TiNi合金表面軋制氧化膜激光清洗工藝研究

（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330063）

TiNi形狀記憶合金(SMA)，具有優(yōu)異的形狀記憶性能和超彈性，以及較高的比強(qiáng)度、抗腐蝕、抗磨損和生物相容性等特點(diǎn)，在航天航空、原子能、海洋開發(fā)、儀器儀表及醫(yī)療器械等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[1—4]。然而，TiNi合金極易在其表面形成一層致密的氧化膜，對焊接質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)的金屬氧化膜去除方法一般為化學(xué)清洗法、機(jī)械摩擦法，會(huì)對環(huán)境造成污染。激光清洗是一種新的清洗方法，與傳統(tǒng)清洗法相比較而言，激光清洗金屬表面時(shí)無接觸、無研磨，對材料表面的損傷較小；此外激光清洗不需要任何化學(xué)溶劑，不會(huì)對環(huán)境造成污染，是一種綠色清洗方法[5—12]。

國內(nèi)外學(xué)者均對激光清洗金屬表面展開了研究。高雯雯[13]采用532 nm激光清洗304不銹鋼表面，得出了最佳的加工參數(shù)為功率P=26 W，掃描次數(shù)N=45，掃描速度S=100 mm/s，并且研究了激光工藝參數(shù)對清洗效果的影響。Ruoyang Li[14]研究了激光清洗在厚板超窄間隙多道多層激光焊接工藝上的應(yīng)用，研究了清洗參數(shù)包括槽角、激光功率、離焦量、清洗速度對焊接的影響，實(shí)現(xiàn)了40 mm厚鋼板激光焊接。Aniruddha Kumar[15]采用脈沖光纖激光清洗Ti-3Al-2.5V管，確定了不同激光重復(fù)頻率下的閾值參數(shù)，優(yōu)化脈沖焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鈦管的對接，然而，目前對TiNi合金激光清洗研究較少。

文中采用Nd： YAG激光清洗手段去除TiNi合金表面軋制氧化膜，通過改變激光清洗工藝參數(shù)，研究激光清洗工藝參數(shù)對 TiNi合金表面軋制氧化膜的影響，探究激光清洗去除 TiNi合金表面軋制氧化膜的可行性。

1 材料與方法

被焊材料為 0.25 mm厚的表面有致密氧化膜的熱軋態(tài) Ti-49.4%Ni（原子數(shù)分?jǐn)?shù)），形狀記憶合金，簡稱TiNi合金。采用線切割將材料加工成30 mm×20 mm的試樣，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：Ti 為44.34%，Ni為55.66%。

采用激光清洗設(shè)備為 MoDel RQM-0100型 Nd：YAG脈沖激光清洗機(jī)，激光平均功率為 100 W，光斑大小為 70 μm×70 μm，波長 1030 nm≤λ≤1080 nm。激光清洗參數(shù)見表1。

表1 激光清洗參數(shù)Tab.1 Parameters of laser cleaning

2 結(jié)果分析

2.1 激光清洗對試樣形貌的影響

激光清洗參數(shù)為頻率20 Hz、功率百分比80%、掃描速度200 mm/s、掃描間距0.03 mm，掃描次數(shù)6次時(shí)試樣形貌見圖 1，稱之為 1#試樣，圖 1a為試樣表面形貌，圖1b為試樣橫截面形貌。

圖1 1#試樣激光清洗形貌Fig.1 Laser cleaning morphology of sample 1#

激光清洗參數(shù)為頻率20 Hz、功率百分比80%、掃描速度200 mm/s、掃描間距0.03 mm、掃描次數(shù)10次時(shí)試樣形貌見圖2，稱之為 2#試樣，其中圖 2a為試樣表面形貌，圖2b為試樣橫截面形貌。觀察激光清洗過后的1#試樣和2#試樣，可以發(fā)現(xiàn)，相較掃描6次的1#試樣，掃描 10次的2#試樣表面更加明亮，且從試樣橫截面可以清洗過后的 2#試樣截面比 1#試樣截面更加均勻一些，但總體來說都還未完全去除氧化膜，且兩個(gè)試樣區(qū)別并不明顯。結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明僅改變掃描次數(shù)時(shí)，掃描次數(shù)到達(dá)一定的值后，對試樣激光清洗效果的影響變小，即掃描次數(shù)具有飽和性[13,16]。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，認(rèn)為是清洗過程中能量輸入過小導(dǎo)致不能夠讓表面氧化膜振動(dòng)揮發(fā)，所以決定使用100 kHz的頻率，并大幅度提高掃描速度，使其達(dá)到1500 mm/s，增大掃描間距為0.09 mm，同時(shí)減少掃描次數(shù)的參數(shù)激光清洗試樣，以下稱之為3#試樣，其表面形貌和橫截面分別見圖3a和3b。通過對比發(fā)現(xiàn)，與 1#, 2#試樣相比，3#試樣的表面更加明亮，未被掃描的區(qū)域減少，且從橫截面可以看出，3#試樣清洗過的表面殘留氧化膜更少。

