白浩,,董霞,王彬,劉紅忠,盧秉恒

(西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 710049, 西安)

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Ti6Al4V鈦合金脈沖激光拋光微裂紋產(chǎn)生機理與尺寸特征研究

(西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 710049, 西安)

為研究脈沖激光拋光過程中微裂紋產(chǎn)生機理及拋光主要參數(shù)對微裂紋尺寸特征的影響規(guī)律,建立了脈沖激光拋光溫度場與應(yīng)力場的有限元計算模型。在有限元模型建立過程中,采用溫度場與應(yīng)力場的順序耦合方式,考慮了相變潛熱和隨溫度顯著變化的材料參數(shù),得到了溫度場與應(yīng)力場在時間上和空間上的變化規(guī)律。通過溫度場、應(yīng)力場以及Ti6Al4V鈦合金的凝固過程分析,揭示了Ti6Al4V鈦合金激光拋光過程中微裂紋產(chǎn)生機理與尺寸特征規(guī)律。通過脈沖激光拋光實驗驗證有限元計算模型的有效性,結(jié)果表明:Ti6Al4V鈦合金激光拋光微裂紋產(chǎn)生于Ti6Al4V鈦合金的凝固時刻,微裂紋的寬度決定于Ti6Al4V鈦合金凝固時刻熱應(yīng)力引起的塑性變形,微裂紋的深度決定于Ti6Al4V鈦合金激光拋光熔池深度;激光功率是微裂紋尺寸特征的主要影響因素,激光功率增大時微裂紋寬度及深度均顯著增大;在脈沖激光拋光中可通過外加預(yù)熱的方式減緩熔融態(tài)金屬的冷卻速度,以減小拋光后的表面裂紋,有效減小微裂紋尺寸特征。

鈦合金;激光拋光;溫度場;應(yīng)力場;微裂紋產(chǎn)生機理;微裂紋尺寸特征

激光拋光是一項新興的材料表面處理技術(shù),可實現(xiàn)復(fù)雜型面的精密拋光、微區(qū)與選區(qū)拋光[1-2],不受材料強度、硬度[3-4]等性能的影響。激光拋光優(yōu)良的工藝柔性結(jié)合金屬增材制造可實現(xiàn)復(fù)雜金屬件的快速制造與拋光[5]。國外學(xué)者通過實驗的方法研究激光功率、拋光速度、光斑重疊度對表面粗糙度的影響規(guī)律[6-9],結(jié)果表明,通過激光拋光,Ti6Al4V鈦合金表面粗糙度由1 μm減小到0.16 μm。金屬脈沖激光拋光過程是一個金屬表面瞬時熔化、凝固的過程,溫度場變化劇烈,金屬材料內(nèi)部及表面產(chǎn)生顯著殘余應(yīng)力,導(dǎo)致拋光表面產(chǎn)生微裂紋[10],嚴(yán)重降低金屬拋光件的使用性能。

本文利用Abaqus通用有限元軟件,建立了Ti6Al4V鈦合金脈沖激光拋光溫度場與應(yīng)力場的計算模型,分析了Ti6Al4V鈦合金脈沖激光拋光過程的溫度場、應(yīng)力場及Ti6Al4V鈦合金微裂紋的產(chǎn)生機理,評估了微裂紋的尺寸及其影響因素。

1 激光拋光的計算模型

1.1 溫度場的數(shù)學(xué)模型

激光拋光過程涉及金屬材料的熔化,整個激光拋光過程伴隨著熱量在金屬材料之間及材料與環(huán)境之間的傳導(dǎo),能量的傳導(dǎo)遵循能量守恒定律,其熱傳導(dǎo)行為可表示為[11]

(1)

(2)

式中:C為材料比熱容;ρ為材料密度;λx、λy和λz分別為材料x方向、y方向和z方向的導(dǎo)熱系數(shù);qV為單位體積散失的熱量;qg為激光功率密度;T0為材料的初始溫度;T為t時刻的材料表面溫度。

在金屬材料脈沖激光拋光過程中,材料的外表面存在熱對流及熱輻射作用,邊界條件可表示為

(3)

式中:Ts為材料的表面溫度;Text為環(huán)境對流熱氣體的溫度;h為對流換熱系數(shù);σ為玻耳茲曼常數(shù);ε為熱輻射系數(shù);ke為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

用模型中材料在不同溫度區(qū)段內(nèi)的焓值變化來處理潛熱問題,焓值的表達(dá)式為

(4)

