脉冲光纤激光抛光Ti6Al4V的实验分析及研究

王 涛,康清川

(河北工业大学机械工程学院,天津 300312)

1 引 言

Ti6Al4V钛合金在制造业中应用广泛,具有优良的耐腐蚀性、比强度高等优点,广泛应用于航空制造、生物医学领域,因此对该材料表面的质量要求逐步提高,选择合理的抛光方法来提高其表面质量极其重要[1-2]。

使用激光抛光技术提升材料表面质量,国内外许多学者进行了大量的研究:激光抛光316不锈钢,通过研究激光扫描速度以及激光扫描方式探究抛光后材料表面质量优化程度,并进行耐腐蚀实验,结果表明,激光抛光使得材料表面质量得到改善,粗糙度大幅降低,耐腐蚀性能更好[3]。Y.M.Xiao等人使用激光抛光石英玻璃来观察激光抛光的效果,石英玻璃经过多种砂纸打磨,表面粗糙度提高,实验表明,经过激光抛光后的石英玻璃表面的打磨痕迹明显去除,但是极个别玻璃表面有微小裂纹的产生,这是由于玻璃本身的热物理性能导致的[4]。T.A.Mai等人,使用YAG激光器抛光304不锈钢,研究激光光斑直径、脉冲宽度、光斑重叠率对激光抛光的影响,实验表明,在不同参数设置下,激光对工件表面的热穿透深度以及熔化深度不同,合理的参数设置使得材料粗糙度明显降低,耐腐蚀性提升[5]。Perry使用YAG激光器抛光镍表面,经过大量的实验数据分析得到,脉冲宽度为200～300 ns时,粗糙度降低程度最大[6]。Hua等人通过抛光实验发现脉冲宽度的长短对材料表面粗糙度有着重要的影响,同时研究了频率大小与材料表面粗糙度的关系,得到频率过高或者过低都会影响理想的抛光效果[7-8]。宋杨等人使用激光器抛光TC4材料,发现激光抛光可以有效地降低材料表面粗糙度,同时提升材料使用性能[9]。张伟康等人建立了二维瞬态模型研究抛光实验中金属表面形貌变化的过程,实验表明,抛光中材料表面熔融区熔化物由于毛细力和热毛细力的作用,由高表面流向低表面,激光功率、扫描速度对其影响作用很大[10]。廖聪豪等人采用了氩气保护下抛光钛合金,研究材料表面粗糙度的大小、晶粒晶格的变化、材料表面残余应力以及进行金相实验分析,探究抛光后钛合金的耐腐蚀性,实验结果表明,钛合金抛光后的材料表面自腐蚀电位与自腐蚀电流密度均提升,抛光后耐腐蚀性增加[11]。

本文使用脉冲光纤激光器对Ti6Al4V钛合金材料进行抛光实验,在不同参数设置以及不同表面形貌下研究激光抛光对材料表面产生的影响,验证激光抛光实验由多种因素决定,合理的设置参数,选取合适的表面形貌都可以得到理想效果下的材料表面质量。

2 抛光实验整体设计

2.1 实验方案

改进的单因素实验方法具体流程为:先设置一个变量,在多次试验后确定材料表面激光抛光效果最好的几组数据,把这几组实验数据作为后续实验的参考标准,这几组实验中设置的变量可以作为后续实验的定值,得到与之对应的平均功率密度以及光斑重叠率,再次设置其中一项变量进行新的实验,直至得出满意的结果,将该结果继续作为参考标准,循环以上过程,直至得到其中理想的几组实验参数,然后在该参数设定下进行抛光观察实验,具体流程如图1所示。

图1 改进单因素实验方法下的实验流程图

2.2 实验材料

采用钛合金尺寸为3 mm×40 mm×40 mm的薄板,其化学成分如表1所示。

表1 Ti6Al4V的化学成分 (质量分数:%)

