酸性盐溶液-激光复合清洗技术提升Q235结构钢表面性能的机制研究

针对长期暴露环境中Q235钢深层锈蚀难以清除的问题，研究人员创新性提出酸性盐溶液-激光复合清洗技术（S/J-component），通过系统对比干/湿激光清洗效果，发现酸性预处理可协同激光实现高效除锈（Sa=3.266 μm），表面硬度提升至192.14 HV，为复杂腐蚀场景提供绿色解决方案。

　　

锈蚀是困扰钢结构寿命的核心难题。在电力设备和海洋工程中广泛使用的Q235碳钢，长期暴露于温湿度波动、海水腐蚀和油污沉积的多重威胁下，传统机械打磨或化学清洗易造成基材损伤或二次污染。尽管激光清洗（Laser Cleaning）作为新兴绿色技术备受关注，但其对深层锈层的处理效率仍受限于污染物吸收率差异——直接高能照射可能导致基体损伤，而低能量又难以彻底清除混合污染物。这一矛盾促使研究者探索更高效的复合清洗策略。

中国某高校研究团队在《Optics》发表论文，创新性地将盐溶液预处理与激光清洗结合，系统评估了干激光清洗（Dry Laser Cleaning）、湿激光清洗（Wet Laser Cleaning）和酸性/碱性盐溶液-激光复合清洗（S/J-component）对Q235钢表面形貌、粗糙度及硬度的影响。研究采用工业级Q235钢板（100 mm×100 mm×3 mm）加速腐蚀样本，通过光学显微镜（OM）、表面粗糙度仪（Sa/Sq）和维氏硬度计（HV）等表征手段，结合80 kHz脉冲频率、80 W功率的激光参数优化，揭示了化学-物理协同除锈机制。

Effect of process parameters on dry laser cleaning
线性扫描模式因离散光斑分布导致清洁不均，而80 kHz高频脉冲可使光斑重叠率提升，但残留氧化物仍导致表面粗糙度（Sq）达12.47 μm。对比显示，单纯干激光清洗难以平衡清洁效率与基体保护。

Saline solution-laser composite cleaning mechanism
酸性盐溶液（pH=2）预处理通过H⁺溶解锈层并产生微裂纹，使后续激光能量吸收率提升3倍。激光诱导的局部高温（>3000°C）使残留锈汽化，同时液膜抑制Fe³⁺再氧化。而碱性溶液（pH=10）仅能通过皂化反应清除油污，对锈层溶解无效。

Surface properties optimization
8次复合清洗后，表面轮廓均匀性最佳（Sa=3.266 μm），硬度达192.14 HV，较干激光清洗提升18%。XRD分析显示α-Fe相纯度提高，证实复合处理可减少基体热损伤。

该研究证实酸性环境与激光的协同效应能突破传统技术瓶颈：化学预处理通过微裂纹扩大激光作用面积，而激光瞬态高热弥补化学清洗的速度缺陷。这种策略为退役钢结构回收提供了可规模化应用的解决方案，尤其适用于含油污-锈蚀混合污染的场景。论文通讯作者Guodong Zhang指出，该方法参数适应性广，未来可通过动态调节pH值应对不同腐蚀类型，具有显著的工业转化潜力。国家自然科学基金（52371073）的支持将进一步推动该技术在电网设备维护中的落地应用。