式中:C(T)為材料的比熱容;ρ為材料密度;H為熱焓。

1.2 應(yīng)力場的數(shù)學(xué)模型

在脈沖激光拋光中,采用非線性熱彈塑性有限元模型,分析其應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)力與應(yīng)變之間的本構(gòu)方程可描述為

(5)

(6)

式中:αij是隨溫度變化的熱膨脹系數(shù);Tk是參考溫度。

1.3 熱源模型

激光拋光過程中熔池尺寸小,高斯面熱源模型與實際情況更為相符,激光以熱流密度的形式施加到金屬材料的表面,且熱流密度服從高斯分布

(7)

(8)

式中:q(r)為半徑r處的表面熱流;ω為光斑半徑,即為熱流密度降為光斑中心熱流密度的1/e2處到光斑中心的距離;A為材料對激光的吸收率;P為激光功率;r為材料表面上一點到光斑中心的距離;v為光斑掃描速度;t為激光作用時間。

1.4 有限元計算模型

金屬材料激光拋光涉及熱輻射、熱對流、材料的熔化與蒸發(fā)、表面微觀形貌的變化等因素,在Ti6Al4V鈦合金脈沖激光拋光有限元模型建立過程中,因為激光拋光是一種精細(xì)拋光工藝,Ti6Al4V鈦合金原始粗糙度忽略不計。脈沖激光拋光過程是一種瞬時熔化、凝固的過程,熔池形成時間在10-2s范圍內(nèi),可以忽略材料的蒸發(fā)、熔融態(tài)金屬的流動。Ti6Al4V鈦合金脈沖激光拋光有限元模型如圖1所示,模型尺寸為1 mm×1.5 mm×2 mm,采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法,數(shù)值計算過程中熱單元采用DC3D8,應(yīng)力求解單元選擇C3D8R的網(wǎng)格類型,有限元模型中共有37 100個單元。

圖1 脈沖激光拋光有限元模型

2 計算結(jié)果與分析

圖2a為脈沖激光拋光前后試件表面輪廓曲線的變化規(guī)律,從圖中可以看出,脈沖激光拋光可有效減小拋光表面的粗糙度,在激光功率為15 W時,激光拋光效果顯著,Ti6Al4V鈦合金表面粗糙度從1.6 μm提高到0.5 μm。圖2b為脈沖激光拋光前后Ti6Al4V鈦合金表面形貌,可以看出,脈沖激光拋光可有效減小表面粗糙度,提高表面質(zhì)量,但拋光面內(nèi)出現(xiàn)了微觀裂紋。為此,需分析激光拋光過程中,模型表面、截面上的溫度、應(yīng)力變化過程及對微裂紋產(chǎn)生的作用機理。

(a)激光拋光前后表面輪廓

(b)Ti6Al4V鈦合金激光拋光表面形貌圖2 激光拋光表面輪廓及表面形貌

2.1 激光拋光微裂紋產(chǎn)生機理

垂直于激光拋光方向,在激光拋光有限元模型的表面取均勻間距為0.1 mm的5個節(jié)點作為研究對象,在截面方向取間隔分別為0.025 mm的4個節(jié)點作為研究對象見圖3。圖4所示為激光拋光表面上各個節(jié)點的溫度、應(yīng)力過程。

圖3 激光拋光節(jié)點位置

從圖4a中可以看出,在0.56 s時,激光光斑中心處溫度達(dá)到并超過Ti6Al4V鈦合金熔點1 961 K,最高溫度達(dá)到2 273 K;距激光中心0.1 mm節(jié)點處溫度達(dá)到1 961 K,見圖4b;當(dāng)距離激光光斑0.2 mm時,最高溫度不超過1 473 K,Ti6Al4V鈦合金表面不可能形成熔池,不再形成拋光效果,見圖4c。

