逄明華, 翟帥杰, 馮啟高, 張秋臣, 馬利杰

(河南科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453003)

硬質(zhì)合金以其優(yōu)異的熱硬度、強(qiáng)度和耐腐蝕等特性被廣泛用于刀具切削領(lǐng)域，刀具的快速磨損一直是金屬切削領(lǐng)域關(guān)注的重點，是制約金屬切削效率與工件表面質(zhì)量提升的關(guān)鍵因素[1-3]. 表面織構(gòu)是利用現(xiàn)有的加工設(shè)備在固體表面制備出微/納結(jié)構(gòu)形貌，以此改善表面性能的一種技術(shù)手段[4-6]. 現(xiàn)有研究表明，刀具表面織構(gòu)能夠改善刀-屑界面切削液的滲入及存儲，降低刀具磨損，提高工件表面加工質(zhì)量. 楊超等[7]利用激光加工技術(shù)在YT15刀具表面制備了不同參數(shù)的微凹坑織構(gòu)，并進(jìn)行45鋼切削試驗，結(jié)果表明表面凹坑織構(gòu)能夠改善刀-屑界面的切削液存儲，降低刀具磨損，提高工件表面加工質(zhì)量. Li等[8]利用飛秒激光在YT15表面制備了不同織構(gòu)密度的“V”形織構(gòu)，并進(jìn)行摩擦試驗，結(jié)果表明織構(gòu)密度為9.5%時，織構(gòu)界面的流體動壓最大，摩擦系數(shù)最小且穩(wěn)定. 李健等[9]為解決刀具的磨損等問題，利用激光加工和低表面能處理技術(shù)在PCD刀具表面制備了親/疏復(fù)合織構(gòu)，實現(xiàn)了刀具表面微液滴的定向調(diào)控.

目前硬質(zhì)合金表面織構(gòu)多為空氣介質(zhì)中激光蝕刻，其原理為固體表面材料在激光高能光束的作用下快速汽化并揮發(fā)，形成所需的表面微/納結(jié)構(gòu). 由于空氣介質(zhì)中熔融物無法快速去除，極易冷卻、凝固于加工區(qū)域附近，形成毛刺及重鑄層，降低了表面織構(gòu)的加工質(zhì)量. Liu等[10]在利用Zeta-20三維表面輪廓儀對激光制備的表面織構(gòu)形貌進(jìn)行觀察時發(fā)現(xiàn)，微凹坑附近存在較多的毛刺，通過研究指出金屬加工熔融物的冷卻與凝固是形成較多毛刺的主要原因. 張偉等[11]對單晶鎳基高溫合金飛秒激光加工熔融物重鑄機(jī)理進(jìn)行了探索，結(jié)果表明，飛秒激光的能量密度對熔融物重鑄影響明顯. 當(dāng)激光能量密度大于材料的熱熔閾值時，熔融物重鑄層開始出現(xiàn)，且隨能量密度的增加而顯著增多. 劉峰等[12]采用離子束輔助激光加工技術(shù)在WC/Co硬質(zhì)合金表面制備了微凹坑織構(gòu)，研究了激光加工參數(shù)與微凹坑熔融物重鑄現(xiàn)象的關(guān)聯(lián). 結(jié)果表明，微凹坑熔融物重鑄現(xiàn)象隨激光加工頻率的增加而增多，與激光掃描速度和脈沖寬度成反比，離子束輔助能有效減小激光加工重鑄層. 上述研究對清晰激光加工毛刺及熔融物重鑄機(jī)理起到了巨大的推進(jìn)作用，但如何有效解決該問題仍是困擾表面織構(gòu)激光制備領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一.

液相輔助激光加工是近年來提出的一種新型加工技術(shù)，是將被加工工件浸入輔助液體中再利用激光對其加工，該技術(shù)手段有效避免加工區(qū)域的熱效應(yīng)及熔融物重鑄等問題. Garcia等[13]在乙二醇溶液中對陶瓷及微晶玻璃進(jìn)行納秒激光燒蝕試驗，發(fā)現(xiàn)激光加工深度和材料去除量與輔助液相相關(guān). Zhai等[14]進(jìn)行了空氣/水介質(zhì)時間控制納秒激光加工孔試驗，結(jié)果表明，激光加工效率及質(zhì)量均得到有效提升. 龍芋宏等[15]研究了空氣和水介質(zhì)對激光刻蝕硅的速率和表面形貌的影響，結(jié)果表明，水輔助激光加工可使熔渣快速排出，降低了熔融物重鑄現(xiàn)象，提升了硅表面激光刻蝕的速率及質(zhì)量. Zhang等[16]對液相輔助飛秒激光加工單晶硅表面織構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了激光光束熱效應(yīng)下氣泡的形成機(jī)制，探討了單晶硅表面微顆粒材料沖擊破損機(jī)理.

