鄭海忠， 曹新鵬， 耿永祥

（南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330063）

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為工業(yè)皇冠上的明珠，在航空工業(yè)發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位?？諝鈴倪M(jìn)氣道進(jìn)入，經(jīng)過多級(jí)壓氣機(jī)壓縮后送入燃燒室，燃燒室產(chǎn)生的高溫射流帶動(dòng)燃?xì)鉁u輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力循環(huán)。追求更高的推重比，需要提高燃燒室的工作溫度，這對(duì)葉片的耐熱、耐沖刷、耐蝕等性能提出更高的要求。以鐵鈷鎳為基體的高溫合金成功研制，使推重比實(shí)現(xiàn)飛躍式的增長如圖1所示。在歷經(jīng)變形合金、鑄造等軸晶、定向凝固合金和單晶高溫合金4個(gè)發(fā)展階段[1]，高溫合金的部分領(lǐng)域研究日趨成熟，但想要依靠單一的高溫合金滿足更高的技術(shù)指標(biāo)十分困難。為此引入的氣膜冷卻技術(shù)在一定程度降低了高溫合金由于惡劣工作環(huán)境帶來的性能壓力，其原理是通過增加葉片外部氣膜孔或強(qiáng)化內(nèi)部對(duì)流換熱系數(shù)的方法使冷空氣在固體壁面與高溫氣流之間形成“薄膜”，降低熱流傳遞所需溫差。但由于制備成本和工藝問題，給氣膜冷卻技術(shù)的發(fā)展帶來了新的瓶頸。為進(jìn)一步降低高溫合金的耐熱壓力，在基底合金表面涂覆熱障涂層成為了新的選擇[2]，熱障涂層不僅可以顯著降低基底表面溫度，提高葉片使用壽命，還能減少燃油消耗和降低制造成本。然而以目前使用最廣泛的YSZ（氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯）為例，TGO界面失效、熱膨脹系數(shù)不匹配、燒結(jié)與相變、熔融鹽腐蝕與CMAS侵蝕等[2]導(dǎo)致涂層失效的因素成為了科研人員與工程技術(shù)人員關(guān)心的重點(diǎn)。面對(duì)已經(jīng)失效的熱障涂層，必要的涂層清除技術(shù)需要跟進(jìn)以便后續(xù)重新噴涂。已經(jīng)投入工業(yè)界使用的表面清洗技術(shù)中，化學(xué)清洗技術(shù)是目前主流的涂層清洗方案。在執(zhí)行化學(xué)清洗工藝過程中由于存在廢液處理和腐蝕產(chǎn)物酸液殘留使得對(duì)一種綠色、便捷、相對(duì)安全的清洗技術(shù)需求成為從業(yè)人員下一步需要解決的問題。激光技術(shù)因?yàn)橄群笤谖奈锏袼?，表面污染顆粒清除方面的成功推廣，為熱障涂層的清洗方案帶來一種新的選擇。

圖1 不同材料耐熱溫度示意圖

1 熱障涂層技術(shù)

熱障涂層最早應(yīng)用于X-15火箭噴嘴及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件，并成功降低葉片基底表面溫度[2]?；咨系臒嵴贤繉咏Y(jié)構(gòu)通常由粘結(jié)層與陶瓷層組成，其中陶瓷層起主要耐熱耐蝕作用，粘結(jié)層用于將陶瓷層與金屬基底良好的結(jié)合在一起。目前粘結(jié)層最普遍使用的是MCrAlY，其中Cr元素可以促進(jìn)TGO的形成，Y元素可以增加粘附性[3]。

陶瓷材料自突破以黏土為主要原料的界限后，先進(jìn)的陶瓷材料具備了更多優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用在電子、機(jī)械、航空航天、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如ZrO2具有高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)高等優(yōu)良性能，是一種熱障涂層陶瓷層的常用材料[4]。如圖2所示，常壓下ZrO2以立方相（C相），四方相（T相）或單斜相（M相）存在，T相與M相可以看成母體C相的螢石結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變后的結(jié)果。

