銹蝕表面的激光清洗及其元素組成分析

喬玉林,趙吉鑫,王思捷,蔡志海,張 晶,張國新

(1.裝甲兵工程學院機械產品再制造國家工程研究中心,北京 100072；2.北京國科世紀激光技術有限公司,北京 100192)

1 引 言

鋼鐵零部件表面與其周圍介質發(fā)生化學或電化學反應,使金屬發(fā)生腐蝕,造成零部件的使用性能顯著下降,嚴重時會顯著降低零部件的使用壽命[1]。傳統(tǒng)的除銹方式多采用機械除銹(包括噴砂)法、高壓水射流除銹法、化學除銹法。機械除銹法存在強度大,固體廢棄物污染嚴重；化學除銹法在清洗過程中常常引入有毒的化學物質,易形成零部件的二次腐燭,并容易對環(huán)境造成二次污染；高壓水射流除銹法在清洗過程易造成表面損傷,同時造成水資源的大量浪費；另外,上述除銹法存在工藝比較復雜,除銹效率不高,清洗質量難以精確控制等不足[2-7]。

自激光器問世以來,激光技術已被應用于清除金屬表面的銹蝕[8-11]。Wang等[12]研究了激光能量密度、脈沖重復頻率、掃描速度等激光參數對A3鋼表面銹燭去除的影響,發(fā)現經過激光清洗的A3鋼表面的抗腐蝕性能得到了改善。Kwok[13]和Conde[14]等分別使用千瓦級連續(xù)Nd∶YAG激光和CO2激光在氬氣環(huán)境下照射不銹鋼材料表面,發(fā)現激光照射引起了材料表面的熔化,在鋼鐵表面形成了一層均勻的、厚度非常小的、呈胞狀枝形結構的薄膜,并具有良好的抗腐蝕性能。沈全等[15]研究了激光清洗銹蝕對基體表面粗糙度的影響,發(fā)現激光清洗表面的粗糙度值隨著激光功率、掃描次數的增大而增大,隨著掃描速度的增大而減小。邱兆飚等[16]采用波長為1.06 μm的脈沖激光進行了除銹工藝研究,發(fā)現激光除銹后的船用鋼材的抗腐蝕性能是用砂紙打磨樣品的2～3倍。目前,激光清洗參數對除銹效果、除銹質量的影響已有不少研究,但對激光清洗表面組成元素及其相對含量的研究很少,因此本文利用波長為1064 nm的高重頻高能量激光對鋼質表面銹蝕進行了激光清洗試驗,分析了激光清洗表面微區(qū)的形貌和組成變化,為激光清洗技術在銹蝕清洗領域的應用提供基礎。

2 實驗材料、儀器與方法

2.1 實驗材料與銹蝕樣品制備

實驗材料:實驗所用樣品基材為45碳鋼,主要成分是Fe、C,還含有少量Mn、Si、S、P等雜質元素。45碳鋼樣品尺寸為100 mm×100 mm。

銹蝕樣品制備:將100 mm×100 mm的45碳鋼樣品打磨,然后將其放入丙酮溶液內超聲清洗5 min,然后在空氣中自然風干。將清潔干燥的45碳鋼樣品懸掛于距離不銹鋼槽底部20 cm的正上方,然后在不銹鋼槽內放入2 L質量百分數為3.5 wt%的NaCl水溶液,每10天將水量補充到2 L。3個月后取出45碳鋼樣品,即可獲得帶銹的試驗樣品。

2.2 激光清洗設備與除銹方法

高重頻高能量激光清洗設備由裝甲兵工程學院機械產品再制造國家工程研究中心與北京國科世紀激光技術有限公司共同研制,主要由激光器單元組件、耦合準直聚焦組件、電氣單元組件、控制單元組件、冷卻單元組件、除塵凈化組件組成。該設備的激光輸出波長為1064 nm、輸出功率≥600 W、功率穩(wěn)定性RMS≤3%@4h、重復頻率5 kHz～20 kHz、發(fā)散角≤2 mrad、聚焦后激光直徑≤1 mm、加工寬度≤70 mm、加工頭焦距200 mm、脈沖寬度50 nm～100 nm、光束近高斯分布、光纖長度≥20 m,可見光與主機激光指示精度≤1 mm、具有除塵凈化功能、激光整體密封。

