液相輔助激光加工織構(gòu)微觀形貌變化及其影響機(jī)制

黃珂，楊發(fā)展，鄭凱瑞，扈偉昊，林云龍

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東青島 266000)

0 前言

刀具磨損是加工行業(yè)面臨的一大難題，在切削加工鈦合金等難加工材料過程中，刀具承受著巨大載荷，且隨著加工區(qū)刀具表面溫度急速上升，極易引起刀具和加工材料表面變形，進(jìn)而影響加工材料的表面質(zhì)量和精度[1]。通過改善加工界面的摩擦狀態(tài)可以增強(qiáng)刀具耐磨性，降低切削力和切削溫度，延長刀具使用壽命[2]。研究發(fā)現(xiàn)，在刀具的表面設(shè)計(jì)并制備一定的微小織構(gòu)可以有效降低刀具的磨損量[3]。WU等[4]通過實(shí)驗(yàn)和仿真發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)刀具可以有效降低切削溫度、主切削力、切削抗力和實(shí)際刀屑接觸長度，在未來加工操作中具有重要應(yīng)用前景。張娜等人[5-6]通過實(shí)驗(yàn)及仿真分析，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金表面的織構(gòu)化可以改善應(yīng)力分布，減少應(yīng)力集中，且不同織構(gòu)類型產(chǎn)生的摩擦效果存在著較為明顯的差異，因此在實(shí)際加工中可以通過設(shè)計(jì)合理的織構(gòu)形狀來達(dá)到最佳減摩效果。成立等人[7]對鈦合金的銑削過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)刀具的表面織構(gòu)可以改變刀、屑、工件之間的接觸性能，有效減小切削力，且參數(shù)不同對織構(gòu)刀具的切削力影響程度不同。激光加工工藝參數(shù)可以直接影響織構(gòu)的深度、寬度以及所加工表面的質(zhì)量[8]。劉宇航等[9]優(yōu)化了316L醫(yī)用不銹鋼的加工工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)激光的掃描次數(shù)是影響織構(gòu)寬度和深度的主要因素，最終通過控制激光加工工藝參數(shù)達(dá)到了減小織構(gòu)寬度、增大織構(gòu)深度及材料表面無明顯熱損傷的目的。任長春等[10]探究了平均功率、掃描速度、脈沖頻率、離焦量、掃描次數(shù)等工藝參數(shù)對織構(gòu)尺寸及形貌的影響，結(jié)果表明激光功率與織構(gòu)尺寸成正比，過大的功率會導(dǎo)致嚴(yán)重?zé)g，造成工件表面不平整。因此，合適的激光加工工藝參數(shù)是制備高質(zhì)量表面織構(gòu)的基礎(chǔ)，分析不同激光加工參數(shù)對設(shè)計(jì)出最佳織構(gòu)形狀和表面形貌具有重要意義。大量研究結(jié)果表明：在刀具表面加工特定形狀的織構(gòu)，可以改變刀具與工件的接觸狀態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化摩擦學(xué)特性。

目前刀具表面織構(gòu)主要通過激光加工法、電火花加工法、電解加工法、超聲波加工法等來實(shí)現(xiàn)。其中，激光加工因加工精度高、污染小、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)備受青睞[11]。激光加工技術(shù)以激光為熱源，激光束具有極高的能量密度和方向性，加工時將聚焦的激光束照射到刀具表面，當(dāng)激光能量密度達(dá)到材料熱熔閾值時材料將急劇熔化、汽化，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊濺射[12]。濺射的材料在空氣中快速冷卻，重新凝固在加工區(qū)域周圍形成熔融物和重鑄層，這一現(xiàn)象將降低織構(gòu)加工質(zhì)量。為了解決上述問題，研究者提出了液相輔助激光加工這一新工藝，在工件表面覆蓋輔助液體，加工時激光和液體相互反應(yīng)，在激光脈沖后的短時間內(nèi)發(fā)生強(qiáng)耦合作用，形成獨(dú)特的微/納米結(jié)構(gòu)[13]，這一手段可以有效緩解加工過程中的熱效應(yīng)及熔融物重新冷卻這一問題。龍芋宏等[14]通過在空氣和水2種介質(zhì)中對單晶體硅片進(jìn)行激光刻蝕，發(fā)現(xiàn)水輔助激光加工時，濺射的熔融物更容易排出，提高了工件的表面質(zhì)量，而且加快了刻蝕速率。DELL′AGLIO 等[15]采用不同的時間分辨診斷技術(shù)研究了金屬納米粒子在空化泡中的運(yùn)輸和擴(kuò)散，在液相輔助激光加工過程中，材料接觸激光束后發(fā)生熔化和汽化，同時工件表面的液體產(chǎn)生氣泡，將濺射出來的材料帶離工件表面[16]，可以有效改善熔融物重鑄現(xiàn)象，抑制毛刺的產(chǎn)生，提高表面加工質(zhì)量。

