关于多液膜辅助激光冲击波清洗6061-T6铝合金表面氟化乙烯丙烯涂层的研究

《Optics & Laser Technology》：Study on multiple liquid film-assisted laser shock waves cleaning of fluorinated ethylene propylene coatings on 6061-T6 aluminum alloy surface

液膜辅助激光冲击波清洁技术可有效去除6061-T6铝合金表面FEP涂层，优化润湿性，3次处理时去除率达90.33%，接触角降低47.1%。

　　在现代制造业向绿色、高效高端领域转型的过程中，纤维复合材料因其高强度、轻量化以及环保特性，逐渐成为新能源、航空航天和高端设备制造等领域的关键材料。为了进一步优化纤维与树脂之间的结合界面，提升部件表面性能以及整体复合材料的性能，表面树脂传递模塑（Surface-RTM）技术应运而生。该技术结合了模内涂覆与高压树脂传递模塑（HP-RTM），是一种先进的、高效的、环保的制造工艺。然而，在实际应用中，Surface-RTM模具的长期使用面临诸多挑战，例如周期性部件脱模、树脂冲刷以及热冷循环载荷等因素会导致模具表面局部涂覆层磨损、腐蚀和界面剥离等问题，从而影响脱模效率并导致生产中断。因此，建立一套有效的模具表面局部涂覆层去除、基材表面润湿性调控以及重新涂覆的维护机制，成为工程实践中的迫切需求。

氟化乙烯丙烯（FEP）涂层作为一种常用的半永久性脱模涂层，广泛应用于模具制造、化学设备防腐、汽车部件保护以及食品加工等领域。其优异的不粘性、高耐磨性和耐热性、良好的化学稳定性和较高的涂层结合强度，使其成为理想的脱模材料。然而，FEP涂层的优异性能也带来了局部去除的挑战。当前，传统去除FEP涂层的方法主要包括高温烘烤、化学清洗、机械打磨和喷砂等。然而，随着行业对清洗质量要求的提高以及环保法规的日益严格，这些传统方法逐渐暴露出一系列局限性。例如，高温烘烤可能导致模具变形甚至发生相变；化学清洗则会造成严重的环境污染；机械打磨会对基材造成损伤；而喷砂则难以精准控制清洗范围。因此，开发一种更加环保、能够实现精准局部清洗的新技术，具有重要的理论和应用价值。

激光清洗作为一种创新的清洁方法，通过激光与材料之间的相互作用，具有高定位精度、绿色无接触等优势，已被广泛应用于去除各种污染物，如涂层、氧化物和微生物等。目前，激光清洗技术主要分为干式激光清洗、液体辅助激光清洗和激光冲击波清洗。干式激光清洗通过直接照射基材表面去除污染物，是目前应用最为广泛的一种方式。然而，对于有机涂层的去除，尤其是需要化学键断裂或热分解的FEP涂层，干式激光清洗存在一定的局限性。尽管一些研究已经实现了通过激光冲击波诱导涂层层裂的方法去除FEP涂层，但该方法在基材厚度较大的情况下，如Surface-RTM模具表面，效果并不理想。因此，对于有机涂层的去除，通常需要将高能激光束直接照射并聚焦于涂层表面，以协同热气化效应实现涂层去除。然而，高能激光直接作用于涂层表面时，会带来较大的热损伤，同时冲击波效应不足，导致去除效果不理想。

液体辅助激光清洗技术则通过引入液体介质，增强激光清洗效果。该技术利用液体介质对激光能量的吸收和传递，从而改善清洗过程中的热分布，降低基材表面的热损伤，同时增强冲击波效应。一些研究表明，液体辅助激光清洗可以显著提高涂层去除效率，并减少对基材的损伤。例如，Li的研究显示，液体辅助脉冲激光去除钛合金表面的氧化层时，其去除机制是激光气化、激光诱导冲击波和相爆裂的结合。Jang的研究则通过聚焦激光束于微尺度液柱，约束冲击波的传播，显著提高了冲击波的强度。然而，液体介质的厚度对激光清洗效果也有重要影响。过厚的水层会过度影响激光的吸收，而过薄的水层则对激光气化作用影响较小。一些研究建议，1–3 mm的水层厚度更适合金属材料的激光气化。Wuttisarn和Rout的研究进一步验证了水膜辅助对激光气化的影响，表明薄流动水膜能够显著降低对材料表面的热损伤。基于这些研究，本文提出了一种液体辅助高能脉冲激光束诱导瞬态冲击波清洗技术，即液体膜辅助激光冲击波清洗（LFA-LSC）技术，旨在同步实现清洗质量和冲击波效应的提升，具有一定的理论研究和工程应用前景。

目前，关于LFA-LSC技术在6061-T6铝合金表面去除FEP涂层的研究尚未见报道。本文评估了多次LFA-LSC对FEP涂层去除效果和基材表面润湿性的影响。通过对基材表面特征的综合分析，包括宏观形态、微观形态、三维形貌、元素分布、官能团和润湿性等，研究探讨了LFA-LSC技术的潜在机制。研究结果揭示了LFA-LSC处理次数与基材表面形态/润湿性演变之间的相关性。该研究填补了LFA-LSC技术在FEP涂覆6061-T6铝合金表面应用中的研究空白，为关键部件的局部涂覆层去除与重新涂覆提供了有价值的参考。

