铝合金表面热控涂层激光诱导去除的热-冲击耦合效应与工艺研究

为解决航天器热控涂层(TCCs)传统去除方法效率低、损伤大等问题，研究人员采用纳秒脉冲激光技术，系统研究了扫描速度对Zn2TiO4/K2SiO3涂层去除效果的影响。发现激光烧蚀为主、等离子体冲击为辅的协同机制，揭示了基底晶粒细化和微纳氧化层形成规律，为航天材料绿色再制造提供新方案。

　　

航天器在轨运行时面临极端温度波动，其表面热控涂层(TCCs)对维持内部温度稳定至关重要。然而当涂层需要更换或修复时，传统机械打磨、化学蚀刻等方法不仅效率低下，还会造成基底损伤和环境污染。特别是对于Zn₂TiO₄/K₂SiO₃体系的无机涂层，其高硬度特性使得常规去除技术更加困难。哈尔滨工业大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，创新性地采用纳秒脉冲激光技术，通过调控扫描速度实现了TCCs的高效清洁，并揭示了热-力耦合作用下的材料演化机制。

研究采用激光共聚焦显微镜和电子背散射衍射(EBSD)等技术，系统分析了不同扫描速度(1000-1300 mm/s)下涂层的去除效率、基底表面形貌及晶体结构变化。通过扫描电镜(SEM)观察熔凝区微观结构，结合能谱(EDS)检测元素分布，阐明了去除过程中涂层残留物的形成机制。

材料特性与实验设计
研究对象为喷涂在2A12铝合金上的Zn₂TiO₄/K₂SiO₃复合涂层，厚度140-160 μm。实验采用特定参数的纳秒脉冲激光，通过调控光斑移动速度研究清洗动力学。

涂层去除机制
在1000 mm/s速度下，激光烧蚀(ablation)主导涂层去除，等离子体冲击(plasma impact)辅助剥离。扫描速度降低至800 mm/s时，热积累导致基底微熔，形成重凝区。值得注意的是，冲击飞溅的涂层颗粒和热分解产物会重新沉积，形成约2.5 μm的残留层。

基底表面演化
激光作用使熔融铝快速冷却，产生显著晶粒细化(平均尺寸从50 μm降至5 μm)，并形成高密度亚晶界。EBSD分析显示表层晶粒存在>15°的取向差，这种畸变层能提升材料机械性能。此外，蒸发的铝与氧气反应，在表面构建出具有微纳结构的氧化铝层。

工艺优化窗口
1300 mm/s速度下经两次清洗可实现完全去涂，且基底热影响区控制在20 μm内。速度低于700 mm/s时，过度的热输入会导致基底明显熔损。

该研究不仅建立了TCCs激光清洗的工艺参数数据库，更从多物理场耦合角度阐释了去除机制。发现的晶粒细化现象为激光表面改性提供了新思路，而微纳氧化层的自生成特性可能赋予材料特殊功能。这项技术有望替代传统方法，应用于航天器在轨维护和地面维修，推动太空装备绿色制造技术的发展。研究团队特别指出，未来需进一步探索涂层残留物对二次涂装的影响，以及不同气候条件下氧化层的稳定性问题。