不銹鋼材料的光纖激光掩膜微細(xì)電解復(fù)合加工

佟 晗,李小海,王淑銘,2,王 冬,2

(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154002；2.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154002)

1 引 言

激光表面改性技術(shù)是近些年來(lái)材料表面工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),其效率高、污染小、材料利用率高等特點(diǎn)使得該項(xiàng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。雜散腐蝕是影響電解加工精度的主要問(wèn)題之一,激光表面改性技術(shù)的應(yīng)用能夠增強(qiáng)金屬表層耐腐蝕性與顯微硬度,能夠有效抑制雜散腐蝕從而提高電解加工精度[1-2]。 Walid Khalfaoui等[3]選用KrF激光對(duì)ZE41鎂合金進(jìn)行表面重熔,使得鎂合金中的合金元素分布均勻,顯微硬度與內(nèi)腐蝕性有顯著提高。M.Strzelecka等[4]用氬氣純度為99.995 %的氬弧焊對(duì)AZ91鎂合金進(jìn)行表面重熔,結(jié)果顯示重熔區(qū)晶粒變得細(xì)化并且均勻分布從而提高 AZ91鎂合金綜合性能。A.E.Coy等[5]對(duì)壓鑄態(tài)AZ91D鎂合金表面進(jìn)行激光重熔,結(jié)果顯示重熔層的晶粒細(xì)化和成分均勻化并有效改善合金的耐腐蝕性。Józef Iwaszko等[6]用cw-CO2激光對(duì)AZ91鎂合金表面進(jìn)行重熔,重熔區(qū)晶粒顯著減小,表層硬度明顯提高。

光纖激光掩膜微細(xì)電解復(fù)合加工是微細(xì)電解與激光表面改性技術(shù)的結(jié)合,在304不銹鋼表面進(jìn)行激光重熔形成激光掩膜,在微細(xì)電解加工過(guò)程中對(duì)材料基體起到保護(hù)作用從而加工出微小型腔,本文著重研究激光重熔過(guò)程及激光掩膜成分與耐腐蝕性,并通過(guò)工藝對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 光纖激光掩膜微細(xì)電解復(fù)合加工

2.1 加工原理

高能量脈沖激光在304不銹鋼表面按照規(guī)劃好的路徑進(jìn)行激光表面改性處理,經(jīng)過(guò)激光重熔后的不銹鋼生成含有Cr、Fe等氧化物的耐腐蝕表層,從而對(duì)不銹鋼基體起到保護(hù)作用。激光器發(fā)出的激光使用系統(tǒng)自帶軟件對(duì)掃描路徑進(jìn)行設(shè)計(jì),并通過(guò)微細(xì)進(jìn)給滑臺(tái)、光學(xué)聚焦透鏡與振鏡作用在工件表層上,利用數(shù)控系統(tǒng)嚴(yán)格控制加熱區(qū)域制作生成激光掩膜。工件表層受到高能激光束輻照,產(chǎn)生的熱量使得材料發(fā)生重熔變化如圖1(a)所示,表面重熔生成的耐腐蝕表層在電解過(guò)程中對(duì)材料基體起到保護(hù)效果。在微細(xì)電解過(guò)程中,使用片狀電極作為電解陰極,帶有激光掩膜的工件作為陽(yáng)極,在高頻脈沖電流下反復(fù)掃描電解。由于激光掩膜具有較好的耐腐蝕性,電解過(guò)程中掩膜區(qū)域材料溶解速度小于非掩膜區(qū),從而產(chǎn)生微細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1(b)和圖1(c)所示。為解決單次加工中出現(xiàn)的雜散腐蝕現(xiàn)象,使用同樣的加工方法進(jìn)行多次加工并且改變工藝規(guī)劃實(shí)現(xiàn)不同型腔結(jié)構(gòu)的制作,生成的微細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1(d)和圖1(e)所示,最終實(shí)現(xiàn)微小型腔的加工。

