本文對飛機蒙皮激光剝漆技術進行了研究。

摘要

本文對波音係列飛機蒙皮的激光剝漆技術進行了研究，為(wei) 提高飛機蒙皮的剝漆效率，降低現有飛機蒙皮的維護成本提供了參考。研究了激光能量密度為(wei) 2-6 J/cm2時飛機蒙皮的剝離效應。SEM和EDS分析表明，最佳清洗參數為(wei) 5 J/cm2。飛機對安全有著近乎嚴(yan) 格的要求，所以如果激光剝漆技術廣泛應用於(yu) 飛機維修，必須實現無損清洗。研究了不同能量密度激光剝漆後飛機蒙皮鉚釘孔的微動摩擦磨損性能，研究了蒙皮其他部位的摩擦磨損性能，並與(yu) 機械磨削和激光剝漆進行了比較。結果表明，激光並沒有降低飛機蒙皮表麵任何部位的摩擦磨損性能。研究了激光剝漆後飛機蒙皮表麵的殘餘(yu) 應力、顯微硬度和腐蝕性能。通過與(yu) 機械研磨法和激光剝漆法的對比，證明激光不會(hui) 降低飛機蒙皮的硬度和耐腐蝕性。但是，在激光清洗後，飛機蒙皮表麵會(hui) 產(chan) 生一些塑性變形，這是目前需要注意的問題。

1. 介紹

如今，民用航空飛機已經成為(wei) 主要的交通工具，它可以為(wei) 乘客提供方便的服務。飛機的維護對於(yu) 的飛行安全至關(guan) 重要。商用飛機必須每六年檢查一次，或在累計飛行24000小時後，或在2000次起降後。在維護飛機時，需要將飛機表麵的油漆全部清除，並檢查蒙皮基板是否有腐蝕缺陷和疲勞裂紋，以避免飛機事故。因此，在剝離飛機蒙皮的油漆時，一定要特別注意清潔方法，防止損壞基材。傳(chuan) 統的油漆剝離方法主要有機械法、化學法和超聲波清洗法。雖然他們(men) 的技術已經成熟，但仍然存在許多不足。例如，機械清洗方法容易對基材造成損傷(shang) ，化學清洗方法對環境造成汙染，超聲波清洗的效率限製了其大規模應用。激光清洗以其綠色、高效、適用性廣、非接觸等優(you) 點，近年來被廣泛應用於(yu) 飛機外殼的除漆。激光脫漆是激光清洗技術最有前途的應用之一。這個(ge) 過程是光和物質之間的相互作用。當激光破壞基材與(yu) 汙染物之間的結合力時，汙垢通過蒸發、破碎、振動等方式落下。

NFP之外的水平切片。

對一架飛機實施安全裕度，相當於(yu) 在每架飛機外增加一個(ge) 緩衝(chong) 區。向外移動一對飛機的NFP邊緣，相當於(yu) 擴大了該對飛機中相對可動飛機參考點的不允許區域的邊界。原始NFPs的每條邊向外移動距離n(上圖(b))，兩(liang) 架飛機之間的最小安全距離為(wei) 1米。

近年來，隨著激光技術的快速發展，激光清洗已經變得更加自動化，生產(chan) 率更高，成本更低。廣泛應用於(yu) 除漆除鏽、輪胎模具清洗、文物保護、核淨化。

本文研究了Nd: YAG激光對波音係列飛機蒙皮BMS10-11塗層的清洗效果。通過改變不同的激光能量密度，探討了塗料層去除的最佳參數，並通過SEM和EDS分析了塗料層去除機理。清洗最關(guan) 鍵的一點是不要損壞基板，這對飛機蒙皮更重要。因此，對激光清洗飛機外殼和傳(chuan) 統清洗飛機外殼的摩擦磨損性能進行了研究。在蒙皮的鉚接孔周圍存在典型的微動摩擦和磨損，因此我們(men) 也進行了微動摩擦和磨損性能研究，以證明非破壞性清洗。此外，我們(men) 還對激光清洗和傳(chuan) 統清洗的蒙皮進行了電化學腐蝕實驗、殘餘(yu) 應力測試和顯微硬度測試，為(wei) 激光清洗在飛機蒙皮中的大規模應用提供了參考。