(a)節(jié)點1

(b)節(jié)點2

(c)節(jié)點3圖4 拋光面內(nèi)節(jié)點溫度和應(yīng)力變化過程

拋光時,在脈沖激光作用下,Ti6Al4V鈦合金表面應(yīng)力過程表現(xiàn)出振蕩特征。在0.42 s時,節(jié)點1的溫度為871 K,應(yīng)力為398 MPa。Ti6Al4V鈦合金在873 K時,彈性模量為76 GPa,屈服強度為212 MPa[12],斷裂強度為491 MPa[13],此時的熱應(yīng)力可表現(xiàn)為Ti6Al4V鈦合金的塑性變形,不會導(dǎo)致Ti6Al4V鈦合金產(chǎn)生表面裂紋。隨激光拋光過程的進行,在0.52～0.63 s期間,激光光斑對節(jié)點1的直接加熱作用,在節(jié)點1處出現(xiàn)Ti6Al4V鈦合金熔池,因為熔融金屬良好的流動性,不會在熔池中產(chǎn)生裂紋。在0.63 s時,激光光斑離開節(jié)點1,該區(qū)域溫度降低至1 953 K,節(jié)點1的熔池開始出現(xiàn)凝固結(jié)晶。隨激光拋光繼續(xù),節(jié)點溫度降低,材料強度逐漸增大,當(dāng)0.73 s時,節(jié)點1區(qū)域應(yīng)力穩(wěn)定在280 MPa。該溫度下Ti6Al4V鈦合金彈性模量為56 GPa,屈服強度為89 MPa[12],斷裂強度為252 MPa[13],熱應(yīng)力大于材料的斷裂強度,產(chǎn)生微裂紋,且金屬溶液的流動性較差,不能對裂紋予以補充。隨著溫度繼續(xù)降低,Ti6Al4V鈦合金的彈性模量、斷裂強度升高,熱應(yīng)力不足以使之產(chǎn)生微裂紋,最主要的是,Ti6Al4V鈦合金結(jié)晶過程中產(chǎn)生的微裂紋釋放了拋光過程中的應(yīng)力,其他位置不再形成微裂紋。

從圖4b中節(jié)點2的溫度、應(yīng)力變化過程看出,在0.58～0.59 s時,節(jié)點2的溫度為1 961 K以上,最高溫度為2 055 K;在0.59 s時,節(jié)點2的溫度降至1 961 K,發(fā)生結(jié)晶裂紋。

從圖4c中節(jié)點3的溫度、應(yīng)力變化過程看出,最高溫度為1 373 K,沒有超過Ti6Al4V鈦合金的熔點,不會發(fā)生結(jié)晶裂紋。

從圖5所選節(jié)點的塑性應(yīng)變過程可以看出,激光光斑中心處的塑性應(yīng)變(相對量)最大,在0.62 s時達(dá)到了0.014。從圖4的分析中看出,在0.62 s時,Ti6Al4V鈦合金處于凝固結(jié)晶過程中,其塑性、強度最低,此時的塑性應(yīng)變完全表現(xiàn)為微裂紋的寬度。

圖5 節(jié)點的塑性應(yīng)變

圖6所示為激光拋光截面上節(jié)點的溫度、應(yīng)力變化過程,激光功率為18 W,激光拋光速度為1.8 mm/s。從圖6可以看出,節(jié)點6在0.58～0.62 s時,由于激光的加熱作用,Ti6Al4V鈦合金表面溫度超過1 953 K,形成拋光熔池。從圖6中看出,距離激光光斑中心0.025 mm的節(jié)點7在整個激光作用過程中,最高溫度不超過2 173 K。脈沖激光拋光數(shù)值計算結(jié)果表明,在該拋光參數(shù)下,激光拋光熔池深度不超過0.05 mm。在節(jié)點6達(dá)到熔化溫度1 953 K之前,以及節(jié)點溫度降低至1 953 K之后,Ti6Al4V鈦合金所受最高應(yīng)力為370 MPa,不足以使Ti6Al4V鈦合金超過所處溫度的斷裂強度而發(fā)生開裂,激光拋光微裂紋的產(chǎn)生以結(jié)晶開裂為主。

(a)節(jié)點6

(b)節(jié)點7圖6 截面內(nèi)節(jié)點溫度和應(yīng)力變化過程

從圖6中節(jié)點7的溫度、應(yīng)力變化過程看出,最高溫度不超過1 961 K,因此可以判斷熔深不超過0.05 mm。根據(jù)以上分析,激光拋光微裂紋以結(jié)晶裂紋為主的結(jié)論,可以根據(jù)熔池深度判斷,即裂紋深度不超過0.05 mm。

