賀國(guó)陽(yáng),王 濤

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

1 引 言

鈦合金Ti6Al4V簡(jiǎn)稱(chēng)TC4,是一種具有高比強(qiáng)度、良好的成形性與耐腐蝕性的α+β 鈦合金,由于其優(yōu)質(zhì)的材料屬性與良好的生物相容性而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械和航空制造當(dāng)中[1-3]。截止目前,Ti6Al4V合金約占全球鈦合金使用量的一半以上,然而,鈦合金是典型的難加工材料,加工性能差,切削難度大[4-7],使用環(huán)境條件苛刻,所以選擇合適的拋光方法來(lái)給提高鈦合金的表面質(zhì)量為目前亟待解決的問(wèn)題。

激光拋光作為一種利用高能量激光束來(lái)對(duì)工件表面進(jìn)行處理的新興技術(shù),由于激光的單色性、相干性、高能量密度性和方向性等性質(zhì)[8-10],使得激光拋光技術(shù)具有諸多其他拋光技術(shù)無(wú)法比擬的特點(diǎn),激光拋光技術(shù)不僅可以對(duì)陶瓷、磨料、耐火材料、高分子材料等非金屬進(jìn)行表面處理,而且對(duì)模具鋼、工具鋼、不銹鋼、鈦合金等金屬材料的表面處理也是極佳的選擇,特別適合于對(duì)超硬或者超脆材料的表面處理。利用激光拋光TC4合金表面,可以使TC4合金表面抗腐蝕性與硬度等材料相關(guān)物理性能提高[11-15],但具體怎樣改善材料的物性規(guī)律與其定量分析目前還有待研究Y.M.Xiao和Michael Bass等人[16]最先嘗試?yán)肅O2連續(xù)激光器對(duì)不同材質(zhì)的玻璃進(jìn)行表面拋光實(shí)驗(yàn),這些實(shí)驗(yàn)材料按照屬性大致可分為低熱膨脹系數(shù)玻璃與高熱膨脹系數(shù)玻璃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:激光對(duì)于低熱膨脹系數(shù)的玻璃(如:Pyrex玻璃和熔融石英)有很好的拋光效果,而對(duì)于高熱膨脹系數(shù)的玻璃(如:Zerodur玻璃、BK-7玻璃)則由于拋光時(shí),玻璃吸收了大量熱,導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,表面出現(xiàn)大量裂紋,從而增大了玻璃表面的粗糙度。而后他們又利用600號(hào)砂紙打磨熔融石英表面,目的是讓其表面產(chǎn)生一些砂粒磨痕,然后在通過(guò)激光拋光處理過(guò)后的熔融石英表面,結(jié)果在針形輪廓儀測(cè)量下發(fā)現(xiàn)熔融石英表面粗糙度明顯降低,且通過(guò)電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)砂粒磨痕完全消除。Perry,Tyler L.等人[17]在利用Nd∶YAG激光器產(chǎn)生的波長(zhǎng)為1064 nm的脈沖激光對(duì)厚度為3.2 mm的鎳合金200進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)樣品鎳合金通過(guò)微型銑削技術(shù)加工出一個(gè)寬1 mm,深25 μm的凹槽,凹槽的表面粗糙度為177 nm,將入射激光脈沖通量為43.8 J/cm2、脈沖持續(xù)時(shí)間為220 ns、激光光斑直徑為60 μm、光斑重疊率為75 %脈沖激光打在凹槽內(nèi)表面,通過(guò)計(jì)算拋光后的凹槽內(nèi)表面的線輪廓得出:凹槽內(nèi)表面平均表面粗糙度從Ra=175 nm降低到Ra=26 nm,降低了6倍,并且通過(guò)觀察拋光后形成的表面波峰與波谷分布,發(fā)現(xiàn)沒(méi)有周?chē)鷽](méi)有噴濺和碎渣的痕跡由此證明了拋光的主要方式是熔化而不是燒蝕。通過(guò)反復(fù)進(jìn)行類(lèi)似實(shí)驗(yàn),最終得出結(jié)論:當(dāng)激光脈沖寬度為200～300 ns的范圍內(nèi),對(duì)空間頻率高于200 mm-1的微型器件有很好的拋光效果,并且拋光過(guò)程主要是通過(guò)熔化而不是燒蝕。T.A.Mai and G.C.Lim等人[18]使用二倍頻Nd∶YAG激光器對(duì)304不銹鋼進(jìn)行了拋光實(shí)驗(yàn),并通過(guò)建立熔化凝固數(shù)值模型來(lái)分析拋光過(guò)程中熔池的形成與熔池深度的影響因素。