2. 實驗的程序

2．1． 樣品材料製備

試驗材料為(wei) 波音飛機外殼(山東(dong) 太古飛機工程有限公司，中國濟南)。蒙皮分為(wei) 三層(如圖1所示)，第一層為(wei) BMS10-11底漆，第二層為(wei) 鋁包層(純鋁)，第三層為(wei) 基板(2024鋁合金)。將蒙皮材料切割成20 × 20 mm和ϕ24 mm樣品，進行激光清洗實驗和摩擦磨損試驗。

圖1 飛機蒙皮結構示意圖。

2.2 激光清洗實驗

實驗設備為(wei) 中功率高能激光二極管泵浦脈衝(chong) 固態激光清洗設備(SC200W-350KW，山東(dong) 科學院激光研究所，濟南)。激光清洗原理圖如圖2所示，實驗設備的主要參數如表1所示。將激光介質置於(yu) 兩(liang) 個(ge) 平行反射鏡(一個(ge) 為(wei) 全反射鏡，一個(ge) 為(wei) 半反射鏡)之間，形成光學諧振腔。軸向傳(chuan) 播的單色光在腔內(nei) 來回傳(chuan) 播。將單色光在諧振腔中增強為(wei) 激光器後，由高磁導率的輸出鏡發出，成為(wei) 連續激光器。通過激光調q，可以將連續激光器轉換為(wei) 高峰值功率脈衝(chong) 激光器。實驗中激光清洗速度為(wei) 5 mm/s，光斑直徑為(wei) 0.5 mm，光斑重疊率為(wei) 0.3，場鏡焦距為(wei) 100 mm，重複頻率為(wei) 10 kHz。通過改變激光器的加載電流來控製不同能量密度的激光器。最後選取5組能量密度:2 J/cm2、3 J/cm2、4 J/cm2、5 J/cm2、6 J/cm2。我們(men) 使用SEM和EDS (JSM-7610F, JEOL, Tokyo, Japan)對激光清洗後的樣品進行分析，研究清洗效果。

圖2 激光清洗示意圖。

表1 激光清洗設備主要參數。

2．3. 摩擦磨損試驗

采用MFT-50 RTEC摩擦磨損試驗機(San-Jose, CA, USA)研究激光清洗後飛機蒙皮的摩擦磨損性能。摩擦磨損試驗示意圖如圖3所示。摩擦是球和板之間的幹往複摩擦。GCr15軸承鋼球(Ra<0.1μm)，直徑為(wei) 6.35 mm，硬度為(wei) HV750。加載力為(wei) 10 N，磨損時間為(wei) 30 min，位移幅值為(wei) 4.5 mm，運行頻率為(wei) 2 Hz。采用RTEC微動摩擦磨損試驗機(MFT-2000, San-Jose, CA, USA)研究了激光清洗後飛機蒙皮鉚釘孔周圍的微動摩擦磨損性能。微動摩擦磨損試驗示意圖如圖3所示，微動磨損試驗區域如圖4所示。同樣，摩擦法為(wei) 室溫下幹往複摩擦法。GCr15軸承鋼球(Ra <0.1μm)，直徑為(wei) 9.525 mm，硬度為(wei) HV750。載荷為(wei) 10 N，磨損時間為(wei) 30 min，位移幅值為(wei) 50 μm，運行頻率為(wei) 2 Hz。在進行摩擦磨損實驗後，利用MFT-4000白光幹涉儀(yi) (蘭(lan) 州華輝儀(yi) 器科技有限公司)采集磨損形貌，測量磨損體(ti) 積和摩擦係數。

