周浩，趙振宇，周后明，李凱，尹杰

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學院，廣東 深圳 518172；2.湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭 411105）

拋光是一種去除材料的過程，通常利用機械、化學或電化學的作用，對工件表面進行加工處理，以產(chǎn)生更光滑、平正的表面[1-3]，但是這樣不僅浪費了原材料，而且傳統(tǒng)的研磨拋光技術(shù)具有以下局限性：低拋光率、工藝自動化困難、高消耗成本、廢物處理問題等[4]。近年來的激光拋光研究進展表明，激光拋光作為一種新型材料表面拋光工藝，相對于傳統(tǒng)拋光工藝，擁有獨特的優(yōu)勢，如無材料損耗、可以實現(xiàn)曲面拋光、可以選區(qū)域拋光等[3]。激光拋光是一種快速加熱和冷卻的材料表面處理工藝，會在很短的時間內(nèi)將材料表面加熱至熔點，而且在達到相同質(zhì)量效果的前提下，拋光效率是傳統(tǒng)機械拋光效率的8 倍以上，是熟練技師人工拋光效率的30 倍以上[5-6]，并且在整個拋光過程中沒有材料損失。激光作用在金屬材料表面，使材料表面開始吸收激光能量并轉(zhuǎn)化為熱能，當金屬材料表面積累一定的熱量時，材料表面上的微觀高峰位置會先達到熔點而熔化，熔化部分在表面張力和重力的共同作用下，從頂峰流向低谷[7-9]。

激光拋光分為連續(xù)激光拋光和脈沖激光拋光[10-12]。大量學者進行了連續(xù)激光或脈沖激光的拋光研究在脈沖激光方面，Chao 等[13]用有限元法建立了耦合傳熱和流體流動的二維軸對稱瞬態(tài)模型，不僅預測了自由變形表面輪廓的演化，而且研究了激光脈沖持續(xù)時間對熔池流動的影響，在研究過程中發(fā)現(xiàn)較長的脈沖會產(chǎn)生更明顯的流體流動，并且模擬了熔池的熔化和再凝固，為熔池的瞬態(tài)演化和表面形貌的變化提供了更真實的信息。Wang 等[14]建立了熱毛細區(qū)脈沖激光微拋光的表面預測模型，并通過實驗驗證了其表面粗糙度誤差在15%以下。Chang 等[15-16]通過改變離焦量、激光功率、掃描速度、脈沖頻率以及脈沖持續(xù)時間和重疊率等參數(shù)，進行了3 個階段的實驗，最后成功將表面粗糙度從(0.2853±0.0305) μm 降低至0.150 μm。Nüsser 等[17]利用脈沖激光在不同的脈沖持續(xù)時間下進行拋光實驗，最終表面粗糙度降低率高達72.4%。Ata 等[18]研究了激光拋光對H11 工具鋼重熔表層組織性能的影響，在降低表面粗糙度的同時，激光拋光能使得晶粒細化和硬度顯著增加。

在連續(xù)激光方面，Mohajerani 等[19]在有限元分析軟件ANSYS Fluent 中建立了一個三維非定常傳熱CFD 模型，對H13 工具鋼的連續(xù)波（CW）激光拋光進行了數(shù)值分析。張偉康等[20]使用半導體連續(xù)激光器拋光H13 工具鋼，并將粗糙度從4.265 μm 降低至0.4 μm。通過有限體積模型計算熔池的寬度和深度，得到了整個工件的溫度分布，所建立的模型考慮了熱容、熱導率和密度對溫度的依賴性，并通過標定實驗確定了工件吸熱系數(shù)的合適值。Obeidi 等[21]使用連續(xù)激光，在改變激光掃描重疊次數(shù)（OV）、材料的轉(zhuǎn)速和離焦量的情況下，對金屬增材制造的圓柱形316L不銹鋼進行了拋光，結(jié)果顯示，在參數(shù)OV 為20%、材料轉(zhuǎn)速為20 r/min、離焦量為零時，材料的表面粗糙度最佳，由10.4 μm 降低至2.7 μm。Ukar 等[22]也使用CO2連續(xù)激光器拋光DIN 1.2379 冷作模具鋼，并將初始粗糙度降低了75%以上。

