熱輔助納秒脈沖激光拋光試驗(yàn)研究*

姜長(zhǎng)城,袁建東,2,成海東,林新貴,易根苗,梁 良,2*

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣州 510641;2.華南理工大學(xué) 國(guó)家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心,廣州 510641;3.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,廣州 511483)

0 引 言

近年來(lái),以激光為手段的材料去除、材料改性(如表面燒蝕拋光)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于光學(xué)存儲(chǔ)及印刷顯示等行業(yè)中[1]。與飛秒激光相比,納秒激光燒蝕拋光具有引起的熔層與固體基體間溫度梯度較小、分布較遠(yuǎn)(即熱影響區(qū)大)、熔體持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、再結(jié)晶前沿速度較慢等優(yōu)點(diǎn)[2],使得用納秒寬脈沖激光拋光制備高質(zhì)量表面這一技術(shù)的運(yùn)用具有重要意義。

MA C P等[3]研究了在增材制造獲得的鈦合金上進(jìn)行激光表面拋光的方法,并提高了表面硬度與耐磨性。YUNG K C等[4]研究了在增材制造的CoCr組件上進(jìn)行激光表面拋光的方法,其通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膾呙杷俾始凹す馍⒔咕嚯x,獲得了較高的表面質(zhì)量(Sa<1 μm),并同時(shí)改善了其接觸角。但在大規(guī)模應(yīng)用中,納秒激光的低燒蝕率(10-6mm3/pulse～10-4mm3/pulse)引起的低效率依然是其主要瓶頸[5,6]。目前常采用的方法是用更高的目標(biāo)激光強(qiáng)度,以實(shí)現(xiàn)激光與目標(biāo)材料的強(qiáng)耦合。但高能量密度的激光可在受輻射點(diǎn)上方形成嚴(yán)重的羽流,從而產(chǎn)生羽流屏蔽效應(yīng)和反沖壓力效應(yīng),導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生機(jī)械損傷,加劇了拋光質(zhì)量的不可控性。

為解決以上問(wèn)題,學(xué)者們提出了一種熱輔助納秒脈沖激光加工新方法,即通過(guò)從外部引入熱量以提高工件溫度和熱焓,從而在盡量減小羽流產(chǎn)生的同時(shí),增強(qiáng)激光-材料的耦合。這種方法實(shí)現(xiàn)了基于玻璃的微流控芯片的快速原型制作;同時(shí),學(xué)者們建議通過(guò)提高初始樣品溫度來(lái)提高其處理效率[7]。針對(duì)這一新方法,WANG H等[8]研究了溫度和表面條件對(duì)激光表面加熱過(guò)程中表面吸收率的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí),其吸收率會(huì)有所降低。HASSANIMATIN M等[9]研究了初始樣品溫度對(duì)銅樣品的等離子體溫度和燒蝕深度的影響,結(jié)果表明:初始樣品溫度的升高導(dǎo)致等離子體光譜發(fā)射的增加高達(dá)90%,這歸因于等離子體溫度和光吸收。

以上這些研究表明:熱輔助激光加工可以提高工件材料的溫度和熱焓,有助于增加光吸收,增強(qiáng)激光與物質(zhì)的耦合以及減少熔化潛能和蒸氣。

本文采用熱輔助納秒脈沖激光拋光方法,對(duì)增材制造后的Ti-6Al-4V原始表面進(jìn)行拋光試驗(yàn)研究,在工件熱輔助對(duì)激光拋光影響分析的基礎(chǔ)上,利用共焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀對(duì)激光拋光后的表面和橫截面進(jìn)行分析,并使用維氏硬度計(jì)測(cè)量其維氏硬度,以探索熱輔助納秒脈沖激光拋光加工對(duì)表面質(zhì)量影響的特性,提升加工效率。

1 工件熱輔助對(duì)激光拋光影響分析

根據(jù)激光焊接過(guò)程的熱傳導(dǎo)方程[10],對(duì)于熱輔助激光加工,當(dāng)工件表面的補(bǔ)償溫度為Toffset時(shí),可推導(dǎo)出脈沖照射點(diǎn)溫度為:

