脈沖光纖激光拋光Ti6Al4V的實(shí)驗(yàn)分析及研究

王 濤,康清川

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300312)

1 引 言

Ti6Al4V鈦合金在制造業(yè)中應(yīng)用廣泛,具有優(yōu)良的耐腐蝕性、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空制造、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,因此對(duì)該材料表面的質(zhì)量要求逐步提高,選擇合理的拋光方法來提高其表面質(zhì)量極其重要[1-2]。

使用激光拋光技術(shù)提升材料表面質(zhì)量,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究:激光拋光316不銹鋼,通過研究激光掃描速度以及激光掃描方式探究拋光后材料表面質(zhì)量?jī)?yōu)化程度,并進(jìn)行耐腐蝕實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,激光拋光使得材料表面質(zhì)量得到改善,粗糙度大幅降低,耐腐蝕性能更好[3]。Y.M.Xiao等人使用激光拋光石英玻璃來觀察激光拋光的效果,石英玻璃經(jīng)過多種砂紙打磨,表面粗糙度提高,實(shí)驗(yàn)表明,經(jīng)過激光拋光后的石英玻璃表面的打磨痕跡明顯去除,但是極個(gè)別玻璃表面有微小裂紋的產(chǎn)生,這是由于玻璃本身的熱物理性能導(dǎo)致的[4]。T.A.Mai等人,使用YAG激光器拋光304不銹鋼,研究激光光斑直徑、脈沖寬度、光斑重疊率對(duì)激光拋光的影響,實(shí)驗(yàn)表明,在不同參數(shù)設(shè)置下,激光對(duì)工件表面的熱穿透深度以及熔化深度不同,合理的參數(shù)設(shè)置使得材料粗糙度明顯降低,耐腐蝕性提升[5]。Perry使用YAG激光器拋光鎳表面,經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到,脈沖寬度為200～300 ns時(shí),粗糙度降低程度最大[6]。Hua等人通過拋光實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脈沖寬度的長(zhǎng)短對(duì)材料表面粗糙度有著重要的影響,同時(shí)研究了頻率大小與材料表面粗糙度的關(guān)系,得到頻率過高或者過低都會(huì)影響理想的拋光效果[7-8]。宋楊等人使用激光器拋光TC4材料,發(fā)現(xiàn)激光拋光可以有效地降低材料表面粗糙度,同時(shí)提升材料使用性能[9]。張偉康等人建立了二維瞬態(tài)模型研究拋光實(shí)驗(yàn)中金屬表面形貌變化的過程,實(shí)驗(yàn)表明,拋光中材料表面熔融區(qū)熔化物由于毛細(xì)力和熱毛細(xì)力的作用,由高表面流向低表面,激光功率、掃描速度對(duì)其影響作用很大[10]。廖聰豪等人采用了氬氣保護(hù)下拋光鈦合金,研究材料表面粗糙度的大小、晶粒晶格的變化、材料表面殘余應(yīng)力以及進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)分析,探究拋光后鈦合金的耐腐蝕性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鈦合金拋光后的材料表面自腐蝕電位與自腐蝕電流密度均提升,拋光后耐腐蝕性增加[11]。

本文使用脈沖光纖激光器對(duì)Ti6Al4V鈦合金材料進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn),在不同參數(shù)設(shè)置以及不同表面形貌下研究激光拋光對(duì)材料表面產(chǎn)生的影響,驗(yàn)證激光拋光實(shí)驗(yàn)由多種因素決定,合理的設(shè)置參數(shù),選取合適的表面形貌都可以得到理想效果下的材料表面質(zhì)量。

2 拋光實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

改進(jìn)的單因素實(shí)驗(yàn)方法具體流程為:先設(shè)置一個(gè)變量,在多次試驗(yàn)后確定材料表面激光拋光效果最好的幾組數(shù)據(jù),把這幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的參考標(biāo)準(zhǔn),這幾組實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的變量可以作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的定值,得到與之對(duì)應(yīng)的平均功率密度以及光斑重疊率,再次設(shè)置其中一項(xiàng)變量進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn),直至得出滿意的結(jié)果,將該結(jié)果繼續(xù)作為參考標(biāo)準(zhǔn),循環(huán)以上過程,直至得到其中理想的幾組實(shí)驗(yàn)參數(shù),然后在該參數(shù)設(shè)定下進(jìn)行拋光觀察實(shí)驗(yàn),具體流程如圖1所示。

圖1 改進(jìn)單因素實(shí)驗(yàn)方法下的實(shí)驗(yàn)流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

采用鈦合金尺寸為3 mm×40 mm×40 mm的薄板,其化學(xué)成分如表1所示。

表1 Ti6Al4V的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù):%)

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

拋光實(shí)驗(yàn)使用圖2所示的CETC26thPFL脈沖光纖激光器拋光Ti6Al4V表面,該激光器參數(shù)如表2所示。

圖2 CETC26thPFL脈沖光纖激光設(shè)備及光纖激光器

表2 CETC26thPFL脈沖光纖激光器參數(shù)

