0 引　言

TA15合金是α型钛合金的一种，因具有良好的热强性和可焊性，优异的工艺加工性能，且可长期服役于450~500 ℃温度而被广泛用于高温环境或长时间条件下服役的各类关键零部件的制造中，如飞机隔框、壁板等。其α稳定元素Al用于固溶强化，中性元素Zr及β稳定元素Mo、V用于提高工艺性能^[1]。然而，TA15合金因其活泼的化学性能，其表面极易被氧化而形成一层组织致密、结合性好的氧化膜。研究发现，该致密氧化膜的厚度极薄，一般介于几纳米到几十纳米，氧化膜的存在会严重影响TA15合金的工艺加工性能。目前，去除氧化膜的常用方法主要有机械清洗法和化学清洗法，但机械清洗对于空间复杂零件的可达性不足，化学清洗污染环境且容易导致基材损伤，均不能完全满足加工需求。

激光清洗技术是基于激光束与污染物和基底之间相互作用引起的物理/化学反应，进而去除固体表面涂层、氧化层或污染物的一种新型技术方法^[2-4]。因具有不损坏基体金属性能、优异的去膜效果、适用范围广、可控性强、不污染环境等优点，该技术在金属表面清洗领域已得到众多学者的关注，如除锈^[5-7]、剥离涂层^[8-9]、除漆^[10-11]、清洁油脂^[12-13]等。国内外学者针对激光清洗在不同钛合金材料上的应用进行了部分研究，如Ti6Al4V^[14]、Ti3Al2.5V^[15]、工业纯钛^[16]、航空航天级钛合金^[17-20](Ti64、Ti6264和IMI834)飞机尾喷管^[21]、TC11^[22]等。与TC4相比，TA15使用温度更高、密度更低、动态力学性能更优异，强度和塑性匹配性更好，更有利于优化结构效率。然而，将激光清洗技术应用于TA15钛合金表面氧化层的去除仍未见公开报道。由于TA15表面氧化层与其它铝合金成分不同，除常见的Ti和Al外，Zn含量也很高，其清洗的工艺及参数也不同。鉴于此，文中以TA15钛合金为试验材料，使用6自由度机器人保证作业精度及安全性，利用波长为1064 nm的准连续固态光纤激光器对其表面氧化物进行清洗，并重点探讨热输入量相关激光清洗工艺参数对TA15钛合金表面氧化物清洗质量的影响规律，进而对其结果进行了分析。

1 制备与方法

使用厚度为1.5 mm的TA15钛合金板材进行激光清洗试验。其化学成分如表1所示，清洗前表面三维形貌、粗糙度如图1所示。

激光清洗设备采用陆军装甲兵学院与中科院半导体所共同研制的ZKSX0502型高功率全固态光纤耦合输出激光器，主要技术指标如表2所示。

试验中激光器的控制采用六自由度的SRD20-1700型关节式机器人，有效负载为20 kg，最大活动半径为1721 mm，重复定位精度为±0.05 mm。具体的步骤如下：①将待清洗的样品固定在工作台上，并打开机器人电源，通过机器人将激光清洗头调整至样品上方适当位置；②打开激光清洗设备，根据试验设计方案调整激光清洗参数；③开启激光发射开关，确定机器人运动速度，通过机器人编程控制激光光闸和清洗路径，并通过吹送氮气保护样品表面及激光清洗头；④清洗完成后，先关闭激光发射开关，然后分别关闭激光清洗设备和机器人电源。

基于激光清洗工艺参数分析，试验探讨激光清洗速度、清洗功率以及激光离焦量等3个因素对激光清洗TA15钛合金表面质量的影响进行分析，并分别采用OLYMPUS LEXT-QLS4000三维形貌仪、Nova NanoSEM50 SEM、ESCALAB 250XiXPS对激光清洗前后TA15钛合金表面三维形貌、微观组织及表面化学元素进行分析。

2 结果与讨论 2.1 清洗参数对TA15钛合金三维形貌的影响 2.1.1 激光功率的影响

为探讨激光功率对清洗质量的影响，试验固定激光离焦量为0 mm、清洗速度为5 mm/s时，选择激光功率分别为200、250、300和400 W对TA15钛合金表面进行清洗，其表面三维形貌和粗糙度如图2所示，粗糙度及与激光功率的关系如图3和表3所示。

