連 峰，張會臣，高玉周，龐連云

(大連海事大學(xué) 機械工程系，大連 116026)

空化與空蝕一直是設(shè)計船舶螺旋槳、海洋結(jié)構(gòu)物及水力機械時考慮的一個重要因素?？栈c空蝕對上述機械裝置的有害作用已被充分證明，并已得到廣泛研究[1?3]?，F(xiàn)有的研究主要集中在機械裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計[4?5]和材料選擇[6?7]兩個方面。前者主要是為了避免或減少空化現(xiàn)象的發(fā)生，后者則是為了提高裝置的抗空蝕能力。近年來，隨著人們對空化空泡與材料表面相互作用研究的深入，材料的表面設(shè)計與改性成為抗空蝕設(shè)計的一個主要手段[8?9]。通過對材料的表面設(shè)計與改性來改變空化空泡的發(fā)生和運動特性，減小空化空泡潰滅時對零件表面的損傷，從而改善機械裝置的抗空蝕特性。

在關(guān)于激光加工對材料空蝕特性影響的研究中，SZKODO[10]研究了激光合金化處理 45鋼的微結(jié)構(gòu)與空化阻力的關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)微結(jié)構(gòu)中含有一定量的奧氏體時材料易出現(xiàn)應(yīng)變硬化，從而可獲得較高的空蝕阻力。TANG等[11]對船舶螺旋槳用青銅采用鋁粉進行激光表面合金化處理，結(jié)果表明，單相微結(jié)構(gòu)的形成和較高的硬度使空蝕阻力得到提高。鈦合金具有比強度高，耐腐蝕強等優(yōu)異的力學(xué)和物理化學(xué)性能，已被廣泛應(yīng)用于水翼船等船舶與海洋工程領(lǐng)域。HIROMI等[12]采用旋轉(zhuǎn)圓盤測試儀對純鈦和鈦合金在海水中的空蝕特性進行的研究表明，試樣的空蝕阻力隨硬度的提高而提高?，F(xiàn)有的研究中有關(guān)鈦合金進行激光表面紋理加工改善其抗空蝕特性的報道很少。為此，本文作者對激光表面紋理加工的鈦合金的力學(xué)和抗空蝕特性進行研究，旨在為抗空蝕材料的表面設(shè)計提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 試樣表面紋理加工

試樣材料為Ti6Al4V，尺寸為10 mm×10 mm×1.5 mm。在進行表面紋理加工以前，試樣分別用360#、800#和1000#砂紙進行精磨，然后進行拋光處理。試樣表面紋理加工采用武漢華工激光工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HGL-LSY50F激光加工設(shè)備，激光波長為1 064 nm，最大激光輸出功率為50 W，加工時使用的電流密度為12.5 A。加工的表面紋理包括直線紋理和網(wǎng)格紋理，間距分別為0.05和0.10 mm，其中，網(wǎng)格紋理直線間的夾角為90?。

1.2 試樣的性能測試與表征

試樣空蝕特性采用磁致伸縮超聲振動儀進行測試。振動儀的結(jié)構(gòu)和試樣的安裝如圖1所示。超聲振動儀的電流強度為1 A，電壓為200 V，振動頻率為(20±1)kHz，最大振幅為(40±1)μm。實驗在室溫進行，實驗時間為60 min。

圖1 磁致伸縮超聲振動儀結(jié)構(gòu)和試樣的安裝示意圖Fig.1 Sketch map of ultrasonic vibrator and specimen setting

試樣的表面粗糙度采用德國Hommel T6000表面形貌儀進行測試。用德國產(chǎn)的Easy-Drop 型接觸角測量儀測定去離子水在試樣表面的接觸角并計算表面能。試樣的表面形貌采用Phillips XL30掃描電子顯微鏡和OLYMPUS GX51光學(xué)顯微鏡進行表征。樣品經(jīng)過激光表面紋理加工后組織結(jié)構(gòu)的變化采用日本Rigaku Corporation 生產(chǎn)的D/MAX?Ultima+型X射線衍射儀(XRD)進行分析。在XRD測試時，采用Cu Kα輻射，λ=0.154 06 nm，管電壓為40 kV，管電流為20 mA，掃描速度為1(?)/min，掃描角分辨率為0.02?。

采用MH?6型維氏顯微硬度計測試試樣的硬度，施加載荷為9.8 N，每個試樣測試3個點，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光加工表面的形貌特征與力學(xué)特性

試樣的表面粗糙度在激光紋理加工前、后如表 1所列。網(wǎng)格紋理試樣的表面粗糙度大于直線紋理試樣的表面粗糙度，并且無論直線紋理還是網(wǎng)格紋理都有隨著間距的增加，表面粗糙度降低的趨勢。這主要是由于當(dāng)間距較小時，材料的瞬時凝固相互影響，導(dǎo)致表面變得更加粗糙；當(dāng)間距較大時，這種相互影響就弱很多。

在激光紋理加工前、后，試樣的水接觸角和計算得到的表面能如表2所示。可以看出，激光紋理加工后的試樣的水接觸角大于加工前的，計算得到的表面能低于加工前的。對于直線紋理試樣，間距對接觸角影響不大；而對于網(wǎng)格紋理試樣，在間距較大時，試樣的接觸角也較大。表面紋理加工試樣接觸角的增大可由 Wenzel給出的模型來解釋[13]，即液體浸入溝槽后，使接觸角測量的半徑減小，從而導(dǎo)致接觸角增大。對于直線紋理試樣，水滴在側(cè)面的流動沒有約束，所以，水接觸角不受紋理間距的影響；對于網(wǎng)格紋理試樣，水滴在側(cè)面的流動受到限制，間距較大的網(wǎng)格更有利于控制水滴的流動區(qū)域，因此，試樣的水接觸角較大。

