文|正经的烧杯
编辑|正经的烧杯
«——【·前言·】——»
TWIP钢由于高强度、高伸长率以及无低温韧脆转变温度等良好的性能，已成为现代汽车轻量化发展应用的主要候选材料，用其制作减震器支座，可使质量由原来的6.25kg降至2.40kg，轻量化效果显著。
TWIP钢在轧制过程中钢板的表面会生成一层较致密的氧化层，传统的清洗钢板表层氧化层的方法主要为酸洗，但该方法存在清洗效率低、易引入新的杂质元素且对环境危害性较大的缺点。
激光清洗作为新兴清洗方式，具有无接触、绿色、高效等显著优点，近年来在工业生产中已经逐渐得到应用。
河北一企业，由于大量使用WIP钢，造成企业中的表面氧化物较多，企业研究人员在使用激光清洗的方式清理表面氧化物，这也使用清洗效率增高，而且还降低了不少成本。
例如：在半导体和磁盘驱动器制备中，激光可以有效去除存在集成电路模具和磁盘表面的污染物和颗粒，实现微型精密清洗。
在焊接生产中，经激光清洗过的试件焊接后，也表现出优异的焊接质量，气孔率，相比其它清洗手段明显降低在造船业中，运用合适的激光参数，能够有效清洗掉钢板表面存在的污染物。
不仅如此激光清洗在去除金属材料，表面杂质方面也得到了深入研究，Sun等7采用脉冲激光实现了，45钢表面锈层的完全清洗，提出了激光束造成深层锈层的振动和激光支持，引起热冲击的除锈机理。
用脉冲激光对3mm厚的铝合金板进行清洗，采用能量密度作为变量，得到不同能量密度下氧化膜的去除机制，短和超短脉冲进行金属烧蚀研究，发现激光微结构中，精度和效率存在冲突。
短脉冲微秒和纳秒系统允许高消融率，不可避免出现工件的热损伤;超快皮秒和飞秒系统则与其相反，波长和能量密度的激光对氧化物的去除过程，分析出激光清洗过程中发生了瞬时热氧化。
提出了光热和机械效应共同作用的热烧蚀清洗机制，得到了清洗过程中激光瞬态热效应造成表面改性的结论，以上研究结果表明:激光清洗过程涉及热、力、光等多种作用，激光清洗的工艺和机理较为复杂。
且不同金属基体，和表面污染物对应不同的清洗工艺，参数和清洗机理，而WIP钢，由于成分与普通碳钢差别较大，以及轧制钢板表面氧化层较致密的特点，其激光清洗工艺及氧化层，去除机理应与普通碳钢，以及其他合金有一定区别。
开展钛合金钢板表面氧化层，的激光清洗技术研究，对于减小经济成本，加速其在汽车工业的应用具有重要意义。
本文利用纳秒脉冲激光清洗轧制，TWIP钢板表面的氧化层，通过不同激光能量密度激光，清洗实验确定氧化层清洗阈值，及TWIP钢基体损伤阈值，借助扫描电镜，和能谱仪对清洗前后的表面，进行形貌观察和成分分析，判断清洗效果，并推测激光清洗机理。
«——【· 实验材料与方法 ·】——»
表1为熔炼所得TWIP钢的名义成分，将熔炼所得的TWIP钢在300℃下轧制为3mm厚的钢板后，用剪板机截取尺寸180mmx200mmx3mm的钢板。
然后使用线切割机，切成若干10mmx10mmx3mm的试件，激光清洗前，用无水乙醇清洗试件表面尘土和油污并用吹风机吹干。
采用IPG公司生产的激光，清洗设备开展激光清洗实验，其配备的脉冲激光器所发射激光波长为1064nm，可提供的最大平均功率为50W，频率范围10~200kHz，表2为激光清洗设备的主要参数。
TWIP钢表面氧化层的厚度，通过COOLPIX-4500型光学显微镜观察，截面样品制备步骤包括镶样、砂纸打磨、抛光和4%硝酸酒精溶液腐蚀等。
激光清洗前后微观形貌，利用TESCANVEGA3扫描电子显微镜观察，TWIP钢表面O元素，含量则采用扫描电镜配备的能谱仪（EDS）进行测量。
«——【· 实验结果与分析 ·】——»
图1为激光清洗前后，TWIP钢样品表面以及基体本身的氧含量图，插图为激光清洗前后，TWIP钢截面样品的金相照片。
采用能谱仪，测得的TWIP钢清洗前、清洗后以及基体的0元素含量分别为38.5at%、4.2%和1.8%。
清洗后表面氧含量与基体相当，可见激光清洗能有效，去除TWIP钢基体表面氧化层，从图1(a)激光清洗前TWIP钢截面，样品金相照片可观察到镶嵌粉、氧化层、基体3层物质，且界面清晰可见。
经测量得到激光清洗前，基体表面氧化层平均厚度约为9μm，图1(b)是经功率P为20W、频率f为20kHz的脉冲激光清洗后，的TWIP钢截面照片。
可看出，激光清洗可以有效去除轧制TWIP钢表面的氧化层，但钢基体表面部分区域仍存在少量残存的氧化层，厚度约为2μm。这与EDS测得的氧含量数据一致。
在实验过程中，通过调整脉冲频率和功率大小来调控E，图2是TWIP钢表面经不同能量密度及次数激光清洗后的扫描电镜表面形貌照片。
如图2所示，未进行激光清洗的氧化层表面高低不平，表面有明显的球状颗粒。从图2(f)氧含量看出，此时的氧含量为38.5%，氧化层较厚。
当氧化层经E=8.5J/cm清洗1遍后，材料表面的的球状颗粒消失(图2(b))，但表面的氧含量仍能达到34.1%(图2(f)。