拋光實(shí)驗(yàn)前后試樣表面使用日立S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行表面微觀形貌檢測(cè),同時(shí)進(jìn)行能譜(EDS)分析,確定元素組成；試樣前后表面粗糙度的測(cè)量使用北京時(shí)代之峰TIME3220觸針式表面粗糙度儀。

3 拋光實(shí)驗(yàn)研究及分析

3.1 功率密度對(duì)拋光結(jié)果的影響

激光平均功率密度的高低決定了激光拋光的效果,功率密度過高會(huì)使材料表面熔化過度,改變材料部分性能；過低則無法使材料表面熔化,達(dá)不到激光拋光的目的。平均功率密度公式為:

(1)

經(jīng)過改進(jìn)的單因素實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行大量參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)后,設(shè)置大致理想實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:激光重疊率30 %,激光波長(zhǎng)1064 nm,掃描速度200 mm/s,入射角度90°,光斑直徑為0.8 mm,脈沖寬度1 ms,離焦量為0.5 mm,脈沖頻率50 Hz,對(duì)應(yīng)功率為507 W,589 W,648 W,由公式(1) 計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的平均功率密度分別為:20.17 W/mm2,23.48 W/mm2,25.78 W/mm2。

3.1.1 材料表面微觀形貌觀察

在保證初始表面相同條件下,采用“S”型掃描路徑進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,(b)與(a)、(c)相比較,表面更加平整,且在x方向上的光斑重疊現(xiàn)象可以忽略不計(jì),在圖2(a)中,由于激光功率密度較低,材料表面熔化需要的時(shí)間長(zhǎng),激光經(jīng)過時(shí)還未達(dá)到熔融溫度便進(jìn)行下一個(gè)區(qū)域的掃描,在不同位置拋光達(dá)到的效果不同；在圖2(c)中,激光功率密度增大,材料表面熔深增大,材料表面熔化時(shí),在表面張力作用下,熔融的液體向四周擴(kuò)散,掃描過的區(qū)域溫度較低,熔融的液體只能跟隨激光移動(dòng)的方向流動(dòng)于是造成了x方向上的光斑重疊現(xiàn)象比較明顯。圖中y方向的重疊現(xiàn)象是由于時(shí)間過長(zhǎng),激光之前掃描過的區(qū)域溫度大幅度降低,熔融的液體與之前區(qū)域接觸的地方凝固速度較快。圖2(d)中存在許多小裂紋和網(wǎng)狀物。小裂紋形成的原因是熔融區(qū)域的熔融材料重新凝固時(shí)體積相對(duì)液態(tài)下減小形成局部應(yīng)力,從而形成小裂紋。在高功率密度下,材料表面溫度極高,相比于低功率下,熔融區(qū)各部分溫差較小,重新凝固時(shí)形成的應(yīng)力相比低功率密度下形成的應(yīng)力更大,熔融區(qū)熔化物重新凝固時(shí)形成的小裂紋就更加明顯。

3.1.2 EDS能譜分析

通過日立S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡得到拋光前后材料表面的EDS能譜分析,得到的EDS能譜圖如圖4所示,同時(shí)對(duì)拋光后表面圖4(a)所示的顆粒物進(jìn)行EDS能譜分析。

圖5 顆粒物形狀及顆粒物表面EDS分析圖

拋光前后主要元素含量如表3所示,拋光后的材料表面氧元素含量隨平均功率密度的增大而增大,鈦元素含量明顯下降,因此,當(dāng)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)時(shí),材料表面在激光的作用下,與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng),其劇烈程度主要是由激光平均功率密度決定。

表3 鈦合金材料表面主要元素含量比重

對(duì)于拋光后出現(xiàn)的顆粒物進(jìn)行EDS能譜分析可以得出該顆粒物含有多種元素,均為鈦合金材料的組成元素,液態(tài)下含有該部分元素的熔液不能與含有其他成分的液態(tài)金屬凝固在一起,并且其相對(duì)密度比較低,上浮凝固后形成該顆粒物。

3.1.3 表面粗糙度的測(cè)量

使用TIME3220粗糙度儀對(duì)拋光前后材料表面進(jìn)行粗糙度的測(cè)量,如表4所示,當(dāng)平均功率密度為23.48 W/mm2時(shí),表面粗糙度降低最大,可達(dá)到92 %,且在該功率密度之后,功率密度越大,粗糙度降低程度越小,因此當(dāng)平均功率密度為23.48 W/mm2左右時(shí),粗糙度降低程度最大,平均功率密度對(duì)拋光效果有著及其重要的影響。

表4 不同功率密度下材料的表面粗糙度

3.2 頻率對(duì)拋光結(jié)果的影響

頻率對(duì)拋光結(jié)果的影響主要就是其與掃描速度共同決定了激光光斑重疊率,激光光斑重疊率公式為:

(2)

(3)