在激光拋光領域，連續(xù)激光主要運用于粗拋光，可大幅度降低材料表面的粗糙度，速度快、效率高，但是對材料的熱影響較大，重熔層較深。脈沖激光主要用于精拋光，可進一步平滑材料表面，對材料的熱影響較小[23]。兩種激光輸出方式都對材料表面具有一定的改性作用，根據(jù)材料的不同，可細化晶粒，提高硬度、耐腐蝕性等[18]。

目前的研究主要在單激光器拋光，很少有學者同時采用兩種激光進行拋光實驗。Zhou 等[5]發(fā)展了一種利用雙光束激光快速拋光自由曲面的方法，先利用連續(xù)激光對材料進行第一次拋光，脈沖激光緊隨其后對材料進行第二次拋光，將表面粗糙度降低80%以上，但是并沒有研究各類激光參數(shù)對拋光工藝的影響以及雙激光拋光后的材料性能變化。

本文使用連續(xù)激光和脈沖激光對S136D 模具鋼進行拋光實驗，通過變換激光功率、掃描速度、掃描間距等激光參數(shù)，大幅降低表面粗糙度，并研究了在連續(xù)激光和脈沖激光共同作用下的材料性能變化。

1 實驗

1.1 材料

本文使用的S136D 模具鋼是一種新型的塑料模具鋼，擁有良好的拋光性能，其基本化學成分如表1所示，較高的鉻含量和較低的硫含量提升了S136D的抗腐蝕性能和防銹化性能。在進行實驗前，該樣品先經(jīng)過淬火和回火，再線切割成120 mm×115 mm×5 mm的鋼板。拋光前，使用洗板水進行清洗，初始表面粗糙度Ra=7.973 μm。

表1 S136D 模具鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of S136D die steel wt%

1.2 實驗裝置和檢測設備

實驗中所使用的激光器有兩種，分別是連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器。連續(xù)光纖激光器功率范圍為150～1000 W，激光焦距為720 mm，可變焦范圍為0～60 mm，在焦點位置，激光光斑直徑為0.3 mm。脈沖光纖激光器功率范圍為10～50 W，激光光斑直徑為0.2 mm。實驗裝置以及原理如圖1a—b 所示，激光光源由激光器發(fā)出，擴束鏡調(diào)整激光光束直徑和發(fā)散角，鏡片位于激光振鏡內(nèi)部，作用是調(diào)整激光光束位置，確保激光照射在工件表面。

圖1 實驗設備及拋光原理Fig.1 (a) Experiment device; (b) principle of experiment device; (c) diagram of dual-beam laser polishing

使用金相顯微鏡（CX200E）觀察試驗樣品的表面形貌。使用白光干涉儀（BRUKER WYKO Contour GT-K）測量樣品的三維形貌及表面粗糙度Ra，再對拋光前后的表面形貌做XRD 圖譜分析。摩擦磨損實驗采用CFT-I 材料表面性能綜合測試儀在室溫下進行，負載為50 N，摩擦速度為10 mm/s，摩擦時間為30 min，摩擦副為Si3N4（直徑為3 mm）。將拋光后的樣品，利用快走絲線切割成小方塊。為避免快走絲線切割造成的熱影響，使用150#砂紙將橫截面磨除1 mm，然后用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#水磨砂紙粗磨，最后在拋光機（Mo?Pao2DE）上采用500 r/min 的轉(zhuǎn)速進行拋光。采用二氧化硅粒徑為50 nm 的拋光液，磨至鏡面無劃痕。利用納米壓痕儀（ContourGT）測量樣品的壓痕硬度和楊氏模量，再采用SEM（Tescan Mira 3 XH）觀察拋光后橫截面的微觀組織并進行EDS 能譜分析。

