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2 试验方法与设备 试验样品为管道材料

304 不锈钢,成分见表 1. 样品尺寸切割为

400 mm*100 mm*3 mm, 表面布满因 在高温(~1000 ℃)环境工作而生成的褐色氧化层,如图1所示. 激光清洗试验采用公司自制的激光清洗设备,具 体参数见表 2. 激光清洗是利用激光强度高、能量密度大、聚焦 性强、方向性好的特点,利用透镜组合将光束聚焦集 表2试验用激光参数. Table

2 Laser parameters for test. 参数 值 激光器类型 脉冲 输出中心波长/nm

1064 单脉冲能量/mJ

50 单脉冲宽度/ns

100 功率调节范围/W 100~500 重复频率调节范围/kHz 2~50 转盘速度/(??h-1 ) 0~45 光斑直径/mm

3 图1304 不锈钢试样宏观形貌. Fig.

1 Macroscopic appearance of

304 stainless steel sample. 表1304 不锈钢化学成分(质量分数,%). Table

1 Chemical composition of

304 stainless steel (wt,%). C Cr Ni Mn Si S Fe ≤0.08 18.0~20.0 8.0~10.0 ≤2.0 ≤1.0 ≤0.03 Bal 图2激光清洗原理图. Fig.

2 Schematic diagram of laser cleaning. 污染物受 热膨胀 吸热 共振 粒子振动, 克服吸引力 污染物 基体 基体 污染物 DOI: 10.3969/j.issn.1003-501X.2017.12.010 OEE | Advances 1219? 中为极小的斑点,然后轰击材料表面[10,11] .在轰击过 程中,激光一方面在材料表面产生力学共振现象,使 表面污染物碎裂脱落;

另一方面使表面污染层受热膨 胀,克服基体对污染粒子的吸附力而蒸发、气化脱离 物体表面,其原理图见图 2.激光清洗过程中,清洗 阈值和损伤阈值对清洗效果的影响尤为重要[12-15] . 本试验是对

304 不锈钢氧化试样进行干式激光清 洗试验,将试片镶嵌在管道内部,采用旋转式激光进 行清洗,其中管道处在转盘上.试验参数为重复频率

10 kHz, 转盘速度

30 °/h, 扫描次数

5 次, 选取

300 W、

400 W、500 W 三种输出功率为研究对象,通过 SEM 和EDS分析不锈钢表面激光清洗前后的表面形貌和成 分分析, 采用 BRUKER 表面显微形貌仪对清洗试样进 行三维形貌分析,测试其清洗厚度及表面粗糙度,分 析不同功率下激光清洗效果.

3 试验结果与分析 图3为激光清洗前

304 不锈钢氧化层的表面形貌 及成分分析.由图 3(a)可知,不锈钢经过氧化后,表 面氧化层疏松多孔,粗糙不平,形成大量氧化物块状 物.根据图 3(b)的成分分析图,发现不锈钢高温氧化 后,表面氧化层成分主要以 O,Fe 元素为主,原子数 百分比分别为 58.61%及34.43%, 说明此时氧化层主要 成份为 Fe 的氧化物. 3.1

300 W 功率时激光清洗效果 图4所示为

304 不锈钢氧化层在

300 W 激光功率 清洗后的表面形貌及成分分析.由图 4(a)可知,304 不锈钢氧化层经过激光清洗后,表面大块氧化物发生 分解,形成球状氧化物.根据图 4(b)的能谱分析结果 可以发现,不锈钢表面氧化层经过激光清洗后,Cr、 Ni 元素原子百分比较基体清洗前有所增加, 不过仍然 维持较少的含量(7.59%,6.42%).Fe 和O的元素的原 子百分比占主要地位,分别为 37.03%和48.28%,说明 此时不锈钢表面经过激光清洗后仍然有氧化层,清洗 效果不佳. 图3激光清洗前

304 不锈钢试样表面形貌(a)及成份分析(b). Fig.

3 Morphology (a) and composition analysis (b) of

304 stainless steel sample before laser cleaning. (a) 1.00 3.00 5.00 7.00 9.00 11.00 0.0 0.6 1.2 1.9 2.5 3.1 KCnt Energy/keV Element Wt/% At/% OK 28.89 58.61 CrK 04.40 02.75 MnK 01.87 01.10 FeK 59.22 34.43 NiK 05.62 03.11 Matrix Correction ZAF (b) O Fe Ni Ni Mn Cr Fe