其中,v為激光掃描速度；f為激光頻率；D為激光光斑直徑；N為激光光斑重疊率。

經(jīng)過改進(jìn)的單因素實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行大量參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)后,設(shè)置大致理想實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:光斑大小為0.02 mm,入射角90°,脈寬2 μs,激光功率700 W。

3.2.1 材料表面微觀形貌觀察

在激光掃描路徑中,會(huì)出現(xiàn)不同程度的光斑重疊現(xiàn)象,這是由激光頻率與激光掃描速度共同決定的。如圖6(a)、(b)所示,圖中的溝槽便是激光掃描過的痕跡,該溝槽是由于激光掃描時(shí),熔融區(qū)的熔化物在激光的作用下向兩邊移動(dòng),使得兩側(cè)部位高于中間部位。圖6(b)中溝槽兩側(cè)有球狀物的出現(xiàn),這是因?yàn)殡S著激光頻率的增加,材料表面的熔化物發(fā)生劇烈氧化所致。圖6(c)、(d)中,當(dāng)激光掃描速度加快后,頻率越高,光斑個(gè)數(shù)越多,材料表面更加平順,表面的“帶狀物”分布均勻,而且圖6(d)表面平整性明顯優(yōu)于圖6(c)。

3.2.2 EDS能譜分析

EDS圖如圖4所示,主要元素含量表如表5所示,拋光后,鈦元素含量降低,碳元素與氧元素含量升高。這是因?yàn)楫?dāng)激光頻率增大時(shí),材料表面能量密度增加,熔融區(qū)的熔化物與空氣中的氧氣發(fā)生的氧化反應(yīng)更加劇烈,材料中的碳元素也隨其到達(dá)材料表面。

圖7 不同參數(shù)拋光后材料表面的EDS分析圖

表5 不同參數(shù)下的主要元素含量

3.2.3 表面粗糙度的測(cè)量

表6所示為兩種掃描速度下對(duì)應(yīng)不同頻率的粗糙度測(cè)量結(jié)果,拋光后,表面粗糙度都有所下降,相同掃描速度下,頻率加大使得粗糙度降低明顯,當(dāng)在600 mm/s、30 kHz以及800 mm/s、30 kHz時(shí)二者表面粗糙度降至最低,頻率繼續(xù)增加卻使得表面粗糙度升高,這是由于頻率過高,材料表面熔融區(qū)的熔化物飛濺,使得材料表面粘附了許多飛濺物使表面更加粗糙,因此激光頻率對(duì)于拋光效果有著重要的影響。

表6 不同參數(shù)下的粗糙度測(cè)量

3.3 材料初始表面形貌對(duì)拋光結(jié)果的影響

3.3.1 材料表面微觀形貌觀察

如圖8所示,(a)、(c)為鈦合金表面通過電火花加工、銑削加工分別得到不同表面形貌,對(duì)其進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn),在其他參數(shù)都相同的情況下,二者達(dá)到最佳拋光效果所需要激光功率為分別為450 W和600 W,由(b)、(c)可以看出,拋光前后表面界限清晰,極大程度上改變了表面質(zhì)量,但是拋光后二者表面的微裂紋都未去除,這是因?yàn)槿廴趨^(qū)熔化物凝固后產(chǎn)生的應(yīng)力以及拋光后材料表明氧化所致,初步說明金屬初始表面形貌對(duì)于激光拋光實(shí)驗(yàn)的效果有比較大的影響。

圖8 不同橫截面拋光前后材料表面的SEM圖像

3.3.2 表面粗糙度的測(cè)量

對(duì)拋光前后的材料表面進(jìn)行粗糙度測(cè)量,如表7所示,拋光后的表面相比原始表面粗糙度都有所降低,表面形貌為半圓形的材料拋光后粗糙度降低94 %,這是由于圓形截面比三角形截面對(duì)激光的吸收率高,材料表面激光能量增加,使得拋光效果更好,且三角形截面材料達(dá)到最佳拋光效果所需要的功率高于半圓形截面材料,粗糙度降低程度低于半圓形截面材料,因此金屬表面形貌對(duì)拋光效果有著重要影響。

表7 兩種截面下拋光前后的粗糙度

4 結(jié) 論

本文通過脈沖光纖激光設(shè)備拋光Ti6Al4V材料,在改進(jìn)單因素實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)后,選取拋光效果較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,使用掃描電鏡觀察材料形貌以及元素變化,使用粗糙度儀對(duì)拋光前后材料表面的粗糙度進(jìn)行測(cè)量,得出結(jié)論:激光參數(shù)設(shè)置的大小決定了材料表面的熔深程度,只要參數(shù)設(shè)置的合理,均可以提升表面質(zhì)量,激光平均功率密度以及頻率的高低,決定了拋光后表面鈦元素下降程度和材料表面的氧化程度,但都可以使材料表面粗糙度下降93 %左右。對(duì)不同表面形貌的材料,由于材料表面對(duì)激光的吸收率不同,達(dá)到最佳拋光效果程度不同,橫截面為半圓形的表面形貌粗糙度也可降低93 %左右。