上述研究表明，利用液相輔助技術(shù)可有效降低激光加工的熔融物重鑄現(xiàn)象，抑制毛刺及重鑄層的產(chǎn)生.此外，輔助液相在激光光束的熱作用下能夠快速產(chǎn)生氣泡，對激光光束起到散射作用，這可以彌補(bǔ)空氣介質(zhì)中激光不能加工復(fù)雜織構(gòu)形貌的不足. 文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，將液相輔助激光加工技術(shù)用于金屬表面織構(gòu)制備的研究很少. 而利用液相輔助激光加工技術(shù)在YT15硬質(zhì)合金表面制備微凹坑分布均勻的表面織構(gòu)，調(diào)控其表面潤濕及摩擦學(xué)特性的研究還未見報道. 為此，本文中通過液相輔助激光加工技術(shù)制備YT15硬質(zhì)合金表面織構(gòu)，研究結(jié)果表明其表面性能更優(yōu)，對推進(jìn)表面織構(gòu)激光加工技術(shù)的發(fā)展和豐富表面織構(gòu)形貌類型均具有重要的意義.

1 試驗部分

1.1 材料選擇及表面織構(gòu)制備

本試驗對象為YT15硬質(zhì)合金，該合金的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為79% WC、13% TiC和8% Co，試件大小為15 mm×15 mm×5 mm. 試件初始及加工后的表面形貌由白光干涉儀(Contour GT-X3/X8三維表面輪廓儀，Bruker,Nano, Inc)測量獲得，初始表面粗糙度0.86 μm. 試件表面織構(gòu)加工設(shè)備為M20光纖激光打標(biāo)機(jī)(M20，河南中航北工智能裝備有限公司)，激光器(ND: YAG)的最大輸出功率100 W，波長1 046 nm，重復(fù)精度0.001 nm，重復(fù)精度誤差小于5 μrad，具體參數(shù)列于表1中. 輔助液體選用雙氧水和無水乙醇的混合液[17]，體積比為50:1. 前期嘗試性試驗表明，溶液與試件上表面的距離對表面織構(gòu)加工質(zhì)量有顯著影響. 距離太大將導(dǎo)致激光光束能量衰減嚴(yán)重，距離太小則激光加工過程中氣泡炸裂可以使得工件瞬時暴露于空氣中，影響液相輔助激光加工過程的穩(wěn)定性. 試驗選取輔助溶液的量為24 mL，溶液上表面距工件2 mm，具體加工方案及原理如圖1所示.

表1 液相輔助激光加工參數(shù)Table 1 Liquid-Phase assisted laser processing parameters

1.2 表面形貌及潤濕性

為評價試件表面的潤濕性，利用接觸角測量儀(SDC-100，東莞市鼎盛精密儀器有限公司，廣州)對工件表面激光加工前后的接觸角進(jìn)行測量. 測量前試件表面用5%的丙酮溶液超聲清洗20 min，室溫并冷風(fēng)吹干. 同一試件表面接觸角重復(fù)測量3次，取平均值作為最終結(jié)果. 測試液體為純凈水，體積為0.5 uL，測試時間為30 s，測量環(huán)境溫度為28 ℃，用單圓法擬合. 試樣表面形貌以及氧化特性采用掃描電子顯微鏡(SEM，Quanta 200，美國FEI公司，美國)、能譜儀系統(tǒng)(EDS，OXFOBRD INCA250)以及X射線衍射儀(XRD，Bruker D2 PHASER，德國)進(jìn)行檢測.