2.3 实验设备

抛光实验使用图2所示的CETC26thPFL脉冲光纤激光器抛光Ti6Al4V表面,该激光器参数如表2所示。

图2 CETC26thPFL脉冲光纤激光设备及光纤激光器

表2 CETC26thPFL脉冲光纤激光器参数

抛光实验前后试样表面使用日立S-4800场发射扫描电镜进行表面微观形貌检测,同时进行能谱(EDS)分析,确定元素组成；试样前后表面粗糙度的测量使用北京时代之峰TIME3220触针式表面粗糙度仪。

3 抛光实验研究及分析

3.1 功率密度对抛光结果的影响

激光平均功率密度的高低决定了激光抛光的效果,功率密度过高会使材料表面熔化过度,改变材料部分性能；过低则无法使材料表面熔化,达不到激光抛光的目的。平均功率密度公式为:

(1)

经过改进的单因素实验方法进行大量参数数据实验后,设置大致理想实验参数如下:激光重叠率30 %,激光波长1064 nm,扫描速度200 mm/s,入射角度90°,光斑直径为0.8 mm,脉冲宽度1 ms,离焦量为0.5 mm,脉冲频率50 Hz,对应功率为507 W,589 W,648 W,由公式(1) 计算得到对应的平均功率密度分别为:20.17 W/mm2,23.48 W/mm2,25.78 W/mm2。

3.1.1 材料表面微观形貌观察

在保证初始表面相同条件下,采用“S”型扫描路径进行激光抛光实验。实验结果如图2所示,(b)与(a)、(c)相比较,表面更加平整,且在x方向上的光斑重叠现象可以忽略不计,在图2(a)中,由于激光功率密度较低,材料表面熔化需要的时间长,激光经过时还未达到熔融温度便进行下一个区域的扫描,在不同位置抛光达到的效果不同；在图2(c)中,激光功率密度增大,材料表面熔深增大,材料表面熔化时,在表面张力作用下,熔融的液体向四周扩散,扫描过的区域温度较低,熔融的液体只能跟随激光移动的方向流动于是造成了x方向上的光斑重叠现象比较明显。图中y方向的重叠现象是由于时间过长,激光之前扫描过的区域温度大幅度降低,熔融的液体与之前区域接触的地方凝固速度较快。图2(d)中存在许多小裂纹和网状物。小裂纹形成的原因是熔融区域的熔融材料重新凝固时体积相对液态下减小形成局部应力,从而形成小裂纹。在高功率密度下,材料表面温度极高,相比于低功率下,熔融区各部分温差较小,重新凝固时形成的应力相比低功率密度下形成的应力更大,熔融区熔化物重新凝固时形成的小裂纹就更加明显。

3.1.2 EDS能谱分析

通过日立S-4800场发射扫描电镜得到抛光前后材料表面的EDS能谱分析,得到的EDS能谱图如图4所示,同时对抛光后表面图4(a)所示的颗粒物进行EDS能谱分析。

图5 颗粒物形状及颗粒物表面EDS分析图

抛光前后主要元素含量如表3所示,抛光后的材料表面氧元素含量随平均功率密度的增大而增大,钛元素含量明显下降,因此,当进行激光抛光实验时,材料表面在激光的作用下,与空气中的氧气发生反应,其剧烈程度主要是由激光平均功率密度决定。

表3 钛合金材料表面主要元素含量比重

对于抛光后出现的颗粒物进行EDS能谱分析可以得出该颗粒物含有多种元素,均为钛合金材料的组成元素,液态下含有该部分元素的熔液不能与含有其他成分的液态金属凝固在一起,并且其相对密度比较低,上浮凝固后形成该颗粒物。

3.1.3 表面粗糙度的测量

使用TIME3220粗糙度仪对抛光前后材料表面进行粗糙度的测量,如表4所示,当平均功率密度为23.48 W/mm2时,表面粗糙度降低最大,可达到92 %,且在该功率密度之后,功率密度越大,粗糙度降低程度越小,因此当平均功率密度为23.48 W/mm2左右时,粗糙度降低程度最大,平均功率密度对抛光效果有着及其重要的影响。

表4 不同功率密度下材料的表面粗糙度

3.2 频率对抛光结果的影响

频率对抛光结果的影响主要就是其与扫描速度共同决定了激光光斑重叠率,激光光斑重叠率公式为:

(2)

(3)