(1)

式中:ΔTnD—相對(duì)于初始溫度T0的溫度升高,nD∈[1,2,3];Q—熱源能量;ρ—固體或液體材料的質(zhì)量密度;cp—材料的比熱容;t—時(shí)間。

溫度傳導(dǎo)率為:

k=λth/(ρcp)

(2)

式中:λth—熱傳導(dǎo)率。

為簡(jiǎn)化起見(jiàn),假設(shè)材料特性ρ,cp和λth關(guān)于溫度是恒定的,T0可近似約等于0 ℃。則由式(1)可知,在熱輔助激光加工時(shí),一系列Np個(gè)脈沖引起的溫度升高隨時(shí)間變化的表達(dá)式推導(dǎo)為:

(3)

熱輔助激光加工補(bǔ)償溫度Toffset=500 ℃時(shí),根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算,可得到工件熱輔助對(duì)激光拋光影響規(guī)律如圖1所示。

圖1 工件熱輔助對(duì)激光拋光影響規(guī)律圖

圖1(a)是當(dāng)Q3D=0.2 mJ的殘余熱量沉積在(x=y=z=0)處時(shí),在有/無(wú)熱輔助加工條件下,計(jì)算得出的試件表面激光照射區(qū)域的溫度ΔT3D隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖1(b)是當(dāng)Q3D=0.2 mJ的殘余熱量沉積在(空間坐標(biāo)x=y=z=0)處時(shí),在釋放熱能的位置(x=y=z=0)處的表面上產(chǎn)生的溫升ΔTsum,3D隨時(shí)間的演變規(guī)律。

通過(guò)對(duì)圖1進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn):熱輔助激光加工需要較小的熱源,就可以使表面溫度升高到材料的蒸發(fā)去除溫度。因此,熱輔助激光加工中,可用能量較小的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)材料有效的燒蝕,即拋光去除。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

在圖2(a)中,該系統(tǒng)由激光拋光系統(tǒng)(納秒脈沖光纖激光器IPG,編號(hào):YLP-1-100-20-20-CN,德國(guó))、加熱模塊和溫度測(cè)量模塊組成。加熱模塊控制工件的溫度,其使用的熱源是安裝在工件下方的電烙鐵。電烙鐵易于控制,且可以給整個(gè)工件提供均勻的熱量,所以試驗(yàn)中使用該加熱方法。測(cè)量溫度模塊用于實(shí)時(shí)檢測(cè)工件溫度并反饋調(diào)節(jié)加熱模塊。

工件的溫度由3個(gè)K型接觸式熱電偶測(cè)量,熱電偶位于工件表面的不同位置,以確保整個(gè)目標(biāo)表面的溫度均勻,如圖2(b)所示。該系統(tǒng)可用于各種指定溫度下的激光加工過(guò)程。

對(duì)于熱輔助激光表面拋光,激光掃描路徑如圖2(c)所示。掃描路徑上有兩種類型的重疊:激光掃描線重疊L和激光點(diǎn)重疊H,這2個(gè)參數(shù)取決于激光點(diǎn)直徑、脈沖頻率、掃描速度和線掃描間距。當(dāng)激光掃描線重疊L或激光點(diǎn)重疊H較大時(shí),單位面積上有較多的激光脈沖照射到目標(biāo)表面。然而,極大的L或H可能導(dǎo)致單位面積的入射激光能量過(guò)大,這將觸發(fā)入射激光能量的嚴(yán)重等離子體屏蔽。但是,較小的L或H(甚至沒(méi)有重疊)燒蝕或改性工件材料的程度較小。因此,需多次掃描和長(zhǎng)時(shí)間掃描來(lái)獲得所需的改性表面。

2.2 試驗(yàn)材料及方法

在試驗(yàn)中,筆者將熱輔助激光表面拋光試驗(yàn)應(yīng)用于增材制造的Ti-6Al-4V的原始表面(試件尺寸為20 cm×20 cm×5 cm,表面粗糙度Ra>100 μm)。

