郭晉昌，石 玗，顧玉芬，張 剛

1.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050 2.隴東學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000

引 言

鈦合金表面激光氣體氮化工藝可在鈦合金表面生成與基體冶金結(jié)合的氮化層，快速提高鈦合金表面硬度和耐磨性，具有廣闊的應(yīng)用前景。在過(guò)去幾十年中，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究，取得了廣泛的研究成果[1-3]。但是氮化過(guò)程是否產(chǎn)生等離子體、等離子體對(duì)氮化工藝的作用以及工藝參數(shù)對(duì)等離子體數(shù)量的影響尚不明確，一些學(xué)者認(rèn)為等離子體對(duì)氮化過(guò)程有利，因?yàn)榈入x子體通過(guò)逆韌致輻射吸收激光能量，并發(fā)射出短波射線，短波射線更有利于鈦基體吸收[4]，并且等離子體高速運(yùn)動(dòng)與基體撞擊，有利于傳質(zhì)過(guò)程[5]。另一些學(xué)者認(rèn)為等離子體對(duì)氮化過(guò)程有害，因?yàn)榈入x子體屏蔽了激光能量，降低了激光器與基體間的能量耦合作用[6]。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為氮化過(guò)程不能產(chǎn)生等離子體或者忽略了等離子體的作用[7-9]。

賓夕法尼亞大學(xué)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，采用10.6 μm長(zhǎng)波CO2激光氮化鈦合金過(guò)程可產(chǎn)生氮等離子體，等離子體沒(méi)有影響能量傳輸過(guò)程，有利于增加氮化層氮含量，并進(jìn)一步研究了激光維持氮等離子體氮化方法[3,10-11]。電子更容易通過(guò)逆韌致輻射吸收長(zhǎng)波CO2激光能量，并碰撞中性氮?dú)?，?dǎo)致中性氮?dú)怆婋x[12]，短波光纖激光氮化鈦合金過(guò)程是否可產(chǎn)生等離子體尚不明確。

采用1.064 μm短波光纖激光氣體氮化Ti-6Al-4V鈦合金，用探針?lè)z測(cè)光譜發(fā)射區(qū)導(dǎo)電性，研究光譜發(fā)射區(qū)是否形成等離子體，采用光譜儀和高速攝像系統(tǒng)拍攝光譜發(fā)射區(qū)，研究激光功率、離焦量、激光掃描速度和氣體成分對(duì)光譜特性、光譜發(fā)射區(qū)溫度和等離子體的數(shù)量影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

采用鈦合金Ti-6Al-4V板材，其化學(xué)成分如表1。板材的厚度為8 mm，試驗(yàn)前采用線切割將其切割成100 mm×80 mm的試塊。試驗(yàn)選用工業(yè)純氮?dú)夂图儦鍤?。試?yàn)激光器為IPG高功率光纖激光器，型號(hào)為YLS-4000，最大輸出功率為4.0 kW，激光波長(zhǎng)為1.064 μm，激光器輸出連續(xù)激光，激光光斑為圓形，焦點(diǎn)處光斑直徑為3 mm。光纖激光頭搭載在六軸KUKA工業(yè)機(jī)器人手臂上。

表1 Ti-6Al-4V化學(xué)成分Table 1 Chemical component of Ti-6Al-4V

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1，氮化試驗(yàn)在大氣環(huán)境下進(jìn)行，未采用真空室，氮?dú)鈬娮熘行妮S線和激光束中心軸線相重合。采用探針?lè)ㄑ芯康瘏^(qū)是否形成等離子體，將5 V電池與萬(wàn)用表串聯(lián)，并串聯(lián)兩個(gè)鎢極，將鎢極尖端置于光譜發(fā)射區(qū)，鎢極尖端相距2 mm，檢測(cè)光譜發(fā)射區(qū)導(dǎo)電性。采用荷蘭Avantes公司的10通道光譜儀采集氮化過(guò)程發(fā)射光譜，光譜儀型號(hào)為AvaSpec-ULS3648-X-USB2，測(cè)量波長(zhǎng)范圍200～1 075 nm，最高光學(xué)分辨率0.05 nm(FWHM)，波長(zhǎng)精度±0.02 nm，積分時(shí)間10 μs～10 min，本研究中所有試驗(yàn)積分時(shí)間都是375 μs。采用OLYMPUS ispeed 3高速攝像機(jī)拍攝光譜發(fā)射區(qū)域照片，高速攝像系統(tǒng)采樣率范圍為1～3 000 Hz，配尼康A(chǔ)F MIC RO 200 mm 1∶4D微距鏡頭，選用電弧焊接面罩黑玻璃對(duì)發(fā)射光譜進(jìn)行濾波。