圖3 摩擦磨損試驗示意圖。

圖4 微動磨損試驗區。

2.4. 硬度和殘餘(yu) 應力測試

使用micro-Vickers硬度測試儀(yi) （402-MVD，Wilson，Norwood，USA）在激光清潔後測試飛機蒙皮表麵的微觀硬度。試驗方法是4點測量，負載為(wei) 200g，測量同一樣品三次並取平均值。使用X射線殘餘(yu) 應力分析儀(yi) （iXRDCOMBO，Proro，加拿大）在激光清潔後對飛機蒙皮表麵進行殘餘(yu) 應力測試。輻射類型為(wei) Cr_K-α，衍射布拉格角為(wei) 139.0度，波長為(wei) 2.291 Å。分析和表征激光清洗後飛機蒙皮表麵的強度和拉伸彎曲性能。

2．5 電化學實驗

利用電化學工作站(CHI604E，上海晨華儀(yi) 器有限公司，上海，中國)研究了飛機表麵激光清洗後的電化學特性。電化學工作站原理圖如圖5所示。電解質為(wei) 3.5% NaCl溶液。實驗采用經典的三電極，飽和甘汞電極作為(wei) 參考電極，鉑板作為(wei) 輔助電極，飛機蒙皮樣品作為(wei) 工作電極。實驗前，非工作表麵用Kraft矽膠包覆，然後浸於(yu) 溶液中30 min，穩定開路電位。為(wei) 了得到完整的動電位極化曲線，將初始電位與(yu) 開路電位結合設置為(wei) −1.2 V，最終電位為(wei) −0.6 V。在10 mV/s的掃描速度下測量了極化曲線。實驗數據用分析軟件(CHI604E電化學分析儀(yi) ，版本15.03,3700 Tennision Hill Drive Austin, Austin, TX, USA)記錄。對極化曲線進行擬合，得到陽極極化曲線斜率(Ba)、陰極極化曲線斜率(Bc)、腐蝕電位(Ecorr)和腐蝕電流密度(Icorr)。

圖5 電化學工作站原理圖。

3.結果與(yu) 討論

3．1. 激光清洗效果分析

3.1.1 激光清洗後飛機蒙皮表麵形貌表征

在激光能量密度為(wei) 2 J/ cm2-6 J/ cm2時，飛機蒙皮的宏觀形貌如圖6所示，微觀形貌如圖7所示。結合圖6(a)和圖7(a)可以得出，未進行激光清洗的飛機蒙皮表麵與(yu) 綠色的BMS10-11底漆緊密貼合，並混入少量汙漬。當激光能量密度為(wei) 2 J/cm2時，雖然蒙皮表麵上一層的油漆層已經開始開裂(圖6(b))，但蒙皮表麵下一層的BMS10-11底漆仍然完全覆蓋蒙皮表麵(圖7(b))。當激光能量密度為(wei) 3 J/cm2時，蒙皮表麵的底漆開始明顯剝落，金屬色開始顯現;即暴露出鋁包層(圖6(c)和圖7(c))。當激光能量密度達到4 J/cm2時，蒙皮表麵的油漆層幾乎被去除(圖6(d))，但微觀形貌顯示表麵有大量的波(圖7(d))。初步猜測是鋁包層剛剛泄漏，發生了熱氧化。當激光能量密度達到5 J/cm2時，從(cong) 宏觀和微觀形貌可以看出，目前清洗效果最好。表麵油漆層被完全去除，清洗後表麵形貌平整(圖6(e)和圖7(e))。當能量密度達到6 J/cm2時，清洗後蒙皮表麵再次出現波(圖6(f)和圖7(f))。我們(men) 猜測高能激光穿透了鋁包層，所以飛機蒙皮暴露了基體(ti) 本身，也就是2024鋁合金。這將在以後的EDS實驗中進行演示。

圖6 不同激光能量密度清洗下飛機蒙皮表麵宏觀形貌:(a)未清洗;(b) 2 J / cm2;(c) 3 J / cm2;(d) 4 J / cm2;(e)5 J / cm2;(f) 6 J / cm2。