本文利用脈沖光纖激光拋光設(shè)備對(duì)TC合金的材料表面進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn),有關(guān)激光拋光會(huì)對(duì)被加工材料表面微觀與宏觀上會(huì)造成什么影響,材料內(nèi)部組織晶金相的轉(zhuǎn)變等問(wèn)題的研究目前國(guó)內(nèi)外幾乎沒(méi)有,因此本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)分析研究脈沖激光與TC4合金的相互作用機(jī)制及其拋光對(duì)試樣表面物性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用CETC26thPFL 脈沖光纖激光器來(lái)對(duì)TC4合金進(jìn)行表面拋光處理,該激光器可以發(fā)出波長(zhǎng)為1064 nm的脈沖激光,輸出功率可調(diào)范圍為200～500 W,功率可調(diào)范圍1 %～100 %,激光光束直徑為6～8 mm,激光重復(fù)頻率為20～80 kHz,脈沖寬度為100～130 ns,激光激勵(lì)電壓為(24±0.5)VDC,冷卻方式為分冷。采用金相試樣拋光機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行粗拋光。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 CETC26thPFL 脈沖光纖激光器設(shè)備和金相試樣粗拋光機(jī)

實(shí)驗(yàn)樣品表面微觀形貌檢測(cè)采用日立S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡,利用UHL VMH-00VD的顯微硬度測(cè)量?jī)x測(cè)試拋光前后的試樣表面硬度值,試樣拋光前后的表面粗糙度檢測(cè)使用北京時(shí)代之峰TIME3220觸針式表面粗糙度儀。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料使用鈦合金Ti6Al4V(簡(jiǎn)稱(chēng)TC4合金),鈦合金材料相比其他金屬材料更難加工,而且由于其主要應(yīng)用于航空制造與醫(yī)療器械制造領(lǐng)域,因此對(duì)其材料的表面形貌質(zhì)量要求極高。實(shí)驗(yàn)中采用的TC4合金樣品尺寸為10 mm×10 mm×10 mm立方塊,其化學(xué)成分與物理性能如表1所示。

表1 TC4合金的元素含量

表2 Ti6Al4V 合金的主要物理性能參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

利用金相試樣拋光機(jī)對(duì)TC4樣品進(jìn)行粗拋光,然后對(duì)其進(jìn)行脈沖激光拋光,通過(guò)改變激光功率、激光掃描速度、離焦量、頻率等激光工藝參數(shù)來(lái)研究這些參數(shù)對(duì)激光拋光效果的作用機(jī)理與影響規(guī)律,從而優(yōu)化激光對(duì)TC4合金材料的拋光效果,最后通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)拋光后樣品進(jìn)行掃描,通過(guò)分析圖像上的晶格大小、晶界位置與其他因拋光形成的裂紋,得出激光拋光會(huì)使TC4合金表面組織發(fā)生哪些轉(zhuǎn)變與拋光裂紋的成型機(jī)理,具體實(shí)驗(yàn)方案流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)方案總流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 激光功率對(duì)表面粗糙度的影響

采用激光掃描速度為20 mm/s,離焦量為8 mm的拋光工藝參數(shù)對(duì)TC4合金材料進(jìn)行拋光,采用單因素實(shí)驗(yàn)法研究不同激光功率對(duì)激光拋光效果的影響效果,利用觸針式表面粗糙度儀分別測(cè)量了通過(guò)激光功率分別為200 W、225 W、250 W、275 W、300 W、325 W、350 W、375 W、400 W、425 W的高能光束拋光處理的試樣表面各三次,對(duì)每個(gè)試樣測(cè)量的三次表面粗糙度值取其平均值作為試樣實(shí)際表面粗糙度值Ra,并將其統(tǒng)計(jì)繪制成曲線圖3來(lái)方便觀察研究不同激光功率對(duì)材料表面粗糙度的影響規(guī)律。