增材制造中Ti-6Al-4V所用鈦合金粉末的化學(xué)成分如表1所示。

表1 Ti-6Al-4V鈦合金粉末的化學(xué)成分

筆者開(kāi)啟激光后,將試樣置于氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下。在對(duì)增材制造的Ti-6Al-4V進(jìn)行表面拋光初步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分別選擇了25 ℃(室溫)、150 ℃、300 ℃和450 ℃ 4種不同的溫度進(jìn)行熱輔助表面拋光試驗(yàn)。在此溫度范圍內(nèi),增材制造的Ti-6Al-4V的顯微組織不會(huì)發(fā)生變化。激光拋光過(guò)程中,焦距固定在離焦距離處,激光束直徑D設(shè)置為90±1 μm。

此外,在表面拋光試驗(yàn)中,激光掃描路徑參數(shù)設(shè)置為:激光掃描線重疊L=30 μm,掃描次數(shù)n=2。掃描速度vs設(shè)為300 mm/s～600 mm/s,激光能量密度為2.6×106W/cm2～6.1×106W/cm2,激光點(diǎn)重疊H=30 μm～60 μm。

筆者利用共焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜儀對(duì)激光拋光后的表面和橫截面進(jìn)行分析;在100 N載荷和15 s停留時(shí)間下,用維氏硬度計(jì)測(cè)量其維氏硬度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熱輔助激光拋光的表面及橫截面形貌分析

不同激光能量密度及補(bǔ)償溫度下的拋光試樣表面如圖3所示。

圖3 不同能量密度/溫度下拋光樣品的表面形貌

從圖3可看出:在不同的溫度下,原始粗糙表面都可以得到良好的拋光,并且在所有溫度下都可以達(dá)到亞微米的精度。

同時(shí),在圖3(a～c)中的拋光表面上,可以觀察到具有峰谷狀的激光熔化微結(jié)構(gòu)。當(dāng)補(bǔ)償溫度升高到Toffset=450 ℃時(shí),如圖3(d)所示,表面粗糙度Ra由0.81 μm降低到0.56 μm,獲得了更優(yōu)的表面質(zhì)量。

此外,在較高的補(bǔ)償溫度下,實(shí)現(xiàn)相似的表面粗糙度只需較低的能量密度。因此,與低溫補(bǔ)償相比,補(bǔ)償溫度更高時(shí),可降低激光能量以獲得一致的拋光精度。這也表明在相同的激光輸出功率下,補(bǔ)償溫度越高的熱輔助激光拋光掃描速度越大,加工效率越高。故這種加工方式更適合實(shí)現(xiàn)快速大批量生產(chǎn)。

不同補(bǔ)償溫度下拋光表面的橫截面輪廓如圖4所示。

圖4 不同補(bǔ)償溫度下拋光表面的橫截面SEM圖

從圖4中可看出:在所有溫度下,拋光表面下都存在重結(jié)晶層;隨著補(bǔ)償溫度的升高,重結(jié)晶層的厚度變大。

為了進(jìn)一步觀察重結(jié)晶層,高倍放大下微槽側(cè)壁邊緣的掃描電鏡形貌如圖5所示。

圖5 高倍放大時(shí)圖4中G區(qū)和H區(qū)的SEM圖

從圖5(a)中可知:對(duì)于溫度Toffset=25 ℃,在最外側(cè)邊緣是柱狀晶粒(約7.5 μm),在其下方存在薄層細(xì)小的等軸晶,然后再往下是基底材料;

對(duì)于補(bǔ)償溫度Toffset=450 ℃,如圖5(c)所示,存在規(guī)則晶粒結(jié)構(gòu)較厚的層(約21.8 μm),其下方為等軸晶粒層。

