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激光清洗行業大佬藏了10年的干貨:激光清洗航空航天系鋁合金后的表面性能

發布:2022-04-29 18:18作者:www.yattendonparish.com點擊:704次

激光清洗行業大佬藏了10年的干貨:激光清洗航空航天系鋁合金后的表面性能。鋁合金作為航天飛機的主要建筑材料,廣泛用于航天飛機的船體、螺旋槳、油箱、起落架等關鍵部件。 2XXX系列鋁材,以銅為主要合金元素,強度高、耐高溫、切削加工性能優良,主要用于飛機表面的大部件。 2XXX系列鋁材在空氣表面自然形成不規則、不連續的氧化膜,在涂裝和焊接前必須將其徹底清除,否則會影響涂層的附著力和質量。涂層。焊接。目前,軋制鋁合金零件常用鉻酸、硫酸和氫氟酸的混合物來去除表面的氧化膜,而硝酸通常用于注塑成型,但清洗過程化學需要人工處理。 .參與和環境破壞。近年來,由于清洗工藝的廣泛適用性、加工精度和環境友好性,激光清洗已成為領先的清洗技術之一并得到廣泛應用。工業接頭焊接前后和表面涂層去除?;诖?,在噴涂和焊接之前使用激光清洗作為處理2XXX系鋁合金的一種方法是一種有效的工具。
通過SEM和EMF分析對純化后的鋁合金樣品表面研究了不同激光能量密度下鋁合金的清洗效果。對純化的鋁合金樣品進行殘余應力和硬度測試以及摩擦磨損測試。實驗表明,激光清洗可以有效去除2024鋁合金表面的污染物和氧化物。激光清洗可以改善鋁合金表面的摩擦磨損性能。 2024 并隨著能量密度的增加而增加。激光清洗可以在2024鋁合金表面形成硬化層,同時在表面產生拉應力。本文通過研究激光清洗后鋁合金的顯微組織和力學性能,作為航空航天工業大規模使用激光清洗的指南。
實驗材料為2024加氣鋁合金,試樣尺寸為40mm×40mm×5mm。
1.2 激光清洗測試
測試設備采用脈沖固態激光設備進行Nd:YAG提純。 . Nd:YAG晶棒作為激光工作材料,與光纖分離,激光清洗頭轉移到控制系統工作臺上完成清洗。整個清洗過程以水冷方式進行。本實驗中,清洗速度設置為 5 mm/s,脈沖頻率設置為 8 kHz,網點重疊率為 30%。激光能量密度與平均激光功率成正比,通過控制平均激光功率來改變激光能量密度。能量密度設置為 8.5 J/cm 2、10.5 J/cm 2 和 12.5 J/cm 2。實驗結束后,通過 SEM 和 EMF 分析(JSM -7610F,JEOL,Tokyo,Japan)對純化樣品進行分析分析清洗效果。
2.1。激光清洗后鋁合金表面形貌
從微觀形貌可以看出,生鋁合金表面有大量的白色氧化物。當能量密度達到8.5 J/cm2時,鋁合金表面出現白點,疑似熱氧化。目前,工件表面的污染物受到影響,僅釋放熱量,形成許多白色氧化物。當能量密度達到10.5 J/cm2時,鋁合金表面的白色氧化物大大減少,表面變得光滑,并殘留少量不顯眼的凹坑結構。這是因為激光脈沖的沖擊力和鋁合金表面的收縮力相結合。隨著能量密度繼續增加到 12.5 J/cm2,脈沖的沖擊振動效應和產熱量的增加,井周圍開始出現小白點,估計這是由于供熱增加所致。以及在井周圍形成新的氧化物。 .
結合表面形貌和流程圖將進一步分析純化過程。鋁合金表面未清洗時,鋁元素含量為53.5%,碳元素含量為38.0%,氧元素含量為3.7%。此時,表面含有許多雜質。當能量密度達到8.5 J/cm2時,鋁元素上升到80.9%,碳元素下降到6.3%,氧元素下降到6.5%。目前,鋁合金中大部分表面雜質被去除,但表面的環狀結構周圍有很多氧化物,增加了氧含量。目前還不夠干凈。當能量密度達到10.5 J/cm2時,元素的鋁含量上升到83.2%,氧含量下降到2.8%的最低水平。此時鋁合金表面的環狀結構消失,表面變得盡可能光滑,這是最好的清潔狀態。隨著能量密度增加到 12.5 J/cm2,表面元素沒有觀察到明顯的變化,氧濃度略有增加。目前,凹槽周圍的鋁合金表面被激光光斑熱氧化,導致氧濃度新增加,屬于清潔間隙過大。
激光清洗后的摩擦磨損
雜質和氧化物附著在臟樣品表面,表面比較粗糙,因此磨損深度和平均摩擦系數最高。在 8.5 J/cm2 的能量密度下,雜質和氧化物會進一步從樣品表面去除。但環形面的結構增加了摩擦阻力,導致摩擦系數略有下降,磨損痕跡的深度也有所下降。當能量密度達到10.5 J/cm2時,鋁合金表面光滑,氧化物含量最低,清洗效果最好。目前,樣品磨損路徑的深度最小,但平均摩擦系數增加到 8.5 J/cm 2。我們最初的假設是,這可能是由于硬度降低。當能量密度達到12.5 J/cm2時,試樣的磨損深度顯著增加,平均摩擦系數顯著降低。此時鋁合金被熱氧化,其表面出現新的氧化膜。新形成的氧化膜的附著力較低,導致磨損深度增加。平均摩擦系數降低的原因是由于硬度的增加,這將在本文后面的實驗討論中解釋。綜上所述,激光清洗可以提高鋁合金表面的耐磨性,效果最好的是12.5J/cm2。
金屬材料表面微觀結構的變化會影響其力學性能,因此我們研究了激光清洗對鋁合金表面顯微硬度和殘余應力的影響。未經凈化的鋁合金表面顯微硬度值為137.97 HP,經激光輻射能量密度凈化后的鋁合金表面顯微硬度為8.5J/cm2、10.5J/cm2、12.5J/cm2。是 119.96 HV,136.82。高壓,174.47高壓。當能量密度為8.5 J/cm2和10.5 J/cm2時,鋁合金的表面硬度低于未清洗的。當能量密度達到12.5 J/cm2(過度凈化)時,表面硬度大大提高。圖7是激光清洗后鋁合金表面硬度增加的示意圖。當激光光斑撞擊鋁合金表面時,由于脈沖激光的作用,在表面形成壓痕。沖擊壓力在空腔內產生微增強物。在不潔狀態下,鋁合金表面一般呈環狀,硬度有所降低。當達到超凈狀態時,鋁合金表面形成大量孔洞,孔洞的均勻分布使樣品整個表面形成一層增強膜,增加了硬度。
金屬表面的殘余應力是反映材料芯部強度和韌性的指標之一。原始狀態下鋁合金表面殘余應力值為7.06 MPa,激光能量密度為8.5 J/cm2,經過鋁合金表面殘余應力值后為10.5 J/cm2。凈化壓力分別為41.9 MPa、79.93 MPa和59.16 MPa。激光清洗后,鋁合金表面的殘余抗拉強度顯著增加。根據先前對鋁合金表面進行的結構修改,可以得出結論,存在重組和殘余抗拉強度的形成。因此,在適當的激光處理參數下,激光清洗可以略微提高鋁合金的表面硬度,但會導致殘余斷裂載荷的產生。
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