曾俊勇，趙振宇，婁 燕，李 凱，尹 杰，王 超

（1.深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518061；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院中德機(jī)器人學(xué)院，廣東 深圳 518172）

Ti6Al4V具有耐腐蝕性好、密度小、比強(qiáng)度高和拋光性好等良好的綜合性能，廣泛應(yīng)用于生物、航天和其他領(lǐng)域[1]，也被稱為TC4。TC4被公認(rèn)為最受歡迎的鈦合金產(chǎn)品，幾乎占據(jù)了當(dāng)今世界所用鈦產(chǎn)品一半的市場(chǎng)份額[2]。在工業(yè)領(lǐng)域方面，由于其密度小、耐腐蝕性好，常用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)葉片、葉輪、緊固件、支架、管道等。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于其良好的生物相容性，常用于制造人工心臟和血液支架等昂貴的醫(yī)學(xué)器械[1,3]。除此之外，鈦合金還在石油化工、汽車、造船等領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用。市場(chǎng)對(duì)鈦合金的需求越來(lái)越高，對(duì)鈦合金表面質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，如何提高鈦合金表面質(zhì)量是急需解決的問(wèn)題。

拋光技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中重要的表面加工技術(shù)，拋光效果的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)拋光技術(shù)的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的拋光方法有：機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、等離子體拋光等[1,4]。傳統(tǒng)的拋光技術(shù)需要耗費(fèi)大量的人力，不僅在拋光過(guò)程中需要去除一部分材料，產(chǎn)生浪費(fèi)，而且可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

相比于傳統(tǒng)的拋光技術(shù)，近年來(lái)，新興的激光拋光技術(shù)逐步走進(jìn)人們的視野[5]。激光拋光技術(shù)是一種選擇性的區(qū)域拋光技術(shù)，可以對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行快速拋光，降低其表面粗糙度。激光拋光過(guò)程是通過(guò)振鏡將激光器發(fā)出來(lái)的激光聚焦在材料表面，材料表面吸收激光能量，溫度快速增加，達(dá)到材料的熔點(diǎn)，形成熔池，熔池在重力和表面張力的作用下流動(dòng)，隨著光斑移動(dòng)，熔池也會(huì)跟隨移動(dòng)。之前熔化形成的熔池重新凝固，使得表面材料重新分配，降低了表面粗糙度和提高了表面光潔度[4,6]。

1 鈦合金拋光機(jī)理

1.1 表面淺熔融機(jī)理（SSM）

2002年，國(guó)外學(xué)者Ramos及其團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了激光拋光存在兩種拋光機(jī)制[7-9]：表面淺熔融（SSM）和表面過(guò)熔融（SOM）。圖1是表面淺熔融和表面過(guò)熔融示意圖，在表面淺熔融（SSM）過(guò)程中，當(dāng)作用在材料表面的能量密度超過(guò)材料熔點(diǎn)時(shí)，會(huì)使材料融化，且熔化深度不超過(guò)峰谷值，峰區(qū)材料在重力和表面張力的作用下會(huì)流向谷區(qū)，從而達(dá)到“熔峰填谷”的效果，使表面變得光滑。隨著能量密度增加，熔化深度增加，當(dāng)熔化深度超過(guò)峰谷值后就形成了表面過(guò)熔融（SOM）。在SOMⅠ中，由于熔池深度h和溫度變化ΔT相對(duì)較低，幾乎不產(chǎn)生震蕩，可以起到光滑表面的效果。隨著熔池深度和液體過(guò)熱的繼續(xù)增大，當(dāng)達(dá)到SOM Ⅳ后，會(huì)在材料表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的震蕩和鐵氧化，使得表面粗糙度變大，甚至?xí)^(guò)初始表面粗糙度值。