表1 間距分別為0.05和0.10時具有不同表面紋理試樣的表面粗糙度Table 1 Surface roughness of specimens with different textures at spaces of 0.05 and 0.10 mm

表2 間距分別為0.05和0.10時具有不同表面紋理試樣的水接觸角和表面能Table 2 Contact angles and surface energies of specimens with different textures

激光紋理加工試樣的橫截面圖如圖2所示。激光紋理加工層的厚度約為 43.5 μm，加工層厚度變化均勻。硬度測試結(jié)果表明，未進行激光紋理加工的Ti6Al4V試樣的硬度為337HV。激光紋理加工的試樣，在表面紋理的波峰處硬度較高，處于硬度范圍的上限，600HV左右；在凹谷處硬度較低，處于硬度范圍的下限，550HV左右。試樣表面經(jīng)過激光紋理加工后，硬度顯著提高。在表面紋理的波峰處，由于溫度變化梯度大，冷卻速度快，硬化程度較大。試樣的 XRD譜如圖3所示。經(jīng)過激光紋理加工的試樣的譜線峰變平緩，發(fā)生寬化，說明表面出現(xiàn)非晶化。這是由于激光加熱和冷卻的速度很快造成的，與激光紋理加工后試樣硬度的變化趨勢一致。

圖2 激光紋理加工試樣的橫截面形貌Fig.2 Cross-sectional morphology of specimen after surface texture treatment by laser

圖3 試樣的XRD譜Fig.3 XRD patterns of specimens

2.2 加工表面的空蝕磨損特性

基于 Photoshop軟件，采用圖像處理的方法對光學(xué)顯微鏡下空蝕試樣表面的形貌進行分色處理，計算試樣的空蝕面積[14?15]，選擇空蝕最嚴(yán)重的區(qū)域，得到不同激光紋理加工試樣的表面空蝕面積占試樣分析區(qū)域面積(約為2.37 mm2)的百分比如圖4所示。由圖4可以看出，經(jīng)激光紋理加工后，Ti6Al4V試樣的空蝕磨損面積都有降低，特別是對于小間距網(wǎng)格紋理的Ti6Al4V試樣，磨損面積明顯減小，不到Ti6Al4V拋光試樣空蝕面積的1/10。對于直線紋理試樣，空蝕面積雖然有減小，但減小幅度不大。

圖4 試樣表面的空蝕面積Fig.4 Cavitation erosion area percents of specimens

試樣表面的空蝕磨損形貌如圖5~7所示。由圖5可以看出，Ti6Al4V拋光試樣表面呈海綿狀，空蝕磨損嚴(yán)重。從間距為0.1 mm的直線紋理試樣表面的空蝕形貌可以看出，試樣表面也出現(xiàn)海綿狀的空蝕形貌，但不像拋光試樣那樣連成一片，仍顯露出紋理加工的痕跡。圖7(a)所示為間距0.05 mm的直線紋理試樣表面的空蝕形貌，可以看出試樣加工的紋理清晰可見，在紋理的突起處，出現(xiàn)典型的空蝕特征，而在紋理的凹陷處則沒有明顯的空蝕特征。圖 7(b)所示為間距0.05 mm的網(wǎng)格紋理試樣表面的空蝕形貌，可以看出試樣表面的網(wǎng)格狀紋理沒有受到破壞，且看不到明顯的空蝕跡象。間距為0.1 mm的網(wǎng)格紋理的表面形貌與此類似。

圖5 Ti6Al4V拋光試樣的空蝕形貌Fig.5 Topography of cavitation erosion of Ti6Al4V polished specimen

圖6 間距為0.1 mm的直線紋理Ti6Al4V試樣的空蝕形貌Fig.6 Topography of cavitation erosion of Ti6Al4V specimen line texture at space of 0.1 mm

圖7 Ti6Al4V試樣的空蝕形貌Fig.7 Topographies of cavitation erosion of Ti6Al4V specimens: (a) 0.05 mm space line texture; (b) 0.05 mm space grid texture

由空蝕面積曲線和試樣空蝕表面形貌可以看出，網(wǎng)格紋理加工樣品表面具有良好的抗空蝕特性，其主要原因如下：首先，經(jīng)過激光表面紋理加工，試樣的硬度明顯提高。適當(dāng)?shù)挠捕忍荻?，即保持了足夠的強度，又有利于吸收空泡潰滅時產(chǎn)生的能量；網(wǎng)格紋理抗空蝕性比直線紋理強主要是因為表面紋理使空泡對表面的垂直作用變成空泡作用表面后有方向性的改變，從而導(dǎo)致方向改變，即表面紋理可以緩沖空泡的運動，網(wǎng)格紋理可以在各個方向改變空泡的作用，而直線紋理則只能在某個特定的方向上改變空泡的作用。其次，表面紋理結(jié)構(gòu)影響空泡的流動特性，對空蝕的發(fā)生具有限域作用。

3 結(jié)論

1) 經(jīng)過激光表面紋理加工后，Ti6Al4V試樣的水接觸角增大，硬度提高到550HV；網(wǎng)格紋理試樣的表面粗糙度大于直線紋理試樣的表面粗糙度。

2) 經(jīng)過激光表面紋理加工后，試樣的抗空蝕磨損特性顯著提高，特別是對于網(wǎng)格紋理的Ti6Al4V試樣，空蝕面積不到拋光Ti6Al4V試樣的空蝕面積的1/10。

3) 經(jīng)過激光表面紋理加工后，試樣抗空蝕性能的增強可歸結(jié)為硬度梯度效應(yīng)、緩沖空泡運動和限域作用。

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