本研究試驗(yàn)工藝參數(shù)如表2，采用單變量法進(jìn)行研究，即分別研究激光功率、離焦量、激光掃描速度和氮?dú)鈿鍤獗壤龑?duì)光譜特性、光譜發(fā)射區(qū)溫度和等離子體數(shù)量的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 光纖激光致等離子體

采用圖1中串聯(lián)電路(探針?lè)?判斷光譜發(fā)射區(qū)導(dǎo)電性，并明確光譜發(fā)射區(qū)是否形成等離子體。采用表2中工藝參數(shù)進(jìn)行氮化試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程萬(wàn)用表顯示10～40 mA電流，證明光譜發(fā)射區(qū)形成了等離子體。

研究中，功率密度較大時(shí)，可觀察到強(qiáng)烈的發(fā)光現(xiàn)象。采用表2中第1組參數(shù)進(jìn)行氮化試驗(yàn)，用高速攝像系統(tǒng)拍攝光譜發(fā)射區(qū)照片，如圖2所示。圖2中發(fā)光區(qū)域存在等離子體，該區(qū)域底部?jī)H僅貼合鈦合金試樣，且亮度極高，頂部受氣流作用有擾動(dòng)現(xiàn)象，亮度偏弱，其整體形貌非常像是從鈦基體內(nèi)燃燒起來(lái)的“火苗”。

文獻(xiàn)[12]采用長(zhǎng)波CO2激光氣體氮化鈦合金，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)波CO2激光可導(dǎo)致氮?dú)怆婋x，作者認(rèn)為CO2激光可以加熱鈦試樣表面雜質(zhì)并導(dǎo)致其蒸發(fā)，雜質(zhì)蒸汽中發(fā)生少量熱電離，形成少量自由電子，這些電子通過(guò)逆韌致輻射吸收CO2激光能量，進(jìn)而碰撞中性氮?dú)夥肿樱瑢?dǎo)致氮?dú)獍l(fā)生 “雪崩”式電離，形成高密度氮等離子體。與長(zhǎng)波CO2激光相比，本研究采用的短波光纖激光對(duì)電子加熱能力小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，雜質(zhì)蒸汽通過(guò)熱電離形成的少量電子無(wú)法吸收短波光纖激光能量，光纖激光氮化鈦合金過(guò)程中無(wú)法通過(guò)文獻(xiàn)[12]中的機(jī)制形成氮等離子體。但是短波光纖激光更容易被鈦合金基體吸收，光纖激光對(duì)基體加熱能力大幅提高，熔池溫度大幅提高，可形成大量Ti-6Al-4V合金蒸汽，并通過(guò)熱電離形成金屬蒸汽等離子體。故本研究中短波光纖激光氮化鈦合金過(guò)程形成了鈦合金蒸汽等離子體，這與長(zhǎng)波CO2激光氮化鈦合金過(guò)程形成的氮等離子體是不同的。

采用表2中第1組參數(shù)進(jìn)行氮化實(shí)驗(yàn)，采集了發(fā)射光譜，并對(duì)發(fā)射光譜進(jìn)行診斷，診斷結(jié)果如圖3，金屬蒸汽等離子體是由大量鈦原子(TiⅠ)和鈦一次離子(TiⅡ)組成。實(shí)驗(yàn)表明金屬蒸汽的能量高于鈦一次離子電離能，但是低于鈦二次離子電離能。對(duì)本研究中其他試驗(yàn)的發(fā)生光譜進(jìn)行診斷，得到類似結(jié)論，金屬蒸汽等離子體中含有大量鈦原子(TiⅠ)和鈦一次離子(TiⅡ)。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)顯著影響線狀光譜強(qiáng)度和金屬蒸汽等離子體數(shù)量，2.2—2.5節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖3 光譜診斷結(jié)果Fig.3 The result of spectral diagnosis