激光清洗碳鋼銹蝕表面步驟如下:(1)將待清洗的樣品固定放置在二維(2D)工作臺中,并將激光清洗頭固定在樣品上方的固定位置；(2)打開激光清洗光源,選擇激光清洗參數,本試驗選擇的激光清洗參數為:其中波長1064 nm、激光功率為200 W～500 W、脈沖寬度為80 ns、脈沖重復頻率為5 kHz～15 kHz、掃描寬度為5 cm、激光清洗路徑為S型；(3)開啟激光光束開關,通過調節(jié)離焦量,將激光光斑聚焦到待清洗的銹蝕樣品表面,同時確定移動工作平臺的運動速度,開始清洗,并通過吸塵裝置吸除煙塵；(4)清洗完成后,先關閉激光光束開關,然后分別關閉激光器光源和計算機主機。

2.3 激光清洗表面的微區(qū)分析

采用Nova NanoSEM50掃描電子顯微鏡分析激光清洗表面的SEM形貌以及表面元素組成及其相對含量。

3 工藝參數對激光清洗銹蝕表面質量的影響

表1給出了主要清洗參數下激光除銹效果。從表1可以看到,所有銹蝕樣品表面銹蝕層均已被清洗掉,表面呈亮白金屬色,但激光功率為200 W時表面殘留銹斑痕跡,其清洗表面Fe元素的相對含量較500 W時的低,說明200 W時的除銹效果不及500 W時的除銹效果。這是由于銹蝕能否清洗干凈與激光清洗閾值有關,而激光清洗閾值又與激光峰值功率密度有極大關系。當激光峰值功率密度過大時,激光能量超過了激光清洗閾值,激光清洗表面會出現燒傷；當激光峰值功率密度過小時,激光能量沒有達到激光清洗閾值,激光清洗表面清洗不干凈。激光峰值功率密度(F)=4P/·πD2·τ,其中為重復頻率,D為光斑直徑,P為激光平均功率,τ為脈沖寬度。在上述試驗除銹試驗中,光斑直徑D和脈沖寬度τ為固定的,因此激光峰值功率密度F與激光功率P呈正比,與重復頻率成反比。激光平均功率為200 W時激光峰值功率密度小,激光束不足以一次將其徹底清除。

表1 主要清洗參數下激光除銹效果

注:其他激光清洗參數:波長1064 nm、掃描速度:5.0cm2/s、脈沖寬度:80 ns、搭接率5%。

表2給出了掃描速度對激光清洗前后表面元素含量的影響?？梢钥闯?原始銹層的Fe元素含量低,O元素的含量高。這是因為銹層中主要含有Fe2O3.nH2O(n≤3)成分,O元素的含量增加,從而Fe元素的相對含量降低。當激光掃描速度在3.0～6.0 cm2/s時,Fe元素的相對含量呈逐漸增大的趨勢,O元素的相對含量呈逐漸降低的趨勢,C元素的相對含量基本保持不變,這說明銹層在不同程度上被清除；當激光掃描速度為6.0 mm/s時,Fe元素的相對含量最高,O元素的含量最低,說明銹層去除效果最明顯。因此在相同激光參數下,激光清洗銹蝕時掃描速度為6.0 cm2/s,清洗效果最佳。

表2 掃描速度對激光清洗前后表面元素含量的影響

注:波長1064 nm、激光功率500 W、脈沖頻率10 kHz、脈沖寬度80 ns、搭接率5%。

4 激光清洗銹蝕表面的元素組成分析

圖1給出了碳鋼銹蝕表面激光清洗后不同放大倍數的SEM圖?？梢钥闯?激光清洗銹蝕表面出現非常明顯的激光光斑痕跡,其直徑為50 μm左右。在激光光斑內清洗表面平整光滑,但在激光光斑痕跡處出現一些微坑,這可能是光斑搭接處受到2～3次脈沖激光照射,使搭接處溫度升高,發(fā)生熔融、急冷造成的。

圖1 碳鋼銹蝕表面激光清洗后的SEM圖

圖2給出了激光清洗銹蝕表面的元素組成及其相對含量。可以看出,碳鋼表面銹蝕經激光清洗后,清洗表面主要由Fe、C、Mn、Si元素組成,其中Fe、Mn、Si三種元素是碳鋼本身所含的元素。清洗表面還含有C元素,其相對百分含量大約是6.23 wt%,主要是清洗表面在空氣中吸附的污染碳。清洗表面沒有檢測出氧元素的存在,這表明碳鋼表面的銹蝕被完全清洗干凈,而且在激光清洗腐蝕表面過程中也沒有發(fā)生氧化反應。