圖3 不同激光功率對(duì)材料表面粗糙度的影響規(guī)律

由圖3曲線圖不難看出,不同的激光輸出功率對(duì)TC4合金材料表面的拋光效果有著巨大的差異,導(dǎo)致最終的試樣表面粗糙度值也大不相同,在激光功率為200～425 W的范圍內(nèi),控制其他激光工藝參數(shù)一致,得到的試樣表面粗糙度值波動(dòng)范圍為737～882 nm,并且在200～325 W的激光功率范圍內(nèi),試樣表面粗糙度值出現(xiàn)大幅度的波動(dòng),出現(xiàn)這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因可能是由于材料原始表面形貌由峰值高度不同的凸起組成,而在相同的激光掃描速度下,具有不同能量的激光光束輻照在相同的材料表面區(qū)域,使得該區(qū)域?qū)す饽芰康奈沾蟛幌嗤?不足以使材料表面凸峰完全熔化,造成該區(qū)域金屬熔融量與表面溫度梯度也大不相同,使得驅(qū)使金屬熔融液流向凹處的表面張力也不相同。另外,從后半段曲線看出,激光功率從325～425 W的范圍內(nèi)時(shí),拋光后的表面粗糙度值大致與激光功率呈正相關(guān),隨著激光功率的增大,拋光后的表面粗糙度值也增大,并且由曲線可以得知,當(dāng)激光器的激光輸出功率在200～500 W之間時(shí),控制激光輸出功率在325 W左右能夠使對(duì)TC4合金表面的拋光效果最佳。圖4是S-4800掃描電鏡對(duì)325 W和450 W激光功率下拋光試樣的SEM圖像,從圖4中明顯可以看出,激光功率為325 W進(jìn)行的拋光效果明顯好于450 W,且激光掃掠過(guò)后的表面質(zhì)量較高。

圖4 激光功率分別為325 W、450 W的拋光試樣SEM圖像

3.2 激光離焦量對(duì)表面粗糙度的影響

采用激光功率為300 W、400 W與500 W,激光掃描速度為20 mm/s的激光工藝參數(shù),研究設(shè)置不同激光離焦量下,激光拋光工藝對(duì)TC4合金材料表面拋光效果的影響。規(guī)定從上往下觀察時(shí),樣品材料待拋光表面在激光光束聚焦點(diǎn)下方時(shí),離焦量數(shù)值為正值；帶拋光材料表面在光束聚焦點(diǎn)上方時(shí)(即光束聚焦點(diǎn)落在材料拋光層內(nèi)部),規(guī)定此時(shí)離焦量為負(fù)值,具體原理如圖5所示,經(jīng)過(guò)多次設(shè)置負(fù)離焦量值拋光TC4合金表面實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)拋光效果不明顯且拋光過(guò)程不易觀察,因此這里對(duì)正離焦量值下的拋光實(shí)驗(yàn)展開(kāi)研究分析。圖6為三種激光功率下不同離焦量設(shè)置下測(cè)量的TC4合金材料表面粗糙度值。

圖5 正負(fù)離焦量示意圖

圖6 不同離焦量設(shè)置下測(cè)量的TC4合金材料表面粗糙度變化曲線

從圖6可以看出,當(dāng)激光輸出功率為500 W時(shí),拋光效果受離焦量e值的影響較大,尤其當(dāng)離焦量的值在11～14 mm這一范圍內(nèi),離焦量與表面粗糙度值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著e值的增大,Ra值逐漸減小,但從曲線走向看,e值為14 mm以后,Ra值又開(kāi)始增大,是由于離焦量值太大,導(dǎo)致材料對(duì)激光能量的吸收率降低,不足以熔化材料表面凸起部分；當(dāng)激光輸出功率為400 W時(shí),曲線走向剛剛好與激光功率為500 W的曲線相反,它是在離焦量e值為3～11 mm范圍內(nèi)與Ra值呈正相關(guān),這也剛好應(yīng)證了高功率-高離焦量與低功率-低離焦量的,而且從400 W曲線中還可以看出最佳拋光效果的離焦量e值為3 mm;最后觀察激光功率為300 W的曲線,整體走向呈拋物線形狀,且可以得知在離焦量e值為7 mm時(shí),能獲得最佳的拋光效果,而且對(duì)比三條曲線得知,最佳的拋光激光輸出功率為300 W,這也間接的驗(yàn)證了前面關(guān)于最佳激光功率的結(jié)論。

3.3 激光光斑重疊率對(duì)表面粗糙度的影響

光斑重疊率是繼激光輸出功率、離焦量之后,又一個(gè)對(duì)激光拋光效果有極大影響作用的重要工藝參數(shù),因此對(duì)該參數(shù)的影響作用機(jī)理的研究及其重要,光斑重疊率的計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

其中,v為激光掃描速度,單位為mm/s；f為激光重復(fù)頻率,單位為Hz；D為激光光斑直徑,單位為 μm;N為激光光斑重疊數(shù)；δ為激光光斑重疊率。由公式可以看出,決定光斑重疊率的兩個(gè)重要參數(shù)為激光掃描速度v與激光重復(fù)頻率f。因此要先通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究激光掃描速度v與激光重復(fù)頻率f對(duì)激光拋光的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)設(shè)定光斑大小為50 μm,脈寬 1 μs,功率 300 W,入射角 90°。