1.3 方法

在拋光實驗前，通過白光干涉儀測得樣品的初始表面粗糙度為7.973 μm。樣品先用不同參數(shù)的連續(xù)激光進行拋光，拋光范圍為10 mm×10 mm 的正方形區(qū)域。拋光后，分析各類激光因素對表面粗糙度的影響，并找出最好的一組參數(shù)。圖1c 為雙激光拋光示意圖，藍色圓柱體為連續(xù)激光，紅色圓柱體為脈沖激光，dcw為連續(xù)激光的光斑直徑，dpusled為脈沖激光的光斑直徑，vsc為掃描速度。在連續(xù)激光拋光完成后，立即用脈沖激光進行第二次拋光。本文所有激光光源在實驗中都是先沿x軸方向移動，覆蓋整個拋光區(qū)域后，再沿y軸方向移動，直至再次覆蓋整個拋光區(qū)域。

在本文中，連續(xù)激光和脈沖激光的掃描間距實驗，有些參數(shù)與激光功率、掃描速度的實驗參數(shù)相同。為了確保結(jié)果的真實性，實驗重新進行了一次，但是在相同的實驗參數(shù)下，實驗結(jié)果有些許差異，原因如下：

1）材料表面微觀結(jié)構(gòu)的差異。沒有兩個拋光區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)是完全相同的，激光照射在材料表面后，所發(fā)生的反射和材料表面與激光的接觸面積均不相同。

2）材料自身的溫度。由于此次選用的材料是120 mm×115 mm×5 mm 的S136D 模具鋼板，每塊材料可以拋光上百個區(qū)域，所以在拋光第二個區(qū)域時，會留有第一次拋光時產(chǎn)生的余熱，而且前一次拋光的能量密度與后一次拋光的能量密度不同，所以留有的余熱也不相同，導致每次拋光的起始溫度存在差異。

2 結(jié)果及分析

2.1 連續(xù)激光對S136D 模具鋼表面形貌的影響

為了研究連續(xù)光纖激光器的各類激光參數(shù)對S136D 模具鋼表面形貌的影響，本文分析了掃描速度、掃描間距、能量密度等因素對表面粗糙度的影響。

連續(xù)光纖激光器的實驗參數(shù)如表2 所示，激光功率范圍為150～220 W，激光掃描速度范圍為10～70 mm/s，焦點作用在樣品表面，所以激光光斑直徑為0.3 mm，激光掃描間距為0.01～0.3 mm。為了研究掃描速度對表面粗糙度的影響，在功率范圍150～220 W 之間進行了8 組實驗。圖2 顯示了在不同功率下掃描速度對表面粗糙度的影響，可以看出，在不同功率下，隨著掃描速度的增加，Ra的變化趨勢大致是先下降再上升，掃描速度為15～35 mm/s 時，拋光效果較好。

圖2 不同功率下掃描速度對表面粗糙度的影響Fig.2 The influence of scan speed on surface roughness under different power

表2 激光拋光參數(shù)（連續(xù)光纖激光器）Tab.2 Laser Polishing Parameter (Continuous Fiber Laser)

圖3a 是能量密度（ED）與表面粗糙度關系的散點圖。連續(xù)激光的能量密度（式1）表示每個表面單元的輻射能量，本質(zhì)上取決于3 個參數(shù)：激光功率、輻射時間和光斑大小[3]。

式中：P表示激光功率，vf表示激光掃描速度，d表示光斑直徑。

從圖3a 中可以看出，擬合曲線呈現(xiàn)U 型，能量密度過高或過低都不利于降低表面粗糙度。這樣就可以解釋為什么圖2 中掃描速度與表面粗糙度的關系呈U 型，掃描速度在15 mm/s 以下時，激光移動速度較慢，能量密度過大，材料表面熔化過深，導致熔融材料還未停止震蕩就已經(jīng)冷卻，材料表面重新生成不平整輪廓，形成SOM 現(xiàn)象[24]，如圖4c 所示；而在掃描速度35 mm/s 以上時，由于能量密度過小，導致材料表面未充分熔化，所以未能平整初始表面，如圖4a 所示；掃描速度為15～35 mm/s 時，熔融區(qū)域為峰腰及以上位置，由于材料自身的重力和表面張力以及其他形式力的影響，材料熔融部分由上至下填滿峰谷，獲得更低的表面粗糙度（SSM）[24]，如圖4b 所示。圖3b 是表面粗糙度降低率的散點圖，可以看出，在整個實驗中，表面粗糙度降低率為82%～90%，拋光效果較好。