熱梯度將熱量從熔融層帶走,并引發(fā)一個(gè)快速?gòu)幕w向熔融表面推進(jìn)移動(dòng)的重結(jié)晶鋒。較慢的重結(jié)晶鋒將導(dǎo)致較長(zhǎng)的持續(xù)熔融相和再結(jié)晶層外延再生[11]。重結(jié)晶速度決定了重結(jié)晶層的化學(xué)性質(zhì)、結(jié)晶度及形貌,并受材料的熱含量及照射區(qū)周圍冷卻過(guò)程的影響。較高的熱含量和較慢的冷卻過(guò)程會(huì)導(dǎo)致熔融相持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),且重結(jié)晶推動(dòng)的速度較慢。

因此,在補(bǔ)償溫度Toffset=450 ℃的情況下,結(jié)晶時(shí)限較長(zhǎng),熔化之后材料通常發(fā)生規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng),如圖5(d)所示。

3.2 重結(jié)晶層及熔融層對(duì)表面硬度的影響

激光拋光后,Ti-6Al-4V重結(jié)晶層的厚度和表面粗糙度如圖6所示。

圖6 試件拋光后再硬化層厚度及顯微硬度

由圖6可見(jiàn),所有拋光表面的硬度均高于初始基體(396±17 HV)。表面硬度的提高可能是由于拋光后表面形成了重結(jié)晶層,且重結(jié)晶層的厚度隨溫度的升高而增加。

以上的這些結(jié)果表明:通過(guò)控制重結(jié)晶層的結(jié)晶過(guò)程,可以使拋光表面的晶粒結(jié)構(gòu)和顯微組織發(fā)生一定的可控變化。

因此,實(shí)際情況下,可以通過(guò)調(diào)整激光加工參數(shù)、掃描路徑參數(shù)或控制補(bǔ)償溫度來(lái)改變拋光表面的物理性質(zhì),例如硬度、韌性和均勻的表面潤(rùn)濕性。

不同補(bǔ)償溫度相應(yīng)的表面熔融層材料重新分布過(guò)程的示意圖如圖7所示。

圖7 高/低溫補(bǔ)償熱輔助激光拋光工藝示意圖

圖7中,在激光拋光過(guò)程中,激光束向前移動(dòng),會(huì)留下熔融層。熔融層的厚度取決于溫度場(chǎng)、激光參數(shù)、掃描路徑參數(shù)、目標(biāo)材料的物理性質(zhì)及試驗(yàn)條件等因素。由于表面張力的作用,熔融液的凸起材料流入凹谷;而在凸起材料的重新分布過(guò)程中,幾乎沒(méi)有任何材料去除。

當(dāng)激光束離開(kāi)后,重新分布后的熔融層重新結(jié)晶,得到一個(gè)粗糙度低的表面?；谝陨戏治隹芍?在激光熱輔助表面的拋光過(guò)程中,由于高溫度場(chǎng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)和熔融層的厚度較大,更多的熔融液有足夠長(zhǎng)的時(shí)間重新分布,可以更好地實(shí)現(xiàn)表面凹凸材料的重新分布[12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于熱輔助下的納秒脈沖激光拋光進(jìn)行了試驗(yàn)研究,對(duì)熱輔助納秒脈沖激光拋光后的表面微觀結(jié)構(gòu)、表面粗糙度及表面硬度進(jìn)行了針對(duì)性分析。研究結(jié)果表明:

(1)熱輔助激光表面拋光過(guò)程中,激光照射區(qū)域表面會(huì)出現(xiàn)一個(gè)溫度較高、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的溫度場(chǎng),因此其熔融層較厚,且冷卻過(guò)程緩慢,有利于熔融層材料的重新分布,從而形成更光滑、平坦且表面粗糙度更一致的表面;

(2)熱輔助激光表面拋光后的表面硬度得到了有效提升,可以通過(guò)調(diào)整激光加工參數(shù)、掃描路徑參數(shù)或控制補(bǔ)償溫度,以獲得所需拋光表面的物理性質(zhì);

(3)在表面拋光過(guò)程中,在相同的激光輸出功率下,補(bǔ)償溫度越高的熱輔助激光拋光掃描速度可以越大,激光能量的利用率和拋光效率可以顯著提高,有利于大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。