姜長城,袁建東,2,成海東,林新貴,易根苗,梁 良,2*

(1.華南理工大學 機械與汽車工程學院,廣州 510641;2.華南理工大學 國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心,廣州 510641;3.廣州番禺職業(yè)技術學院 智能制造學院,廣州 511483)

0 引 言

近年來,以激光為手段的材料去除、材料改性(如表面燒蝕拋光)技術被廣泛應用于光學存儲及印刷顯示等行業(yè)中[1]。與飛秒激光相比,納秒激光燒蝕拋光具有引起的熔層與固體基體間溫度梯度較小、分布較遠(即熱影響區(qū)大)、熔體持續(xù)時間較長、再結晶前沿速度較慢等優(yōu)點[2],使得用納秒寬脈沖激光拋光制備高質量表面這一技術的運用具有重要意義。

MA C P等[3]研究了在增材制造獲得的鈦合金上進行激光表面拋光的方法,并提高了表面硬度與耐磨性。YUNG K C等[4]研究了在增材制造的CoCr組件上進行激光表面拋光的方法,其通過選擇適當的掃描速率及激光散焦距離,獲得了較高的表面質量(Sa<1 μm),并同時改善了其接觸角。但在大規(guī)模應用中,納秒激光的低燒蝕率(10-6mm3/pulse～10-4mm3/pulse)引起的低效率依然是其主要瓶頸[5,6]。目前常采用的方法是用更高的目標激光強度,以實現激光與目標材料的強耦合。但高能量密度的激光可在受輻射點上方形成嚴重的羽流,從而產生羽流屏蔽效應和反沖壓力效應,導致工件表面產生機械損傷,加劇了拋光質量的不可控性。

為解決以上問題,學者們提出了一種熱輔助納秒脈沖激光加工新方法,即通過從外部引入熱量以提高工件溫度和熱焓,從而在盡量減小羽流產生的同時,增強激光-材料的耦合。這種方法實現了基于玻璃的微流控芯片的快速原型制作;同時,學者們建議通過提高初始樣品溫度來提高其處理效率[7]。針對這一新方法,WANG H等[8]研究了溫度和表面條件對激光表面加熱過程中表面吸收率的影響,發(fā)現當溫度超過一定值時,其吸收率會有所降低。HASSANIMATIN M等[9]研究了初始樣品溫度對銅樣品的等離子體溫度和燒蝕深度的影響,結果表明:初始樣品溫度的升高導致等離子體光譜發(fā)射的增加高達90%,這歸因于等離子體溫度和光吸收。

以上這些研究表明:熱輔助激光加工可以提高工件材料的溫度和熱焓,有助于增加光吸收,增強激光與物質的耦合以及減少熔化潛能和蒸氣。

本文采用熱輔助納秒脈沖激光拋光方法,對增材制造后的Ti-6Al-4V原始表面進行拋光試驗研究,在工件熱輔助對激光拋光影響分析的基礎上,利用共焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀對激光拋光后的表面和橫截面進行分析,并使用維氏硬度計測量其維氏硬度,以探索熱輔助納秒脈沖激光拋光加工對表面質量影響的特性,提升加工效率。

1 工件熱輔助對激光拋光影響分析

根據激光焊接過程的熱傳導方程[10],對于熱輔助激光加工,當工件表面的補償溫度為Toffset時,可推導出脈沖照射點溫度為:

(1)

式中:ΔTnD—相對于初始溫度T0的溫度升高,nD∈[1,2,3];Q—熱源能量;ρ—固體或液體材料的質量密度;cp—材料的比熱容;t—時間。

溫度傳導率為:

k=λth/(ρcp)

(2)

式中:λth—熱傳導率。

為簡化起見,假設材料特性ρ,cp和λth關于溫度是恒定的,T0可近似約等于0 ℃。則由式(1)可知,在熱輔助激光加工時,一系列Np個脈沖引起的溫度升高隨時間變化的表達式推導為:

(3)

熱輔助激光加工補償溫度Toffset=500 ℃時,根據式(3)進行計算,可得到工件熱輔助對激光拋光影響規(guī)律如圖1所示。

圖1 工件熱輔助對激光拋光影響規(guī)律圖

圖1(a)是當Q3D=0.2 mJ的殘余熱量沉積在(x=y=z=0)處時,在有/無熱輔助加工條件下,計算得出的試件表面激光照射區(qū)域的溫度ΔT3D隨時間的變化規(guī)律。