2.2 功率對(duì)光譜特性的影響

采用表2中第2組參數(shù)進(jìn)行激光氣體氮化試驗(yàn)，發(fā)射光譜如圖4所示。激光功率為1.5 kW時(shí)，僅僅1 064 nm波長(zhǎng)附近出現(xiàn)較強(qiáng)發(fā)射光譜，本試驗(yàn)激光波長(zhǎng)是1 064 nm，圖4中1 064 nm附近強(qiáng)光譜是氣體散射激光造成的，本研究所有試驗(yàn)都會(huì)在1 064 nm附近采集到強(qiáng)發(fā)射光譜。圖4中，發(fā)射光譜由連續(xù)光譜和線狀光譜組成，連續(xù)光譜和線狀光譜變化趨勢(shì)相同，但不是完全呈正比例，本研究所有試驗(yàn)中連續(xù)光譜與線狀表現(xiàn)出類似變化趨勢(shì)。

圖4 功率對(duì)發(fā)射光譜的影響Fig.4 Effect of power on emission spectrum

文獻(xiàn)[13]采集了不同電流的電弧發(fā)射光譜，電弧光譜中存在連續(xù)光譜，由于連續(xù)光譜由熱輻射和韌致輻射等過(guò)程產(chǎn)生，其中熱輻射占主要部分，所以較大電流導(dǎo)致電弧溫度升高，連續(xù)光譜增強(qiáng)。文獻(xiàn)[14]研究了水下濕法焊接引弧過(guò)程等離子體電子數(shù)密度，引弧光譜中存在線狀光譜，線狀光譜主要由等離子體區(qū)域原子核外電子由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)產(chǎn)生，所以等離子體密度越高線狀光譜越強(qiáng)。以上分析表明連續(xù)光譜強(qiáng)度可以大致表征光譜發(fā)射區(qū)溫度，線狀光譜的強(qiáng)度可以大致表征等離子體的數(shù)量。圖4中隨著激光功率增大，連續(xù)光譜和線狀光譜都呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，表明隨著激光功率增大，光譜發(fā)射區(qū)域溫度升高，并且等離子體的數(shù)量不斷增多。功率小于2.5 kW時(shí)，只有連續(xù)光譜，功率大于2.5 kW時(shí)出現(xiàn)明顯的線狀光譜，證明此時(shí)可形成等離子體。圖5為光譜發(fā)射區(qū)高速攝像照片，圖5(a)激光功率為2.0 kW，圖5(b)激光功率為2.5 kW，圖5(b)中等離子體區(qū)亮度比圖5(a)大幅提高，并且面積大幅增大，證明產(chǎn)生等離子體時(shí)，亮度會(huì)大幅提高。文獻(xiàn)[15]采用CO2激光器氣體氮化鈦合金，發(fā)現(xiàn)激光功率大于3.5 kW，即激光功率密度大于6.6×103kW·cm-2時(shí)，可產(chǎn)生氮等離子體。本研究采用3.0 kW光纖激光氣體氮化Ti-6Al-4V合金，激光能量分布為高斯模型，焦平面中心點(diǎn)最大功率密度為2.3×102kW·cm-2，氮化過(guò)程形成了金屬蒸汽等離子體，表明光纖激光氮化鈦合金過(guò)程形成金屬蒸汽等離子所需要的激光功率密度更低。

圖5 光譜發(fā)射區(qū)(a)：2.0 kW；(b)：2.5 kWFig.5 Emission spectrum region(a)：2.0 kW；(b)：2.5 kW

2.3 離焦量對(duì)光譜特性的影響

采用表2中第3組參數(shù)進(jìn)行激光氣體氮化試驗(yàn)，發(fā)射光譜如圖6。隨著離焦量的增大，連續(xù)光譜和線狀光譜都出現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)，之后又減弱的復(fù)雜變化趨勢(shì)，文獻(xiàn)[4]研究離焦量變化對(duì)CO2激光致光譜發(fā)射特性變化，試驗(yàn)現(xiàn)象與本研究相似。增大離焦量，光斑面積增大，激光功率密度降低，故光譜呈減弱趨勢(shì)；但是增大離焦量，光斑面積增大，形成更多鈦蒸汽，故光譜有增強(qiáng)的趨勢(shì)；以上相互矛盾的因素共同作用，造成光譜隨離焦量復(fù)雜的變化趨勢(shì)。離焦量從10 mm依次增大到25 mm，因?yàn)榧す夤β什蛔儯訜釁^(qū)域面積增大，氣體溫度少量降低，導(dǎo)致連續(xù)光譜少量減弱；但是氣體溫度降低，引起等離子體大量復(fù)合，導(dǎo)致線狀光譜大幅度減弱。離焦量大于20 mm時(shí)，線狀光譜非常微弱，證明此時(shí)等離子體的量非常少?？傮w而言，離焦量從0 mm依次增大到25 mm，等離子體數(shù)量隨線狀光譜強(qiáng)度變化，表現(xiàn)出先減少后增多，之后又減少的復(fù)雜變化趨勢(shì)。

