激光清洗对不同基体材料损伤行为研究.pdf

第 卷 第 期 年 月南京理工大学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金优秀青年科学基金项目()江苏省自然科学基金杰出青年基金项目()南京理工 大 学 自 主 科 研 专 项 计 划 项 目“杰 青/优 青”培 育 专 项()通讯作者:兰司男博士教授博士生导师主要研究方向:非晶与高熵合金的结构、性能和相变机制:.引文格式:陈国星魏少翀陆海峰等.激光清洗对不同基体材料损伤行为研究.南京理工大学学报():.投稿网址:/.激光清洗对不同基体材料损伤行为研究陈国星魏少翀陆海峰英会强兰 司(.南京理工大学 材料科学与工程学院江苏 南京.苏州热工研究院有限公司江苏 苏州.国家核电厂安全及可靠性工程技术研究中心江苏 苏州)摘 要:为了深入研究激光清洗对基体材料性能的影响效果采用碳钢和不锈钢作为研究对象进行激光清洗试验 通过白光干涉仪测量清洗厚度和表面粗糙度采用金相显微镜观察基体截面微观组织结构利用扫描电子显微镜()和 射线能谱()检测清洗后表面形貌及元素含量采用显微维氏硬度计测定试样截面硬度 结果表明当激光功率为 脉冲宽度 重复频率 时经过 次往复清洗后碳钢、不锈钢表面污染层被完全去除并对基体表面具有部分清洗作用 钢、和 不锈钢的清洗厚度分别为 、和 激光清洗后表面呈“犁沟”形貌 在激光清洗作用下不同材料的基体显微组织、成分分布及硬度值没有发生改变说明激光清洗不会对基体材料造成损伤清洗后基体力学性能保持稳定关键词:激光清洗清洗厚度粗糙度硬度损伤中图分类号:文章编号:():./.(.)南京理工大学学报第 卷第 期:.()().、.:中国是世界上核设施建设规模最大的国家之一同时对退役核设施构件上的的附着物去除有着广泛的技术需求 因此绿色、非接触、自动化、智能化的去污/清洗技术在核设施去污领域的研究迫在眉睫 常用的去除工艺主要有化学去污法、机械打磨法及激光去污/清洗法 其中化学去污存在污染大、水分残留、成本高等问题而机械打磨法存在高损伤、去污不彻底、效率低等缺点 相比而言激光去污/清洗利用激光照射到物体表面与物质产生光、热、力、磁等多场共同作用进而达到去除氧化膜的目的具有无损伤、加工精度高、环保、高效稳定及成本低的优势是一种新型的表面预处理方法 目前激光去污/清洗技术已广泛应用于汽车、高铁、航天等领域在实际激光清洗过程中因为腐蚀物的种类及厚度不同采用的激光清洗时间、次数及功率密度等参数难以保证将腐蚀物完全精准去除导致激光会部分直接照射作用在基体表面对基体材料性能的影响未知 关于激光清洗技术对于基体材料的损伤行为研究仍然较少如任志国等在低碳钢表面纳秒激光除锈后研究基体性能发现表面激光并未对基体性能造成损伤 但这仍然只是清洗阈值和损伤阈值的研究范畴 在实际清洗过程中一般采用的去污参数主要目的是完全去除污染物且因为污染物种类不一这就容易导致采用的激光功率密度大于污染物损伤阈值从而对部分基体产生激光清洗作用为了深入掌握激光清洗对基体材料的影响效果本文采用核电站中常用的典型碳钢和不锈钢为试验对象探究相同激光清洗参数下对核电常用碳钢和不锈钢基体材料的清洗效果并分析其对基体材料性能的损伤行为为后续激光去污/清洗技术在核电工程的实际应用提供数据支撑 试验材料与试验方法.