圖3 能量密度與表面粗糙度和表面粗糙度降低率的關系Fig.3 Surface roughness (a) and surface roughness reduction rate (b) with energy density

圖4 激光拋光機理Fig.4 Laser polishing principle: (a) not fully melted; (b) SSM;(c) SOM

為了更大程度上降低表面粗糙度，將變量“掃描間距”引入實驗中。掃描間距是指兩道激光路徑中心線之間的垂直距離。本實驗的激光光斑直徑是0.3 mm，所以當掃描間距為0 mm 時，表示兩道激光路徑完全重合，重疊率為100%；當掃描間距大于或等于0.3 mm時，兩道激光路徑不重疊，重疊率為0%。

圖5 展示了掃描間距對表面粗糙度的影響。為了使表面粗糙度進一步降低，實驗設置了4 種功率170、180、190、200 W，掃描速度為20、25、30、35 mm/s，掃描間距為0.01～0.3 mm。在不同的功率和掃描速度下，隨著掃描間距的增大，表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，并且30 mm/s 所對應參數(shù)的表面粗糙度較低，其中圖5c 和圖5d 最明顯。從圖5 中可以看出，掃描間距較好的范圍為0.03～0.10 mm，在這個范圍內(nèi)表面粗糙度較低，兩道激光路徑的重疊率為66.67%～90%。當掃描間距小于0.03 mm 時，兩道激光路徑的重疊率在90%以上；當掃描間距大于1.0 mm時，兩道激光路徑的重疊率小于66.67%。而掃描間距小于0.03 mm 和大于0.10 mm 時，表面粗糙度在1.0 μm 以上，拋光效果較差，掃描間距在0.20 mm 以上時，這種現(xiàn)象更明顯。在激光拋光中，重疊率過小，則不能顯著地改變初始表面輪廓，但是過高的重疊率會導致過度加熱，導致表面再凝固不均勻，進而破壞材料的機械性能和表面完整性。這一觀察結(jié)果強調(diào)了選擇適當程度的重疊率的必要性。

圖5 不同激光功率和掃描速度下掃描間距對表面粗糙度的影響Fig.5 The influence of scanning interval on surface roughness under four laser powers and four scan speed

為了更準確反映拋光表面的三維微觀形貌，將白光干涉儀的測量區(qū)域設置為5.0 mm×5.0 mm 進行測量，結(jié)果如圖6 所示。圖6a 展示了拋光前的三維形貌圖像，波峰最高值Rp=76.813 μm，波谷最低值Rv= -68.645 μm，波峰與波谷的高度差Rt=145.458 μm。圖6b 表示拋光后樣品表面的三維形貌圖像，可以看出，表面粗糙度Ra=0.872 μm，波峰最高值Rp=58.754 μm，波谷最低值Rv= -8.878 μm，波峰與波谷的高度差Rt=67.632 μm，相比初始表面，Ra降低了89.06%。

圖6 初始表面及連續(xù)激光拋光后的三維形貌圖Fig.6 Three-dimensional topography of initial surface (a) and after continuous laser polishing (b)

2.2 雙激光對S136D 模具鋼表面形貌的影響

為了研究雙激光拋光對S136D 模具鋼表面形貌的影響和進一步降低表面粗糙度，第一道連續(xù)激光采用拋光效果最好的參數(shù)（即：P=190 W，v=30 mm/s，d=0.05 mm），對第二道脈沖激光進行激光功率、掃描速度、掃描間距等參數(shù)的分析，脈沖激光的具體參數(shù)如表3 所示。

表3 激光拋光參數(shù)（脈沖光纖激光器）Tab.3 Laser polishing parameter (pulsed fiber laser)