圖2 氧化鋯在不同溫度下的相變示意圖

環(huán)境溫度、壓強(qiáng)的變化、離子的摻入等因素都會(huì)使ZrO2發(fā)生相變，因此需要通過一定手段來干預(yù)使其相變穩(wěn)定。其中，氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（以下稱YSZ）使用最為廣泛，YSZ前面的數(shù)字表示ZrO2中Y2O3的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，比如研究最廣泛的8YSZ表示Y2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。目前常見的熱障涂層制備方法以等離子噴涂（Plasma Spraying）和電子束輔助物理氣相沉積法（EB-PVD）為主。前者通過等離子火焰將粉末熔化，在基底上鋪展形成層狀結(jié)構(gòu)，后者以電子束作為熱源，由于制備過程中基底溫度與金屬熔點(diǎn)之間存在差異，涂層的表現(xiàn)也大不相同。

2 熱障涂層失效分析

在高溫惡劣的工作環(huán)境中，熱障涂層失效機(jī)制復(fù)雜多變，主要體現(xiàn)在應(yīng)力累積和腐蝕相變導(dǎo)致涂層的剝離，最終造成基底損傷。因此研究熱障涂層失效機(jī)理，提高熱障涂層的可靠性十分重要。熱障涂層的失效形式主要有TGO界面失效、各層熱膨脹不匹配引起的失效、陶瓷層的燒結(jié)和相變、熔鹽腐蝕與CMAS侵蝕。

2.1 TGO界面失效

TGO是指在高溫環(huán)境下粘結(jié)層與陶瓷層之間形成的α-Al2O3。TGO界面失效主要由TGO中θ-Al2O3發(fā)生相變轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3、TGO生長產(chǎn)生的應(yīng)力[5]、TGO中的尖晶石等引起。如圖3所示，在高溫環(huán)境下，粘結(jié)層中的Al元素發(fā)生擴(kuò)散并與O元素反應(yīng)生成α-Al2O3。通常人們希望得到連續(xù)致密、平坦的TGO來進(jìn)一步提升粘結(jié)層的抗氧化性能與熱障涂層的使用壽命。然而，隨著熱循環(huán)的繼續(xù)進(jìn)行，α-Al2O3層厚度不斷增加，粘結(jié)層與陶瓷層之間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。冷卻后，TGO與粘結(jié)層由于熱膨脹系數(shù)存在嚴(yán)重的不匹配，TGO內(nèi)部就會(huì)存在非常高的殘余壓應(yīng)力[6]。同時(shí)粘結(jié)層的Al元素消耗加劇，造成粘結(jié)層的內(nèi)氧化侵蝕。此時(shí)TGO內(nèi)部除α-Al2O3外，還存在著大量的脆性尖晶石類氧化物，這些氧化物的存在大大降低了陶瓷層與粘結(jié)層之間的韌性，使TGO體積增加并破壞其完整性，為氧元素的進(jìn)一步擴(kuò)散提供通道，從而加速粘結(jié)層氧化速度，因此TGO一直被認(rèn)為是熱障涂層體系中最薄弱的環(huán)節(jié)[7]。

圖3 粘結(jié)層Al元素?cái)U(kuò)散示意圖

2.2 熱膨脹不匹配

在構(gòu)建陶瓷層?粘結(jié)層?金屬基底體系中，需要考慮體系中陶瓷層與基底的物理性能差異，其中熱膨脹系數(shù)是材料高溫服役壽命的重要影響因素，如果陶瓷層與基底熱膨脹系數(shù)差距過大，會(huì)導(dǎo)致冷卻后陶瓷層和粘結(jié)層界面處產(chǎn)生壓應(yīng)力，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[8]：

其中，Ec，Tm，Ts，?α和 ν分別是涂層的彈性模量、陶瓷層熔點(diǎn)、基底溫度、涂層與基材之間熱膨脹系數(shù)系數(shù)差及涂層的泊松比。由于壓應(yīng)力與冷卻溫度差成正比，應(yīng)力不斷的累積會(huì)造成裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致涂層脫落[9]。

2.3 燒結(jié)與相變

熱障涂層避免不了高溫條件下的燒結(jié)和相變[10]，內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的垂直裂紋，會(huì)使熱障涂層的物理性能發(fā)生變化。對(duì)于電子束輔助物理氣相沉積法制備的涂層，內(nèi)部以柱狀晶體結(jié)構(gòu)為主，當(dāng)熱障涂層發(fā)生燒結(jié)時(shí)會(huì)降低其應(yīng)變?nèi)菹?。?YSZ涂層為例，當(dāng)服役的環(huán)境溫度超過一定限度后，YSZ會(huì)由四方相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，這一變化所引起的體積膨脹也會(huì)導(dǎo)致涂層的脫落。對(duì)于摻雜稀土的熱障涂層來說，如果稀土元素沒有完全進(jìn)入主相晶格中，室溫下會(huì)出現(xiàn)吸水潮解或與水反應(yīng)導(dǎo)致晶粒間和晶界間的裂紋產(chǎn)生，降低涂層性能，最終失效[7]。然而，燒結(jié)所帶來的失效威脅同其他因素相比影響較小，一般與CMAS侵蝕、熔鹽腐蝕同時(shí)發(fā)生。