圖6 離焦量對(duì)發(fā)射光譜的影響Fig.6 Effect of defocus distance on emission spectrum

2.4 掃描速度對(duì)光譜特性的影響

采用表2中第4組參數(shù)進(jìn)行激光氣體氮化試驗(yàn)，發(fā)射光譜如圖7，由于掃描速度增大，施加到試樣單位面積上的能量減小，溫度降低導(dǎo)致熱輻射減小，能量密度降低導(dǎo)致等離子體數(shù)量減少，故連續(xù)光譜和線狀光譜都呈減弱趨勢(shì)。如圖4和圖6，定點(diǎn)氮化時(shí)存在熱積累，所以線狀光譜比連續(xù)光譜減弱更快；如圖7，連續(xù)氮化過(guò)程熱積累更小，所以隨掃描速度增大，連續(xù)光譜和線狀光譜減弱的速度相當(dāng)。另外，當(dāng)掃描速度達(dá)到12 mm·s-1時(shí)，線狀光譜已經(jīng)非常微弱了，證明激光掃描速度大于12 mm·s-1時(shí)，不能產(chǎn)生等離子體。

圖7 掃描速度對(duì)發(fā)射光譜的影響Fig.7 Effect of scanning speed on emission spectrum

圖8為氮化層表面照片，本研究未對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，故氮化軌道沒(méi)有TiN特有的金黃色。圖8中可見(jiàn)，掃描速度較大時(shí)，氮化軌道寬度少量減小。氮化軌道均表現(xiàn)出中間光滑兩側(cè)粗糙的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，熔池受熱膨脹，結(jié)合馬蘭戈尼對(duì)流的影響，導(dǎo)致熔池表面液態(tài)金屬外溢，形成了粗糙區(qū)。

圖8 氮化層表面Fig.8 The surface of nitride layer

圖9為氮化層橫截面照片，橫截面采用砂紙打磨，并采用3%HF和5%HNO3混合溶液進(jìn)行了腐蝕。圖9中激光掃描速度從左往右依次增大。圖中氮化區(qū)、熱影響區(qū)和基體清晰可見(jiàn)，而且隨激光掃描速度增大，氮化區(qū)和熱影響區(qū)的尺寸都明顯減小。氮化層和熱影響區(qū)深度隨熱輸入變化如圖10，熱輸入較大時(shí)，氮化層和熱影響深度增加速度減小，這是由于熱輸入較大時(shí)產(chǎn)生了更多等離子體，屏蔽了部分激光能量。文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)，光纖激光焊接鋁合金可導(dǎo)致合金中Mg元素電離，屏蔽大量激光能量，所以熱輸入增大時(shí)焊縫熔深增大更慢，與本研究結(jié)論一致。

圖9 氮化層橫截面Fig.9 Cross section of nitride layer

圖10 氮化層和熱影響區(qū)深度Fig.10 Depth of nitride layer and heat effected zone

2.5 氮?dú)灞葘?duì)光譜特性的影響

鈦合金表面激光氣體氮化的難點(diǎn)之一是氮化層容易開(kāi)裂，采用氬氣對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行稀釋，可有效避免氮化層開(kāi)裂[3,17]。本研究總氣流量保持10 L·min-1，采用氬氣稀釋氮?dú)猓⑦M(jìn)行氮化試驗(yàn)，研究了氮?dú)灞葘?duì)光譜發(fā)射特性和等離子體數(shù)量的影響。采用表2中第5組參數(shù)進(jìn)行激光氣體氮化試驗(yàn)，發(fā)射光譜如圖11，氮?dú)夂蜌鍤獗壤秊?∶1和2∶80時(shí)，光譜曲線與圖4中激光功率為1.5 kW的曲線類似，幾乎檢測(cè)不到光譜信息，故文中未展示這兩條曲線。圖11中可見(jiàn)，隨著氬氣含量的增加，連續(xù)光譜和線狀光譜都會(huì)減弱，這是由于加入氬氣使氮?dú)庀♂專M(jìn)入熔池的氮元素?cái)?shù)量減少，氮?dú)夂外伣饘俚姆磻?yīng)本身就是放熱反應(yīng)，所以熔池溫度降低，蒸發(fā)量減少，等離子體量減少，空間溫度降低，進(jìn)而連續(xù)光譜和線狀光譜都會(huì)減弱。