將上面進(jìn)行的20 mm/s～2 kHz;20 mm/s～4 kHz;20 mm/s～6 kHz;40 mm/s～2 kHz;40 mm/s～4 kHz;40 mm/s～6 kHz;60 mm/s～2 kHz;60 mm/s～4kHz;60 mm/s～6 kHz這九組激光工藝參數(shù)的光斑重復(fù)率由公式(1)、(2)計(jì)算得出,具體計(jì)算值見(jiàn)表3。

表3 由公式計(jì)算得出的光斑重疊率統(tǒng)計(jì)表

采用觸針式表面粗糙度儀對(duì)不同光斑重疊率下拋光得到的試樣進(jìn)行三次測(cè)量其表面粗糙度值,并計(jì)算三次測(cè)量值Ra算術(shù)平均值,整理得到不同激光光斑重疊率下拋光的TC4合金表面粗糙度的測(cè)量值統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4,并繪制了對(duì)應(yīng)的折線圖如圖7所示。

表4 不同光斑重疊率下測(cè)量的TC4

圖7 不同激光光斑重疊率下測(cè)量的TC4合金材料表面粗糙度值變化曲線

由圖7折線圖可以看出:當(dāng)激光光斑重疊率δ在55 %～70 %與75 %～95 %范圍內(nèi),隨著δ的增大,激光拋光機(jī)對(duì)TC4合金的拋光拋光效果逐漸變差,使得試樣表面的粗糙度值隨之增大,造成這一現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)激光光斑重疊率過(guò)小,試樣材料表面不能接收到足夠的激光能量,使得試樣材料表面溫度不能升高到材料熔化溫度,從而導(dǎo)致材料表面的凸起部分不足以熔化,從而使得對(duì)試樣表面的拋光效果不理想；當(dāng)激光光斑重疊率過(guò)大時(shí),試樣表面吸收了太多的激光能量,使得材料表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料熔點(diǎn),并且材料表面持續(xù)處于高溫狀態(tài),導(dǎo)致熔融金屬量增多,材料表面形成了尺寸較大的熔池,從而使得材料表面形貌變得凹凸不平,表面粗糙度值Ra增大,拋光效果不理想。另外從圖7中可以看出:激光光斑重疊率δ在70 %～75 %之間時(shí),出現(xiàn)Ra值降低,說(shuō)明此范圍的δ值可以使得激光拋光效果增強(qiáng),有利于降低試樣表面的粗糙度值。

4 拋光缺陷機(jī)理分析

4.1 TC4合金激光拋光后顯微組織分析

采用激光功率為350 W,激光掃描速度為10 mm/s,離焦量為0.8的脈沖激光光束對(duì)TC4合金進(jìn)行表面拋光處理,同等激光工藝參數(shù)下有限元數(shù)值模擬溫度分布云圖如圖8所示,經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知,TC4合金的熔點(diǎn)為1668 ℃,當(dāng)材料溫度低于882 ℃時(shí),其材料微觀組織為呈密排六方晶格結(jié)構(gòu),即α鈦相；當(dāng)材料溫度高于882 ℃時(shí),其材料微觀組織呈現(xiàn)為體心立方晶格結(jié)構(gòu),即β鈦相。通過(guò)觀察模擬溫度分布云圖8,拋光過(guò)程中TC4 材料內(nèi)部的溫度梯度較大,造成的不同區(qū)域的材料微觀組織變化大不相同,因此為了更準(zhǔn)確的分析TC4材料拋光后的微觀組織形貌變化,本研究決定將激光掃描過(guò)的材料分為兩部分研究其微觀晶相組織在高溫下的演變過(guò)程。一部分為從材料上表面到往下30 μm這部分區(qū)域,為了方便研究故取名為A區(qū),另一部分為從A區(qū)往下60 μm區(qū)域,取名B區(qū),具體區(qū)域劃分如圖8所示。

圖8 有限元數(shù)值模擬溫度分布云圖

在拋光后的TC4試樣表面質(zhì)量較好區(qū)域選取平行于激光光束方向的縱向截面,然后按照?qǐng)D8所示A、B區(qū)域?qū)⑦x取的縱向截面分成兩部分,利用利用光學(xué)顯微鏡對(duì)A、B試樣進(jìn)行微觀組織的觀察分析表征,得到TC4合金激光拋光后微觀組織如圖9所示,圖9(a)為A試樣的組織微觀圖,圖9(b)為B試樣的組織微觀圖。

