激光清洗后飞机蒙皮的腐蚀磨损性能

日期:2022-09-05 23:23:49



  本文对波音系列飞机蒙皮的激光剥漆技术进行了研究,为提高飞机蒙皮的剥漆效率,降低现有飞机蒙皮的维护成本提供了参考。研究了激光能量密度为2-6 J/cm2时飞机蒙皮的剥离效应。SEM和EDS分析表明,最佳清洗参数为5 J/cm2。飞机对安全有着近乎严格的要求,所以如果激光剥漆技术广泛应用于飞机维修,必须实现无损清洗。研究了不同能量密度激光剥漆后飞机蒙皮铆钉孔的微动摩擦磨损性能,研究了蒙皮其他部位的摩擦磨损性能,并与机械磨削和激光剥漆进行了比较。结果表明,激光并没有降低飞机蒙皮表面任何部位的摩擦磨损性能。研究了激光剥漆后飞机蒙皮表面的残余应力、显微硬度和腐蚀性能。通过与机械研磨法和激光剥漆法的对比,证明激光不会降低飞机蒙皮的硬度和耐腐蚀性。但是,在激光清洗后,飞机蒙皮表面会产生一些塑性变形,这是目前需要注意的问题。

  如今,民用航空飞机已经成为主要的交通工具,它可以为乘客提供方便的服务。飞机的维护对于的飞行安全至关重要。商用飞机必须每六年检查一次,或在累计飞行24000小时后,或在2000次起降后。在维护飞机时,需要将飞机表面的油漆全部清除,并检查蒙皮基板是否有腐蚀缺陷和疲劳裂纹,以避免飞机事故。因此,在剥离飞机蒙皮的油漆时,一定要特别注意清洁方法,防止损坏基材。传统的油漆剥离方法主要有机械法、化学法和超声波清洗法。虽然他们的技术已经成熟,但仍然存在许多不足。例如,机械清洗方法容易对基材造成损伤,化学清洗方法对环境造成污染,超声波清洗的效率限制了其大规模应用。激光清洗以其绿色、高效、适用性广、非接触等优点,近年来被广泛应用于飞机外壳的除漆。激光脱漆是激光清洗技术最有前途的应用之一。这个过程是光和物质之间的相互作用。当激光破坏基材与污染物之间的结合力时,污垢通过蒸发、破碎、振动等方式落下。

  对一架飞机实施安全裕度,相当于在每架飞机外增加一个缓冲区。向外移动一对飞机的NFP边缘,相当于扩大了该对飞机中相对可动飞机参考点的不允许区域的边界。原始NFPs的每条边向外移动距离n(上图(b)),两架飞机之间的最小安全距离为1米。

  近年来,随着激光技术的快速发展,激光清洗已经变得更加自动化,生产率更高,成本更低。广泛应用于除漆除锈、轮胎模具清洗、文物保护、核净化。

  本文研究了Nd: YAG激光对波音系列飞机蒙皮BMS10-11涂层的清洗效果。通过改变不同的激光能量密度,探讨了涂料层去除的最佳参数,并通过SEM和EDS分析了涂料层去除机理。清洗最关键的一点是不要损坏基板,这对飞机蒙皮更重要。因此,对激光清洗飞机外壳和传统清洗飞机外壳的摩擦磨损性能进行了研究。在蒙皮的铆接孔周围存在典型的微动摩擦和磨损,因此我们也进行了微动摩擦和磨损性能研究,以证明非破坏性清洗。此外,我们还对激光清洗和传统清洗的蒙皮进行了电化学腐蚀实验、残余应力测试和显微硬度测试,为激光清洗在飞机蒙皮中的大规模应用提供了参考。

  试验材料为波音飞机外壳(山东太古飞机工程有限公司,中国济南)。蒙皮分为三层(如图1所示),第一层为BMS10-11底漆,第二层为铝包层(纯铝),第三层为基板(2024铝合金)。将蒙皮材料切割成20 × 20 mm和ϕ24 mm样品,进行激光清洗实验和摩擦磨损试验。