圖2 激光清洗碳鋼表面的元素組成和相對含量

圖3給出了激光清洗銹蝕表面激光光斑痕跡內微區(qū)的元素組成及其相對含量?？梢钥闯?在激光光斑痕跡內,元素C的相對百分含量很少,大約是6.02 wt%,元素Fe的相對百分含量大約是92.4 wt%,沒有檢測出元素氧的存在。這表明在激光清洗銹蝕的光斑痕跡內,銹蝕被完全清洗干凈,而且在激光清洗表面沒有發(fā)生氧化過程,沒有氧化鐵的存在。

圖3 激光清洗銹蝕表面激光光斑痕跡內的微區(qū)元素組成和相對含量

圖4給出了激光清洗銹蝕表面激光光斑痕跡內不光滑微區(qū)的元素組成和相對含量?？梢钥闯?不光滑的微區(qū)內元素C的相對百分含量大約是7.81 wt%,元素Fe的相對百分含量大約是50.26 wt%,元素O的相對百分含量大約是39.63 wt%,元素O的大量存在,表明不光滑微區(qū)內有金屬氧化物存在,這可能是激光清除下來的銹蝕顆粒沒有被吸塵系統(tǒng)即時吸除,而殘留在激光清洗表面的緣故。

圖5給出了激光清洗銹蝕表面激光光斑搭接處微區(qū)的元素組成和相對含量?？梢钥闯?激光光斑搭接處元素Fe的相對含量為92.48 wt%,與圖2比較,Fe的相對含量基本一致,說明在光斑搭接處銹蝕已被清洗干凈。與圖2～4比較,激光光斑搭接處的元素C的相對含量沒有明顯變化,其變化范圍在6.02～6.69 wt%之間,這很可能是激光清洗銹蝕后清潔表面在空氣中吸附的污染碳。

圖6 給出了激光清洗碳鋼表面的元素線掃描分析?？梢钥闯?元素Fe和O的線掃描曲線都比較平滑,沒有發(fā)現元素顯著變化區(qū)域,表明激光清洗銹蝕表面激光光斑痕跡內以及激光光斑搭接處的元素相對含量相似,這與圖3和圖5的分析結果一致。

圖4 激光清洗銹蝕表面的激光光斑內不光滑微區(qū)元素組成和相對含量

圖5 激光清洗銹蝕表面激光光斑搭接處的微區(qū)元素組成和相對含量

圖6 激光清洗碳鋼表面的元素組成和相對含量的線掃描圖

圖7～圖9分別給出了不同微區(qū)內點元素分析。

圖7 激光清洗銹蝕表面的激光光斑內點元素組成和相對含量

圖8 激光清洗銹蝕表面的激光光斑二次搭接處的點元素組成和相對含量

圖9 激光清洗銹蝕表面的激光光斑三次搭接處點的元素組成和相對含量

由圖7～圖9可以看出,激光光斑內C元素的相對含量為12.93 wt%,略高于光斑二次搭接處C元素的相對含量(12.26 wt%),但要明顯高于光斑三次搭接處C元素的相對含量(7.22 wt%),這可能是由于高能激光掃描清洗表面時會發(fā)生惰性反應,掃描次數越多,表面惰性越高,清洗表面在空氣中吸附的污染碳越少。在激光光斑內、光斑二次搭接處和光斑三次搭接處的點元素分析都沒有發(fā)現元素O的存在,這說明碳鋼表面的銹蝕能被激光清洗干凈,而且在激光清洗銹蝕過程中不會發(fā)生鐵元素與氧元素的氧化反應,生成氧化鐵膜。

5 結 論

采用波長為1064 nm的高重頻高能量激光對鋼質表面銹蝕進行了激光清洗試驗,研究了不同激光工藝參數下鋼質表面銹蝕的激光清洗效果,分析了激光清洗后的不同類型表面的微區(qū)形貌及元素組成變化。主要結論如下:

1)脈沖激光能夠有效清洗碳鋼表面的銹蝕,在波長為1064 nm、激光功率為500 W、脈沖頻率為10 kHz、脈沖寬度為80 ns,清洗速度為6.0 cm2/s、搭接率為5%的清洗參數下激光清洗銹蝕效果最佳。

2)在激光光斑內以及光斑搭接處,Fe元素的相對含量很高,但未檢測出氧元素的存在,說明碳鋼表面上的銹蝕能被激光清洗干凈,而且在激光清洗銹蝕過程中也沒有發(fā)生鐵元素與氧元素的氧化反應,生成新的氧化鐵膜。

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