2.2 激光功率對微裂紋尺寸特征的影響

在脈沖激光拋光中,激光功率對產(chǎn)生表面微觀裂紋有非常顯著的作用。圖7a為節(jié)點1在不同激光功率、不同拋光速度下所形成的熔池最大深度的有限元模擬結(jié)果。從圖中可以看出,在激光功率為8 W以下,Ti6Al4V鈦合金表面不會形成熔池,也就沒有激光拋光效果;在激光功率超過8 W后,Ti6Al4V鈦合金表面形成不同深度的熔池,熔池深度對激光功率的變化極度敏感。從圖7a中還可以看出,在所考察的激光拋光速度范圍內(nèi),拋光速度的變化對Ti6Al4V鈦合金表面熔池深度沒有特別顯著的影響。

根據(jù)2.1節(jié)對裂紋深度的討論,微裂紋的深度尺寸特征決定于熔池深度,因此隨激光功率的增加,激光對Ti6Al4V鈦合金表面的強烈熱作用形成的熔池深度顯著增加,同時也引起微裂紋深度的顯著增加。

(a)激光功率對熔深的影響

(b)激光功率對塑性應(yīng)變的影響圖7 激光功率對微裂紋尺度的影響規(guī)律

在不同激光功率作用下,Ti6Al4V鈦合金表面考察節(jié)點1最大塑性應(yīng)變見圖7b。從圖中看出,隨著激光功率的增加,塑性應(yīng)變顯著增加,從激光拋光微裂紋產(chǎn)生機理的分析可知,塑性應(yīng)變決定了微裂紋的寬度尺寸特征。

2.3 預(yù)熱工藝對微裂紋尺寸特征的影響

脈沖激光拋光中微觀裂紋的存在將會影響拋光試件的應(yīng)用。為減小拋光表面的微觀裂紋,在脈沖激光拋光的數(shù)值計算中,通過預(yù)加溫度場的方式,減小脈沖激光拋光中熔融態(tài)金屬與環(huán)境的溫差,通過減小過冷度的方法減小熔融態(tài)金屬的冷卻速度,改變脈沖激光拋光的應(yīng)力狀態(tài),減小表面微觀裂紋的產(chǎn)生。圖8a為不同功率下脈沖激光拋光后表面在有無外加溫度場條件下的應(yīng)力狀態(tài),可見有預(yù)熱拋光表面最大應(yīng)力顯著減小;圖8b為有無外加溫度場條件下激光拋光后節(jié)點塑性應(yīng)變的變化,相同節(jié)點的塑性應(yīng)變在外加溫度場作用下得到顯著降低,即微觀裂紋得到了顯著改善。

(a)對拋光表面應(yīng)力的影響

(b)對節(jié)點塑形應(yīng)變的影響圖8 預(yù)熱對激光拋光的影響

3 實驗驗證與激光拋光表面組織

3.1 數(shù)值模擬的實驗驗證

將Ti6Al4V鈦合金切割成10 mm×10 mm×5 mm的試樣,拋光前試樣需進行去應(yīng)力處理,使其處于無應(yīng)力狀態(tài)。將無應(yīng)力狀態(tài)的試樣置于丙酮溶液中進行超聲波清洗,沖洗干凈并晾干。用釔鋁石榴石晶體(Nd:YAG)毫秒激光器,頻率為50 Hz、脈沖寬度為0.2 ms,調(diào)整該激光器功率與拋光速度,在氮氣保護下完成拋光。拋光完成后,用型號為X-350A的X射線衍射分析儀測定不同參數(shù)下試件拋光后的表面應(yīng)力,進行有限元模擬與實驗研究的比對。

實驗及數(shù)值模擬均選擇激光器的功率為15 W,拋光速度為1.2 mm/s,拋光后測定拋光表面的應(yīng)力并與模擬值對比,結(jié)果如圖9所示。激光拋光后試件表面產(chǎn)生顯著殘余應(yīng)力,雖然通過數(shù)值模擬得到的應(yīng)力整體上要大于實驗值,但兩者之間相差在12%以內(nèi),驗證了計算模型的正確性。通過該模型可研究不同參數(shù)下金屬材料激光拋光過程中的溫度場與應(yīng)力場,實現(xiàn)金屬材料拋光過程的參數(shù)優(yōu)化。