雙激光拋光后，脈沖激光的激光功率、掃描速度與表面粗糙度的關系如圖7 所示。由于脈沖激光的功率范圍為10～50 W，為了更好地觀察這兩種因素對表面粗糙度的影響，激光功率設置的跨度較小，對于小功率的脈沖激光，激光功率的變化跨度越大，拋光后表面粗糙度變化越明顯。脈沖功率為10 W 時，由于能量較小，溫度未達到材料熔點，所以表面粗糙度無明顯變化。隨著功率的增加，表面粗糙度的變化越來越明顯。當功率范圍為20～30 W 時，表面粗糙度隨著掃描速度的增加，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。最低表面粗糙度降至0.8 μm 以下，雖然效果不是非常明顯，但是實驗結(jié)果表明雙激光拋光技術(shù)可以進一步改善表面形貌。

圖7 不同功率下掃描速度對表面粗糙度的影響Fig.7 The effect of scan speed on surface roughness under different powers

為了將粗糙度再次降低，引入變量掃描間距。圖8 為在激光功率為25、30 W 下，掃描間距與表面粗糙度之間的關系。從圖8 中可以觀察到，隨著掃描間距的增加，表面粗糙度也是呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢，掃描間距為0.03～0.07 mm 時，表面粗糙度的降低程度非常明顯，在激光功率為30 W、掃描速度為20 mm/s、掃描間距為0.04 mm 時，表面粗糙度降至最低，為0.67 μm。其三維表面形貌如圖8c 所示，相對于連續(xù)激光拋光后的表面，雙激光拋光方式將粗糙度進一步降低，與初始表面相比，表面粗糙度降低率達到了91.6%。當掃描間距大于0.12 mm 時，粗糙度要高于圖6b 所示的粗糙度。這是因為雙激光拋光是先后采用連續(xù)激光和脈沖激光對材料表面進行拋光，在連續(xù)激光拋光后，材料表面留有殘余熱量，所以脈沖激光開始拋光時，材料并不是室溫，溫度會遠高于室溫，而材料的密度、動態(tài)黏度等熱物理參數(shù)會隨著溫度的提高而降低，所以在脈沖激光拋光時，很容易在材料表面留下痕跡，而掃描間距增大時，第二道脈沖激光未能平復前一道脈沖激光所留下的痕跡，所以導致了粗糙度會高于圖6b 所示的粗糙度。

圖8 不同功率和掃描速度下掃描間距對表面粗糙度的影響及脈沖拋光后的三維形貌Fig.8 The effect of scanning interval on surface roughness under different power and scanning rate (a, b); three-dimensional topography after pulsed laser polishing (c)

2.3 激光拋光后材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能變化

圖9 為初始表面、連續(xù)激光拋光后以及雙激光拋光后的XRD 分析數(shù)據(jù)。在XRD 數(shù)據(jù)分析中，可以看出主要物相為Fe2O3相、CrFe7C0.45相以及Fe-Cr 相。在連續(xù)激光拋光的過程中，由于氬氣未充分填充，導致表面氧化生成了Fe2O3，然而在雙激光拋光的XRD數(shù)據(jù)中，氧化物Fe2O3有明顯的減少。CrFe7C0.45是一種具有CrFe7與C 層狀密排結(jié)構(gòu)的γ′相殘余奧氏體[25]，在兩種不同的拋光方式后，CrFe7C0.45相都有明顯的增多，這是因為從高溫向室溫冷卻過程中會有更多的γ′相殘余奧氏體殘留。在實際生產(chǎn)中，用連續(xù)激光拋光大型物件時，為了保證工件表面不被氧化，需要使用非常大的密封裝置和大量的惰性氣體，導致成本過高。上述結(jié)論說明，雙激光拋光正好解決這類問題。拋光后的摩擦系數(shù)如圖9b 所示，初始表面的平均摩擦系數(shù)為0.690，連續(xù)激光拋光后的平均摩擦系數(shù)為0.609，雙激光拋光后的平均摩擦系數(shù)是0.591。由于粗糙度的降低，表面更光滑，所以摩擦系數(shù)也隨之降低。

圖9 初始表面、連續(xù)激光拋光表面以及雙激光拋光表面的XRD 圖譜及摩擦系數(shù)Fig.9 The XRD spectrum and friction coefficient of the initial surface, continuous laser polishing and dual-beam laser polishing