2.4 熔鹽腐蝕與CMAS侵蝕

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在不同空域工作的過程中，大氣中的腐蝕介質(zhì)會(huì)從進(jìn)氣道進(jìn)入，這些介質(zhì)以Na、S、P、V等元素為主且在高溫環(huán)境下會(huì)以熔鹽形式腐蝕涂層[11]。在燃料燃燒后生成釩酸鹽，硫酸鹽，鈉鹽等腐蝕物附著在涂層上，與YSZ中的Y2O3發(fā)生反應(yīng)，從而使YSZ失穩(wěn)。由于腐蝕物熔點(diǎn)較低，可以進(jìn)一步滲入涂層內(nèi)部，直達(dá)TGO與粘結(jié)層的界面處，此時(shí)可能與粘結(jié)層或TGO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也可能殘留在涂層內(nèi)部，進(jìn)一步降低涂層的應(yīng)變?nèi)菹蕖?/p>

2010年4月爆發(fā)的艾雅法拉火山，其大氣中的沙塵、火山灰等沉積物，會(huì)在熱循環(huán)過程中熔融產(chǎn)生鈣鋁硅酸鹽玻璃熔體[12]，又稱CMAS，其主要成分為CaO，MgO，Al2O3和SiO2，與熔鹽類腐蝕物不同，CMAS會(huì)因航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作的空域不同而成分比例存在很大區(qū)別。此外CMAS中其他含量較少的元素，比如Fe元素，在高溫下會(huì)與CMAS其他組分形成低共熔物，降低CMAS的熔點(diǎn)[13]。

在熔點(diǎn)以下，CMAS顆粒會(huì)撞擊涂層表面或者堵塞氣模冷卻孔，一旦超過CMAS熔點(diǎn)，被熔化的CMAS會(huì)在涂層的開氣孔和裂紋中迅速填充[14]。鄭海忠等[15]采用密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在1513 K以上，CMAS中的原子擴(kuò)散系數(shù)大于YSZ (111)，(Ca?Y)和(Si?Y)的擴(kuò)散過程發(fā)生，導(dǎo)致YSZ中Y元素的損耗，形成三明治結(jié)構(gòu)，使ZrO2由四方相向單斜相轉(zhuǎn)變，從而發(fā)生YSZ體積和熱應(yīng)力的變化導(dǎo)致涂層開裂剝落。滲透多孔的涂層時(shí)，CMAS在冷卻過程中會(huì)凝固形成剛性玻璃體[16]，從而使涂層的楊氏模量增加，應(yīng)力應(yīng)變?nèi)菹藿档?。李冰天等[17]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了1523 K時(shí)，CMAS熔體在YSZ表面的潤濕過程，發(fā)現(xiàn)氧離子在YSZ表面層的分布是影響CMAS對(duì)YSZ熱障涂層潤濕性甚至腐蝕的關(guān)鍵因素。

依據(jù)YSZ存在的不同失效機(jī)制，采取的措施也各不相同。目前主要從三個(gè)方面解決YSZ失效問題，一是對(duì)涂層的進(jìn)行表面處理[18]，來提高耐蝕性能，二是與其他材料組成梯度涂層或復(fù)合涂層[19]，三是調(diào)整晶粒尺寸來提高耐蝕性質(zhì)[20]。以上采取的措施本質(zhì)上都是通過延緩腐蝕速度來增加涂層使用壽命。然而，熱障涂層的失效最終是難以避免的，面對(duì)已經(jīng)失效的涂層，必須通過一定方法將其及時(shí)去除，從而便于后續(xù)的重新噴涂與基底損傷檢測。

3 熱障涂層清洗技術(shù)

目前工業(yè)領(lǐng)域中材料表面清洗技術(shù)主要分為常規(guī)表面清洗和激光表面清洗。通過分析常規(guī)表面清洗技術(shù)存在的問題，闡明激光清洗技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.1 常規(guī)清洗技術(shù)

