《Optics & Laser Technology》：Photochemical removal of lubricant films from TC4 surfaces via 248 nm deep-ultraviolet nanosecond laser
编辑推荐：
王亮|卓金|王亚兴|王萌|贾彦坤|余振和|陈志军|姚建华浙江工业大学激光先进制造研究所，中国杭州市刘河路288号，310023摘要TC4钛合金表面残留的润滑油膜会显著影响后续加工的质量。传统的清洁方法，如化学脱脂和红外激光清洁，往往会导致化学残留或热缺陷。本研究采用248纳米深紫
王亮|卓金|王亚兴|王萌|贾彦坤|余振和|陈志军|姚建华
浙江工业大学激光先进制造研究所，中国杭州市刘河路288号，310023
摘要
TC4钛合金表面残留的润滑油膜会显著影响后续加工的质量。传统的清洁方法，如化学脱脂和红外激光清洁，往往会导致化学残留或热缺陷。本研究采用248纳米深紫外纳秒激光去除TC4钛合金表面的油膜，探讨了工艺参数对脱脂效果的影响，特别关注了能量密度为83 mJ/cm2和重复频率为10 Hz时的激光脉冲数对脱脂效果的影响。使用XPS、SEM、EDS和红外光谱等表征技术系统分析了样品的微观形态、元素组成和官能团变化。结果表明，随着脉冲数的增加，去除的润滑油量也随之增加。在25次脉冲后，油膜被完全去除，TC4基底表面未观察到微裂纹或熔化现象，粗糙度也没有显著变化，基底完整性得到了良好保留。机制分析表明，该过程受到光化学、光热和机械效应的协同作用控制，其中光化学作用是主要驱动力。248纳米深紫外激光的高光子能量和选择性吸收使其能够精确去除污染物，同时确保基底完整性，这凸显了其在清洁精密钛合金部件方面的巨大潜力。
引言
TC4钛合金（Ti-6Al-4V）是一种重要的α+β型钛合金，因其高比强度、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性而被广泛应用于航空航天和生物医学领域[1][2]。然而，在加工、储存和使用过程中，其表面经常被油污染，这会不利地影响焊接、涂层[5][6]和热处理等后续工艺的质量和可靠性。传统的脱脂方法，如有机溶剂[7][8]、机械擦拭和超声清洁[9]，存在环境污染、能耗高和基底损伤等显著局限性。作为一种非接触式技术，激光清洁具有高效、精确和环保的优点，显示出广阔的应用潜力[10][11]。
目前，激光清洁技术主要根据波长分为红外激光清洁和紫外激光清洁。由于红外激光以热效为主导机制且具有较深的穿透深度[11]，常用于去除金属表面的高沸点、粘附性强的污染物。Wang[12]使用1064纳米脉冲激光去除TC4表面的氧化膜，发现随着能量密度的增加，去除机制包括熔化和蒸发烧蚀。Zhang[13]使用1064纳米纳秒脉冲激光清洁铝合金表面的复合涂层，发现涂层的去除机制涉及烧蚀、热应力和等离子体效应。Fang[14]使用1064纳米纳秒脉冲光纤激光去除钢丝表面1-2毫米的硬化油脂，表明烧蚀、蒸发和汽化是主要去除机制。紫外激光清洁的特点是光子能量高，热影响区小，特别适合清洁热敏感或精密敏感材料。Gu[15][16]使用355纳米纳秒脉冲激光去除CFRP表面的聚氨酯-环氧涂层，发现355纳米的单光子能量可以直接断裂聚氨酯-环氧涂料中的C-C和C-N键。在另一项清洁实验中，他们使用355纳米皮秒脉冲激光去除GFRP表面的有机涂层，表明紫外皮秒激光可以实现低温下的涂层去除，这一过程主要由光化学机制控制。Xin[17]使用355纳米紫外飞秒激光去除CFRP表面的底漆，该过程通过光热烧蚀和光化学机制的结合改善了表面的亲水性和硬度。
目前关于激光清洁油脂的研究主要使用红外和可见光谱范围的激光。然而，这些波长与润滑油的高吸收带匹配较差，导致能量利用率低。此外，精确控制热输入具有挑战性，常导致基底过热、相变或熔化[18]。 such high temperatures can trigger secondary oxidation and form new oxide layers, ultimately inducing microstructural changes and degrading material properties. Generally, the removal of oil depends strongly on its absorption properties [19][20][21]. Although lubricating oil exhibits high absorption in the UV region, the TC4 substrate exhibits relatively low absorption in this spectral region. This absorption selectivity suggests that UV lasers hold promise for achieving the layer-by-layer removal of lubricating oil efficiently, significantly reducing the risk of thermal defects. As summarized in Table 1, the 248 nm deep-ultraviolet laser offers distinct theoretical advantages for high-precision cleaning, particularly due to its high photon energy and the strong absorption characteristics of organic materials. However, systematic research is still lacking regarding the identification of the effective ablation threshold, the verification of the “cold cleaning” nature, and the evolution of surface characteristics during cleaning for the 248 nm DUV laser applied to this specific material system.
本研究采用248纳米深紫外激光去除TC4钛合金表面的润滑油。观察并分析了不同激光清洁参数下样品的表面形态、元素分布和相对元素含量，以确定最佳工艺条件。使用Profil3D白光干涉仪（WLI）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对清洁后的样品进行了表征。在脱脂过程中，使用红外热像仪实时监测了样品的表面温度。最后，基于实验结果和理论分析，探讨了去除机制。248纳米深紫外激光具有高光子能量和小的热影响区，能够有效选择性地吸收有机化合物，为高效、环保地去除TC4钛合金表面的润滑油提供了另一种方法。
部分摘录
实验材料
本实验准备了尺寸为4毫米×4毫米×2毫米的TC4样品。为了标准化表面条件，所有样品均进行了顺序超声清洁（5分钟）、酸蚀（3分钟）和旋涂20号通用润滑油（5500转/分钟，持续30秒）。图1展示了预处理过程的示意图及相应的光学表征结果。
单脉冲能量的优化
为了确定有效的烧蚀阈值，首先研究了单脉冲照射（N = 1）下激光能量对清洁效果的影响。具体选择了三种脉冲能量水平，分别为100、200和300毫焦耳，对应的能量密度分别为42、83和125毫焦耳/平方厘米。选择操作能量的依据是找到一个既能确保宏观显著去除润滑油又能保持基底完整性的有效烧蚀参数。
结论
本研究创新性地采用248纳米深紫外纳秒激光成功去除了TC4钛合金表面的润滑油。系统研究了激光脉冲数对表面形态、粗糙度和去除油量的影响，证明了激光清洁过程对TC4表面的有效性和安全性。清洁后的基底没有出现微裂纹或熔化现象。这种方法相比传统方法具有独特优势。
CRediT作者贡献声明
王亮：撰写——初稿。卓金：撰写——审稿与编辑。王亚兴：方法学设计。王萌：实验研究。贾彦坤：概念构思。余振和：数据分析。陈志军：资金申请。姚建华：监导。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