圖7 不同激光能量密度清洗下飛機蒙皮表麵微觀形貌:(a)未清洗;(b) 2 J / cm2;(c) 3 J / cm2;(d) 4 J / cm2;(e)5 J / cm2;(f) 6 J / cm2。

3.1.2 激光脫漆機理研究

清洗過程中，隨著激光能量密度從(cong) 2 J/ cm2增加到5 J/ cm2，底漆逐漸完全脫落，飛機蒙皮表麵無可見金屬蒸氣。我們(men) 收集激光清洗後脫附的油漆層碎片，進行SEM和EDS分析，如圖8所示。結合能譜1 - 3和圖1可以看出，BMS10-11底漆的所有元素都包含在飛機蒙皮表麵脫落的碎片中。掃描電鏡(SEM)下的塗層碎片呈塊狀狀，EDS分析顯示大部分的氧以塊狀形式存在。我們(men) 可以推斷激光剝漆主要是由於(yu) 蒙皮表麵的油漆層吸收激光能量，然後通過振動熱氧化而脫離蒙皮表麵。

圖8 激光剝漆原理圖。

3.1.3 激光剝漆工藝

對所有清洗過的樣品進行EDS分析，結果如圖9所示。在2 J/cm2時，BMS10-11底漆層吸收激光能量後開始開裂，氧含量迅速上升。其中Si、Ca、W、Cl等在高溫下易氧化，形成氧化物並從(cong) 蒙皮表麵脫落。在3 J/ cm2時，漆層中Si、Ca、W、Re、Mg、Fe等元素消失。大部分塗料層已被去除，鋁含量從(cong) 0.4%迅速增加到76.9%，蒙皮開始暴露鋁層(圖6(c))。此時，蒙皮表麵的氧氣處於(yu) 低狀態。隨著激光能量密度的增加，在4 J/ cm2時，Al含量繼續上升至79.3%，蒙皮表麵的油漆層幾乎被去除。鋁包層開始熱氧化，導致蒙皮表麵產(chan) 生波浪。5 J/cm2時，Al含量最高，達到79.5%。鋁包層繼續被熱氧化，之前被氧化過的部位被重新熔化，使蒙皮表麵顯得比較平整，可以認為(wei) 是最好的清潔狀態。

當激光能量密度達到6 J/ cm2時，高能激光將鋁層中的鋁離子電離汽化，鋁元素含量降低，表麵可見金屬蒸氣。EDS顯示Cu出現在蒙皮表麵。結合圖6(f)，蒙皮表麵開始出現2024鋁合金基體(ti) 。飛機蒙皮清洗的原則是不損壞基材。蒙皮失去了鋁塗層的保護，失去了其高的耐腐蝕性，不利於(yu) 下一步對漆層進行重漆。將整個(ge) 清洗過程分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 階段:5 J/ cm2為(wei) 最佳清洗參數;5 J/ cm2之前為(wei) 第一階段，即欠清洗階段;5 J/ cm2後為(wei) 超淨，為(wei) 第二階段。

圖9 不同能量密度下的激光清洗效果。

３．２ 激光清洗後的摩擦磨損性能分析

3.2.1 摩擦磨損性能分析

對不同激光能量密度清洗後的飛機蒙皮樣品進行了摩擦磨損試驗，並與(yu) 傳(chuan) 統機械研磨進行了對比。各試樣表麵的磨痕形貌如圖10所示。蒙皮在不同能量密度激光清洗下的摩擦係數曲線如圖11所示，磨損量和平均摩擦係數如圖12所示。

圖10 不同激光能量密度清洗下飛機蒙皮表麵磨痕的形態：(a)機械清洗;(b) 2 J / cm2;(c) 3 J / cm2;(d) 4 J / cm2;(e)5 J / cm2;(f) 6 J /cm2。

