能量輸入對(duì)TC4鈦合金納秒脈沖激光清洗質(zhì)量的影響

楊 爍, 宋文清, 雷正龍, 馮俊華, 李 凱, 彭 睿

(1.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043)(2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)(3.中車長春客車軌道股份有限公司, 吉林 長春 130062)

鈦及鈦合金是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋船舶、化工、汽車、電力、醫(yī)療等領(lǐng)域[1-4]。鈦及鈦合金在加熱成形或機(jī)械加工過程中，因長時(shí)間與高溫空氣接觸，表面不斷吸附氧而形成氧化層[5]。由于氧化層的存在，鈦合金的彈性模量、抗疲勞強(qiáng)度、承載能力會(huì)大大降低[6]，在使用過程中易產(chǎn)生裂紋而使整個(gè)構(gòu)件失效[7]。此外，氧化層也會(huì)對(duì)鈦及鈦合金的焊接性產(chǎn)生不利影響。因此，鈦及鈦合金材料在加工使用前需要對(duì)其表面的氧化層進(jìn)行清洗，以提高使用壽命或者給后續(xù)材料的加工提供有利條件。清洗氧化層的傳統(tǒng)方法有化學(xué)法(酸、堿洗法)[8]和機(jī)械法(水噴砂法等)[9]。雖然這2種方法能夠達(dá)到一定的清洗效果，但是化學(xué)法存在清洗周期長、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，機(jī)械法易對(duì)基材造成損傷，二者均存在很多局限性。

激光清洗技術(shù)作為一種綠色環(huán)保的表面處理新技術(shù)，具有精度高、清洗效果佳、應(yīng)用范圍廣、易于自動(dòng)化控制等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、汽車、船舶、微電子及文物保護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，被譽(yù)為是“21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色清洗技術(shù)”[10]。Wang等[11]研究了激光清洗功率對(duì)TC4鈦合金樣品表面形貌、涂層附著力、耐磨性和硬度的影響，當(dāng)激光能量密度為4 J/cm2時(shí)可以將污染物和氧化層去除，且涂層附著力、耐磨性和硬度均有所提高。羅雅等[12]用激光對(duì)TC11鈦合金表面進(jìn)行焊前預(yù)處理，在激光功率150 W、光斑直徑0.8 mm、清洗速率10 mm/s條件下可有效清除TC11鈦合金表面的積碳、金屬顆粒及氧化層，并且使焊縫質(zhì)量得到提高。Yue等[13]利用短脈沖激光去除鈦合金表面的富氧α層，測(cè)定了富氧α層的去除率并通過建立模型預(yù)測(cè)富氧α層的厚度。陳俊宏等[14]研究了不同焊前清洗方法對(duì)鈦合金焊縫氣孔率的影響，發(fā)現(xiàn)激光清洗可以使焊縫氣孔率達(dá)到航天行業(yè)I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

雖然研究人員已經(jīng)開展了一些鈦合金激光清洗試驗(yàn)，但研究內(nèi)容主要集中在激光功率等工藝參數(shù)對(duì)表面形貌及性能的影響，鮮有關(guān)于納秒脈沖激光能量輸入對(duì)鈦合金表面氧化層清洗效果的研究。本研究進(jìn)行了TC4鈦合金表面氧化層納秒脈沖激光清洗試驗(yàn)，通過改變激光功率和脈寬等工藝參數(shù)研究了不同激光能量輸入對(duì)清洗后鈦合金表面形貌、氧化層去除厚度和粗糙度等的影響規(guī)律，從而獲得比較合適的TC4鈦合金激光清洗參數(shù)，以期為激光清洗鈦合金氧化層工藝參數(shù)制定和清洗機(jī)理研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

待清洗試件為TC4鈦合金板材，規(guī)格為75 mm×150 mm×2 mm。通過光學(xué)顯微鏡可以觀察到TC4鈦合金板材表面覆蓋有大量黑色氧化物，該氧化物是在熱加工過程中形成的，以TiO2為主，排布較為致密，幾乎看不到銀白色基體，如圖1所示。圖2為激光清洗前TC4鈦合金板材橫截面形貌，經(jīng)測(cè)量氧化層厚度為(25±3)μm。