圖1 表面淺熔融和表面過(guò)熔融示意圖

2004年，Mai團(tuán)隊(duì)首次提出了微熔化的觀念[10]，研究了激光拋光對(duì)304不銹鋼表面的表面形貌、硬度、耐腐蝕性能的影響效果。采用內(nèi)部開發(fā)的一維有限差分傳熱模型模擬出了拋光過(guò)程中材料的快速熔化和凝固過(guò)程。拋光后的表面粗糙度是75nm，相比于初始表面粗糙度是195nm，降低64%。

2009年，Perry等人利用脈沖激光微拋光技術(shù)在空氣中拋光經(jīng)微磨處理的鈦合金（Ti6Al4V）樣品，觀察到拋光表面存在裂紋等缺陷[11-12]。這種缺陷主要是由于表面氧化所引起的。同時(shí)，采用脈沖激光微拋光技術(shù)拋光鎳樣品，首次引入臨界頻率來(lái)預(yù)測(cè)空間頻率下的拋光效果。即當(dāng)熔化持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于傅立葉分量的時(shí)間常數(shù)時(shí)，拋光表面的振幅將顯著降低。相反，如果熔融時(shí)間明顯短于時(shí)間常數(shù)，則傅立葉分量的振幅變化很小。通過(guò)建立一維瞬態(tài)模型來(lái)預(yù)測(cè)鎳樣品的最大熔池深度和寬度。當(dāng)臨界頻率小于材料的空間頻率，表面的粗糙度明顯降低。

2012年，Vadali 等人在Perry等人的基礎(chǔ)上將一維空間頻率的概念擴(kuò)展至二維空間頻率[13]。并且用它來(lái)預(yù)測(cè)脈沖激光微拋光的拋光表面形貌和粗糙度。通過(guò)建立二維軸對(duì)稱傳熱模型來(lái)預(yù)測(cè)熔池的深度和寬度，分析了熔池表面由表面張力和粘度力產(chǎn)生的阻力會(huì)使穩(wěn)態(tài)毛細(xì)波發(fā)生震蕩。預(yù)測(cè)的表面高度和空間頻率和實(shí)際的表面高度和空間頻率十分吻合。對(duì)于650ns的脈沖持續(xù)時(shí)間來(lái)說(shuō)，最大的熔池熔化持續(xù)時(shí)間是1164ns，空間頻率是115mm-1。同年，Ukar等人通過(guò)快速傅里葉變換（FFT），對(duì)初始表面形貌空間頻譜濾波后獲得了拋光表面的形貌，并開發(fā)了一種基于物理的表面預(yù)測(cè)方法，結(jié)合了流體流動(dòng)模型和數(shù)值傳熱模型，可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)毛細(xì)管狀態(tài)下的拋光表面形貌[14]。

2015年，Wang等人又在Vadali團(tuán)隊(duì)的基礎(chǔ)上建立了基于熱毛細(xì)力機(jī)制的表面預(yù)測(cè)模型[15]，先采集原始表面粗糙度的數(shù)據(jù)，利用毛細(xì)力機(jī)制對(duì)未拋光表面進(jìn)行低通濾波處理，然后引入特征斜率和歸一化平均位移創(chuàng)建具有熱毛細(xì)力流動(dòng)特征的表面形貌，最后預(yù)測(cè)拋光后表面粗糙度空間頻譜。在x方向上，除了100mm-1和200mm-1這兩個(gè)點(diǎn)外，熱毛細(xì)力機(jī)制下預(yù)測(cè)模型空間頻率和實(shí)際拋光表面空間頻率能很好地吻合，而y方向上，熱毛細(xì)力機(jī)制下預(yù)測(cè)模型空間頻率和實(shí)際拋光表面空間頻率基本一致。

上述的預(yù)測(cè)模型是一種半經(jīng)驗(yàn)式的預(yù)測(cè)模型，僅僅預(yù)測(cè)了拋光過(guò)程中熔池深度和寬度，從而得到拋光表面的臨界頻率fcr，最后達(dá)到預(yù)測(cè)表面粗糙度的目的。但是這種模型無(wú)法模擬出拋光過(guò)程中熔池流動(dòng)的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程和熔池流動(dòng)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化情況。需要設(shè)計(jì)二維、甚至三維的流體動(dòng)力學(xué)仿真模型來(lái)模擬熔池流動(dòng)狀態(tài)。