1.3 摩擦學(xué)試驗

摩擦試驗在MWF-500往復(fù)式摩擦磨損試驗機(jī)(MWF-500，濟(jì)南華興試驗設(shè)備有限公司，濟(jì)南)上進(jìn)行，下試樣為YT15硬質(zhì)合金試件，用石蠟固定于摩擦試驗機(jī)載物槽內(nèi). 上試件為440不銹鋼鋼球，直徑為6.75 mm. 三種摩擦工況：干摩擦、長城潤滑油和長城潤滑油 + MoS2固體顆粒(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4%)[18]. 往復(fù)摩擦行程6 mm，法向載荷20 N，試驗時間10 min. 摩擦力及摩擦系數(shù)實時結(jié)果由MWF-500往復(fù)式摩擦磨損試驗機(jī)自帶軟件測量給出，每組試樣重復(fù)試驗3次，取平均值為最終試驗結(jié)果. 試驗完成后用超景深顯微鏡(Leica DM2500徠卡顯微系統(tǒng)，德國)對表面磨損形貌進(jìn)行觀測，目鏡倍數(shù)10×，物鏡倍數(shù)4×~1 000×.

Fig. 1 Surface topography measured by laser machining principle and 3D surface profiler in (a) air medium and (b) liquid-phase assisted environment圖1 在(a)空氣介質(zhì)和(b)液相輔助中激光加工原理及三維表面輪廓儀測得的表面形貌照片

2 結(jié)果與討論

2.1 表面織構(gòu)形貌特性

圖2所示為空氣及液相輔助下激光加工表面的形貌特性及氧元素含量，可以看出空氣介質(zhì)中激光加工硬質(zhì)合金表面呈現(xiàn)出黑色，液相環(huán)境下試件表面仍然有金屬光澤. 由EDS能譜結(jié)果可知，工件原始表面的氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.35%[圖2(a)]，空氣介質(zhì)中激光加工表面的氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.79%[圖2(b)]，液相輔助下激光加工表面的氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.63%[圖2(c)].表明空氣介質(zhì)中激光加工表面存在明顯的氧化現(xiàn)象，而液相輔助環(huán)境下激光加工表面的氧化現(xiàn)象得到明顯改善. 其原因為輔助液體對激光加工表面起到隔離保護(hù)作用，使固體熔融物不能與空氣中的氧元素結(jié)合，抑制金屬氧化物的生成[19]. 此外，液相輔助下激光加工表面的氧元素含量明顯低于原始表面，這是由于試件表面長期處于空氣中，生成了金屬氧化物膜. 液相輔助激光加工時，此氧化膜被加工去除. 再者，輔助液體在激光光束的熱作用下快速生成氣泡，當(dāng)其從固-液界面溢出時將激光加工熔融物帶離了加工區(qū)域，降低表面熔融物的重鑄現(xiàn)象. 此外，氣泡對激光光束起到散射作用，使激光光束作用區(qū)域的能量分布趨于均衡，所得表面的微凸峰及凹谷分布也更加均勻[16].

2.2 織構(gòu)表面潤濕性

Fig. 2 SEM micrographs of surface morphology and EDS energy spectrum of (a) initial sample surface,(b) laser processing in air and (c) laser processing with assisted liquid圖2 試樣表面形貌的SEM照片及EDS能譜分析圖：(a)原始表面；(b)空氣介質(zhì)激光加工表面，(c)液相輔助激光加工表面

Fig. 3 SEM images of surface morphology and contact angle of (a) initial sample surface, (b) laser processing in air and (c) laser processing with assisted liquid.圖3 試樣表面形貌的SEM照片及潤濕特性：(a)原始表面；(b)空氣介質(zhì)激光加工表面；(c)液相輔助激光加工表面

潤濕性對刀具切削性能有顯著影響，由圖3可知，原始試件表面的接觸角為70.42°，空氣介質(zhì)中激光加工表面的接觸角為65.852°，而液相輔助下激光加工表面的接觸角為55.40°，此工況下表面親水特性最強(qiáng). 現(xiàn)有研究表明，影響固-液界面潤濕性的因素有表面形貌及化學(xué)元素含量. 根據(jù)Wenzel模型可知[公式(1)]，對于親水性材料，表面粗糙度因子越大，固-液界面表觀接觸角θ?越小，潤濕性越強(qiáng)[20-21].

式中：θ?為 固-液界面表觀接觸角，θe為固-液界面本征接觸角，r為粗糙度因子，可由公式(2)進(jìn)行計算；H為單微凸峰的高度，R為單微凸峰半徑.