目前將液相輔助激光加工技術(shù)用于加工刀具表面織構(gòu)的研究很少，本文作者探究不同類型的輔助液及激光加工參數(shù)在液相輔助激光加工過程中對織構(gòu)形貌產(chǎn)生的影響，對液相輔助激光加工技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及材料選擇

實(shí)驗(yàn)選用YG6硬質(zhì)合金材料刀具(株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn))，元素含量為94%WC和少量Co，密度為14.6～15.0 g/cm3，硬度為89.5HRA，抗彎強(qiáng)度σbb為145 MPa，沖擊韌性ak為2.6 J/cm2[17]，刀具尺寸為16 mm×16 mm×4.5 mm。在加工織構(gòu)之前，將刀具前刀面進(jìn)行拋光處理，去除刀具表面劃痕[18]。將拋光后的刀具放入超聲波清洗機(jī)中，加入無水乙醇沒過刀具，清洗10～15 min去除刀具表面的污漬，清洗完成后取出并放置自然風(fēng)干。

加工織構(gòu)所用激光器為IPG納秒激光器，其型號為YLPN-1-100-200-R，波長1 064 nm、脈沖寬度100 ns、頻率40 kHz，具體參數(shù)見表1。刀具初始及加工后的表面形貌由DSX510型體視顯微鏡(OLYMPUS)觀察獲得。輔助液體選用去離子水、硝酸-氫氟酸混合溶液、氫氧化鈉溶液，探究中性溶液、酸性溶液及堿性溶液對所加工織構(gòu)形貌的影響。

表1 激光器基本參數(shù)

2 不同情況下的織構(gòu)形貌

2.1 激光參數(shù)對織構(gòu)形貌影響

為了探究液相輔助激光加工工藝參數(shù)對織構(gòu)形貌的影響，通過納秒激光加工系統(tǒng)分別在空氣介質(zhì)和輔助液中對硬質(zhì)合金刀具表面進(jìn)行直線織構(gòu)加工，具體加工過程如圖1所示。圖1(a)將YG6硬質(zhì)合金刀具放置在激光系統(tǒng)操作平臺，直接在空氣中加工織構(gòu)；圖1(b)將YG6硬質(zhì)合金刀具放進(jìn)有去離子水的燒杯中，擺放到激光系統(tǒng)的工作臺上，在液體輔助條件下加工織構(gòu)。依據(jù)單因素分析法設(shè)置激光參數(shù)，具體激光參數(shù)見表2。調(diào)整刀具位置，激光對焦后開始加工。前期通過嘗試發(fā)現(xiàn)，溶液與刀具前刀面的距離對表面織構(gòu)加工質(zhì)量影響較大。距離太大會減弱激光光束能量，使加工出來的織構(gòu)尺寸很小，距離太小時，激光加工過程中產(chǎn)生的氣泡炸裂會造成刀具暴露于空氣中，影響液相輔助激光加工過程的穩(wěn)定性[19]。激光束穿過液體層到達(dá)刀具前刀面時，聚焦透鏡的焦距因?yàn)橐后w層的折射發(fā)生改變[20-21]。聚焦的線性激光束折射后，激光焦點(diǎn)與加工表面的距離[22]為