试验材料试验所用材料分别为 号钢、不锈钢及 不锈钢热处理状态为热轧其化学成分如表 所示 将材料于大气环境中保存 个月后材料表面发生污染/锈蚀 将材料采用立式铣床加工成尺寸为 的试样用于激光清洗工艺研究总第 期陈国星 魏少翀 陆海峰 英会强 兰 司 激光清洗对不同基体材料损伤行为研究 表 种类型金属材料的典型微量化学成分(质量分数)材料钢.不锈钢.不锈钢.激光清洗设备激光清洗采用的是 激光清洗系统具体设备和激光清洗作业示意图见图 激光器的参数特性见表 此系统主要由脉冲光纤激光器(:)、激光清洗枪、自动化台架、电气控制箱及传输系统构成可实现自动化定量清洗 所用纳秒级光纤脉冲激光器波长为 单脉冲宽度为 最大单脉冲能量为 光斑直径为 激光头与样片间距为 激光器发出的脉冲激光先经过一个透镜变为平行光束然后经由扫描振镜系统反射后再经聚焦照射到污染物的表面可通过控制扫描振镜的摆动对激光清洗区域的形状和大小进行控制最终设置激光清洗光斑尺寸为 图 激光清洗设备及清洗作业示意图表 激光清洗设备参数参数数值激光功率 波长 重复频率 脉冲宽度 光斑长度 光斑宽度 光斑直径 本试验针对 钢、不锈钢及 不锈钢采用的激光清洗工艺参数相同具体为:激光功率 脉冲宽度 重复频率 振镜扫描速度 /清洗移动速度 /光斑扫描区域尺寸 光斑重叠率 反复清洗 次 激光清洗试验后采用 白光干涉仪对试样进行三维形貌分析测试其清洗深度、宽度及表面粗糙度采用 显微维氏硬度计测定清洗后试样表面及截面硬度合理选取检测点观察硬度变化趋势施加载荷 保载时间 利用金相显微镜对基体材料的截面微观组织进行观察通过扫描电子显微镜()和 射线 能 谱()分析试样表面激光清洗前后的表面形貌和成分分布 试验结果与分析.激光清洗宏观形貌图 为 钢、不锈钢及 不锈钢经过激光清洗前后的表面宏观形貌图 从图中清洗前后表面轮廓对比可以看出 钢和 不锈钢进行了表面整体清洗而 不锈钢在表面中间处进行激光清洗 清洗前后表面存在明显的界线并且对比看出清洗后表面更加平滑发亮 所有试样清洗前试样表面存在一层薄薄的氧化污染层颜色较为暗淡激光清洗后的表面污染层被完全去除表面平整光亮.三维形貌及清洗厚度 钢和 不锈钢是整面清洗因此通过测量清洗前后试样的厚度来测定清洗厚度 经高精度测厚仪检测计算得出 钢激光清洗厚度为 左右 不锈钢清洗厚度在 左右 图 为激光清洗后两类钢基体的三维形貌图 由图可知因为采用的是脉冲线性光斑在清洗时材料表面吸收激光热量发生烧蚀、振动及剥离导致出现一道道“犁沟”痕迹 钢和 不锈钢清洗前表面污染物较多因此激光作用下吸收热量多烧蚀时间长清洗后表面较为粗糙(图()和图()南京理工大学学报第 卷第 期图 激光清洗宏观形貌图 钢和 不锈钢激光清洗三维形貌图采用白光干涉仪观察 不锈钢激光清洗前后表面并获得三维形貌图如图()所示 由图可知激光清洗与未清洗表面之间存在一定的厚度差在两者的交界处两个光斑重叠率最高而且激光光斑在移动转换方向时停留时间较长因此界线处激光照射能量较为集中温度急剧上升瞬间到达材料熔点导致生成一条较深的沟槽清洗后的表面中间也存在一道道“犁沟”痕迹深度相对较浅这也是由于激光反复多次烧蚀导致为测量 不锈钢激光清洗厚度对其三维形貌进行数据分析得到具体轮廓数据如图()所示 由图可知激光清洗表面的厚度与未清洗表面的厚度存在厚度差大约为 图 不锈钢激光清洗三维形貌图和轮廓曲线.表面粗糙度为研究激光清洗技术对基体材料表面粗糙度的影响采用白光干涉仪对不同基体材料清洗前后的表面进行粗糙度测量结果见图 由图可知 钢和 不锈钢清洗前表面污染物较多粗糙度值较高分别为.