王 濤,康清川

(河北工業(yè)大學機械工程學院,天津 300312)

1 引 言

Ti6Al4V鈦合金在制造業(yè)中應用廣泛,具有優(yōu)良的耐腐蝕性、比強度高等優(yōu)點,廣泛應用于航空制造、生物醫(yī)學領域,因此對該材料表面的質(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]。

使用激光拋光技術提升材料表面質(zhì)量,國內(nèi)外許多學者進行了大量的研究: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)量優(yōu)化程度,并進行耐腐蝕實驗,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,實驗表明,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、光斑重疊率對激光拋光的影響,實驗表明,在不同參數(shù)設置下,激光對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)過大量的實驗數(shù)據(jù)分析得到,脈沖寬度為200～300 ns時,粗糙度降低程度最大[6]。Hua等人通過拋光實驗發(fā)現(xiàn)脈沖寬度的長短對材料表面粗糙度有著重要的影響,同時研究了頻率大小與材料表面粗糙度的關系,得到頻率過高或者過低都會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)模型研究拋光實驗中金屬表面形貌變化的過程,實驗表明,拋光中材料表面熔融區(qū)熔化物由于毛細力和熱毛細力的作用,由高表面流向低表面,激光功率、掃描速度對其影響作用很大[10]。廖聰豪等人采用了氬氣保護下拋光鈦合金,研究材料表面粗糙度的大小、晶粒晶格的變化、材料表面殘余應力以及進行金相實驗分析,探究拋光后鈦合金的耐腐蝕性,實驗結(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Ti6Al4V鈦合金材料進行拋光實驗,在不同參數(shù)設置以及不同表面形貌下研究激光拋光對材料表面產(chǎn)生的影響,驗證激光拋光實驗由多種因素決定,合理的設置參數(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 拋光實驗整體設計

2.1 實驗方案

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

圖1 改進單因素實驗方法下的實驗流程圖

2.2 實驗材料

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

表1 Ti6Al4V的化學成分 (質(zhì)量分數(shù):%)

2.3 實驗設備

拋光實驗使用圖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脈沖光纖激光設備及光纖激光器

表2 CETC26thPFL脈沖光纖激光器參數(shù)

拋光實驗前后試樣表面使用日立S-4800場發(fā)射掃描電鏡進行表面微觀形貌檢測,同時進行能譜(EDS)分析,確定元素組成；試樣前后表面粗糙度的測量使用北京時代之峰TIME3220觸針式表面粗糙度儀。

3 拋光實驗研究及分析

3.1 功率密度對拋光結(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,達不到激光拋光的目的。平均功率密度公式為:

(1)

經(jīng)過改進的單因素實驗方法進行大量參數(shù)數(shù)據(jù)實驗后,設置大致理想實驗參數(shù)如下:激光重疊率30 %,激光波長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,對應功率為507 W,589 W,648 W,由公式(1) 計算得到對應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”型掃描路徑進行激光拋光實驗。實驗結(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,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間長,激光經(jīng)過時還未達到熔融溫度便進行下一個區(qū)域的掃描,在不同位置拋光達到的效果不同；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,在表面張力作用下,熔融的液體向四周擴散,掃描過的區(qū)域溫度較低,熔融的液體只能跟隨激光移動的方向流動于是造成了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)象是由于時間過長,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體積相對液態(tài)下減小形成局部應力,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,重新凝固時形成的應力相比低功率密度下形成的應力更大,熔融區(qū)熔化物重新凝固時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,同時對拋光后表面圖4(a)所示的顆粒物進行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,當進行激光拋光實驗時,材料表面在激光的作用下,與空氣中的氧氣發(fā)生反應,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

對于拋光后出現(xiàn)的顆粒物進行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 表面粗糙度的測量

使用TIME3220粗糙度儀對拋光前后材料表面進行粗糙度的測量,如表4所示,當平均功率密度為23.48 W/mm2時,表面粗糙度降低最大,可達到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,因此當平均功率密度為23.48 W/mm2左右時,粗糙度降低程度最大,平均功率密度對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 頻率對拋光結(jié)果的影響

頻率對拋光結(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)過改進的單因素實驗方法進行大量參數(shù)數(shù)據(jù)實驗后,設置大致理想實驗參數(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,熔融區(qū)的熔化物在激光的作用下向兩邊移動,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),這是因為隨著激光頻率的增加,材料表面的熔化物發(fā)生劇烈氧化所致。圖6(c)、(d)中,當激光掃描速度加快后,頻率越高,光斑個數(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。這是因為當激光頻率增大時,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)生的氧化反應更加劇烈,材料中的碳元素也隨其到達材料表面。

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 表面粗糙度的測量

表6所示為兩種掃描速度下對應不同頻率的粗糙度測量結(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,當在600 mm/s、30 kHz以及800 mm/s、30 kHz時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)下的粗糙度測量

3.3 材料初始表面形貌對拋光結(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,對其進行拋光實驗,在其他參數(shù)都相同的情況下,二者達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,這是因為熔融區(qū)熔化物凝固后產(chǎn)生的應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于激光拋光實驗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 表面粗糙度的測量

對拋光前后的材料表面進行粗糙度測量,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備拋光Ti6Al4V材料,在改進單因素實驗方法進行大量實驗后,選取拋光效果較好的實驗數(shù)據(jù)進行分析,使用掃描電鏡觀察材料形貌以及元素變化,使用粗糙度儀對拋光前后材料表面的粗糙度進行測量,得出結(jié)論:激光參數(shù)設置的大小決定了材料表面的熔深程度,只要參數(shù)設置的合理,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。對不同表面形貌的材料,由于材料表面對激光的吸收率不同,達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。