圖9 利用光學(xué)顯微鏡得到的TC4合金激光拋光后微觀組織

從圖9(a)中可以看出:A區(qū)域組織金相主要由針狀α相、黑色β相層片和晶界α相構(gòu)成。激光光束輻射到材料表面時(shí),材料表面溫度迅速升高,導(dǎo)致A區(qū)熔融層金屬內(nèi)部組織α相迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽巛^小且均一黑色片層β相組織,隨著激光光束的掃離,材料表層溫度迅速降低,一部分β相組織由轉(zhuǎn)變回針狀α相與片層α組織,導(dǎo)致最終靠近A區(qū)材料表面的熔融層金屬內(nèi)部組織為針狀α相與片層α相及殘余黑色β相組成。金相轉(zhuǎn)變過(guò)程為α相→β相→α相和β相,并且由于激光拋光的影響,拋光后的顯微組織微觀晶粒方向是順著激光光束掃描路徑分布的。圖9(b)中所展示的為距離拋光面30 μm以下的B區(qū)域的微觀組織圖,對(duì)比圖9(a),可以發(fā)現(xiàn)B區(qū)域內(nèi)的晶格細(xì)化程度不明顯,晶粒方向雜亂無(wú)章,α相與β相共存,且明顯看出黑色β相要多余白色針狀α相,原因?yàn)?試樣B區(qū)域溫度升高溫度,會(huì)發(fā)生α相向β相的轉(zhuǎn)變,且相變時(shí)由于原子的擴(kuò)散、相的溶解、析出聚集等,使得形狀改變的β相慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榉植荚讦料嗑ЯＶ車(chē)男u,使得晶界不明顯。

4.2 拋光前后TC4合金的測(cè)量硬度對(duì)比

采用型號(hào)為UHL VMH-00VD的顯微硬度測(cè)量?jī)x分別對(duì)只經(jīng)過(guò)金相試樣拋光機(jī)粗拋光的TC4樣品與經(jīng)過(guò)激光拋光(激光工藝參數(shù)為激光功率為350 W,掃描速度為10 mm/s)的TC4合金試樣進(jìn)行硬度測(cè)量,在每種試樣測(cè)試表面上各選取5個(gè)測(cè)試點(diǎn),對(duì)每個(gè)施加時(shí)長(zhǎng)持續(xù)20 s的400 gf載荷,最后統(tǒng)計(jì)測(cè)試點(diǎn)的硬度值并計(jì)算出平均值作為最終的TC4合金的硬度值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5所示。

表5 試樣拋光前后表面硬度測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

由表5知,拋光后的試樣表面顯微硬度從395.8 HV增加到了426.6 HV,使得試樣表面抗壓能力增強(qiáng),主要由于溫度變化,使得試樣材料內(nèi)部組織晶格尺寸變小,數(shù)量增多導(dǎo)致以及在拋光過(guò)程中轉(zhuǎn)變成更加致密的金相組織。

5 結(jié) 論

通過(guò)脈沖光纖激光拋光機(jī)對(duì)TC4合金試樣進(jìn)行表面拋光處理實(shí)驗(yàn),研究分析了激光輸出功率、離焦量、光斑重疊率對(duì)拋光效果的影響機(jī)理和拋光后試樣材料微觀組織變化情況,得出了以下結(jié)論:

(1)對(duì)于利用可調(diào)激光輸出功率200～500 W的激光拋光機(jī)拋光TC4合金材料時(shí),最佳的激光功率設(shè)定值范圍為325 W左右,在該設(shè)定值范圍內(nèi),可以得到最佳的拋光效果。

(2)高離焦量應(yīng)該搭配高激光輸出功率,低離焦量時(shí),激光輸出功率應(yīng)該盡量低一些,并且經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到當(dāng)激光輸出功率為300 W時(shí),激光離焦量的設(shè)定值最佳為+7 mm。

(3)通過(guò)觀察分析特定激光工藝參數(shù)配置下的拋光后試樣表面微觀組織形貌,得出經(jīng)激光拋光后的試樣微觀組織經(jīng)歷了金相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料唷孪唷料?β相的過(guò)程,并且拋光層表面晶格尺寸細(xì)化,晶粒數(shù)增大,使得試樣表面的硬度、強(qiáng)度、抗腐蝕性等物理屬性得到了優(yōu)化加強(qiáng),并通過(guò)實(shí)際硬力測(cè)試驗(yàn)證了該結(jié)論。