文|正經的燒杯
編輯|正經的燒杯
«——【·前言·】——»
TWIP鋼由於高強度、高伸長率以及無低溫韌脆轉變溫度等良好的效能，已成為現代汽車輕量化發展套用的主要候選材料，用其制作減震器支座，可使品質由原來的6.25kg降至2.40kg，輕量化效果顯著。
TWIP鋼在軋制過程中鋼板的表面會生成一層較致密的氧化層，傳統的清洗鋼板表層氧化層的方法主要為酸洗，但該方法存在清洗效率低、易引入新的雜質元素且對環境危害性較大的缺點。
雷射清洗作為新興清洗方式，具有無接觸、綠色、高效等顯著優點，近年來在工業生產中已經逐漸得到套用。
河北一企業，由於大量使用WIP鋼，造成企業中的表面氧化物較多，企業研究人員在使用雷射清洗的方式清理表面氧化物，這也使用清洗效率增高，而且還降低了不少成本。
例如：在半導體和磁碟機制備中，雷射可以有效去除存在積體電路模具和磁盤表面的汙染物和顆粒，實作微型精密清洗。
在焊接生產中，經雷射清洗過的試件焊接後，也表現出優異的焊接品質，氣孔率，相比其它清洗手段明顯降低在造船業中，運用合適的雷射參數，能夠有效清洗掉鋼板表面存在的汙染物。
不僅如此雷射清洗在去除金屬材料，表面雜質方面也得到了深入研究，Sun等7采用脈沖雷射實作了，45鋼表面銹層的完全清洗，提出了雷射束造成深層銹層的振動和雷射支持，引起熱沖擊的除銹機理。
用脈沖雷射對3mm厚的鋁合金板進行清洗，采用能量密度作為變量，得到不同能量密度下氧化膜的去除機制，短和超短脈沖進行金屬燒蝕研究，發現雷射微結構中，精度和效率存在沖突。
短脈沖微秒和納秒系統允許高消融率，不可避免出現工件的熱損傷;超快皮秒和飛秒系統則與其相反，波長和能量密度的雷射對氧化物的去除過程，分析出雷射清洗過程中發生了瞬時熱氧化。
提出了光熱和機械效應共同作用的熱燒蝕清洗機制，得到了清洗過程中雷射瞬態熱效應造成表面改性的結論，以上研究結果表明:雷射清洗過程涉及熱、力、光等多種作用，雷射清洗的工藝和機理較為復雜。
且不同金屬基體，和表面汙染物對應不同的清洗工藝，參數和清洗機理，而WIP鋼，由於成分與普通碳鋼差別較大，以及軋制鋼板表面氧化層較致密的特點，其雷射清洗工藝及氧化層，去除機理應與普通碳鋼，以及其他合金有一定區別。
開展鈦合金鋼板表面氧化層，的雷射清洗技術研究，對於減小經濟成本，加速其在汽車工業的套用具有重要意義。
本文利用納秒脈沖雷射清洗軋制，TWIP鋼板表面的氧化層，透過不同雷射能量密度雷射，清洗實驗確定氧化層清洗閾值，及TWIP鋼基體損傷閾值，借助掃描電鏡，和能譜儀對清洗前後的表面，進行形貌觀察和成分分析，判斷清洗效果，並推測雷射清洗機理。
«——【· 實驗材料與方法 ·】——»
表1為熔煉所得TWIP鋼的名義成分，將熔煉所得的TWIP鋼在300℃下軋制為3mm厚的鋼板後，用剪板機截取尺寸180mmx200mmx3mm的鋼板。
然後使用線切割機，切成若幹10mmx10mmx3mm的試件，雷射清洗前，用無水乙醇清洗試件表面塵土和油汙並用吹風機吹幹。
采用IPG公司生產的雷射，清洗裝置開展雷射清洗實驗，其配備的脈沖雷射器所發射雷射波長為1064nm，可提供的最大平均功率為50W，頻率範圍10~200kHz，表2為雷射清洗裝置的主要參數。