圖1 激光加工織構(gòu)示意

表2 具體激光參數(shù)

其中：f為聚焦透鏡在空氣中的焦距；l為液體厚度；n為液體折射率；r為未聚焦激光束半徑。當(dāng)r?f時，公式可簡化為

此實(shí)驗(yàn)選取去離子水的量為7.6 mL，液體上表面距刀具前刀面1 mm，去離子水的折射率為1.333[23]，通過計(jì)算激光焦點(diǎn)與加工刀具前刀面的距離為0.25 mm。

圖2—圖4所示為去離子水輔助下激光加工硬質(zhì)合金刀具的表面形貌及輪廓，可以看出：加工所得織構(gòu)呈現(xiàn)不規(guī)則蜂窩狀，因?yàn)榧す馐共牧线_(dá)到熱熔閾值后，材料濺射瞬間接觸去離子水后立即凝固、附著在織構(gòu)底部及兩側(cè)，使織構(gòu)呈現(xiàn)出凹坑和凸起相間的蜂窩狀。圖2所示為不同激光功率下形成的織構(gòu)形貌及輪廓，可以看出：織構(gòu)外輪廓寬度隨著功率的增大逐漸變寬，在功率為65 W時，織構(gòu)內(nèi)部凹坑變大，凸起的熔融物數(shù)量和體積減小。主要是由于隨著功率增大激光束能量增加，融化的材料面積變大，濺射出的材料量增加。圖3所示為不同掃描速度下的織構(gòu)形貌及輪廓，從圖2(a)、圖3可以看出：不同掃描速度下的織構(gòu)形貌基本一致，說明在液相輔助激光加工過程中掃描速度對織構(gòu)形貌的影響很小，可以忽略不計(jì)。

圖 2 不同功率下的織構(gòu)形貌及輪廓

圖3 不同掃描速度下的織構(gòu)形貌及輪廓

圖4 不同掃描次數(shù)下的織構(gòu)形貌及輪廓

圖4所示為不同掃描次數(shù)下的織構(gòu)形貌及輪廓，從圖2(a)、圖4中可以看出：織構(gòu)整體寬度變化很小，但隨著掃描次數(shù)的增加，織構(gòu)內(nèi)部凹坑面積增大，凸起數(shù)量和面積明顯減少。因?yàn)殡S著掃描次數(shù)增加，冷卻凝固在織構(gòu)底部和側(cè)邊的熔融物被重復(fù)照射、熔化，使凹坑面積逐漸增大。但過多的掃描次數(shù)會使刀具表面出現(xiàn)裂紋。

總體來看，液相輔助激光加工過程中，功率越大織構(gòu)尺寸越寬，掃描速度對織構(gòu)形貌影響較小，而掃描次數(shù)對織構(gòu)形貌的影響最為明顯。但是由于去離子水的存在，無法通過改變激光參數(shù)制備出輪廓清晰、形狀規(guī)則的表面織構(gòu)。

2.2 輔助液對微織構(gòu)形貌影響

YG6硬質(zhì)合金刀具主要成分為碳化鎢，是一種由鎢和碳組成的化合物，碳化鎢不溶于水、鹽酸和硫酸，易溶于硝酸-氫氟酸的混合酸中。文中選用去離子水、硝酸-氫氟酸混合溶液(體積比為1∶1)和氫氧化鈉3種溶液，采用功率為65 W、掃描速度為350 mm/s、掃描次數(shù)為160 次、波長為1 064 nm、脈沖寬度為100 ns、頻率為20 kHz的激光參數(shù)探究不同性質(zhì)的輔助液體對激光加工織構(gòu)形貌的影響。