為得到更好的清洗效果，在上述參數(shù)上進(jìn)行改進(jìn)，適當(dāng)范圍內(nèi)增加掃描次數(shù)，可使得清洗效果變化明顯，所以在保持其他清洗參數(shù)不變的情況下選擇增加清洗次數(shù)為5次，稱之為4#試樣。清洗效果見圖4，其中圖4a為試樣表面形貌，圖4b為試樣橫截面形貌?？梢钥闯觯倪M(jìn)后清洗參數(shù)得到的清洗表面較3#試樣更加明亮，且從橫截面可以看出，激光清洗后的試樣較其他激光清洗參數(shù)處理后的試樣表面更加均勻，氧化膜去除更加徹底。

圖2 2#試樣激光清洗形貌Fig.2 Laser cleaning morphology of sample 2#

2.2 激光清洗對氧化膜的影響

觀察對比各個(gè)清洗參數(shù)下的試樣表面形貌以及橫截面可看出，表面氧化膜清除效果最好的是 4#參數(shù)，所以將4#試樣用體積比為HF∶HNO3∶H2O=1∶4∶5的腐蝕劑腐蝕，腐蝕后橫截面見圖5a。圖5b為5a中A區(qū)放大圖，圖5c為5a中B區(qū)放大圖。不難發(fā)現(xiàn)，在脈沖激光的沖擊作用下，清洗處基材表面呈現(xiàn)致密的強(qiáng)化層，強(qiáng)化層的平均厚度為8.80 μm。激光沖擊作用后，TiNi基材組織表層一般呈壓應(yīng)力狀態(tài)，這種壓應(yīng)力可以提高TiNi基材表面的強(qiáng)度[15—16]。綜上所述，激光清洗不僅達(dá)到清洗氧化膜的效果，而且還能提高基材表面力學(xué)性能，對材料表面強(qiáng)化具有一定的意義。

為進(jìn)一步確定激光清洗表面氧化膜效果，根據(jù)不損傷母材且清洗效果較好的原則，比較各參數(shù)下清洗過后的圖像，選用4#參數(shù)下的清洗試樣：頻率為100 kHz、功率百分比為100%、掃描速度為1500 mm/s、掃描間距為0.09 mm、掃描次數(shù)為5次。對激光清洗過的TiNi合金表面進(jìn)行XRD測試。測試結(jié)果見圖6。

由XRD測試結(jié)果可知，TiNi合金在4#參數(shù)下激光清洗過后，表面仍有TiO, TiO2, Ti3O5等氧化物存在。分析認(rèn)為，TiNi合金表面的氧化膜致密且堅(jiān)硬，難以用激光去除，且在清洗過程中，沒有保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)，激光清洗過程中，熱輸入很大，而 Ti元素在對氧具有較強(qiáng)的親和力，極易形成 Ti元素的氧化物，在清洗過程中可能發(fā)生了二次氧化，從而表面氧化膜未能清洗完全。

圖3 3#試樣激光清洗形貌Fig.3 Laser cleaning morphology of sample 3#

圖4 4#試樣激光清洗形貌Fig.4 Laser cleaning morphology of sample 4#

圖5 4#試樣腐蝕后橫截面形貌Fig.5 Cross section morphology of sample 4# after corrosion

圖6 4#參數(shù)激光清洗后TiNi合金XRD圖譜Fig.6 XRD pattern of TiNi alloy after laser cleaning with parameter 4#

3 結(jié)論

1)選用頻率為100 kHz、功率百分比為100%、掃描速度為1500 mm/s、掃描間距為0.09 mm、掃描次數(shù)為5次的激光清洗參數(shù)對TiNi合金表面軋制氧化膜進(jìn)行激光清洗，可得到表面明亮且均勻的 TiNi合金。

2)激光清洗中，掃描次數(shù)具有飽和性，即當(dāng)掃描次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，隨著掃描次數(shù)增加，清洗效果變化不大。

3)經(jīng)激光清洗過后的TiNi合金表面仍存在一定含量的TiO, TiO2, Ti3O5等氧化物，當(dāng)激光清洗的熱輸入過小時(shí)，難以將 TiNi合金表面軋制氧化膜清洗去除，熱輸入過大則可能發(fā)生 Ti元素二次氧化，且可能會(huì)損傷基材。