圖1 激光掩膜微細(xì)電解復(fù)合加工機(jī)理

2.2 復(fù)合加工裝置

激光加工器由IPG光纖脈沖激光器與SCANLAB振鏡組成,光斑焦點(diǎn)通過(guò)調(diào)節(jié)微進(jìn)給滑臺(tái)進(jìn)行控制,其性能參數(shù)如表1所示。高頻脈沖電源、電解液循環(huán)系統(tǒng)與工具電極進(jìn)給機(jī)構(gòu)組成微細(xì)電解加工系統(tǒng),工具電極進(jìn)給機(jī)構(gòu)上安裝有專用夾頭用來(lái)裝夾片狀電極。將兩部分組合放置在三軸進(jìn)給工作臺(tái)上搭建出光纖激光掩膜微細(xì)電解復(fù)合加工平臺(tái)如圖2所示,分辨率較高的微進(jìn)給三坐標(biāo)工作臺(tái)有效的解決了復(fù)合加工中交替定位出現(xiàn)的誤差。電解加工過(guò)程中,不銹鋼片狀電極在工件上反復(fù)掃描電解,陽(yáng)極工件表層在激光掩膜的保護(hù)下進(jìn)行選擇性溶解,經(jīng)過(guò)多次復(fù)合加工最終生成典型的微型腔結(jié)構(gòu)[7]。

表1 激光加工器性能參數(shù)

圖2 激光掩膜微細(xì)電解復(fù)合加工裝置

3 光纖激光掩膜產(chǎn)物分析

3.1 掩膜加工熱場(chǎng)分析

激光束作用在工件表層,在不考慮結(jié)晶與相變等因素影響下,假設(shè)能量熱源為點(diǎn)熱源,選用經(jīng)典熱學(xué)模型[8]為:

(1)

(2)

式中，T為溫度；Q為熱量；ρ為密度；α為傳熱系數(shù)；c為比熱容；r表示計(jì)算溫度點(diǎn)與熱源中心距離；f為激光頻率；Wm為單個(gè)激光脈沖能量；t為熱源作用時(shí)間。由公式(1)可知,激光束作用在工件表層溫度T是由材料自身參數(shù)與激光器中的功率、脈寬、頻率以及掃描速度決定的。在制作激光掩膜過(guò)程中使用的激光器,激光光斑熱源密度分布類似與高斯熱源模型,其任一點(diǎn)的激光能量密度[9]為:

(3)

式中，qm為中心熱源密度最大值；R為高斯熱源分布的外徑。

本文選用高斯熱源模型,在工件上加載單方向移動(dòng)的高熱密度光斑,其任一點(diǎn)的激光能量密度為:

(4)

式中，x，y分別為x與y方向的位移量；t為激光加載時(shí)間；R0表示光斑直徑；v為激光掃描速度。

在ANSYS Workbench中進(jìn)行建模分析,設(shè)定激光加工功率為5 W,得到不銹鋼工件表層溫度云圖如圖3所示。

圖3 激光束光斑溫度云圖

可以看到光斑中心溫度最高接近不銹鋼熔點(diǎn),四周溫度逐漸降低。隨著激光束的移動(dòng),工件表層溫度逐漸降低,當(dāng)溫度低于熔點(diǎn)時(shí)工件重新冷凝成固體,不銹鋼受溫度影響完成熔化—冷凝過(guò)程從而實(shí)現(xiàn)激光表面重熔。

(a) (b)

使用功率為5 W的激光對(duì)不銹鋼表層進(jìn)行激光重熔,觀察SEM如圖4所示,圖4(a)帶有表面裂紋的為帶有激光掩膜的不銹鋼工件表層,圖4(b)為拋光的不銹鋼基體,借助X射線衍射分析可知如圖5所示,激光掩膜實(shí)質(zhì)是高能激光束加熱金屬,使金屬中的Cr、Fe受熱并與空氣中的氧氣接觸氧化生成含有Cr2O3和Fe2O3等氧化物的亞微米級(jí)氧化層,同時(shí)激光重熔引起不銹鋼表層金屬相變,重熔層中顆粒致密均勻,耐腐蝕性較強(qiáng)的奧氏體γ-Fe相增加,在電解過(guò)程中奧氏體相可以起到防腐蝕作用從而降低掩膜區(qū)金屬的腐蝕速度,而非掩膜區(qū)溶解速度較快,可以對(duì)金屬進(jìn)行選擇性溶解從而實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的定域加工。