TWIP鋼表面氧化層的厚度，透過COOLPIX-4500型光學顯微鏡觀察，截面樣品制備步驟包括鑲樣、砂紙打磨、拋光和4%硝酸酒精溶液腐蝕等。
雷射清洗前後微觀形貌，利用TESCANVEGA3掃描電子顯微鏡觀察，TWIP鋼表面O元素，含量則采用掃描電鏡配備的能譜儀（EDS）進行測量。
«——【· 實驗結果與分析 ·】——»
圖1為雷射清洗前後，TWIP鋼樣品表面以及基體本身的氧含量圖，插圖為雷射清洗前後，TWIP鋼截面樣品的金相照片。
采用能譜儀，測得的TWIP鋼清洗前、清洗後以及基體的0元素含量分別為38.5at%、4.2%和1.8%。
清洗後表面氧含量與基體相當，可見雷射清洗能有效，去除TWIP鋼基體表面氧化層，從圖1(a)雷射清洗前TWIP鋼截面，樣品金相照片可觀察到鑲嵌粉、氧化層、基體3層物質，且界面清晰可見。
經測量得到雷射清洗前，基體表面氧化層平均厚度約為9μm，圖1(b)是經功率P為20W、頻率f為20kHz的脈沖雷射清洗後，的TWIP鋼截面照片。
可看出，雷射清洗可以有效去除軋制TWIP鋼表面的氧化層，但鋼基體表面部份區域仍存在少量殘存的氧化層，厚度約為2μm。這與EDS測得的氧含量數據一致。
在實驗過程中，透過調整脈沖頻率和功率大小來調控E，圖2是TWIP鋼表面經不同能量密度及次數雷射清洗後的掃描電鏡表面形貌照片。
如圖2所示，未進行雷射清洗的氧化層表面高低不平，表面有明顯的球狀顆粒。從圖2(f)氧含量看出，此時的氧含量為38.5%，氧化層較厚。
當氧化層經E=8.5J/cm清洗1遍後，材料表面的的球狀顆粒消失(圖2(b))，但表面的氧含量仍能達到34.1%(圖2(f)。
表明此時的氧化物層仍未得到有效清洗，而當能量密度提升到12.7J/cm時，材料表面的形貌更加凹凸不平，孔的大小和數量有所增加，氧化層由於雷射的光熱作用發生了膨脹現象。
此時的氧含量出現大振幅下降，降為22.0%(圖2(c)、(f))。這表明，此能量密度下，能夠有效的清洗TWIP鋼表面氧化層。
同樣在E=12.7J/cm的能量密度下，清洗次數增加到5次，甚至15次，從圖2(d)、(e)可看出，此時的材料表面變得更加粗糙，然而表面未觀察到由材料蒸發導致的燒蝕坑。
氧含量緩慢降低(圖2(f)，基於此可以推出，此能量密度下，隨著熱量的累積，在光熱作用下，材料表面僅發生由於熱膨脹而導致的氧化層的移除，不會導致基體的損傷。
可得到氧化層的雷射清洗閾值為12.7J/cm，圖3為當能量密度E從12.7J/cm進一步時TWIP鋼表面的掃描形貌圖。圖3(a)(d)分別
對應E=25.5、382、50.9、63.7J/cm清洗1次後，材料表面的形貌照片，可看出經能量密度為25.5J/cm的雷射清洗後樣品表面仍未出現明顯燒蝕坑(圖3(a))。
隨著雷射能量密度逐漸增加，樣品經雷射清洗後出現明顯燒蝕坑。由圖3(b)、(d)可看出，燒蝕坑直徑逐漸從大約30μm增加至100μm左右，且燒蝕坑表面形貌逐漸變得光滑平坦。
從圖3(c)能量密度為50.9J/cm時雷射清洗後的掃描圖可看出，圖中出現近圓形的燒蝕坑，同時存在沿著燒蝕坑徑向方向噴射出的熔融體。