圖11 研究了不同能量密度激光清洗下的表麵摩擦係數曲線。

圖12 (a)不同激光能量密度清洗下飛機蒙皮表麵的平均摩擦係數;(b)不同激光能量密度清洗下飛機蒙皮表麵的摩擦磨損量。

然後，通過摩擦係數和磨損量分析蒙皮表麵的摩擦磨損特性。機械研磨後的飛機蒙皮表麵平均摩擦係數為(wei) 0.3919，磨損量為(wei) 0.3694 mm3。激光能量密度為(wei) 2 J/cm2-6 J/cm2時清洗後的飛機蒙皮的平均摩擦係數分別為(wei) 0.4084、0.4021、0.4255、0.3887、0.4283，磨損量分別為(wei) 0.3048、0.4476、0.5332、0.3472、0.5472 mm3。當激光能量密度為(wei) 2J/cm2時，蒙皮表麵的油漆層剛剛開始剝落，大部分底漆還附著在蒙皮表麵。由圖11可以看出，蒙皮的摩擦係數在磨損初期處於(yu) 低狀態，然後迅速增加，最後維持在0.4084左右。此時，磨損量相對較低。根據圖10(b)的磨損疤痕形態，可以推斷此時蒙皮的磨損機製主要為(wei) 黏著磨損，這與(yu) 其他激光參數下的磨粒磨損(圖10(a, c-f))不同。當激光能量密度為(wei) 3 J/ cm2時，蒙皮表麵的油漆大部分被去除，鋁包層被暴露。

從(cong) 圖11可以看出，在沒有塗漆層保護的情況下，蒙皮磨損初期的摩擦係數值比較高，然後慢慢降低到一個(ge) 穩定值。此時，蒙皮的平均摩擦係數開始增加到0.4201，磨損量也開始增加。當能量密度為(wei) 4 J/ cm2時，飛機蒙皮表麵的油漆層幾乎被去除，鋁塗層開始氧化，使蒙皮表麵發生波動。蒙皮的平均摩擦係數進一步增大到0.4255，磨損量達到最大值。當能量密度達到5 J/ cm2時，隨著鋁包層被氧化部分的進一步熱氧化和重熔，在鋁包層表麵形成致密扁平的氧化膜。飛機蒙皮表麵的平均摩擦係數降至0.3887，磨損量顯著降低，優(you) 於(yu) 機械研磨後的蒙皮表麵。當能量密度達到6 J/cm2時，蒙皮表麵鋁包層開始開裂，暴露2024鋁合金基體(ti) ，表麵再次開始波動。蒙皮表麵的摩擦係數開始增加，達到0.4283，磨損量也開始增加。

3.2.2 微動摩擦磨損性能分析

測試了不同能量密度激光清洗飛機蒙皮鉚釘孔的微動摩擦磨損性能，並與(yu) 傳(chuan) 統機械清洗進行了對比。各試樣表麵的磨痕形貌如圖13所示，微動行為(wei) 區域如圖14所示。由圖13(a-f)可以看出，蒙皮表麵的接觸壓力導致蒙皮塑性變形和粘附，磨損磨屑不易去除，加速了微動磨損過程。當振動足夠大時，微動磨損會(hui) 成為(wei) 疲勞裂紋的核心，導致疲勞斷裂。在圖14(a-f)中，微動行為(wei) 曲線為(wei) 平行四邊形，表明在整個(ge) 微動磨損中存在一個(ge) 滑移區。在行為(wei) 曲線的傾(qing) 斜部分，摩擦副與(yu) 蒙皮表麵之間的靜摩擦發生局部滑動。隨著滑移量的增加，摩擦大於(yu) 靜摩擦，相對運動趨於(yu) 穩定。