2005年，Sim等人對(duì)激光融化過(guò)程中的軸對(duì)稱熱毛細(xì)對(duì)流進(jìn)行了數(shù)值研究[16]，通過(guò)耦合運(yùn)輸方程和邊界條件，分析了熔池和自由表面隨時(shí)間的演化過(guò)程。提出由于馬朗戈尼對(duì)流使得流體從溫度高的中心流向溫度低的邊界，所以穩(wěn)態(tài)下的自由表面會(huì)在中心處凹陷，在熔池邊緣凸起。

2013年，Ma等人采用有限元的方法，耦合傳熱和層流建立二維軸對(duì)稱瞬態(tài)模型[17-18]。不僅為溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)提供了瞬態(tài)解，而且預(yù)測(cè)了自由變形表面上的表面輪廓演化。仿真結(jié)果表明，仿真后的熔池深度和凝固后的表面形貌與實(shí)際用白光干涉儀觀察到的熔池深度和表面形貌吻合。

2017年，Zhang等人也建立了耦合傳熱和層流的二維軸對(duì)稱模型，并且研究了毛細(xì)力和熱毛細(xì)力在拋光過(guò)程中的作用[19]。仿真結(jié)果表明，毛細(xì)力在熔融初始階段占主導(dǎo)地位，主要消除具有大曲率的凹凸表面，而熱毛細(xì)力在熔融結(jié)束階段起主導(dǎo)作用，主要消除殘余表面粗糙度。

2021年，Li等人在Zhang團(tuán)隊(duì)的模型基礎(chǔ)上，將靜止熱源模型拓展為移動(dòng)熱源，研究了熔池在移動(dòng)過(guò)程中的表面形貌的演變過(guò)程[20]。移動(dòng)熱源向x方向移動(dòng)，熔池會(huì)在表面張力的作用下形成凹坑，冷卻階段凹坑會(huì)在毛細(xì)力的作用下重新變得光滑，在加熱時(shí)間到達(dá)5.6ms時(shí)，可以看到在拋光表面的初始位置和最終位置形成凸起和凹坑，冷卻后表面形貌變化不大，并且仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差控制在20%以內(nèi)。

1.2 表面過(guò)熔融機(jī)理（SOM）

從圖1可以看出，在SOMⅠ的拋光過(guò)程中，由于輸入材料表面的熱量較小，表面震蕩較小，可以起到光滑表面的效果。隨著能量密度的增大，材料表面在短時(shí)間內(nèi)聚集大量的熱量，熔池的熔化深度增加。當(dāng)熱量達(dá)到材料沸點(diǎn)之后，樣品表面一部分材料會(huì)蒸發(fā)，此時(shí)材料表面包含固、液、氣三相，同時(shí)蒸發(fā)的氣體會(huì)向下產(chǎn)生反作用力，作用在熔池區(qū)，熔池在這些力的作用下會(huì)產(chǎn)生震蕩，可能使表面變得更粗糙。在激光拋光領(lǐng)域，很少有學(xué)者利用有限元軟件來(lái)仿真SOM過(guò)程，但是在激光打孔、激光焊接等方面，對(duì)SOM的仿真機(jī)制研究較多，較為成熟。

2016年，Courtois等人首次耦合傳熱和層流建立了三維模型來(lái)描述激光焊接下的孔洞機(jī)制[21]。這個(gè)模型使用水平集和液、氣界面的動(dòng)態(tài)跟蹤來(lái)描述大部分已知的從小孔到孔隙形成的現(xiàn)象。結(jié)果顯示，激光焊接的熔融邊界的偏斜角度和模擬的偏斜角度能夠很好地吻合。