对比图2、图3和表3中不同激光功率时，激光清洗后TA15钛合金形貌与粗糙度可知，当激光功率为200 W时，工件表面的粗糙度较清洗前工件表面粗糙度变大，当激光功率达250 W时，随激光功率的增大，工件表面的粗糙度较清洗前工件表面粗糙变小，且随功率增大而降低。分析认为，当激光功率为200 W时，激光的能量密度过低，TA15钛合金表面氧化膜只有少部分因受热膨胀而与基体金属剥离，大部分仍然与基体金属呈结合状态。因而，激光功率为200 W不足以充分去除TA15钛合金表面的氧化层，而是在高斯光斑能量分布较多的区域(能量密度较高的区域)对TA15钛合金表面氧化层起到一定的去除作用。然而，由于激光作用，TA15钛合金表面氧化物虽未与基体金属剥离，但其结合度比清洗前变差，即导致激光清洗后TA15钛合金工件表面粗糙度较清洗前变大。当激光功率为250 W时，激光清洗效果有所提升，表面氧化层清洗效果显著，因而TA15钛合金表面粗糙度值有所变下，但因功率较低，其清洗效果不够彻底，工件表面仍然残留大片密集的氧化物并未暴露出完整的基底表面，而随着激光功率的提升，氧化物的残留量与之前相比有了很明显的减少，且表面氧化层被去除的越来越多，如图中所示的工件表面的亮斑覆盖面积随激光功率增大而变大。

2.1.2 离焦量的影响

为探讨激光离焦量对清洗质量的影响，试验固定激光功率为400 W、清洗速度为5 mm/s时，选择离焦量分别为±10、±5和0 mm对TA15钛合金表面进行清洗，其清洗后的表面形貌如图4所示，其清洗效果如图5和表4所示。

与清洗前TA15钛合金表面质量对比可知，离焦量分别为0、±5和±10 mm时，TA15钛合金表面粗糙度略微降低，且随着离焦量的增大，TA15钛合金表面粗糙度略有增加，分析认为：离焦量的增大造成激光光斑汇聚程度的减弱，随着光斑面积的增大，激光能量密度会降低，工件表面氧化层吸收激光辐照的能量会随之降低。而氧化层吸收热量之后会发生热膨胀，在受到极短的脉冲的同时，氧化层会受到一个垂直于扫描方向上的力，从而向外剥离。若作用于表面氧化层的热量不够，氧化层的剥离不够完全，清洗质量随之降低。因而，随离焦量的增大，清洗后TA15钛合金表面粗糙度略有增大。

2.1.3 清洗速度的影响

为探讨激光清洗速度对清洗质量的影响，试验固定激光离焦量为0 mm、激光功率为400 W时，选择清洗速度分别为3、5、8、12和15 mm/s对TA15钛合金表面进行清洗，其表面三维形貌如图6所示，粗糙度及与离焦量的关系如图7和表5所示。

对比不同激光清洗速度时，激光清洗后TA15钛合金表面质量可知，当清洗速度为15 mm/s时，在三维形貌仪下可观察到较为明显的清洗轨迹，表明清洗速度过快，导致光斑搭接不充分，清洗后具有较大的粗糙度。随着清洗速度降低，表面粗糙度随之降低，当清洗速度为5 mm/s时清洗质量达到最优。清洗速度进一步降低，达到3 mm/s时，由于激光能量过度累积，对表面产生烧蚀，烧蚀会形成圆形凹坑，保护气被电离所形成的等离子体冲击，会造成凹坑的边缘部位凸起，粗糙度值增大。

综上，选择激光功率400 W、清洗速度5 mm/s、离焦量0 mm时，清洗TA15钛合金表面氧化层的质量最佳。为此，分别对该工艺参数下清洗后TA15钛合金表面微观组织和化学成分进行分析。

2.2 微观组织分析

基于最优激光清洗工艺参数对TA15钛合金表面氧化物进行清洗，并对清洗前后的TA15钛合金表面微观组织进行观察，结果如图8所示。

图8(a)(b)为清洗前后TA15钛合金表面微观组织。对比可知，激光清洗前，TA15钛合金表面氧化层中的颗粒状氧化物分布非常致密，而激光清洗后，TA15钛合金表面未观察到氧化物。