在实验材料方面，本文选用6061-T6铝合金作为基材，该材料由无锡志臻铝型材有限公司提供，尺寸为50 mm × 50 mm × 5 mm，采用线切割电火花加工（Wire EDM）切割。FEP涂层作为涂覆材料，采用DuPont公司提供的黑色哑光856G-304底漆和黑色光面G856G-204面漆进行喷涂。涂层喷涂步骤包括：首先对基材进行喷砂处理，以确保表面清洁，随后进行喷涂。这一过程旨在模拟实际生产中的涂覆情况，为后续的清洗实验提供可靠的实验对象。

在宏观形态分析方面，本文通过实验观察了不同次数的LFA-LSC对6061-T6铝合金表面宏观形态的影响。实验结果显示，不同次数的LFA-LSC对FEP涂层的去除效果存在差异。未处理的样品（图3a）表面覆盖着完整的FEP涂层，整体呈现为深黑色。当LFA-LSC处理次数为1次时（图3b），样品表面的FEP涂层已经被显著去除，但仍保留部分残留。随着处理次数的增加，FEP涂层的去除效果逐渐提升，但同时也出现了一些新的变化。例如，处理次数为3次时（图3c），FEP涂层的去除率达到最高，表面呈现出较为平整的状态，且润湿性显著改善。而处理次数为4次时（图3d），虽然涂层去除率略有下降，但润湿性进一步提升，表明在一定范围内，LFA-LSC处理次数的增加有助于提升表面润湿性，但超过一定阈值后，效果可能会出现波动。

在微观形态分析方面，本文利用扫描电子显微镜（SEM）观察了不同次数的LFA-LSC对6061-T6铝合金表面微观结构的影响。实验结果显示，随着处理次数的增加，FEP涂层的去除效果逐渐增强，基材表面的微观结构也发生相应变化。例如，处理次数为1次时，基材表面的微观结构相对完整，但存在一些涂层残留。处理次数为2次时，基材表面的微观结构出现了一些变化，部分涂层被去除，但仍有残留。处理次数为3次时，基材表面的微观结构发生了较为显著的变化，涂层残留明显减少，基材表面变得更加光滑。处理次数为4次时，基材表面的微观结构进一步改善，但同时也出现了一些微裂纹，表明在处理过程中，基材表面的机械应力和热应力共同作用，导致了表面结构的演变。

在元素分布分析方面，本文利用X射线光电子能谱（XPS）和能量色散X射线光谱（EDS）等技术，分析了不同次数的LFA-LSC对基材表面元素分布的影响。实验结果显示，随着处理次数的增加，FEP涂层中的氟元素逐渐减少，而铝元素的分布则更加均匀。这表明LFA-LSC处理能够有效去除FEP涂层中的氟元素，同时改善基材表面的元素分布，从而提升表面性能。此外，处理次数为3次时，基材表面的氟元素含量显著降低，而铝元素的分布更加均匀，这进一步验证了LFA-LSC技术在去除FEP涂层方面的有效性。

在官能团分析方面，本文利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，分析了不同次数的LFA-LSC对基材表面官能团的影响。实验结果显示，随着处理次数的增加，FEP涂层中的官能团逐渐减少，而基材表面的官能团则更加丰富。这表明LFA-LSC处理能够有效去除FEP涂层中的有机官能团，同时促进基材表面的化学反应，从而改善表面性能。此外，处理次数为3次时，基材表面的官能团分布更加均匀，表明此时LFA-LSC处理达到了最佳效果。

在润湿性分析方面，本文通过接触角测试，分析了不同次数的LFA-LSC对基材表面润湿性的影响。实验结果显示，随着处理次数的增加，基材表面的润湿性逐渐改善，接触角显著降低。例如，处理次数为1次时，接触角从67.3°降低至62.5°，降低了4.8°。处理次数为2次时，接触角进一步降低至55.2°，降低了12.1°。处理次数为3次时，接触角降至35.6°，降低了47.1°，表明此时润湿性得到了显著提升。处理次数为4次时，接触角略有回升，表明在处理过程中，基材表面的润湿性可能受到某些因素的影响，如机械应力和热应力的相互作用。这一结果表明，LFA-LSC处理次数的增加有助于提升基材表面的润湿性，但超过一定次数后，效果可能会出现波动。

综上所述，本文提出的LFA-LSC技术能够有效去除6061-T6铝合金表面的FEP涂层，并实现基材表面润湿性的调控。实验结果显示，LFA-LSC处理次数的增加在一定程度上能够提升涂层去除率和润湿性，但超过一定阈值后，效果可能会出现波动。这表明在实际应用中，需要根据具体的材料和工艺条件，合理选择LFA-LSC的处理次数，以达到最佳的清洗效果和润湿性调控。此外，LFA-LSC技术相比传统方法具有更高的清洗质量和更精准的润湿性调控能力，为关键部件的局部涂覆层去除与重新涂覆提供了新的解决方案。该技术在理论研究和工程应用方面均具有重要的价值，未来有望在更多领域得到推广和应用。