和.清洗后经过激光的照射污染层吸收热量振动去除露出基体表面粗糙度降低清洗后 钢和 不 锈 钢 的 粗 糙 度 分 别 为.和.不锈钢清洗前表面较为平整污染物层较薄粗糙度值为.经过多次激光清洗后较薄的污染物被快速去除后基体遭受部分激光烧蚀导致表面出现“犁沟”因此其清洗后总第 期陈国星 魏少翀 陆海峰 英会强 兰 司 激光清洗对不同基体材料损伤行为研究 表面粗糙度值有所提高达到.图 激光清洗前后表面粗糙度.显微硬度为研究激光清洗对不同基体材料力学性能的影响效果对其硬度值进行检测分析 以表层为参考由表及里以特定距离合理选取 个测量点分析硬度变化趋势取样点设置见图 图 硬度测试取样点位置图 为 钢激光清洗前后截面硬度分布由图可知激光清洗前 钢截面硬度值在 .间变化激光清洗后 钢截面硬度范围保持在 .且由表及里的截面硬度值变化趋势和清洗前一致说明激光清洗对 钢基体力学性能影响甚微图 钢激光清洗前后截面硬度分布图 为 不锈钢激光清洗前后截面硬度分布 由图可知激光清洗前 不锈钢的截面硬度在靠近表层处变化较大这是由于边界影响导致硬度值偏低在深度 后硬度值变化波动较小保持在 .激光清洗后靠近表层的硬度值有所增加可能受晶粒形变影响但截面硬度值(.)和激光清洗前相近未发生明显变化图 不锈钢激光清洗前后截面硬度分布图 为 不锈钢激光清洗前后截面硬度分布 由图可知 不锈钢激光清洗前后截面硬度 值 变 化 较 小 硬 度 值 范 围 保 持 在 .变化趋势较为稳定符合 不锈钢标准硬度数据(/)表明其力学性能未受影响图 不锈钢激光清洗前后截面硬度分布.显微组织及成分图 为 钢激光清洗前后截面的显微组织 由图可知 钢清洗前表层凹凸不平显微组织为铁素体和珠光体激光清洗过程中表层凸起物在激光的高能量照射下发生吸收振动烧蚀导致污染物层被完全去除基体承受部分时间激光清洗影响激光清洗后表层较为平整没有发生因吸收激光能量产生的重熔现象 而且自身的显微组织没有发生变化仍然以铁素体和珠光体为主因试样表面进行激光清洗试验后表面存在激光加热产生的氧化膜因此对于成分检测以截面为主 图 为 钢激光清洗前后截面成分分布图 由图可知激光清洗前后基体成分未发生改变都是以、元素为主且含量相近南京理工大学学报第 卷第 期图 钢激光清洗显微组织 因 不锈钢激光清洗在其试样表面中间进行因此选择界面处进行镶嵌观察 图 为 不锈钢激光清洗前后的显微组织 由图()可知 不锈钢清洗前显微组织为奥氏体激光清洗后靠近表层的奥氏体晶粒发生轻微形变但变形区域很小内部组织还是为正常奥氏体见图()这说明在 不锈钢表层中间进行激光清洗时一半区域受热振动分解另一部分约束着这一半区域的热和力影响导致表层晶粒发生轻微形变但对组织影响有限图 为 不锈钢激光清洗前后截面成分分布图 由图可知激光清洗前后基体成分并未发生改变满足 不锈钢标准成分 结果说明激光清洗造成的轻微晶粒形变对基体成分没有影响图 为 不锈钢激光清洗前后的显微组织 由图可知 不锈钢激光清洗前后的金相组织未发生明显变化都以奥氏体为主且晶粒尺寸大小维持基本不变图 为 不锈钢激光清洗前后截面成分分布图图 钢激光清洗成分分布总第 期陈国星 魏少翀 陆海峰 英会强 兰 司 激光清洗对不同基体材料损伤行为研究 图 不锈钢激光清洗显微组织图 不锈钢激光清洗成分分布图 不锈钢激光清洗显微组织南京理工大学学报第 卷第 期图 不锈钢激光清洗成分分布 由图 可知 不锈钢激光清洗后 和 含量分别出现轻微增加和降低现象这是因为激光清洗在基体表面作用时发生轻微烧蚀氧化导致表层区域内 聚集 减少 但整体组成成分仍然由、和 元素组成个别成分的变化对整体成分分布的影响较小.