圖9 模擬值與實驗值的對比

3.2 激光拋光之后的表面微裂紋

(a)功率為20 W表面微裂紋 (b)功率為12 W表面微裂紋

(c)A處微裂紋局部放大圖 (d)功率為10 W表面微裂紋圖10 拋光表面微裂紋情況

脈沖激光拋光后表面及截面內(nèi)的微觀裂紋如圖10所示。圖10a顯示激光功率為20 W、拋光速度為1.8 mm/s、拋光頻率為50 Hz時多道激光拋光后的表面裂紋,裂紋均位于脈沖激光中心掃過的區(qū)域,其裂紋最大寬大可達(dá)到19 μm,與數(shù)值計算得到的裂紋寬度相吻合。圖10b顯示激光功率為12 W、拋光速度為1.8 mm/s、拋光頻率為50 Hz時拋光表面的SEM圖,圖10c為圖10b激光光斑中心的局部放大圖,可見裂紋主要位于脈沖激光光斑掃過的區(qū)域,且裂紋寬度接近2.5 μm,與數(shù)值計算結(jié)果接近。圖10d顯示激光功率為10 W、拋光速度為1.8 mm/s、拋光頻率為50 Hz時多道激光拋光后的表面裂紋,可見裂紋均位于脈沖激光中心掃過的區(qū)域,拋光后表面裂紋最大寬度小于1 μm,取得了良好的拋光效果。

圖11為截面方向的微觀裂紋,激光功率為15 W,拋光速度為1.8 mm/s,拋光頻率為50 Hz,拋光后截面內(nèi)微觀裂紋深度達(dá)到35 μm,與脈沖激光拋光后通過熔深確定出的微裂紋最大深度吻合較好,驗證了脈沖激光拋光微裂紋數(shù)值計算的正確性。

圖11 拋光截面方向的微裂紋

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬和實驗的方法,研究了Ti6Al4V鈦合金脈沖激光拋光過程的微裂紋產(chǎn)生機理與尺寸特征,得到了溫度場與應(yīng)力場在時間上和空間上的變化規(guī)律,通過溫度場、應(yīng)力場以及Ti6Al4V鈦合金的凝固過程分析,揭示了Ti6Al4V鈦合金激光拋光過程中微裂紋產(chǎn)生機理與尺寸特征規(guī)律。

(1)根據(jù)脈沖激光拋光中Ti6Al4V鈦合金應(yīng)力場與溫度場的計算結(jié)果,研究了微觀裂紋的開裂時間,指出脈沖激光拋光中微裂紋產(chǎn)生于Ti6Al4V鈦合金的凝固時刻,此時應(yīng)力大、溫度高導(dǎo)致的結(jié)晶金屬材料強度低是造成開裂的主要原因。

(2)激光拋光后表面微裂紋的寬度取決于Ti6Al4V鈦合金凝固時刻熱應(yīng)力引起的塑性變形,微裂紋的深度取決于Ti6Al4V鈦合金激光拋光熔池深度。脈沖激光拋光中激光功率是微裂紋尺寸特征的主要影響因素,激光功率增大時微裂紋寬度及深度均顯著增加。

(3)在數(shù)值計算中,通過外加溫度場明顯地減小了脈沖激光拋光過程中的表面應(yīng)力,塑性應(yīng)變也有顯著減小,即在脈沖激光拋光中可通過外加溫度場預(yù)熱的方式減緩熔融態(tài)金屬的冷卻速度,減小拋光后的表面裂紋。

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(編輯 杜秀杰)

Mechanism and Size Characteristics of Micro Crack on Polished Ti6Al4V

(State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The mechanism and size characteristics of micro crack on polished surface of Ti6Al4V are discussed by numerical simulation and experimental investigation. The latent heat of material phase change and material parameters varying with temperature are considered in this model. The change rules of temperature and stress fields in time domain and space domain are acquired and the finite element model is verified by experiments. The micro cracks generation mechanism and size characteristics of pulse polished Ti6Al4V are revealed via analysis of temperature field, stress field and solidification processes of the Ti6Al4V. The micro cracks of laser polishing are formed at solidification initiation moment, and the width of micro cracks is determined by plastic deformation and the micro crack depth depends on depth of molten pool. The laser power exerts the most significant influence on the size characteristics of micro cracks. The width and depth of the micro cracks all obviously increase with the increasing laser power. The cooling rate of the molten metal can be slowed down by preheating in the pulse laser polishing process to effectively decrease the size of micro cracks.

Ti6Al4V; pulsed laser polishing; thermal field; stress field; mechanism of micro-crack; micro-crack size characteristics

2015-05-25。

白浩(1991—),男,碩士生;董霞(通信作者),女,講師。

陜西省工業(yè)攻關(guān)計劃資助項目(2014K06-03)。

時間:2015-10-28

10.7652/xjtuxb201512019

TG665

A

0253-987X(2015)12-0117-07

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