2.3 X射线光电子能谱结果及分析

清洗前对TA15钛合金板的表面氧化层成分进行XPS分析，首先分析光电子能谱全谱。由图9分析可知，激光清洗前TA15钛合金表面主要元素有Ti、O、Zn、C和V，并有少量的Ca、F。激光清洗后元素组成主要有Ti、O、C和V，也存在少量的Ca。由于XPS对表面污染测定灵敏，Ca、F可能来自于样品处理过程中的污染，激光清洗前后C的峰位保持在285 eV，同样也来自外来污染。O元素的来源有两种情况，钛的氧化物以及由于Ti的亲水性吸附的氧，因此需要进一步对Ti和O元素的能谱进行分析。

在XPS图谱中，由于电子的自旋-轨道耦合，Ti2p能级被分解为两个能级，即Ti2p3/2和Ti2p1/2^[23]。图10为激光清洗前后的Ti2p的XPS谱图，激光清洗前Ti2p3/2和Ti2p1/2的峰分别在458.8和464.35 eV，两峰间距为5.55 eV；激光清洗前，Ti2p3/2和Ti2p1/2的峰分别在453.95和460.35 eV，两峰间距为6.4 eV。对照Ti元素的标准XPS谱图，分析可得激光清洗前钛合金表面成分为TiO₂，激光清洗后表面成分为Ti。

图11进一步分析了O1s的结合能，激光清洗前O1s的峰位主要位于530.7 eV，来自于Ti=O键，证明了氧化层表面TiO₂的存在。同时，存在结合能为532.45 eV的谱峰，该谱峰对应表面吸附氧。激光清洗后，O1s的峰位主要为吸附氧，收到清洗残渣干扰，存在微量Ti=O键。

激光对材料的作用形式主要有：激光功率密度高、能量密度低引起的层裂；功率密度低、能量密度高时由加热引起的热烧蚀；功率密度低、能量密度低时由热应力引起的破坏^[24]。激光清洗时，类高斯分布的温度场随准连续波的移动产生位移，使清洗材料从点受热时的一维应力状态向三维应力状态变化，清洗光斑扫描前后横截面应力水平急剧变化，氧化层随之产生剥落。在各种工艺试验的观察中发现，激光清洗TA15钛合金在低功率时有微量白烟，伴有焦糊味，随着功率增大，该现象消失。在离焦量为零时，伴有明显的发光现象和蜂鸣声；离焦量增大时，发光强度降低、蜂鸣声减小，出现白烟和焦糊味。在试验所使用的激光热输入参量范围内，激光对基底的烧蚀不明显，仅在清洗速度过低时出现一定烧蚀现象；在低功率时或者清洗速度过大时氧化膜清除不完全时，能看到氧化层上有明显的烧蚀坑。从TA15钛合金三维形貌、微观组织和XPS谱图观察准连续激光与氧化层、基体间的相互作用可以看出，激光功率的提升，能显著减少氧化物的残留量，使表面氧化层去除大幅提高，而清洗速度较低时会使能量聚集，导致烧蚀加剧，不利于清洗时的基体保护。因此推测在TA15上进行激光清洗时，主要利用层裂作用机制进行清洗作业，调整参数时清洗速度不能过低，避免热烧蚀和热应力引起的基体破坏。

3 结　论

(1) TA15钛合金清洗后表面质量随激光功率增大，清洗效果提高，当激光功率为400 W时，清洗后表面质量达到最优；随清洗速度增大，清洗效果先提高后降低，当清洗速度为5 mm/s时，清洗后表面质量达到最优；随离焦量增大，清洗效果降低，当离焦量为0 mm时，清洗后表面质量达到最优。

(2)激光清洗能有效去除TA15表面氧化层，当采用最优工艺参数(功率400 W、离焦量0 mm、清洗速度5 mm/s)时，清洗后表面形貌良好，粗糙度Ra值约为0.18 μm。

(3)使用最优工艺获得的清洗件经XPS图谱分析，其激光清洗前钛合金表面成分为主要TiO₂，激光清洗后表面成分为Ti，受到清洗残渣干扰，存在微量Ti=O键。