其中,v为激光扫描速度；f为激光频率；D为激光光斑直径；N为激光光斑重叠率。

经过改进的单因素实验方法进行大量参数数据实验后,设置大致理想实验参数如下:光斑大小为0.02 mm,入射角90°,脉宽2 μs,激光功率700 W。

3.2.1 材料表面微观形貌观察

在激光扫描路径中,会出现不同程度的光斑重叠现象,这是由激光频率与激光扫描速度共同决定的。如图6(a)、(b)所示,图中的沟槽便是激光扫描过的痕迹,该沟槽是由于激光扫描时,熔融区的熔化物在激光的作用下向两边移动,使得两侧部位高于中间部位。图6(b)中沟槽两侧有球状物的出现,这是因为随着激光频率的增加,材料表面的熔化物发生剧烈氧化所致。图6(c)、(d)中,当激光扫描速度加快后,频率越高,光斑个数越多,材料表面更加平顺,表面的“带状物”分布均匀,而且图6(d)表面平整性明显优于图6(c)。

3.2.2 EDS能谱分析

EDS图如图4所示,主要元素含量表如表5所示,抛光后,钛元素含量降低,碳元素与氧元素含量升高。这是因为当激光频率增大时,材料表面能量密度增加,熔融区的熔化物与空气中的氧气发生的氧化反应更加剧烈,材料中的碳元素也随其到达材料表面。

图7 不同参数抛光后材料表面的EDS分析图

表5 不同参数下的主要元素含量

3.2.3 表面粗糙度的测量

表6所示为两种扫描速度下对应不同频率的粗糙度测量结果,抛光后,表面粗糙度都有所下降,相同扫描速度下,频率加大使得粗糙度降低明显,当在600 mm/s、30 kHz以及800 mm/s、30 kHz时二者表面粗糙度降至最低,频率继续增加却使得表面粗糙度升高,这是由于频率过高,材料表面熔融区的熔化物飞溅,使得材料表面粘附了许多飞溅物使表面更加粗糙,因此激光频率对于抛光效果有着重要的影响。

表6 不同参数下的粗糙度测量

3.3 材料初始表面形貌对抛光结果的影响

3.3.1 材料表面微观形貌观察

如图8所示,(a)、(c)为钛合金表面通过电火花加工、铣削加工分别得到不同表面形貌,对其进行抛光实验,在其他参数都相同的情况下,二者达到最佳抛光效果所需要激光功率为分别为450 W和600 W,由(b)、(c)可以看出,抛光前后表面界限清晰,极大程度上改变了表面质量,但是抛光后二者表面的微裂纹都未去除,这是因为熔融区熔化物凝固后产生的应力以及抛光后材料表明氧化所致,初步说明金属初始表面形貌对于激光抛光实验的效果有比较大的影响。

图8 不同横截面抛光前后材料表面的SEM图像

3.3.2 表面粗糙度的测量

对抛光前后的材料表面进行粗糙度测量,如表7所示,抛光后的表面相比原始表面粗糙度都有所降低,表面形貌为半圆形的材料抛光后粗糙度降低94 %,这是由于圆形截面比三角形截面对激光的吸收率高,材料表面激光能量增加,使得抛光效果更好,且三角形截面材料达到最佳抛光效果所需要的功率高于半圆形截面材料,粗糙度降低程度低于半圆形截面材料,因此金属表面形貌对抛光效果有着重要影响。

表7 两种截面下抛光前后的粗糙度

4 结 论

本文通过脉冲光纤激光设备抛光Ti6Al4V材料,在改进单因素实验方法进行大量实验后,选取抛光效果较好的实验数据进行分析,使用扫描电镜观察材料形貌以及元素变化,使用粗糙度仪对抛光前后材料表面的粗糙度进行测量,得出结论:激光参数设置的大小决定了材料表面的熔深程度,只要参数设置的合理,均可以提升表面质量,激光平均功率密度以及频率的高低,决定了抛光后表面钛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。对不同表面形貌的材料,由于材料表面对激光的吸收率不同,达到最佳抛光效果程度不同,横截面为半圆形的表面形貌粗糙度也可降低93 %左右。