圖12 （a）不同激光能量密度清洗下飛機蒙皮表麵的平均摩擦係數；（b）不同激光能量密度下飛機蒙皮表麵的摩擦磨損量。

其次，通過摩擦係數和磨損量分析了蒙皮表麵的摩擦磨損特性。機械研磨後飛機蒙皮表麵的平均摩擦係數為(wei) 0.3919，磨損量為(wei) 0.3694 mm3。在2 J/cm2-6 J/cm2激光能量密度下清洗的飛機蒙皮的平均摩擦係數分別為(wei) 0.4084、0.4021、0.4255、0.3887、0.4283，磨損量分別為(wei) 0.3048 mm3、0.4476 mm3、0.5332 mm3、0.3472 mm3、0.5472 mm3。當激光能量密度為(wei) 2 J/cm2時，蒙皮表麵的油漆層剛剛開始剝落，大部分底漆仍附著在蒙皮表麵。從(cong) 圖11可以看出，表麵摩擦係數在磨損早期處於(yu) 較低狀態，然後迅速增加，最終維持在0.4084左右。此時，磨損量相對較低。

根據圖10（b）中的磨痕形態，推斷此時蒙皮的主要磨損機製是粘著磨損，這與(yu) 其他激光參數下的磨粒磨損不同（圖10（a、c-f））。當激光能量密度為(wei) 3 J/cm2時，蒙皮表麵的大部分油漆已被去除，鋁覆層暴露。從(cong) 圖11可以看出，在沒有漆層保護的情況下，蒙皮在磨損早期的摩擦係數值相對較高，然後慢慢降低到穩定值。此時，蒙皮的平均摩擦係數開始增加到0.4201，磨損量也開始增加。當能量密度為(wei) 4 J/cm2時，飛機蒙皮表麵的油漆層幾乎被去除，鋁塗層開始氧化，導致蒙皮表麵波動。表麵的平均摩擦係數進一步增加至0.4255，磨損量達到最大值。當能量密度達到5J/cm2時，隨著覆鋁層氧化部分的進一步熱氧化和重熔，在覆鋁層表麵形成了致密平坦的氧化膜。飛機蒙皮表麵的平均摩擦係數降至0.3887，磨損量顯著減少，優(you) 於(yu) 機械研磨清潔的蒙皮表麵。當能量密度達到6 J/cm2時，蒙皮表麵的鋁覆層開始開裂，暴露出2024鋁合金基體(ti) ，並且表麵再次開始波動。蒙皮表麵的摩擦係數開始增加到0.4283，磨損量也開始增加。

3.2.2. 微動摩擦磨損性能分析

對不同能量密度激光清洗的飛機蒙皮鉚釘孔進行了微動摩擦磨損試驗，並與(yu) 傳(chuan) 統的機械清洗方法進行了比較。每個(ge) 樣品表麵的磨痕形態如圖13所示，微動行為(wei) 區域如圖14所示。從(cong) 圖13（a-f）可以看出，蒙皮表麵的接觸壓力導致蒙皮的塑性變形和粘附，並且磨損碎屑不容易去除，從(cong) 而加速了微動磨損過程。當振動足夠大時，微動磨損將成為(wei) 疲勞裂紋的核心，導致疲勞斷裂。在圖14（a-f）中，微動行為(wei) 曲線為(wei) 平行四邊形，表明整個(ge) 微動磨損中存在滑移區。在行為(wei) 曲線的傾(qing) 斜部分，摩擦副與(yu) 蒙皮表麵之間的靜摩擦發生局部滑動。隨著滑移量的增加，摩擦力大於(yu) 靜摩擦力，相對運動趨於(yu) 穩定。

圖13 不同激光能量密度清洗下飛機蒙皮表麵微動磨痕的形態：（a）機械清洗；（b） 2 J/cm2；（c） 3 J/cm2；（d） 4 J/cm2；（e） 5J/cm2；（f） 6 J/cm2。

圖14 不同激光能量密度清洗的飛機蒙皮表麵微動行為(wei) 區：（a）機械清洗；（b） 2 J/cm2；（c） 3 J/cm2；（d） 4 J/cm2；（e） 5J/cm2；（f） 6 J/cm2。