圖1(b)是當Q3D=0.2 mJ的殘余熱量沉積在(空間坐標x=y=z=0)處時,在釋放熱能的位置(x=y=z=0)處的表面上產生的溫升ΔTsum,3D隨時間的演變規(guī)律。

通過對圖1進行分析可以發(fā)現:熱輔助激光加工需要較小的熱源,就可以使表面溫度升高到材料的蒸發(fā)去除溫度。因此,熱輔助激光加工中,可用能量較小的脈沖來實現材料有效的燒蝕,即拋光去除。

2 試驗設計

2.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)示意圖

在圖2(a)中,該系統(tǒng)由激光拋光系統(tǒng)(納秒脈沖光纖激光器IPG,編號:YLP-1-100-20-20-CN,德國)、加熱模塊和溫度測量模塊組成。加熱模塊控制工件的溫度,其使用的熱源是安裝在工件下方的電烙鐵。電烙鐵易于控制,且可以給整個工件提供均勻的熱量,所以試驗中使用該加熱方法。測量溫度模塊用于實時檢測工件溫度并反饋調節(jié)加熱模塊。

工件的溫度由3個K型接觸式熱電偶測量,熱電偶位于工件表面的不同位置,以確保整個目標表面的溫度均勻,如圖2(b)所示。該系統(tǒng)可用于各種指定溫度下的激光加工過程。

對于熱輔助激光表面拋光,激光掃描路徑如圖2(c)所示。掃描路徑上有兩種類型的重疊:激光掃描線重疊L和激光點重疊H,這2個參數取決于激光點直徑、脈沖頻率、掃描速度和線掃描間距。當激光掃描線重疊L或激光點重疊H較大時,單位面積上有較多的激光脈沖照射到目標表面。然而,極大的L或H可能導致單位面積的入射激光能量過大,這將觸發(fā)入射激光能量的嚴重等離子體屏蔽。但是,較小的L或H(甚至沒有重疊)燒蝕或改性工件材料的程度較小。因此,需多次掃描和長時間掃描來獲得所需的改性表面。

2.2 試驗材料及方法

在試驗中,筆者將熱輔助激光表面拋光試驗應用于增材制造的Ti-6Al-4V的原始表面(試件尺寸為20 cm×20 cm×5 cm,表面粗糙度Ra>100 μm)。

增材制造中Ti-6Al-4V所用鈦合金粉末的化學成分如表1所示。

表1 Ti-6Al-4V鈦合金粉末的化學成分

筆者開啟激光后,將試樣置于氮氣氣氛保護下。在對增材制造的Ti-6Al-4V進行表面拋光初步試驗的基礎上,分別選擇了25 ℃(室溫)、150 ℃、300 ℃和450 ℃ 4種不同的溫度進行熱輔助表面拋光試驗。在此溫度范圍內,增材制造的Ti-6Al-4V的顯微組織不會發(fā)生變化。激光拋光過程中,焦距固定在離焦距離處,激光束直徑D設置為90±1 μm。

此外,在表面拋光試驗中,激光掃描路徑參數設置為:激光掃描線重疊L=30 μm,掃描次數n=2。掃描速度vs設為300 mm/s～600 mm/s,激光能量密度為2.6×106W/cm2～6.1×106W/cm2,激光點重疊H=30 μm～60 μm。

筆者利用共焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜儀對激光拋光后的表面和橫截面進行分析;在100 N載荷和15 s停留時間下,用維氏硬度計測量其維氏硬度。

3 試驗結果與分析

3.1 熱輔助激光拋光的表面及橫截面形貌分析

不同激光能量密度及補償溫度下的拋光試樣表面如圖3所示。

圖3 不同能量密度/溫度下拋光樣品的表面形貌

從圖3可看出:在不同的溫度下,原始粗糙表面都可以得到良好的拋光,并且在所有溫度下都可以達到亞微米的精度。

同時,在圖3(a～c)中的拋光表面上,可以觀察到具有峰谷狀的激光熔化微結構。當補償溫度升高到Toffset=450 ℃時,如圖3(d)所示,表面粗糙度Ra由0.81 μm降低到0.56 μm,獲得了更優(yōu)的表面質量。

此外,在較高的補償溫度下,實現相似的表面粗糙度只需較低的能量密度。因此,與低溫補償相比,補償溫度更高時,可降低激光能量以獲得一致的拋光精度。這也表明在相同的激光輸出功率下,補償溫度越高的熱輔助激光拋光掃描速度越大,加工效率越高。故這種加工方式更適合實現快速大批量生產。