圖11 氮?dú)灞壤龑?duì)發(fā)射光譜的影響Fig.11 Effect of nitrogen argon ratio on emission spectrum

圖11中可見(jiàn)，加入少量的氬氣(20%)時(shí)，讓連續(xù)光譜和線狀光譜都大幅減弱。加入少量氬氣不僅稀釋了氮?dú)?，更重要的是改變氮?dú)膺M(jìn)入熔池及氮元素在熔池中的傳輸方式[3]。不加氬氣時(shí)，熔池會(huì)發(fā)生馬蘭戈尼對(duì)流，將氮元素帶入熔池內(nèi)部；加入少量氬氣，熔池不再發(fā)生對(duì)流，氮?dú)獗仨毻ㄟ^(guò)擴(kuò)散的方式進(jìn)入熔池，并在熔池中以擴(kuò)散的方式傳遞，擴(kuò)散速度較慢，表面富氮層阻礙更多氮進(jìn)入熔池，因此加入少量氬氣可大幅減少熔池中氮含量，降低熔池溫度，減少鈦金屬蒸發(fā)量，進(jìn)而連續(xù)光譜和線狀光譜都大幅減弱，等離子體數(shù)量大幅減少。本研究光譜信息證明了文獻(xiàn)[3]的研究成果，即氮?dú)庵屑尤肷倭繗鍤?，可?qiáng)烈影響氮化過(guò)程。

為了進(jìn)一步明確加入氬氣對(duì)發(fā)射光譜和等離子體數(shù)量的影響，進(jìn)行了更詳細(xì)的試驗(yàn)。采用表2中第6組參數(shù)進(jìn)行激光氣體氮化試驗(yàn)，發(fā)射光譜如圖12所示。加入5%的氬氣使得線狀光譜大幅減少，等離子體數(shù)量大幅減少，這進(jìn)一步證明了前面的結(jié)論，加入少量氬氣，可劇烈改變氮化過(guò)程。另外氬氣從5%增大到15%時(shí)，連續(xù)光譜也不斷減弱。結(jié)合圖11和圖12，發(fā)現(xiàn)氬氣含量大于15%時(shí)，線狀光譜非常少，證明此時(shí)等離子體的量非常少。

圖12 氮?dú)灞壤龑?duì)發(fā)射光譜的影響Fig.12 Effect of nitrogen argon ratio on emission spectrum

3 結(jié) 論

(1)短波光纖激光氣體氮化Ti-6Al-4V鈦合金過(guò)程中，基體對(duì)激光吸收率高，導(dǎo)致熔池溫度高，大量基體蒸發(fā)形成金屬蒸汽，金屬蒸汽通過(guò)熱電離形成等離子體。

(2)當(dāng)激光功率較大，掃描速度較小，離焦量較小和氮?dú)夂枯^高時(shí)，光譜發(fā)射區(qū)可產(chǎn)生金屬蒸汽等離子體。

(3)光纖激光氣體氮化Ti-6Al-4V鈦合金，發(fā)射光譜由連續(xù)光譜和線狀光譜組成。連續(xù)光譜主要由熱輻射產(chǎn)生，連續(xù)光譜的強(qiáng)度可表征光譜發(fā)射區(qū)溫度，線狀光譜主要由等離子體區(qū)域的原子核外電子躍遷形成，線狀光譜的強(qiáng)度可以大致表征等離子體數(shù)量。線狀光譜和連續(xù)光譜隨工藝參數(shù)變化趨勢(shì)相同，但是并不呈正比例。

(4)隨激光功率增大或掃描速度減小，連續(xù)光譜和線狀光譜都呈增加趨勢(shì)；隨離焦量增大，連續(xù)光譜和線狀光譜呈先減小后增大，之后又減小的復(fù)雜變化趨勢(shì)。氮?dú)庵屑尤肷倭繗鍤猓瑥?qiáng)烈影響氮化過(guò)程，使連續(xù)光譜和線狀光譜大幅減弱，隨氬氣含量增加，連續(xù)光譜和線狀光譜會(huì)進(jìn)一步減弱。光譜發(fā)射區(qū)溫度與以上連續(xù)光譜變化趨勢(shì)相同，光譜發(fā)射區(qū)等離子體數(shù)量與以上線狀光譜變化趨勢(shì)相同。