常規(guī)清洗技術(shù)，主要分為傳統(tǒng)清洗技術(shù)、化學(xué)清洗技術(shù)、其他清洗技術(shù)。傳統(tǒng)鋼刷[21]與噴丸[22]對(duì)材料表面清洗，由于鋼刷在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下精度難以控制，所以很容易對(duì)基底造成損傷。而利用噴丸的高速?zèng)_擊來清洗基底表面的污染物或銹蝕層，會(huì)在帶來巨大的塵埃同時(shí)造成工作環(huán)境的惡化[23]，尤其面對(duì)清洗大型工件時(shí)，不能做到整體清洗。比如飛機(jī)蒙皮表面需要更換漆層時(shí)，傳統(tǒng)清洗方式會(huì)存在一定的局限性。

化學(xué)清洗是目前主流的涂層清洗方案，沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)[24]以硝酸與氫氟酸作為主要清洗試劑，經(jīng)蠟封、酸洗、中和等六個(gè)程序完成涂層清洗。蠟封的目的是保護(hù)部分區(qū)域不被酸液腐蝕，由于需要事先進(jìn)行蠟封工藝，對(duì)工藝執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)要求較高。同時(shí)在化學(xué)清洗過程中難以防止腐蝕涂層的同時(shí)不會(huì)對(duì)基底造成損傷，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生“氫脆”，使用強(qiáng)堿性試劑也是同理。針對(duì)酸洗的清洗效果僅靠目視無法做到精準(zhǔn)清除表面涂層，在清理環(huán)節(jié)，需要利用毛刷或紗布清除化學(xué)腐蝕產(chǎn)物，化學(xué)清洗后廢液的處理以及其帶來的酸霧環(huán)境，給操作人員的健康帶來潛在隱患。

除傳統(tǒng)清洗技術(shù)與化學(xué)清洗技術(shù)外，還有其他針對(duì)特定部件清洗效果明顯的方案。比如超臨界CO2清洗[25]是指在一定溫度壓力下，氣態(tài)CO2會(huì)進(jìn)入超臨界狀態(tài)，能夠更好的滲入污染物之中，特別是非極性有機(jī)化合物，促進(jìn)污染物發(fā)生溶解從而達(dá)到清洗目的。面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，存在清洗死角，不適宜用于清洗多孔類的工件。而超聲波清洗[26]需要在液體容器中，利用空化效應(yīng)，使污染層被分散、乳化、剝離從而達(dá)到清洗目的，但容器體積的限制了其發(fā)揮的空間。若采用高壓水流清洗[27]易產(chǎn)生二次銹蝕，目標(biāo)水壓所需的水泵造價(jià)及可靠性成為了制約因素。

3.2 激光清洗技術(shù)

3.2.1 激光清洗機(jī)制

表面顆粒污染物與基底的作用形式主要有3種，如圖4所示，第一種是范德華力（Van Der Waals Force），第二種是液橋力，第三種是靜電力，靜電力又可以細(xì)分為庫侖作用和靜電作用。對(duì)于干式激光清洗來說，由于激光作用速度快，能量密度高，即便空氣中存在一定的水蒸氣會(huì)造成光的損失，也可以忽略不計(jì)[28]。因此液橋力與靜電力可不作為考慮對(duì)象，重點(diǎn)放在物體與基底之間的范德華力上。范德華力是一種分子間的作用力，由于基底表面凹凸不平，加上污染顆粒物隨機(jī)分布，易形成團(tuán)簇，同時(shí)部分顆粒會(huì)與基底之間有一定的接觸面積，這些因素都會(huì)使范德華力急劇上升，增加污染物與基底的粘附作用。

圖4 污染顆粒與基底間作用力

激光器與材料之間的作用按照作用效果不同可分為光熱效應(yīng)與光化效應(yīng)，光熱效應(yīng)以燒蝕、蒸發(fā)、相爆炸或熱振動(dòng)彈出[29]形式為主，而材料吸收激光能量引起的化學(xué)鍵斷裂稱為光化效應(yīng)。N Arnold[30]針對(duì)激光干式清洗提出了一維和三維的熱傳導(dǎo)計(jì)算模型，不同材料對(duì)熱量的傳導(dǎo)與吸收性能也不相同，因此可以根據(jù)污染物和基底的熱效應(yīng)差異，選擇不同的清洗方式，比如干式清洗是利用污染層與基底的光吸收率差異和蒸發(fā)溫度閾值的不同來進(jìn)行清洗。通過分析激光能量與清洗效率關(guān)系，不同的物質(zhì)存在不同的燒蝕閾值，基底的燒蝕閾值稱為損傷閾值[31]，在損傷閾值下，激光不僅不會(huì)對(duì)基底造成損傷，同時(shí)可以清洗其他污染物，合理利用閾值差異，是干式清洗的一種常見技巧。