2018年，Sharma等人考慮到與溫度相關(guān)的反沖壓力、表面張力、馬朗戈尼剪切應(yīng)力的影響，建立了二維數(shù)值模型來(lái)描述復(fù)雜的隨時(shí)間變化熔體流動(dòng)過(guò)程[22]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在脈沖初始階段，反沖壓力是導(dǎo)致熔池熔體排除的主要因素。在凝固階段，表面張力引起的熔體回流會(huì)在孔入口處產(chǎn)生陰影。在后期，表面張力引起的拖曳力會(huì)限制反沖壓力，限制穿透深度，導(dǎo)致大量熔體留在孔內(nèi)，使熔體重新閉合引起孔堵塞。

2 實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果

采用波長(zhǎng)為1064nm的連續(xù)波激光器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)材料是100mm×100mm×5mm的鈦合金板，鈦合金材料的化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)所用的激光功率為150W、160W、170W、180W、190W，掃描速度為20mm/s、25mm/s、30mm/s、35 mm/s、40mm/s，其余參數(shù)保持不變。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示，每次拋光的區(qū)域?yàn)?mm×9mm，共進(jìn)行25組實(shí)驗(yàn)。

表2 鈦合金（Ti6Al4V）拋光實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

表1 （Ti6Al4V）的主要化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，表格中的ED表示能量密度（Energy Density）。能量密度與功率、掃描速度、光斑直徑之間的關(guān)系表達(dá)式[23]可寫為：

表3 鈦合金拋光實(shí)驗(yàn)

為了更加清晰地描述激光功率和掃描速度對(duì)TC4表面粗糙度的影響效果，分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到圖3和圖4。圖3是掃面速度為30mm/s時(shí)，TC4表面粗糙度隨激光功率的變化曲線圖。結(jié)果顯示，隨著激光功率增大，TC4表面粗糙度逐漸增大，鈦合金表面變得越來(lái)越粗糙。相比于初始表面粗糙度，激光處理后TC4表面粗糙度有所增大，但還是遠(yuǎn)低于初始表面粗糙度。圖4是激光功率為150W時(shí)，掃描速度與TC4表面粗糙度之間的關(guān)系曲線，隨掃描速度增大，TC4表面粗糙度先降低后增大，大體上成“U型”曲線。并且在掃描速度為30mm/s時(shí)，TC4表面粗糙度降低到最低為1.756 μm。

圖3 激光功率對(duì)表面粗糙度的影響效果

圖4 掃描速度對(duì)表面粗糙度的影響效果

白光干涉儀觀察激光拋光前后鈦合金表面形貌的結(jié)果如圖5所示，初始鈦合金TC4表面凹凸不平，表面峰谷高度最大達(dá)到242.549μm，表面平均粗糙度是13.764μm，經(jīng)過(guò)拋光處理后，鈦合金TC4逐漸變得光滑，最大表面峰谷高度降低到了43.113μm，平均表面粗糙度也降低到1.756μm，降低了87.2%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分顯示，激光拋光參數(shù)對(duì)拋光后鈦合金的表面形貌有很大的影響。選擇最優(yōu)激光拋光參數(shù)組合可以有效地降低激光拋光后鈦合金表面的平均粗糙度。

圖5 激光拋光Ti6Al4V表面形貌（a）拋光前 （b）拋光后

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)描述了激光拋光中的兩種拋光機(jī)制：表面淺熔融（SSM）和表面過(guò)熔融（SOM）。從一維空間頻率預(yù)測(cè)熔池深度和表面形貌到二維空間頻率，從耦合傳熱和層流的靜止的二維瞬態(tài)模型到移動(dòng)的二維瞬態(tài)模型，再到研究激光焊接下空洞機(jī)制形成的三維模型，綜述了激光拋光鈦合金機(jī)理的發(fā)展研究，并且進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)和白光干涉實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，激光拋光TC4鈦合金后表面粗糙度由13.764 μm降低到1.756 μm，降低了87.2%。