，表面獲得按照打磨方向產(chǎn)生的一系列溝槽，溝槽寬度多約為30～50 μm，然后用重鉻酸鉀-硫酸溶液處理，首先將不穩(wěn)定的氧化膜去除后，生成了致密的氧化膜Al2O3，此氧化膜內(nèi)聚強度高，與基體結(jié)合牢固，且有極性，有利于提高膠接強度；圖2(d)為干式激光清洗后試件微觀形貌，經(jīng)表面清洗后，表面的油污、疏松氧化膜剝離，在試件表面刻蝕出均勻的“珊瑚”狀粗糙表面，“珊瑚”的分枝間距小于10 μm，且頂端成“球”狀，根據(jù)機械互鎖理論[5]，膠粘劑會在試件表面形成更強的機械互鎖力，與酸蝕和噴砂處理相比，大大提高了試件的膠接面積，從而提高了試件的膠接性能。

表3給出了4種不同處理方式對鋁合金表面元素重量和原子數(shù)量百分比的影響。

處理方式元素元素含量/%原子含量/%溶劑清洗OAl6．1393．879．9290．08溶劑清洗、打磨Al100．00100．00酸蝕處理OAl2．1797．833．6096．40激光清洗OAl4．4795．287．7092．30

由表3可看出，溶劑清洗后，表面含有氧元素和鋁元素，其為無定形的γ-Al2O3，疏松、多孔，影響鋁合金件的膠接質(zhì)量；溶劑清洗并打磨后，去除了表面氧化層，表面元素為純鋁；經(jīng)酸蝕后的試件表面氧元素仍存在，但氧原子含量發(fā)生變化，降低為3.60%，存在于經(jīng)重鉻酸鉀-硫酸溶液強氧化浸蝕后生成的致密化學(xué)氧化膜Al2O3中；經(jīng)激光清洗后的試片表面的氧元素重量比下降至4.47%，說明經(jīng)激光清洗后表面無定形氧化膜被清除后，仍發(fā)生了氧化反應(yīng)，研究表明[6-8]，α-Al2O3形貌為球狀，結(jié)合圖2(d)中激光處理后的表面形貌，可推測激光處理時表面生成致密的α-Al2O3，使其抗氧化性能明顯提高。

2.3 激光清洗的有效期

選用清洗效果較好的狀態(tài)B進行放置試驗，即將鋁試件按照設(shè)定峰值功率3000 W、2.92 mm2/s的清洗速度進行激光清洗，分別在廠房內(nèi)自然放置0、7、14 d，環(huán)境溫度為20～25 ℃，相對濕度為45%～65%，按照試驗節(jié)點制作剪切和拉伸試件，并在初次試驗時制作酸蝕處理和噴砂處理的對照試件，試驗數(shù)據(jù)見表4，放置前后微觀形貌見圖3。

從表4可看出，隨著放置時間的增加，激光清洗膠接試件的剪切性能和拉伸性能均有略微下降的趨勢。在放置7 d后，膠接試件的剪切和拉伸強度與不放置時性能相當(dāng)，強度保持率均大于98%，均高于酸蝕處理；放置14 d后，試件的膠接性能僅略低于酸蝕處理，仍高于噴砂試件的膠接性能，且強度保持率仍高達94%。放置前后鋁合金試件微觀形貌見圖3。

表4 激光清洗放置時間膠接性能數(shù)據(jù)

觀察圖3，激光清洗后的試件刻蝕面達到微米級，有的甚至達到納米級，放置14 d后其微觀形貌未發(fā)生明顯變化，也說明了激光清洗后其表面形成的氧化膜致密、抗氧化性能大大提高。實驗表明，鋁合金經(jīng)硫酸-鉻酸表面處理后的有效期是6 h，噴砂處理后的有效期是72 h[9]。由此可見，激光清洗后鋁合金工件的貯存時間更長。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)清洗速度均為2.92 mm2/s時，在一定范圍內(nèi)提高激光的峰值功率可提高膠接試件的剪切性能；當(dāng)激光清洗的峰值功率為2000 W，清洗速度為3.61 mm2/s時，膠接試件的剪切強度更高；在一定的峰值功率和清洗速度下，清洗2次的效果優(yōu)于清洗1次。

(2)采用調(diào)整激光清洗參數(shù)對鋁合金進行表面清洗，處理效果優(yōu)于酸蝕處理和噴砂處理。

(3)激光清洗可使鋁合金工件表面的油污、疏松氧化膜剝離；試件表面均勻粗糙化，形成更強的機械互鎖力，提高膠接件的膠接性能。

(4)激光清洗后，鋁合金表面形成的氧化膜致密、抗氧化性能增強。

(5)激光清洗工件有較長的有效期，自然放置14 d后剪切和拉伸性能的強度保持率仍大于94%。

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