圖1 激光清洗前TC4鈦合金板材表面形貌Fig.1 Surface morphologies of TC4 titanium alloy plate before laser cleaning

圖2 激光清洗前TC4鈦合金板材橫截面形貌Fig.2 Cross section morphology of TC4 titanium alloy plate before laser cleaning

采用激光清洗試驗(yàn)平臺(tái)清洗樣品表面氧化層，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該平臺(tái)配備有納秒級(jí)光纖脈沖激光器，波長為1064 nm，脈寬在30～100 ns范圍內(nèi)可調(diào)，脈沖頻率范圍為2～50 kHz，最大輸出功率為1000 W。激光清洗使用振鏡掃描方式，X方向振鏡和Y方向振鏡在一定角度旋轉(zhuǎn)，使激光在一定區(qū)域內(nèi)掃描。

圖3 激光清洗試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of laser cleaning experimental platform

激光清洗效果與激光在材料上形成的溫度場和應(yīng)力場的時(shí)空分布密切相關(guān)[15]，而激光能量輸入是影響溫度場和應(yīng)力場最主要的因素?？刂萍す夤β屎兔}寬來改變激光能量輸入，可以得到不同的清洗效果。激光清洗參數(shù)：脈沖頻率20 kHz，光斑直徑960 μm，掃描速度3000 mm/s，激光功率100、300、500 W，脈寬30、60、100 ns。

利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)激光清洗后的試樣表面形貌進(jìn)行觀察和分析；利用激光共聚焦電子顯微鏡對(duì)清洗后表面粗糙度進(jìn)行測(cè)定；利用超景深光學(xué)顯微鏡對(duì)清洗邊界進(jìn)行觀察，測(cè)量清洗區(qū)和未清洗區(qū)的相對(duì)高度，計(jì)算氧化層的去除厚度。從清洗深度和表面形貌等維度評(píng)價(jià)不同激光能量輸入下TC4鈦合金表面氧化層的去除效果以及對(duì)基材表面的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 能量輸入對(duì)表面形貌的影響

采用超景深光學(xué)顯微鏡觀察激光清洗后的試樣表面形貌并測(cè)量各區(qū)域的相對(duì)高度。通過相對(duì)高度信息繪制表面高度的起伏曲線，分析高度的變化趨勢(shì)。圖4為60 ns脈寬下以不同功率激光清洗后TC4鈦合金表面的超景深光學(xué)顯微鏡照片。根據(jù)表面形貌的特點(diǎn)，可以將清洗界面大致分為清洗區(qū)、過渡區(qū)和未清洗區(qū)3個(gè)區(qū)域。過渡區(qū)形成的主要原因是在清洗區(qū)的末尾，由于脈沖激光搭接不充分，能量輸入較少導(dǎo)致的。

圖4 60 ns脈寬下不同功率激光清洗后TC4鈦合金表面的超景深光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 Surface morphologies of TC4 titanium alloy after laser cleaning with different power at pulse width of 60 ns by depth of field optical microscope: (a) 100 W； (b) 300 W； (c) 500 W

激光功率為100 W時(shí)，清洗區(qū)和過渡區(qū)仍殘留較厚的且較為致密的氧化層，導(dǎo)致表面在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)黃白色，清洗區(qū)和未清洗區(qū)形貌差別不明顯(圖4a)。當(dāng)激光功率為300 W時(shí)，清洗區(qū)、過渡區(qū)和未清洗區(qū)形貌呈現(xiàn)明顯的區(qū)別(圖4b)。清洗區(qū)因表面氧化層被去除得較為徹底，表面呈現(xiàn)鈦合金基體的銀白色，且較為平整；過渡區(qū)清洗不徹底，表面起伏較大，呈現(xiàn)黃黑色；未清洗區(qū)依然是原始的黑色表面。3個(gè)區(qū)域的相對(duì)厚度呈現(xiàn)階梯狀，清洗區(qū)和未清洗區(qū)的厚度差明顯，清洗效果較好。激光功率為500 W時(shí)，清洗區(qū)呈現(xiàn)鈦合金基體銀白色，但是有燒蝕的現(xiàn)象產(chǎn)生，凹坑明顯，表面起伏大；過渡區(qū)為黃白色，有少量氧化物殘留(圖4c)。