激光拋光后，加工表面亞表層的微觀結(jié)構(gòu)、硬度以及楊氏模量如圖10 所示。從圖10a 可以看出，加工表面亞表層出現(xiàn)了明顯的結(jié)構(gòu)分層，區(qū)域A 為重熔區(qū)域，該區(qū)域深度大概為50 μm 左右，區(qū)域B 為熱影響區(qū)域，區(qū)域C 為退火區(qū)，區(qū)域D 為基體。激光拋光工藝本質(zhì)是再一次對材料表面進行熱處理，在整個拋光過程中，從材料表面到亞表層深處的溫度逐漸降低，導致A、B、C、D 4 個區(qū)域的差異性（如圖11）。不僅如此，其硬度、楊氏模量也產(chǎn)生了差異。圖10b、圖10c 是采用納米壓痕儀測量的硬度和楊氏模量，可以看出，區(qū)域A 和區(qū)域B 的硬度和楊氏模量要高于區(qū)域C 和區(qū)域D。這是因為在重熔區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒，由于高溫影響，發(fā)生了晶粒細化。晶粒越細，不僅硬度越高，表面磨損率也隨之降低，耐摩擦性能更好（如圖12），而且晶界面越多，晶界越曲折，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展，彼此就越緊固，強度和韌性就越好。

圖10 材料內(nèi)部的顯微組織、硬度及楊氏模量Fig.10 Microstructure (a), hardness (b), and Young’s modulus (c) of materials

圖11 加工表面亞表層的4 個區(qū)域Fig.11 Four areas of the subsurface of a machined surface

圖12 不同拋光方式下的磨損率Fig.12 The Wear Rate under Different Polishing Method

在SEM 圖下觀察到了在馬氏體上分布著未熔融的圓形碳化物的存在，通過EDS 對其Fe、Cr、C、O、Si 等元素進行點掃描、面掃描，如圖13 所示。從圖13 中可以看出，在碳化物范圍內(nèi)，F(xiàn)e 元素的含量相對較少，但是可以明顯看到大量的Cr 元素。Cr 是中等強度的碳化物形成元素，說明該碳化物主要為含Cr 碳化物。Cr 的碳化物穩(wěn)定、不易長大，可細化晶粒，改善碳化物的均勻性。

圖13 點掃、面掃EDS 能譜圖Fig.13 Point and surface EDS: (a) energy spectrum point position (b) Fe element (c) Cr Element (d) C element (e) O element (f)Si element (g) point 1 energy spectrum (h) point 2 energy spectrum

3 結(jié)論

1）通過改變連續(xù)激光器的激光功率、掃描間距和掃描速度等參數(shù)，可以將初始表面粗糙度為7.973 μm的S136D 模具鋼降低至0.872 μm，表面粗糙度降低率達89.02%，而且當能量密度范圍在2000～4000 J/cm2時，表面能更好地被平滑。但是當掃描間距小于0.03 mm和大于0.10 mm 時，會出現(xiàn)過熔融現(xiàn)象和未完全熔融現(xiàn)象，導致粗糙度的降低效果并不顯著。

2）使用雙激光對S136D 模具鋼進行拋光實驗，最終表面粗糙度降至0.670 μm。連續(xù)激光拋光時，由于氬氣填充不充分而產(chǎn)生的Fe2O3，可以被脈沖激光去除，所以脈沖激光對模具鋼表面氧化物具有清洗的作用。脈沖激光是在連續(xù)激光殘余熱量下進行拋光的，所以脈沖激光使用很少的能量就能讓材料達到熔點，這樣就實現(xiàn)了能量的第二次利用。但是當掃描間距過大時，第二道脈沖激光不能平復前一道脈沖激光所留下的痕跡，這樣會導致粗糙度增大。

3）在激光拋光后，材料內(nèi)部可以分為4 個區(qū)域，從上到下依次是重熔區(qū)、熱影響區(qū)、退火區(qū)以及基體。相對于基體部分，熔融區(qū)的硬度和楊氏模量明顯提高，而表面磨損是塑膠模具鋼主要的失效形式之一，重熔區(qū)的硬度提高有利于抵抗這種失效形式，馬氏體上的碳化物更有利于細化晶粒，改善材料的機械性能。