  实验设备为中功率高能激光二极管泵浦脉冲固态激光清洗设备(SC200W-350KW,山东科学院激光研究所,济南)。激光清洗原理图如图2所示,实验设备的主要参数如表1所示。将激光介质置于两个平行反射镜(一个为全反射镜,一个为半反射镜)之间,形成光学谐振腔。轴向传播的单色光在腔内来回传播。将单色光在谐振腔中增强为激光器后,由高磁导率的输出镜发出,成为连续激光器。通过激光调q,可以将连续激光器转换为高峰值功率脉冲激光器。实验中激光清洗速度为5 mm/s,光斑直径为0.5 mm,光斑重叠率为0.3,场镜焦距为100 mm,重复频率为10 kHz。通过改变激光器的加载电流来控制不同能量密度的激光器。最后选取5组能量密度:2 J/cm2、3 J/cm2、4 J/cm2、5 J/cm2、6 J/cm2。我们使用SEM和EDS (JSM-7610F, JEOL, Tokyo, Japan)对激光清洗后的样品进行分析,研究清洗效果。

  采用MFT-50 RTEC摩擦磨损试验机(San-Jose, CA, USA)研究激光清洗后飞机蒙皮的摩擦磨损性能。摩擦磨损试验示意图如图3所示。摩擦是球和板之间的干往复摩擦。GCr15轴承钢球(Ra 0.1μm),直径为6.35 mm,硬度为HV750。加载力为10 N,磨损时间为30 min,位移幅值为4.5 mm,运行频率为2 Hz。采用RTEC微动摩擦磨损试验机(MFT-2000, San-Jose, CA, USA)研究了激光清洗后飞机蒙皮铆钉孔周围的微动摩擦磨损性能。微动摩擦磨损试验示意图如图3所示,微动磨损试验区域如图4所示。同样,摩擦法为室温下干往复摩擦法。GCr15轴承钢球(Ra 0.1μm),直径为9.525 mm,硬度为HV750。载荷为10 N,磨损时间为30 min,位移幅值为50 μm,运行频率为2 Hz。在进行摩擦磨损实验后,利用MFT-4000白光干涉仪(兰州华辉仪器科技有限公司)采集磨损形貌,测量磨损体积和摩擦系数。

  使用micro-Vickers硬度测试仪(402-MVD,Wilson,Norwood,USA)在激光清洁后测试飞机蒙皮表面的微观硬度。试验方法是4点测量,负载为200g,测量同一样品三次并取平均值。使用X射线残余应力分析仪(iXRDCOMBO,Proro,加拿大)在激光清洁后对飞机蒙皮表面进行残余应力测试。辐射类型为Cr_K-α,衍射布拉格角为139.0度,波长为2.291 Å。分析和表征激光清洗后飞机蒙皮表面的强度和拉伸弯曲性能。

  利用电化学工作站(CHI604E,上海晨华仪器有限公司,上海,中国)研究了飞机表面激光清洗后的电化学特性。电化学工作站原理图如图5所示。电解质为3.5% NaCl溶液。实验采用经典的三电极,饱和甘汞电极作为参考电极,铂板作为辅助电极,飞机蒙皮样品作为工作电极。实验前,非工作表面用Kraft硅胶包覆,然后浸于溶液中30 min,稳定开路电位。为了得到完整的动电位极化曲线,将初始电位与开路电位结合设置为−1.2 V,最终电位为−0.6 V。在10 mV/s的扫描速度下测量了极化曲线。实验数据用分析软件(CHI604E电化学分析仪,版本15.03,3700 Tennision Hill Drive Austin, Austin, TX, USA)记录。对极化曲线进行拟合,得到阳极极化曲线斜率(Ba)、阴极极化曲线斜率(Bc)、腐蚀电位(Ecorr)和腐蚀电流密度(Icorr)。

  在激光能量密度为2 J/ cm2-6 J/ cm2时,飞机蒙皮的宏观形貌如图6所示,微观形貌如图7所示。结合图6(a)和图7(a)可以得出,未进行激光清洗的飞机蒙皮表面与绿色的BMS10-11底漆紧密贴合,并混入少量污渍。当激光能量密度为2 J/cm2时,虽然蒙皮表面上一层的油漆层已经开始开裂(图6(b)),但蒙皮表面下一层的BMS10-11底漆仍然完全覆盖蒙皮表面(图7(b))。当激光能量密度为3 J/cm2时,蒙皮表面的底漆开始明显剥落,金属色开始显现;即暴露出铝包层(图6(c)和图7(c))。当激光能量密度达到4 J/cm2时,蒙皮表面的油漆层几乎被去除(图6(d)),但微观形貌显示表面有大量的波(图7(d))。初步猜测是铝包层刚刚泄漏,发生了热氧化。当激光能量密度达到5 J/cm2时,从宏观和微观形貌可以看出,目前清洗效果最好。表面油漆层被完全去除,清洗后表面形貌平整(图6(e)和图7(e))。当能量密度达到6 J/cm2时,清洗后蒙皮表面再次出现波(图6(f)和图7(f))。我们猜测高能激光穿透了铝包层,所以飞机蒙皮暴露了基体本身,也就是2024铝合金。这将在以后的EDS实验中进行演示。