圖5是脈寬30 ns，激光功率分別為100、300、500 W下清洗后TC4鈦合金表面的SEM形貌。從圖5可以看出，激光功率為100 W時(shí)，基材表面殘留有大量氧化物，氧化物排列較為致密，附著在基材表面形成凹坑狀的形貌；激光功率為300 W時(shí)，基材表面變得較為平整，有納米級(jí)微裂紋出現(xiàn)，且局部明暗不一致，表明表面狀態(tài)一致性較差；激光功率為500 W時(shí)，基材表面平整，氧化物基本被去除，可以明顯看到密布在表面的微裂紋。

圖5 30 ns脈寬下不同功率激光清洗后TC4鈦合金表面的SEM形貌Fig.5 SEM morphologies of TC4 titanium alloy surface after laser cleaning with different power at pulse width of 30 ns:(a) 100 W； (b) 300 W； (c) 500 W

據(jù)研究[16]，微裂紋形成于鈦合金的富氧α層。富氧α層是氧元素在表面α相中形成的間隙固溶體，改變?chǔ)料嗟木Ц癯?shù)和位錯(cuò)的滑移方向，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，使合金的脆性增大，因而表面易產(chǎn)生微裂紋。納秒脈沖激光清洗去除氧化物后暴露出了富氧α層，因而觀察到其表面存在大量微裂紋。微裂紋會(huì)極大地影響鈦合金的拉伸性能和疲勞性能，在工程中應(yīng)盡量避免。

圖6是平均激光功率為300 W，脈寬分別為30、60、100 ns條件下清洗后TC4鈦合金表面的SEM形貌。從圖6可以看出，隨著脈寬的增加，微裂紋的寬度和密度均有所下降。在清洗過程中，可以提高脈寬來減少微裂紋，從而提高清洗后鈦合金的力學(xué)性能。

圖6 激光功率300 W時(shí)不同脈寬下激光清洗后TC4鈦合金表面的SEM形貌Fig.6 SEM morphologies of TC4 titanium alloy surface after laser cleaning with different pulse width at power of 300 W: (a) 30 ns； (b) 60 ns；(c) 100 ns

2.2 能量輸入對(duì)氧化層去除厚度的影響

TC4鈦合金表面氧化層去除厚度隨激光功率和脈寬的變化如圖7所示。激光功率為100 W時(shí)，由于激光能量較低，產(chǎn)生的熱影響區(qū)較小，對(duì)氧化層的燒蝕效應(yīng)和振蕩剝離效應(yīng)不明顯，只能去除少部分的氧化物，清洗效率較低。激光功率為300 W時(shí)，幾乎能將所有氧化物去除，清洗效率明顯增加。激光功率增加到500 W時(shí)，去除厚度相比300 W時(shí)增加并不多，主要原因是激光功率過大，激光在清洗氧化層后還對(duì)基材造成了一定的損傷，而激光對(duì)基材的燒蝕速率遠(yuǎn)低于對(duì)氧化層的燒蝕速率，導(dǎo)致去除厚度增加不明顯。

圖7 TC4鈦合金表面氧化層去除厚度與激光能量的關(guān)系Fig.7 Relationship between removal thickness of oxide layer on TC4 titanium alloy surface and laser energy: (a) laser power； (b) pulse width