此外還有激光等離子沖擊波清洗方法，是一種從干式清洗中衍生的非接觸式清洗技術(shù)，主要在氣態(tài)介質(zhì)中使用，但是其清洗機(jī)制與干式清洗完全不同，主要是利用等離子體沖擊波的機(jī)械效應(yīng)，產(chǎn)生的沖擊波會(huì)與顆粒發(fā)生作用，如圖5所示，迫使顆粒以提升、滑動(dòng)、滾動(dòng)3種方式被清洗[32]。

圖5 顆粒的移除模型

實(shí)驗(yàn)過程中，部分顆粒會(huì)以前進(jìn)式跳躍的方式脫離基底[33]，也可歸類為前3種的復(fù)合形式。與一般激光干式清洗的差異體現(xiàn)在等離子體沖擊波清洗方法對(duì)于顆粒去除要求較低，并且激光不會(huì)與基底直接接觸。此外，等離子體清洗技術(shù)在飛秒激光上應(yīng)用的更加廣泛。

濕式激光技術(shù)，又稱液體輔助激光清洗技術(shù)，適用于基底材料損傷閾值較低，污染物不易蒸發(fā)或基底易在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況。其操作方法是在污染層表面涂覆一定厚度的液膜，利用激光誘導(dǎo)液膜某一位置發(fā)生爆沸[34]，產(chǎn)生的沖擊波壓力對(duì)污染層進(jìn)行破碎和清洗。如圖6所示，根據(jù)不同激光波長的吸收情況可以為液膜與污染層界面沸騰[35]、液相表面沸騰、或全液體沸騰。不同的液膜種類，產(chǎn)生爆沸所需要的激光能量密度也大不相同，采用的液膜一般是水與無水乙醇按一定比例混合[36]。目前激光干式清洗技術(shù)因操作相對(duì)簡單而應(yīng)用更加廣泛，并且也有大量的相關(guān)研究。

圖6 濕式激光清洗示意圖

3.2.2 激光清洗技術(shù)研究現(xiàn)狀

自1960年美國科學(xué)家Arthur Schawlow提出的將激光清洗技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者在方面做了大量的研究。1971年，美國學(xué)者J.Asmus[37]將激光清洗技術(shù)帶入石像雕塑等藝術(shù)品上，成功清洗雕塑表面污染層而不損傷雕塑本身。如今針對(duì)油畫的保護(hù)，會(huì)在一些區(qū)域涂上一層彩色保護(hù)清漆，隨著時(shí)間的推移，漆層的氧化會(huì)遮住作品，Brunetto A等[38]利用激光將油畫表面的氧化漆層去除。

Susan Allen[39]等研究激光清洗硅片表面上的亞微米級(jí)污染顆粒，開啟了激光清洗技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用。Abdul Razab等[40]通過對(duì)比傳統(tǒng)清洗技術(shù)驗(yàn)證Nd:YAG激光清洗在汽車工業(yè)中的可行性。在航海領(lǐng)域，由于海水和海洋生物會(huì)侵蝕船體，需要對(duì)船體進(jìn)行定期維護(hù)。對(duì)于船體水下部分的生物污垢，Bykanova A Y等[41]制造的水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)生物污垢的激光清洗。對(duì)于船體水上部分，Liu Y等[42]通過激光清洗技術(shù)將船殼表面的聚氨酯漆層去除，并得出激光功率與表面粗糙度之間關(guān)系。