圖5(a)是去離子水輔助下激光加工出來的織構(gòu)形貌，從右側(cè)圖中可以看出：凸起和凹坑所占面積大致相同且分布比較均勻。圖5(b)是硝酸和氫氟酸混合溶液輔助下激光加工所得織構(gòu)形貌，從右側(cè)圖中可以看出：凹坑所占面積較大，硝酸和氫氟酸可以溶解部分濺射出來的材料，使重新冷卻的熔融物數(shù)量減少。但是由于激光加工速度過快，濺射的材料無法充分溶解，少量重新凝結(jié)在織構(gòu)底部形成重鑄層。圖5(c)是氫氧化鈉溶液輔助下激光加工所得織構(gòu)形貌，從左側(cè)圖中可以看硬質(zhì)合金刀具表面呈現(xiàn)出黑色，表明在氫氧化鈉溶液中加工刀具存在明顯的氧化現(xiàn)象，熔化的材料與氧元素結(jié)合形成大量氧化物；且從右側(cè)圖中可以看出熔融物數(shù)量較多，織構(gòu)形貌相對較差。總的來說，在硝酸和氫氟酸混合溶液中加工出來的織構(gòu)形貌相對較好，在氫氧化鈉溶液中加工的織構(gòu)表面形貌相對較差。

圖5 不同輔助液下的微織構(gòu)形貌

2.3 不同形狀的織構(gòu)形貌

用相同激光參數(shù)分別在去離子水和空氣介質(zhì)中加工直線織構(gòu)和交叉線型織構(gòu)，激光功率為65 W，掃描速度為350 mm/s，掃描次數(shù)為160 次，波長為1 064 nm，脈沖寬度為100 ns，頻率為20 kHz，交叉掃描間距為0.2 mm×0.2 mm。

圖6所示為直線織構(gòu)形貌，可以看出：在去離子水輔助下，加工的直線織構(gòu)較空氣介質(zhì)下加工的直線織構(gòu)熔融物堆積更為嚴(yán)重，由于去離子水可以瞬間冷卻熔化的材料，使材料無法及時排出，形成不規(guī)則的蜂窩狀織構(gòu)形貌。從圖6(b)中可以看出：在空氣介質(zhì)下加工出的直線織構(gòu)呈現(xiàn)清晰的溝槽狀，加工時熔化的材料濺射出來，附著在溝槽兩側(cè)。圖7所示為交叉線型織構(gòu)，可以看出：空氣介質(zhì)中加工出來的織構(gòu)形狀較為清晰，但是熔融物較多，在刀具表面形成凸起，使得刀具表面更加粗糙；在去離子水輔助下加工出來的刀具表面更加平整，熔融物數(shù)量較少且分布均勻。

圖7 去離子水(a)及空氣(b)介

總的來說：在空氣中加工織構(gòu)時，所加工織構(gòu)形貌輪廓規(guī)則清晰，適合加工特定形狀的表面織構(gòu)；液體輔助加工時，熔融物分布比較均勻，刀具表面較為平整，更適于加工無特定形狀的大面積表面。

3 結(jié)論

文中通過改變激光參數(shù)、輔助液類型以及織構(gòu)形狀探究了液相輔助激光加工對織構(gòu)表面形貌的影響，得出以下結(jié)論：

(1)液相輔助激光加工織構(gòu)時，激光參數(shù)可以直接影響織構(gòu)形狀和尺寸，掃描次數(shù)對織構(gòu)形貌的影響最為明顯，次數(shù)越多形成的熔融物數(shù)量越少，但過多的掃描次數(shù)會使刀具表面產(chǎn)生裂紋。當(dāng)激光功率為65 W、掃描速度為350 mm/s、掃描次數(shù)為160 次時可以獲得相對較好的織構(gòu)形貌。

(2)液相輔助激光加工織構(gòu)過程中，熔化濺射的材料遇到液體迅速冷卻凝固，甚至?xí)又厝廴谖镏罔T現(xiàn)象。但在硝酸和氫氟酸的混合溶液中加工織構(gòu)時，熔化的部分刀具材料溶于混合酸中，減少了熔融物的形成。由于激光加工時間短，材料無法充分溶解，仍然有少量重新附著在織構(gòu)周圍。

(3)在硬質(zhì)合金刀具表面加工交叉線型織構(gòu)時，液相輔助激光加工所得表面更為平整。液相輔助激光加工技術(shù)更適用于加工無特定形狀的表面織構(gòu)，而具有一定形狀的局部織構(gòu)加工應(yīng)選擇直接在空氣中加工。