激光能量輸入是影響溫度場和應(yīng)力場最主要的因素，與激光清洗效果有直接關(guān)系。激光能量輸入主要包括單脈沖激光能量密度和作用時(shí)間，受脈寬的影響[17]。單脈沖能量密度Et、激光作用時(shí)間T0表達(dá)式分別如式(1)、式(2)所示：

(1)

T0=Ttf

(2)

式中：P為激光功率；f為脈沖頻率；R為激光光斑半徑;v為清洗光斑移動(dòng)速度；T為激光掃描時(shí)間；t為脈寬。在相同的激光掃描時(shí)間下，脈寬增加時(shí)，激光作用時(shí)間變長；當(dāng)激光功率和清洗光斑移動(dòng)速度不變，脈寬增加時(shí)，單脈沖能量密度減小。激光功率恒定而脈寬較長時(shí)，單脈沖熱輸入不變但是激光作用時(shí)間較長，熱量在鈦合金中的傳導(dǎo)時(shí)間長，激光產(chǎn)生的熱影響區(qū)域變大而用于燒蝕氧化層的熱量減小，并且鈦合金板材的熱變形明顯。因此，當(dāng)激光功率為500 W時(shí)，脈寬100 ns下的清洗效果不如30 ns和60 ns。激光功率為100 W時(shí)，去除厚度隨脈寬的變化不明顯，主要原因是100 W的激光總熱輸入較小，沒有達(dá)到氧化層的清洗閾值。激光功率為300 W時(shí)，去除厚度隨脈寬的增大而明顯減小。激光功率為500 W時(shí)，隨著脈寬增加，去除厚度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。氧化層去除厚度隨脈寬的變化是單脈沖能量密度和激光作用時(shí)間共同影響的結(jié)果，當(dāng)脈寬小于60 ns時(shí)，單脈沖能量密度的影響效果占主導(dǎo)；脈寬大于60 ns時(shí)，熱作用時(shí)間的影響效果占主導(dǎo)。

2.3 能量輸入對(duì)表面粗糙度的影響

激光清洗后鈦合金表面粗糙度隨激光功率的變化趨勢(shì)如圖8所示。由圖8可見，隨著激光功率由100 W增加到500 W，清洗區(qū)鈦合金表面粗糙度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。激光功率為100、300 W時(shí)，各脈沖下清洗區(qū)的粗糙度差別不大，脈寬對(duì)粗糙度的影響較??；激光功率增加到500 W時(shí)，清洗區(qū)粗糙度顯著增大。這是由于激光功率較低時(shí)，鈦合金表面部分氧化物被去除，在材料表面留下激光燒蝕的劃痕，未被清洗的腐蝕坑露出材料表面，導(dǎo)致樣件表面凹凸不平，粗糙度稍有增大；當(dāng)激光功率較高時(shí)，表面污垢和氧化層被去除后，使得試件表面平整，粗糙度減?。划?dāng)激光功率更高時(shí)，試件表面吸收較高的激光能量，產(chǎn)生較大的光致應(yīng)力并發(fā)生微區(qū)熔化現(xiàn)象，微熔池液面在光致應(yīng)力的作用下震蕩，并在激光脈沖間隔期間迅速冷卻形成粗糙表面，最終使得材料表面的粗糙度顯著增大。

圖8 激光能量與TC4鈦合金表面粗糙度的關(guān)系Fig.8 Relationship between laser energy and surface roughness of TC4 titanium alloy after laser cleaning

3 結(jié) 論

(1) 采用納秒脈沖光纖激光可以有效去除TC4鈦合金表面氧化層。在激光功率300 W、脈寬60 ns條件下能獲得較好的清洗效果，且基材未受到明顯損傷。

(2) 清洗后的TC4鈦合金表面存在納米級(jí)微裂紋，增加脈寬可以抑制微裂紋的形成。

(3) 隨著激光功率的增加，TC4鈦合金表面氧化層去除厚度增大；隨著脈寬的增加，氧化層去除厚度先增加后減小。

(4) 隨著激光功率的增加，TC4鈦合金表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；脈寬對(duì)粗糙度的影響較小。