目前應(yīng)用于航空器的復(fù)合材料，利用激光進(jìn)行清洗的研究也在不斷深入，Nattapat.M等[43]用連續(xù)CO2激光器去除碳纖維布表層的樹脂層，驗(yàn)證了激光清洗不損傷底層纖維的技術(shù)可行性。賀敏波等[44]考慮熱輻射和表面對(duì)流因素影響，建立了激光輻照下碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料熱響應(yīng)的三維計(jì)算模型，為激光應(yīng)用于復(fù)合材料提供理論支持。Zhao H等[45]通過調(diào)節(jié)光纖激光器的掃描速度、脈沖頻率、掃描線間距和激光功率來去除飛機(jī)外殼(LY12鋁合金板)上的聚丙烯酸樹脂漆層。而對(duì)于高溫下鈦合金形成的氧化皮，厚度僅為9.48 μm且分布均勻，難以使用化學(xué)清洗進(jìn)行去除。成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)采用1064 nm光纖激光器進(jìn)行清洗，激光清洗后的鈦合金表面出現(xiàn)排列規(guī)律的凹形環(huán)坑[46]，這是因?yàn)檠趸さ臍饣纬闪苏羝礇_壓力，同時(shí)由于激光能量密度高，被激光照射的鈦合金區(qū)域發(fā)生熔化現(xiàn)象，最終形成了凹形環(huán)坑，利用電子探針顯微鏡對(duì)表面元素測量，氧元素含量顯著降低，如果考慮在保護(hù)氣體環(huán)境下進(jìn)行激光清洗，可以進(jìn)一步降低表面氧含量。

3.3 激光清洗技術(shù)優(yōu)勢及存在的問題

1)激光清洗是一種精準(zhǔn)可控的新興技術(shù)，與傳統(tǒng)清洗技術(shù)相比，通過調(diào)整激光脈沖重復(fù)率、激光焦距、激光功率等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)基底無損并清洗污染物。

2)激光清洗具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)，對(duì)于化學(xué)清洗中產(chǎn)生的酸霧和廢液處理問題，如果采用激光清洗技術(shù)，可以避免操作人員與工件的直接接觸，同時(shí)簡化工藝流程，提高清洗效率。

3)激光清洗設(shè)備靈活便捷，大型、復(fù)雜工件如果采用激光清洗，激光能量主要由激光功率與脈沖頻率有關(guān)，與其他清洗技術(shù)相比，設(shè)備便于搬運(yùn)同時(shí)可以降低成本。

但是，激光清洗技術(shù)目前仍有許多問題需要深入研究，比如濕式清洗技術(shù)需要依靠液膜爆沸來達(dá)到清洗目的，液膜的厚度與誘導(dǎo)爆沸的位置目前仍沒有確切的理論依據(jù)。部分情況下對(duì)亞微米結(jié)構(gòu)的器件清洗存在困難，并且容易產(chǎn)生二次銹蝕損傷基底。在干式清洗中，顆粒尺寸的大小也是不可忽略的因素，當(dāng)激光的入射波長遠(yuǎn)大于顆粒尺寸時(shí)，顆粒和基底之間存在近場效應(yīng)[47]，也會(huì)對(duì)基底造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。涂層材料相爆炸臨界值的確定和合理利用方面有待繼續(xù)研究。在涂層上待清洗的污染物種類復(fù)雜、形狀多樣，都為激光清洗帶來一定挑戰(zhàn)，如何在保護(hù)基底的同時(shí)精準(zhǔn)的清洗涂層目前是激光清洗的最終目標(biāo)。

4 展望

推動(dòng)激光清洗技術(shù)應(yīng)用于失效的熱障涂層，需解決技術(shù)投入應(yīng)用存在的問題。首先，面對(duì)涂層表面和內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境，激光清洗機(jī)制需要進(jìn)一步的研究和建立。過多的前提性假設(shè)，使模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍存在明顯差距。其次是激光清洗工藝，用于制備熱障涂層的陶瓷材料與金屬表面氧化膜、漆層的物理化學(xué)性質(zhì)不同，清洗過程中會(huì)存在一定厚度的沉積層，選擇合適的工藝參數(shù)不僅可以提高清洗效率，同時(shí)也可以為理論模型的修正提供數(shù)據(jù)支持。最后現(xiàn)實(shí)清洗中無法達(dá)到完美效果，但規(guī)范的評(píng)價(jià)機(jī)制可以為清洗程度提供指導(dǎo)意見，而評(píng)價(jià)機(jī)制的考量指標(biāo)，需要大量的研究試驗(yàn)來逐一驗(yàn)證，最終形成業(yè)內(nèi)明文規(guī)范。適逢十四五規(guī)劃的開局之年即將到來，再制造與綠色制造是建設(shè)現(xiàn)代化制造強(qiáng)國和打響中國制造品牌的重要組成部分，雖然目前激光清洗技術(shù)還存在許多亟待解決的問題，但其具備的巨大發(fā)展?jié)摿团c其他清洗技術(shù)相比顯著的優(yōu)勢值得我們相信在不久的將來，激光技術(shù)能夠形成一套自我迭代的完整理論體系，實(shí)現(xiàn)熱障涂層清洗的應(yīng)用。