  清洗过程中,随着激光能量密度从2 J/ cm2增加到5 J/ cm2,底漆逐渐完全脱落,飞机蒙皮表面无可见金属蒸气。我们收集激光清洗后脱附的油漆层碎片,进行SEM和EDS分析,如图8所示。结合能谱1 - 3和图1可以看出,BMS10-11底漆的所有元素都包含在飞机蒙皮表面脱落的碎片中。扫描电镜(SEM)下的涂层碎片呈块状状,EDS分析显示大部分的氧以块状形式存在。我们可以推断激光剥漆主要是由于蒙皮表面的油漆层吸收激光能量,然后通过振动热氧化而脱离蒙皮表面。

  对所有清洗过的样品进行EDS分析,结果如图9所示。在2 J/cm2时,BMS10-11底漆层吸收激光能量后开始开裂,氧含量迅速上升。其中Si、Ca、W、Cl等在高温下易氧化,形成氧化物并从蒙皮表面脱落。在3 J/ cm2时,漆层中Si、Ca、W、Re、Mg、Fe等元素消失。大部分涂料层已被去除,铝含量从0.4%迅速增加到76.9%,蒙皮开始暴露铝层(图6(c))。此时,蒙皮表面的氧气处于低状态。随着激光能量密度的增加,在4 J/ cm2时,Al含量继续上升至79.3%,蒙皮表面的油漆层几乎被去除。铝包层开始热氧化,导致蒙皮表面产生波浪。5 J/cm2时,Al含量最高,达到79.5%。铝包层继续被热氧化,之前被氧化过的部位被重新熔化,使蒙皮表面显得比较平整,可以认为是最好的清洁状态。

  当激光能量密度达到6 J/ cm2时,高能激光将铝层中的铝离子电离汽化,铝元素含量降低,表面可见金属蒸气。EDS显示Cu出现在蒙皮表面。结合图6(f),蒙皮表面开始出现2024铝合金基体。飞机蒙皮清洗的原则是不损坏基材。蒙皮失去了铝涂层的保护,失去了其高的耐腐蚀性,不利于下一步对漆层进行重漆。将整个清洗过程分为两个阶段:5 J/ cm2为最佳清洗参数;5 J/ cm2之前为第一阶段,即欠清洗阶段;5 J/ cm2后为超净,为第二阶段。

  对不同激光能量密度清洗后的飞机蒙皮样品进行了摩擦磨损试验,并与传统机械研磨进行了对比。各试样表面的磨痕形貌如图10所示。蒙皮在不同能量密度激光清洗下的摩擦系数曲线所示,磨损量和平均摩擦系数如图12所示。

  图11 研究了不同能量密度激光清洗下的表面摩擦系数曲线 (a)不同激光能量密度清洗下飞机蒙皮表面的平均摩擦系数;(b)不同激光能量密度清洗下飞机蒙皮表面的摩擦磨损量。

  机械研磨后的飞机蒙皮表面平均摩擦系数为0.3919,磨损量为0.3694 mm3。激光能量密度为2 J/cm2-6 J/cm2时清洗后的飞机蒙皮的平均摩擦系数分别为0.4084、0.4021、0.4255、0.3887、0.4283,磨损量分别为0.3048、0.4476、0.5332、0.3472、0.5472 mm3。当激光能量密度为2J/cm2时,蒙皮表面的油漆层刚刚开始剥落,大部分底漆还附着在蒙皮表面。由图11可以看出,蒙皮的摩擦系数在磨损初期处于低状态,然后迅速增加,最后维持在0.4084左右。此时,磨损量相对较低。根据图10(b)的磨损疤痕形态,可以推断此时蒙皮的磨损机制主要为黏着磨损,这与其他激光参数下的磨粒磨损(图10(a, c-f))不同。当激光能量密度为3 J/ cm2时,蒙皮表面的油漆大部分被去除,铝包层被暴露。

  此时,蒙皮的平均摩擦系数开始增加到0.4201,磨损量也开始增加。当能量密度为4 J/ cm2时,飞机蒙皮表面的油漆层几乎被去除,铝涂层开始氧化,使蒙皮表面发生波动。蒙皮的平均摩擦系数进一步增大到0.4255,磨损量达到最大值。当能量密度达到5 J/ cm2时,随着铝包层被氧化部分的进一步热氧化和重熔,在铝包层表面形成致密扁平的氧化膜。飞机蒙皮表面的平均摩擦系数降至0.3887,磨损量显著降低,优于机械研磨后的蒙皮表面。当能量密度达到6 J/cm2时,蒙皮表面铝包层开始开裂,暴露2024铝合金基体,表面再次开始波动。蒙皮表面的摩擦系数开始增加,达到0.4283,磨损量也开始增加。