在不同能量密度的激光清洗下，鉚釘孔表麵的微動摩擦係數曲線如圖15所示，磨損量和平均摩擦係數如圖16所示。機械研磨和清洗後，表麵的平均摩擦係數為(wei) 0.6524，磨損量為(wei) 0.007515 mm3。2 J/cm2-6 J/cm2能量密度激光清洗後的蒙皮平均摩擦係數分別為(wei) 0.4022、0.6736、0.8026、0.6483和0.7381，磨損量分別為(wei) 0.002133 mm3、0.01914 mm3、0.02691 mm3、0.01024 mm3和0.02012 mm3。可以看出，當激光能量密度為(wei) 2 J/cm2時，蒙皮表麵的油漆層剛剛開始脫落。由於(yu) 底漆的存在，表麵的摩擦係數和磨損量最小。隨著激光能量密度的增加，蒙皮表麵的漆層逐漸被去除，從(cong) 而暴露出覆鋁層。沒有底漆保護的蒙皮表麵的平均摩擦係數逐漸增加，在4 J/cm2時達到最大值0.8026。

結合圖13（a）和（b-f），我們(men) 可以看到，機械研磨後蒙皮表麵的磨痕小於(yu) 激光清潔後的磨痕，因為(wei) 機械研磨提高了蒙皮表麵的硬度，使磨痕變淺。當能量密度為(wei) 6J/cm2時，蒙皮表麵的覆鋁層在高能激光照射下繼續被熱氧化和汽化，導致覆鋁層開裂。蒙皮表麵的摩擦係數再次上升至0.7381，磨損量也顯著增加。

圖15 研究了不同激光能量密度下的表麵微動摩擦係數。

圖16 （a）不同激光能量密度下飛機蒙皮表麵的平均微動摩擦係數；（b）不同激光能量密度清洗下飛機蒙皮表麵的微動磨損量。

通過分析可以推斷，與(yu) 傳(chuan) 統的清洗方法相比，當激光能量密度為(wei) 5J/cm2時，激光清洗不會(hui) 降低蒙皮表麵的摩擦磨損性能，加快鉚釘的微動疲勞磨損，從(cong) 而保證了飛機的安全。

3.3. 激光清洗後的表麵硬度和殘餘(yu) 應力分析

不同能量密度激光清洗下的飛機蒙皮表麵顯微硬度值如圖17（a）所示，表麵殘餘(yu) 應力值如圖17（b）所示。如圖17（a）所示，激光清洗後蒙皮表麵的顯微硬度普遍增加，表明脈衝(chong) 激光使飛機蒙皮表麵形成硬化層。從(cong) 圖17（b）可以看出，激光清洗後飛機蒙皮表麵存在顯著的殘餘(yu) 拉應力，且隨著激光能量密度的增加而增加，表明脈衝(chong) 激光導致蒙皮表麵塑性變形。圖18是激光清洗過程中飛機蒙皮表麵變化的示意圖。當脈衝(chong) 激光照射到飛機蒙皮表麵時，蒙皮表麵的底漆層和覆鋁層吸收激光能量，振動、破裂並蒸發。BMS10-11塗層的破裂導致產(chan) 生的衝(chong) 擊波作用於(yu) 蒙皮表麵，在蒙皮表麵形成致密穩定的位錯結構，從(cong) 而使蒙皮表麵硬化。同時，蒙皮表麵的殘餘(yu) 應力被釋放和重新分布，導致塑性變形。綜上所述，激光清洗可以提高飛機蒙皮表麵的硬度，產(chan) 生影響部件穩定性的殘餘(yu) 拉應力，這是目前工程部門需要解決(jue) 的問題。