圖5 激光掩膜層與不銹鋼基體 XRD 分析

3.2 激光掩膜耐腐蝕研究

將帶有激光掩膜的不銹鋼(成分如表2所示)工件與非掩膜不銹鋼基體進(jìn)行電化學(xué)極化曲線測(cè)量,分析其耐腐蝕性。試驗(yàn)選用上海辰華的CHI660E型電化學(xué)工作站,將試驗(yàn)材料剪裁為10 mm×10 mm的薄塊,清洗處理后石蠟封裝,試驗(yàn)采用三電極體系,其中石蠟封裝的工件為工作電極,鉑片為輔助電極,Ag/AgCl為參比電極,腐蝕液選用3.5 % NaCl溶液,設(shè)置開(kāi)路電位范圍為-2～+2 V,掃描時(shí)間為360 s,極化曲線的電位掃描范圍是-1.5～+1.0 V,掃描速度為0.01 V/s。

表2 304不銹鋼(06Cr19Ni10)成分表

待電極體系穩(wěn)定后測(cè)量極化曲線結(jié)果如圖6所示,帶有激光掩膜的不銹鋼工件的極化曲線中,有明顯的鈍化區(qū)且鈍化寬度較大,說(shuō)明帶有激光掩膜的工件其氧化層腐蝕時(shí)間較長(zhǎng),腐蝕速度較為緩慢；同時(shí)相比與不銹鋼基體,帶有掩膜的工件自腐蝕電位更高,在電化學(xué)極化曲線中,電極的自腐蝕電位越高,其耐腐蝕性越強(qiáng)[10],因此可以得到:帶有掩膜的不銹鋼工件耐腐蝕性強(qiáng)于無(wú)掩膜的不銹鋼基體。

圖6 不銹鋼工件極化曲線圖

4 激光掩膜微細(xì)電解復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)

不銹鋼工件經(jīng)過(guò)激光掩膜后放入電解槽內(nèi)進(jìn)行電解加工試驗(yàn),試驗(yàn)采用濃度為1.8 mol/L的NaNO3溶液作為電解液,陰極工具電極為不銹鋼片狀電極,陽(yáng)極為帶有激光掩膜的工件,兩端接通高頻脈沖電源并調(diào)節(jié)加工間隙,通過(guò)調(diào)控微進(jìn)給系統(tǒng)控制工具電極運(yùn)動(dòng)方式并設(shè)定電解加工相關(guān)參數(shù)進(jìn)行微細(xì)電解加工,微細(xì)電解加工參數(shù)如表3所示。

表3 微細(xì)電解加工參數(shù)

對(duì)工件進(jìn)行激光掩膜加工后,放入電解池進(jìn)行微細(xì)電解得到微結(jié)構(gòu)效果如圖7所示,微結(jié)構(gòu)型腔錐度較小,結(jié)構(gòu)突出,表面質(zhì)量較優(yōu),通過(guò)3D光學(xué)輪廓儀測(cè)量被加工表面的面粗糙度Sa為0.263 μm。

(a)SEM圖

(b)3D光學(xué)輪廓儀測(cè)量圖

5 結(jié) 論

激光表面改性技術(shù)與微細(xì)電解工藝相結(jié)合,搭建復(fù)合加工平臺(tái)并對(duì)加工機(jī)理進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)激光掩膜加工熱場(chǎng)的建模分析、掩膜的XRD測(cè)量,以及電化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)帶有掩膜的不銹鋼工件進(jìn)行極化曲線的測(cè)量,最后通過(guò)工藝試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,得出以下結(jié)論:

(1)高能激光束產(chǎn)生的熱量熔化不銹鋼表層,隨著光斑移動(dòng)基體溫度降低冷凝從而完成激光重熔的整個(gè)過(guò)程。

(2)激光掩膜是不銹鋼表層受熱生成含有Cr、Fe等氧化物的超薄表層,具有耐腐蝕性。(3)通過(guò)復(fù)合加工工藝實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了光纖激光掩膜微細(xì)電解復(fù)合加工的可行性,優(yōu)化參數(shù)加工出表面質(zhì)量較優(yōu)的微小型腔結(jié)構(gòu)。