▲图1 宏观的三维和二维的光学照片: (a, e, i)为原始的表面;激光清洗时扫描速度为  1000 mm/s 且激光能量不同的时候得到的结果,其中 b, f, j 的激光能量为 2 J/cm2, c, g, k激光能量为 5 J/cm2,  d, h, l 激光能量为 7 J/cm2  

 
成果简介:来自哈工大的学者采用环境友好的纳米紫外(UV)激光器,革新的应用于激光清洗AH36钢材表面的油漆。采用这一紫外激光器进行清洗的可能性被革新性的提出并进行了实验验证,而且还采用理论模型进行了进一步的验证。并对激光清洗后的表面质量进行了表征。其机械性能,如表面显微硬度、拉伸强度和弯曲强度等均进行了表征。结果表明激光清洗作为代替传统的海洋工程中去除油漆的手段,具有非常显著的优势。

▲图2 在不同的激光能量下进行激光清洗得到的SEM照片:a 2 J/cm2, d 5 J/cm2, and g 7 J/cm2; b, c; e, f; 和 h, i 为相应的放大之后的照片 

 
1.背景介绍
在过去的几十年里,表面清洗一直备受关注,尤其是在航空、海洋工程、微电子和医学等领域。对生物体表面的污染物,无非就是表面存在氧化物、油漆、聚合物、涂层、微生物和颗粒物。海中游弋的轮船是备受关注,这是因为它主要会遭受海水所造成的严重的腐蚀。为此,轮船经常要在服役一段时间后进行去除表面油漆层的问题,同时在进行上新油漆的维修过程。尤其需要注意的是,以上的工艺操作每次都会耗费数十亿美元的年度预算。因此,从基材表面进行去除油漆处理以进行重新涂新的涂层和借此延长轮船的使用寿命就显得至关重要了。
 
观察以前的研究,传统的表面清洗手段,包括机械的和化学的清洗手段,是当前最为常见的手段。然而,这些手段存在的问题是要么会污染空气和水,要么会产生二次污染的废物。基于这一点来考虑,激光清洗技术,作为一种新兴的表面清洗技术,被认为是最有可能成为替代传统清洗技术的先进技术,这是因为激光清洗技术被认为更加环境友好,而且不需要接触被清洁的物体的表面。取决于AH36钢所具有的(包括但不限于)优异的塑性和强度、高的机械性能以及所伴随的轻质等优点,使得AH36钢广泛的应用于海洋工程。然而,需要特别强调的是,这种钢材在服役时的寿命强烈的受到服役的海洋环境的影响,并且海洋环境中存在的大量的高腐蚀性的离子和微生物会协同作用而加速钢基体表面的涂层的剥落。紧接着,钢基体表面的内层也会开始暴露在苛刻的海洋中开始持续失效。因此,表面清洗就变得非常有必要了,因为它允许移除表面受损的油漆和受到污染的基材表面。
 

目前已经有大量的工作是关于激光清洗油漆的。早在1974年,J.A.Fox开创了使用调Q激光器进行去油漆的先锋工作。据报道,表面的油漆层可以在强烈的激光光子诱导的应力作用下得到有效的去除。此外,K.Liu 和F.Garmire等人使用不同类型的激光器和不同的脉冲宽度来进行去油漆。据报道,具有调Q模式的Nd:YAG激光器在同其他激光器,如CO2激光、准分子激光和连续激光相比较,具有更强烈的去除油漆的效果。Chen等人的研究也指出,采用激光进行清洗,同传统的清洗技术相比较,克服了主要的缺点,如二次污染。

▲图3 在不同的激光能量下进行激光清洗后得到的SEM和EDS的照片: a 2 J/cm2, c 5 J/cm2, e 7 J/cm2, 和 b–f为相应的EDS结果  

 
然而,当前的激光清洗主要是红外波段的纳秒激光器,通常是利用热诱导的缺陷,这意味着会在物体表面形成再铸层和热影响区。另外一方面,紫外激光也许可以避免这些问题,这是因为紫外激光器是依靠光子能量和相应地击穿分子键来实现的,据作者所知,目前还没有采用紫外激光器来去除油漆层的研究。更为重要的是,其相应地工艺参数对清洗效果的影响也不清楚。在本研究中,来自哈工大的学者首次采用UV激光来进行去除油漆的研究,并且变化激光能连开展研究。进一步的,对清洗后的样品进行了金相、扫描电镜和光学轮廓测量以及机械性能等方面的测试。

▲图4 在不同的激光能量下进行激光清洗之后得到的线型EDS结果:a 2 J/cm2, b 5 J/cm2, and c 7 J/cm2,

 
2.激光清洗机理
本次实验采用江苏激光联盟单位华日生产的紫外激光器。作用机理为:一般认为,在激光清洗的过程中,光化学相互作用,即UV激光发射出去的光子的能量,比材料内部的分子键合的能量要远远大于,这反过来进一步的破坏了分子的键合。

▲图5 采用紫外激光进行清洗之后的显微硬度表征结果 

 

3.实验结果
基于创新地采用纳秒紫外激光器来对AH36基材上的油漆层进行了激光剥离。这一革新的实验,在理论上和现实上证明了紫外激光清洗AH36钢表面漆层的可行性和有效性,以及紫外激光的基本的相互作用机理,如光热和光化学相互作用。建立起热动力学模型来描述温度和激光能量之间的关系,结果显示进行激光清洗时的门槛值为4.65 J/cm exp(2)同理论值非常接近(理论值为5 J/cm exp(2))。同时对存在的这一差值进行了讨论。
 
并且还采用SEM、EDS、光学轮廓仪和机械性能测试手段来详细的评估了表面形貌、化学成分和激光清洗前后的机械性能。经SEM测试后,在不同的激光能量输入条件下表面存在一些典型的起皱的形状、坑和圆形的显微组织。对于机械性能,需要提到的是利用UV激光去除油漆可以显著的提高表面显微硬度、拉伸强度和弯曲强度。这归因于UV激光进行表面清洗时所经受的快速熔化和快速凝固,从而产生圆形和起皱形态的显微组织,与此同时还产生高密度的位错。因此,这一先进的紫外纳秒激光清洗技术,不仅仅环境友好,而且可显著的改善激光清洗后部件的机械性能。可以预期,采用这一有前途的手段来大规模的进行海洋工程表面的去除油漆和在未来在海洋工程以及其他工业领域中得到应用。

▲图6 应变和拉伸应力之间的关系 

▲图7 弯曲位移和完全应力之间的关系 

▲图8 光学3D轮廓仪测量得到的激光进行去除油漆后的表面:(a)为激光去除油漆后的表面; (b) 涂油漆的表面以及激光能量为: 2 J/cm2 c, 5 J/cm2, d 7 J/cm2, 和 (a1)–(d1)为相应的线扫描结果 

▲图9 纳秒激光进行去除油漆时的作用机理

 

该项目得到了国家重点研发计划和广东省重点研发计划的支持。

文章来源:Lu, Y., Ding, Y., Wang, M. et al. A characterization of laser cleaning painting layer from steel surface based on thermodynamic model. Int J Adv Manuf Technol 116, 1989–2002 (2021). https://doi.org/10.1007/s00170-021-07566-6

参考文献:Improved thermal stress model and its application in ultraviolet nanosecond laser cleaning of paint,Applied Optics,Vol. 59,Issue 25,pp. 7652-7659,(2020),https://doi.org/10.1364/AO.398101

 

来源:江苏激光产业技术创新联盟