分析讨论激光清洗过程中基体表面的污染物通过不断吸收激光能量受热膨胀当温度升高至熔点后通过熔化、振动、分解去除此外当表面腐蚀物被去除后由于激光直接照射在基体上会有部分激光被反射出去造成激光的能量存在吸收衰减作用 总体上激光清洗过程在合适的激光清洗参数下不同材料的基体表面虽然都吸热升温但未能达到相变点没有发生相变现象也不会产生明显的热影响区对基体的显微组织和硬度未见明显影响 但在激光照射在基体表面时基体表面吸收高能量激光发生轻微烧蚀现象导致基体部分区域发生受热膨胀凸起形成“犁沟”现象 具体原理图见图 图 激光清洗原理图 结论采用激光清洗对不同基体材料进行清洗后的损伤性能研究得出以下结论:()钢、和 不锈钢的清洗厚度分别为 、和 激光清洗在去除污染层后对基体材料的烧蚀作用并未改变基体材总第 期陈国星 魏少翀 陆海峰 英会强 兰 司 激光清洗对不同基体材料损伤行为研究 料的显微组织激光清洗可以降低存在污染层的基体材料表面粗糙度()基体硬度值在激光清洗前后未发生较大变化保持在标准范围内即激光清洗对不同基体材料的损伤几乎可以忽略清洗后基体材料仍然保持原来的组织和力学性能()不同材料激光清洗后基体内成分分布未发生明显变化满足材料标准成分范围因此对于文中所述基体材料激光清洗在提供较好的清洗效果时对基体材料损伤几乎可以忽略不影响其继续服役参考文献:郭伟史佳鑫王优等.一种大范围激光清洗机.中国:.岳维宏.核设施运行及退役中的废物最小化技术.原子能科学技术():.():.滕柯延吕彩霞彭浩等.环评法在核安全监管工作中的实施成效研究.环境工程技术学报():.():.任宪文.核设施退役的环境安全.辐射防护通讯():.():.陈艳张立军张兴旺等.核设施退役去污技术研究综述.清洗世界():.():.郭斌徐杰苏轩.大能量高重频脉冲激光智能清洗技术与装备(特邀).红外与激光工程():.().():.刘斌李新民宋利君等.核电厂主回路弯头化学去污及验证试验.核化学与放射化学():.():.贾昊鹏滕磊王帅等.面向强放热室退役的高效复合去污技术研究.核动力工程():.():.范凯赵菀张永领等.高能激光去污技术在核设施退役中的应用研究.核动力工程():.():.马梅花高智星汤秀章等.不锈钢放射性模拟样片在空气中的激光去污技术.核化学与放射化学():.():.刘函衣蕊李延祥.不同波长激光清洗技术在考古金属器物清洗中的应用.激光杂志():.():.:.():.解志欣孙文磊陶彦辉等.不锈钢表面污染物激光清洗工艺试验及耐腐蚀性能研究.应用激光():.南京理工大学学报第 卷第 期 .():.胡太友乔红超陆莹等.激光除漆对 合金表面组织性能的影响.表面技术():.():.任志国吴昌忠陈怀宁等.低碳钢的激光除锈机理及表面性能研究.光电工程():.():.陈国星陆海峰赵滢等.激光功率对不锈钢表面清洗效果影响的研究.光电工程():.():.雷正龙孙浩然陈彦宾等.不同激光清洗方法对高强钢表面锈蚀层的去除研究.中国激光():.():.魏少翀陆海峰刘省勇等.皮秒激光加工对 不锈钢性能的影响.热加工工艺():.():.