  各试样表面的磨痕形貌如图13所示,微动行为区域如图14所示。由图13(a-f)可以看出,蒙皮表面的接触压力导致蒙皮塑性变形和粘附,磨损磨屑不易去除,加速了微动磨损过程。当振动足够大时,微动磨损会成为疲劳裂纹的核心,导致疲劳断裂。在图14(a-f)中,微动行为曲线为平行四边形,表明在整个微动磨损中存在一个滑移区。在行为曲线的倾斜部分,摩擦副与蒙皮表面之间的静摩擦发生局部滑动。随着滑移量的增加,摩擦大于静摩擦,相对运动趋于稳定。

  图12 (a)不同激光能量密度清洗下飞机蒙皮表面的平均摩擦系数;(b)不同激光能量密度下飞机蒙皮表面的摩擦磨损量。

  机械研磨后飞机蒙皮表面的平均摩擦系数为0.3919,磨损量为0.3694 mm3。在2 J/cm2-6 J/cm2激光能量密度下清洗的飞机蒙皮的平均摩擦系数分别为0.4084、0.4021、0.4255、0.3887、0.4283,磨损量分别为0.3048 mm3、0.4476 mm3、0.5332 mm3、0.3472 mm3、0.5472 mm3。当激光能量密度为2 J/cm2时,蒙皮表面的油漆层刚刚开始剥落,大部分底漆仍附着在蒙皮表面。从图11可以看出,表面摩擦系数在磨损早期处于较低状态,然后迅速增加,最终维持在0.4084左右。此时,磨损量相对较低。

  根据图10(b)中的磨痕形态,推断此时蒙皮的主要磨损机制是粘着磨损,这与其他激光参数下的磨粒磨损不同(图10(a、c-f))。当激光能量密度为3 J/cm2时,蒙皮表面的大部分油漆已被去除,铝覆层暴露。从图11可以看出,在没有漆层保护的情况下,蒙皮在磨损早期的摩擦系数值相对较高,然后慢慢降低到稳定值。此时,蒙皮的平均摩擦系数开始增加到0.4201,磨损量也开始增加。当能量密度为4 J/cm2时,飞机蒙皮表面的油漆层几乎被去除,铝涂层开始氧化,导致蒙皮表面波动。表面的平均摩擦系数进一步增加至0.4255,磨损量达到最大值。当能量密度达到5J/cm2时,随着覆铝层氧化部分的进一步热氧化和重熔,在覆铝层表面形成了致密平坦的氧化膜。飞机蒙皮表面的平均摩擦系数降至0.3887,磨损量显著减少,优于机械研磨清洁的蒙皮表面。当能量密度达到6 J/cm2时,蒙皮表面的铝覆层开始开裂,暴露出2024铝合金基体,并且表面再次开始波动。蒙皮表面的摩擦系数开始增加到0.4283,磨损量也开始增加。

  每个样品表面的磨痕形态如图13所示,微动行为区域如图14所示。从图13(a-f)可以看出,蒙皮表面的接触压力导致蒙皮的塑性变形和粘附,并且磨损碎屑不容易去除,从而加速了微动磨损过程。当振动足够大时,微动磨损将成为疲劳裂纹的核心,导致疲劳断裂。在图14(a-f)中,微动行为曲线为平行四边形,表明整个微动磨损中存在滑移区。在行为曲线的倾斜部分,摩擦副与蒙皮表面之间的静摩擦发生局部滑动。随着滑移量的增加,摩擦力大于静摩擦力,相对运动趋于稳定。

  在不同能量密度的激光清洗下,铆钉孔表面的微动摩擦系数曲线所示,磨损量和平均摩擦系数如图16所示。机械研磨和清洗后,表面的平均摩擦系数为0.6524,磨损量为0.007515 mm3。2 J/cm2-6 J/cm2能量密度激光清洗后的蒙皮平均摩擦系数分别为0.4022、0.6736、0.8026、0.6483和0.7381,磨损量分别为0.002133 mm3、0.01914 mm3、0.02691 mm3、0.01024 mm3和0.02012 mm3。可以看出,当激光能量密度为2 J/cm2时,蒙皮表面的油漆层刚刚开始脱落。由于底漆的存在,表面的摩擦系数和磨损量最小。随着激光能量密度的增加,蒙皮表面的漆层逐渐被去除,从而暴露出覆铝层。没有底漆保护的蒙皮表面的平均摩擦系数逐渐增加,在4 J/cm2时达到最大值0.8026。

