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《混合激光清洗镁合金基体表面的可控纹理化及性能研究》学术报告

一、作者与发表信息
本研究由山东理工大学机械工程学院的Wanqing Zheng、Kai Zhao、Fengshi Yin、Jinzhao Sun团队，与陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心的Sijie Wang、Zhe Li合作完成，发表于《Applied Surface Science》第689卷（2025年），文章编号162445。

二、学术背景
1. 研究领域：本研究属于表面工程与激光加工交叉领域，聚焦镁合金表面清洗与功能化改性。
2. 研究动机：镁合金因轻量化、高比强度等特性广泛应用于航空航天等领域，但其表面涂层在维护和再制造中的高效清洁仍是挑战。传统方法（如机械摩擦、化学腐蚀）存在污染、效率低等问题，亟需开发绿色高效的表面处理技术。
3. 科学问题：如何通过激光清洗同步实现涂层去除与表面功能化改性？
4. 研究目标：开发一种连续-脉冲混合激光清洗技术，实现镁合金表面涂层的可控去除，并构建功能性微结构以提升表面性能。

三、研究流程与方法
1. 实验材料制备
- 对象：商用AZ31B镁合金板材（20 mm×20 mm×3 mm），表面喷涂H06-2环氧酯底漆（厚度50±5 μm）。
- 预处理：打磨、喷涂、干燥、厚度测量（图1-2）。

1. 混合激光清洗系统

   • 设备：采用连续激光（波长1080 nm）与脉冲激光（波长1060 nm）耦合装置（图3），通过正交试验优化参数（表1）。
     
   • 创新点：双光束时空叠加技术，结合连续激光的热效应与脉冲激光的等离子体冲击效应。
     

2. 表面纹理设计

   • 路径：线性、圆形、方形、环形、弓形五种扫描路径（图4），分别标记为C1-C5组。
     
   • 参数控制：扫描间隔（线性/方形0.12 mm，圆形/弓形0.06 mm），激光光斑直径45 μm（公式1计算）。
     

3. 表征与性能测试

   • 形貌分析：立体显微镜（Leica）、场发射扫描电镜（FE-SEM）观察微观结构；激光共聚焦显微镜（OLS-3000）测量粗糙度。
     
   • 结构表征：电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒尺寸；透射电镜（TEM）观察截面纳米氧化层；聚焦离子束（FIB）制备TEM样品。
     
   • 性能测试：
     
     • 残余应力：X射线残余应力分析仪（µ-X360）；
       
     • 润湿性：接触角测量仪（DSA）；
       
     • 附着力：拉拔测试仪（PosiTest AT-M）；
       
     • 耐磨性：摩擦仪（TriboLab CMP）；
       
     • 耐腐蚀性：电化学工作站（Ivium）。
       

四、主要结果
1. 表面形貌与清洁效果
- 涂层去除：傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实有机涂层完全去除（图5b），EDS显示无机碳含量与裸镁合金一致（图7）。
- 纹理形成：五种扫描路径成功构建差异化微结构（图6），三维形貌显示粗糙度显著增加（图8）。

1. 基体微观结构变化

   • 重熔层：截面形成10–15 μm厚重熔层，晶粒尺寸细化至平均1.71 μm（图9），归因于混合激光的温度梯度与快速冷却效应。
     
   • 纳米氧化层：TEM发现约100 nm厚非晶氧化层（图10-11），由高温熔融与空气氧化反应形成。
     

2. 性能提升

   • 附着力：环形（C4）和圆形（C2）纹理的附着力分别提升39.5%和33.5%（图14a）。
     
   • 残余应力：清洗后表面由压应力转为拉应力（图14b），有利于抗变形。
     
   • 耐磨性：所有纹理组摩擦系数均低于原始样品（图15a）。
     
   • 耐腐蚀性：极化曲线显示除环形组外，其余组腐蚀电位均提高（表2）。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了混合激光清洗的协同机制（热传导+等离子体冲击），为镁合金表面处理提供新理论依据。
- 首次实现涂层去除与表面功能化（纹理、氧化层、晶粒细化）同步完成。

1. 应用价值：
   
   • 为航空航天等领域镁合金部件维护提供高效、环保的清洗方案。
     
   • 纹理化表面可增强涂层附着力、耐磨性，延长部件寿命。
     

六、研究亮点
1. 技术创新：
- 开发连续-脉冲混合激光耦合系统，平衡清洗效率与基体保护。
- 通过路径设计实现表面纹理可控加工。
2. 发现创新：
- 非晶纳米氧化层的原位形成机制。
- 晶粒细化与残余应力协同优化表面性能。

七、其他价值
动态红外热成像（图17）实时监测清洗过程温度变化，为工艺参数优化提供数据支持。