圖17 （a）不同能量密度激光清洗飛機蒙皮表麵的顯微硬度值；（b）不同能量密度激光清洗下飛機蒙皮的表麵殘餘(yu) 應力值。

圖18 飛機表麵激光清洗過程中的示意圖發生變化。

3.4. 激光清洗後的腐蝕性能分析

不同能量密度激光清洗後飛機蒙皮的動電位極化曲線如圖19所示，測試樣品的電化學參數如表2所示。腐蝕電位（Ecorr）表征了試樣在電化學腐蝕條件下的熱力學穩定性。腐蝕電流密度（Icorr）意味著腐蝕速率和擊穿電位是發生點蝕的最低電位值。

圖19 研究了不同能量密度激光清洗後飛機蒙皮的動電位極化曲線。

表2 激光清洗後飛機蒙皮表麵的電化學參數。

從(cong) 表2和圖15可以看出，機械研磨後蒙皮的腐蝕電流密度為(wei) 2.414 × 10-4 A⋅cm−2，腐蝕電位為(wei) −0.755 V。當激光能量密度為(wei) 2 J/cm2時，油漆層仍緊密附著在表麵。蒙皮的腐蝕電流密度為(wei) 1.585 × 10-4 A⋅cm−2，此時耐腐蝕性最好。隨著激光能量密度的進一步增加，飛機蒙皮表麵的油漆層逐漸被去除。覆鋁層的暴露使表麵的腐蝕電流密度明顯增加，使蒙皮的耐腐蝕性降低。在4j/cm2時，蒙皮的腐蝕電流密度達到最大值2.907 × 10-4 A⋅cm−2−蒙皮的耐腐蝕性最差。

當能量密度達到5J/cm2時，覆鋁層被氧化，在蒙皮表麵形成致密的氧化膜，使蒙皮的耐腐蝕性顯著提高。此時，蒙皮的腐蝕電流密度降至1.601 × 10-4 A⋅cm−2 、防腐性能優(you) 於(yu) 機械清洗蒙皮。當能量密度達到6J/cm2時，高能激光使覆鋁層表麵的氧化膜再次開裂。蒙皮的腐蝕電流密度上升到1.996 × 10-4 A⋅cm−2，蒙皮的耐腐蝕性再次下降。與(yu) 傳(chuan) 統的機械清洗方法相比，當激光能量密度為(wei) 2 J/cm2、5 J/cm2、6 J/cm2時，激光清洗不會(hui) 降低飛機蒙皮表麵的耐腐蝕性，當激光能量密度為(wei) 5 J/cm2時，腐蝕性能最好。

4.結論

在這項工作中，使用中功率高能激光二極管泵浦脈衝(chong) 固體(ti) 激光清洗設備去除波音係列飛機蒙皮表麵的BMS10-11底漆。研究了不同能量密度下的清洗效果，並對其表麵形貌、摩擦磨損性能、顯微硬度和殘餘(yu) 應力進行了測試和分析。主要研究結果如下，可為(wei) 激光清洗在飛機維修中的大規模應用提供參考。

（1） Nd:YAG激光器可以有效去除波音係列飛機蒙皮表麵的BMS10-11塗層。當激光能量為(wei) 5J/cm2時，清洗效果最好。過度清潔會(hui) 穿透蒙皮表麵的覆鋁層並損壞基底。

（2）在5J/cm2激光清洗條件下，飛機蒙皮表麵和鉚釘孔的摩擦磨損性能不會(hui) 降低。與(yu) 傳(chuan) 統的清洗方法相比，可以減少鉚釘的微動疲勞磨損。

（3）激光清洗可使飛機蒙皮表麵硬化，表麵略有強化；激光清洗後的蒙皮表麵發生塑性變形，增加了殘餘(yu) 拉伸應力。

（4）與(yu) 傳(chuan) 統清洗方法相比，當激光能量密度為(wei) 2 J/cm2、5 J/cm2、6 J/cm2時，激光清洗不會(hui) 降低飛機蒙皮表麵的耐腐蝕性，當激光能量密度為(wei) 5 J/cm2時，腐蝕性能最好。

來源：Corrosion and wear performance of aircraft skin after laser cleaning，Optics andLaser Technology，doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106475