表明此时的氧化物层仍未得到有效清洗，而当能量密度提升到12.7J/cm时，材料表面的形貌更加凹凸不平，孔的大小和数量有所增加，氧化层由于激光的光热作用发生了膨胀现象。
此时的氧含量出现大幅度下降，降为22.0%(图2(c)、(f))。这表明，此能量密度下，能够有效的清洗TWIP钢表面氧化层。
同样在E=12.7J/cm的能量密度下，清洗次数增加到5次，甚至15次，从图2(d)、(e)可看出，此时的材料表面变得更加粗糙，然而表面未观察到由材料蒸发导致的烧蚀坑。
氧含量缓慢降低(图2(f)，基于此可以推出，此能量密度下，随着热量的累积，在光热作用下，材料表面仅发生由于热膨胀而导致的氧化层的移除，不会导致基体的损伤。
可得到氧化层的激光清洗阈值为12.7J/cm，图3为当能量密度E从12.7J/cm进一步时TWIP钢表面的扫描形貌图。图3(a)(d)分别
对应E=25.5、382、50.9、63.7J/cm清洗1次后，材料表面的形貌照片，可看出经能量密度为25.5J/cm的激光清洗后样品表面仍未出现明显烧蚀坑(图3(a))。
随着激光能量密度逐渐增加，样品经激光清洗后出现明显烧蚀坑。由图3(b)、(d)可看出，烧蚀坑直径逐渐从大约30μm增加至100μm左右，且烧蚀坑表面形貌逐渐变得光滑平坦。
从图3(c)能量密度为50.9J/cm时激光清洗后的扫描图可看出，图中出现近圆形的烧蚀坑，同时存在沿着烧蚀坑径向方向喷射出的熔融体。
该现象产生的原因为当激光能量密度足够大时，氧化层表面蒸发被带走部分材料，但由于激光束能量呈高斯分布，烧蚀坑边缘距离光束中心较远，没有达到气化状态，材料只发生熔化，熔化的材料沿着温度梯度方向即烧蚀坑径向外流动。
即形成中间，为烧蚀坑边缘为凝固的熔体的形貌，如图3(c)中所示的氧元素的原子百分含量，值均与基体的1.8at%非常接近，有些区域甚至低于基体氧含量值，相比之下，图3(b)能量密度为38.2J/cm时，材料表面尽管出现烧蚀坑，但氧含量明显高于基体。
以上结果说明E=38.2J/cm时钢表面氧化层未去除干净，而E=50.9J/cm时试件表面氧化层完全清洗干净。
并且可以推测当进一步增大激光能量密度，基体将损伤，当E进一步提高到63.7J/cm2时，烧蚀坑更加明显，氧含量明显增加，表明此时的表面重新被氧化(图3(d))。
因此可认为TWP钢损伤阈值为50.9J/cm，陆思远[20]证明自然腐蚀下碳钢的清洗阈值和损伤阈值分别为8.0、237J/cm2。
将本TWIP，钢试验结果与普通碳钢研究结果对比，发现TWIP钢的清洗阈值和损伤阈值，分别高于和低于普通碳钢的清洗阈值和损伤阈值。
这是由于常温下自然腐蚀的锈层疏松、多孔，而轧制TWIP钢表面的氧化层更致密，导致TWIP钢的清洗阈值比普通碳钢的要大。
另外普通碳钢锈层厚(>30μm),而TWIP钢氧化层厚度小(<10μm。由于更高的能量密度有利于去除更厚的氧化层。
因而TWIP钢的损伤，阈值比普通碳钢的小的多;还有一部分原因可能是氧化层的成分不同导致的，因为TWIP钢的氧化层中可能含有一定的Mn的氧化物。
图4为能量密度由低到高的3个阶段清洗机理示意图，图中两箭头表示激光束，右边绿色箭头为已完成激光清洗的激光束。
当激光能量密度低于12.7J/cm2，吸收的能量不足以引起氧化层发生膨胀，当能量密度为12.7～38.2J/cm2时，TWIP钢表面形貌开始发生变化，由于此时能量密度值较低，表面未出现明显烧蚀坑，只是由于热效应的积累。
表面发生熔化，氧化层发生膨胀，局部微小区域开裂，氧化层在热膨胀的作用下脱离基体，如图4（a）、（d）所示。当能量密度达到38.2～50.9J/cm2时，烧蚀坑逐渐明显，表面吸收的热量造成的瞬时升温超过氧化层蒸发温度。
产生清晰可见烧蚀坑，烧蚀坑边缘伴随着氧化物颗粒的熔体排出，从而实现氧化物的移除，如图4（b）、（e）所示。当能量密度大于50.9J/cm2时，超过激光清洗损伤阈值，基体被重新氧化，伴随有颗粒氧化物熔体排出，如图4（c）、（f）所示。
«——【·结语·】——»
采用激光清洗TWIP钢表面氧化物，发现氧化层的厚度与EDS测得氧含量数据正相关，可以采用EDS氧含量来，定性评估氧化层厚度以及清洗效果，利用扫描电子显微镜，和能谱仪对激光清洗前后TWIP钢表面，形貌和成分进行分析。
发现通过调整激光能量密度，可以有效去除TWIP钢表面氧化层，而不侵蚀基体，确定了氧化层的清洗阈值为12.7J/cm，基体损伤阈值为50.9J/cm2。
随激光能量密度的增加，TWIP钢表面先发生由于氧化层的热膨胀而从基体脱离(12.7J/cm<E<38.2J/cm2),再产生表面氧化层的蒸发、热烧蚀(38.2J/cm<E<50.9J/cm),最后出现基体的再氧化过程(E>50.9J/cm)。