不同補償溫度下拋光表面的橫截面輪廓如圖4所示。

圖4 不同補償溫度下拋光表面的橫截面SEM圖

從圖4中可看出:在所有溫度下,拋光表面下都存在重結晶層;隨著補償溫度的升高,重結晶層的厚度變大。

為了進一步觀察重結晶層,高倍放大下微槽側壁邊緣的掃描電鏡形貌如圖5所示。

圖5 高倍放大時圖4中G區(qū)和H區(qū)的SEM圖

從圖5(a)中可知:對于溫度Toffset=25 ℃,在最外側邊緣是柱狀晶粒(約7.5 μm),在其下方存在薄層細小的等軸晶,然后再往下是基底材料;

對于補償溫度Toffset=450 ℃,如圖5(c)所示,存在規(guī)則晶粒結構較厚的層(約21.8 μm),其下方為等軸晶粒層。

熱梯度將熱量從熔融層帶走,并引發(fā)一個快速從基體向熔融表面推進移動的重結晶鋒。較慢的重結晶鋒將導致較長的持續(xù)熔融相和再結晶層外延再生[11]。重結晶速度決定了重結晶層的化學性質、結晶度及形貌,并受材料的熱含量及照射區(qū)周圍冷卻過程的影響。較高的熱含量和較慢的冷卻過程會導致熔融相持續(xù)時間較長,且重結晶推動的速度較慢。

因此,在補償溫度Toffset=450 ℃的情況下,結晶時限較長,熔化之后材料通常發(fā)生規(guī)則晶體結構的生長,如圖5(d)所示。

3.2 重結晶層及熔融層對表面硬度的影響

激光拋光后,Ti-6Al-4V重結晶層的厚度和表面粗糙度如圖6所示。

圖6 試件拋光后再硬化層厚度及顯微硬度

由圖6可見,所有拋光表面的硬度均高于初始基體(396±17 HV)。表面硬度的提高可能是由于拋光后表面形成了重結晶層,且重結晶層的厚度隨溫度的升高而增加。

以上的這些結果表明:通過控制重結晶層的結晶過程,可以使拋光表面的晶粒結構和顯微組織發(fā)生一定的可控變化。

因此,實際情況下,可以通過調整激光加工參數、掃描路徑參數或控制補償溫度來改變拋光表面的物理性質,例如硬度、韌性和均勻的表面潤濕性。

不同補償溫度相應的表面熔融層材料重新分布過程的示意圖如圖7所示。

圖7 高/低溫補償熱輔助激光拋光工藝示意圖

圖7中,在激光拋光過程中,激光束向前移動,會留下熔融層。熔融層的厚度取決于溫度場、激光參數、掃描路徑參數、目標材料的物理性質及試驗條件等因素。由于表面張力的作用,熔融液的凸起材料流入凹谷;而在凸起材料的重新分布過程中,幾乎沒有任何材料去除。

當激光束離開后,重新分布后的熔融層重新結晶,得到一個粗糙度低的表面。基于以上分析可知,在激光熱輔助表面的拋光過程中,由于高溫度場持續(xù)時間較長和熔融層的厚度較大,更多的熔融液有足夠長的時間重新分布,可以更好地實現表面凹凸材料的重新分布[12]。

4 結束語

本文對基于熱輔助下的納秒脈沖激光拋光進行了試驗研究,對熱輔助納秒脈沖激光拋光后的表面微觀結構、表面粗糙度及表面硬度進行了針對性分析。研究結果表明:

(1)熱輔助激光表面拋光過程中,激光照射區(qū)域表面會出現一個溫度較高、持續(xù)時間較長的溫度場,因此其熔融層較厚,且冷卻過程緩慢,有利于熔融層材料的重新分布,從而形成更光滑、平坦且表面粗糙度更一致的表面;

(2)熱輔助激光表面拋光后的表面硬度得到了有效提升,可以通過調整激光加工參數、掃描路徑參數或控制補償溫度,以獲得所需拋光表面的物理性質;

(3)在表面拋光過程中,在相同的激光輸出功率下,補償溫度越高的熱輔助激光拋光掃描速度可以越大,激光能量的利用率和拋光效率可以顯著提高,有利于大規(guī)模的生產應用。