  结合图13(a)和(b-f),我们可以看到,机械研磨后蒙皮表面的磨痕小于激光清洁后的磨痕,因为机械研磨提高了蒙皮表面的硬度,使磨痕变浅。当能量密度为6J/cm2时,蒙皮表面的覆铝层在高能激光照射下继续被热氧化和汽化,导致覆铝层开裂。蒙皮表面的摩擦系数再次上升至0.7381,磨损量也显著增加。

  图16 (a)不同激光能量密度下飞机蒙皮表面的平均微动摩擦系数;(b)不同激光能量密度清洗下飞机蒙皮表面的微动磨损量。

  不同能量密度激光清洗下的飞机蒙皮表面显微硬度值如图17(a)所示,表面残余应力值如图17(b)所示。如图17(a)所示,激光清洗后蒙皮表面的显微硬度普遍增加,表明脉冲激光使飞机蒙皮表面形成硬化层。从图17(b)可以看出,激光清洗后飞机蒙皮表面存在显著的残余拉应力,且随着激光能量密度的增加而增加,表明脉冲激光导致蒙皮表面塑性变形。图18是激光清洗过程中飞机蒙皮表面变化的示意图。当脉冲激光照射到飞机蒙皮表面时,蒙皮表面的底漆层和覆铝层吸收激光能量,振动、破裂并蒸发。BMS10-11涂层的破裂导致产生的冲击波作用于蒙皮表面,在蒙皮表面形成致密稳定的位错结构,从而使蒙皮表面硬化。同时,蒙皮表面的残余应力被释放和重新分布,导致塑性变形。综上所述,激光清洗可以提高飞机蒙皮表面的硬度,产生影响部件稳定性的残余拉应力,这是目前工程部门需要解决的问题。

  不同能量密度激光清洗后飞机蒙皮的动电位极化曲线所示,测试样品的电化学参数如表2所示。腐蚀电位(Ecorr)表征了试样在电化学腐蚀条件下的热力学稳定性。腐蚀电流密度(Icorr)意味着腐蚀速率和击穿电位是发生点蚀的最低电位值。

  从表2和图15可以看出,机械研磨后蒙皮的腐蚀电流密度为2.414 × 10-4 A⋅cm−2,腐蚀电位为−0.755 V。当激光能量密度为2 J/cm2时,油漆层仍紧密附着在表面。蒙皮的腐蚀电流密度为1.585 × 10-4 A⋅cm−2,此时耐腐蚀性最好。随着激光能量密度的进一步增加,飞机蒙皮表面的油漆层逐渐被去除。覆铝层的暴露使表面的腐蚀电流密度明显增加,使蒙皮的耐腐蚀性降低。在4j/cm2时,蒙皮的腐蚀电流密度达到最大值2.907 × 10-4 A⋅cm−2−蒙皮的耐腐蚀性最差。

  当能量密度达到5J/cm2时,覆铝层被氧化,在蒙皮表面形成致密的氧化膜,使蒙皮的耐腐蚀性显著提高。此时,蒙皮的腐蚀电流密度降至1.601 × 10-4 A⋅cm−2 、防腐性能优于机械清洗蒙皮。当能量密度达到6J/cm2时,高能激光使覆铝层表面的氧化膜再次开裂。蒙皮的腐蚀电流密度上升到1.996 × 10-4 A⋅cm−2,蒙皮的耐腐蚀性再次下降。与传统的机械清洗方法相比,当激光能量密度为2 J/cm2、5 J/cm2、6 J/cm2时,激光清洗不会降低飞机蒙皮表面的耐腐蚀性,当激光能量密度为5 J/cm2时,腐蚀性能最好。

  在这项工作中,使用中功率高能激光二极管泵浦脉冲固体激光清洗设备去除波音系列飞机蒙皮表面的BMS10-11底漆。

  (2)在5J/cm2激光清洗条件下,飞机蒙皮表面和铆钉孔的摩擦磨损性能不会降低。与传统的清洗方法相比,可以减少铆钉的微动疲劳磨损。

  (4)与传统清洗方法相比,当激光能量密度为2 J/cm2、5 J/cm2、6 J/cm2时,激光清洗不会降低飞机蒙皮表面的耐腐蚀性,当激光能量密度为5 J/cm2时,腐蚀性能最好。