該現象產生的原因為當雷射能量密度足夠大時，氧化層表面蒸發被帶走部份材料，但由於雷射束能量呈高斯分布，燒蝕坑邊緣距離光束中心較遠，沒有達到氣化狀態，材料只發生熔化，熔化的材料沿著溫度梯度方向即燒蝕坑徑向外流動。
即形成中間，為燒蝕坑邊緣為凝固的熔體的形貌，如圖3(c)中所示的氧元素的原子百分含量，值均與基體的1.8at%非常接近，有些區域甚至低於基體氧含量值，相比之下，圖3(b)能量密度為38.2J/cm時，材料表面盡管出現燒蝕坑，但氧含量明顯高於基體。
以上結果說明E=38.2J/cm時鋼表面氧化層未去除幹凈，而E=50.9J/cm時試件表面氧化層完全清洗幹凈。
並且可以推測當進一步增大雷射能量密度，基體將損傷，當E進一步提高到63.7J/cm2時，燒蝕坑更加明顯，氧含量明顯增加，表明此時的表面重新被氧化(圖3(d))。
因此可認為TWP鋼損傷閾值為50.9J/cm，陸思遠[20]證明自然腐蝕下碳鋼的清洗閾值和損傷閾值分別為8.0、237J/cm2。
將本TWIP，鋼試驗結果與普通碳鋼研究結果對比，發現TWIP鋼的清洗閾值和損傷閾值，分別高於和低於普通碳鋼的清洗閾值和損傷閾值。
這是由於常溫下自然腐蝕的銹層疏松、多孔，而軋制TWIP鋼表面的氧化層更致密，導致TWIP鋼的清洗閾值比普通碳鋼的要大。
另外普通碳鋼銹層厚(>30μm),而TWIP鋼氧化層厚度小(<10μm。由於更高的能量密度有利於去除更厚的氧化層。
因而TWIP鋼的損傷，閾值比普通碳鋼的小的多;還有一部份原因可能是氧化層的成分不同導致的，因為TWIP鋼的氧化層中可能含有一定的Mn的氧化物。
圖4為能量密度由低到高的3個階段清洗機理示意圖，圖中兩箭頭表示雷射束，右邊綠色箭頭為已完成雷射清洗的雷射束。
當雷射能量密度低於12.7J/cm2，吸收的能量不足以引起氧化層發生膨脹，當能量密度為12.7～38.2J/cm2時，TWIP鋼表面形貌開始發生變化，由於此時能量密度值較低，表面未出現明顯燒蝕坑，只是由於熱效應的積累。
表面發生熔化，氧化層發生膨脹，局部微小區域開裂，氧化層在熱膨脹的作用下脫離基體，如圖4（a）、（d）所示。當能量密度達到38.2～50.9J/cm2時，燒蝕坑逐漸明顯，表面吸收的熱量造成的瞬時升溫超過氧化層蒸發溫度。
產生清晰可見燒蝕坑，燒蝕坑邊緣伴隨著氧化物顆粒的熔體排出，從而實作氧化物的移除，如圖4（b）、（e）所示。當能量密度大於50.9J/cm2時，超過雷射清洗損傷閾值，基體被重新氧化，伴隨有顆粒氧化物熔體排出，如圖4（c）、（f）所示。
«——【·結語·】——»
采用雷射清洗TWIP鋼表面氧化物，發現氧化層的厚度與EDS測得氧含量數據正相關，可以采用EDS氧含量來，定性評估氧化層厚度以及清洗效果，利用掃描電子顯微鏡，和能譜儀對雷射清洗前後TWIP鋼表面，形貌和成分進行分析。
發現透過調整雷射能量密度，可以有效去除TWIP鋼表面氧化層，而不侵蝕基體，確定了氧化層的清洗閾值為12.7J/cm，基體損傷閾值為50.9J/cm2。
隨雷射能量密度的增加，TWIP鋼表面先發生由於氧化層的熱膨脹而從基體脫離(12.7J/cm<E<38.2J/cm2),再產生表面氧化層的蒸發、熱燒蝕(38.2J/cm<E<50.9J/cm),最後出現基體的再氧化過程(E>50.9J/cm)。