液相輔助激光加工后，試樣表面形成分布更均勻的微凸峰及凹谷[圖2(c)]，致使表面粗糙度因子r增大.而液相輔助環(huán)境下被加工表面未發(fā)生氧化，為此表面親水特性增強(qiáng). 空氣介質(zhì)中激光加工表面的粗糙度因子r也增大，但表面氧化嚴(yán)重且存在較厚的熔融物重鑄層[圖2(b)]，現(xiàn)有研究表明硬質(zhì)合金表面氧元素含量的增加將減弱表面親水性特性[22]. 為此，空氣介質(zhì)中激光加工表面的親水特性優(yōu)于原始表面，但弱于液相輔助激光加工表面.

2.3 織構(gòu)表面摩擦系數(shù)

圖4所示為干摩擦、油潤滑及油與MoS2粉末混合潤滑的界面摩擦系數(shù)曲線，可以看出，干摩擦工況下空氣介質(zhì)激光加工表面的摩擦系數(shù)略高于原始表面，油潤滑及油與MoS2粉末潤滑工況下，空氣介質(zhì)激光加工表面的摩擦系數(shù)略低于原始表面，三種工況下液相輔助激光加工表面的摩擦系數(shù)均最小，表明空氣介質(zhì)中激光加工表面對界面摩擦系數(shù)的改善效果不及液相輔助激光加工表面. 由圖2和圖3可知，空氣介質(zhì)中激光加工表面存在熔融物重鑄及毛刺，表面織構(gòu)粗糙度比液相輔助激光加工表面大，由此可斷定熔融物重鑄及毛刺是影響表面織構(gòu)效果的根本原因. 干摩擦工況下表面織構(gòu)雖然減小了界面接觸面積，但激光加工引發(fā)的熔融物重鑄及毛刺使界面刮擦嚴(yán)重，液相輔助激光加工表面不存在熔融物重鑄層及毛刺，界面刮擦現(xiàn)象較輕. 油潤滑工況下，激光加工表面的摩擦系數(shù)均小于原始表面，這是由于表面織構(gòu)增加了界面間潤滑油的存儲[7-9]，而輔助液相提高了表面織構(gòu)的加工質(zhì)量，使得表面的微凹坑分布更加均勻，界面潤滑油存儲分布更加合理. 在油與MoS2粉末混合潤滑工況下，激光加工表面的摩擦系數(shù)小于原始表面，但相比油潤滑工況略高. 這是因為MoS2固體潤滑顆粒隨潤滑油滲入到織構(gòu)界面間，對摩擦界面起到了一定的隔離和潤滑效果，但固體潤滑顆粒密度較大且懸浮于潤滑油中，在起到潤滑作用的同時逐漸沉積于表面織構(gòu)的微凹坑內(nèi)(圖5)，致使表面織構(gòu)的儲油及流體動壓潤滑效果減弱[23].

2.4 織構(gòu)表面磨損形貌

Fig. 4 Friction coefficient curve under three lubrication condition: (a) dry friction, (b) oil lubrication, (c) oil and MoS2 mixed lubrication and (d) friction coefficient comparison for three lubrication condition圖4 三種潤滑工況下摩擦系數(shù)曲線：(a)干摩擦；(b)油潤滑；(c)油與MoS2粉末混合潤滑和(d)三種潤滑工況摩擦系數(shù)對比

Fig. 5 Wear reduction mechanism of laser processing surface under oil and oil and MoS2 mixed lubrication condition圖5 油及油與MoS2粉末混合潤滑表面織構(gòu)減磨機(jī)理

Fig. 6 Surface wear morphology of test samples under dry friction condition of (a) initial sample surface,(b) laser processing in air and (c) laser processing with assisted liquid圖6 干摩擦下試樣表面磨損形貌：(a)原始表面，(b)空氣介質(zhì)激光加工表面和(c)液相輔助激光加工表面

圖6所示為干摩擦下硬質(zhì)合金試樣表面的磨損形貌，可以看出原始表面的磨損區(qū)域?qū)捛夷ズ鄯植季鶆颍合噍o助激光加工表面的磨損區(qū)域窄但磨痕深度較大. 本試驗上試樣為440不銹鋼鋼球，硬度為(56~58 HRC)明顯低于硬質(zhì)合金(90 HRA)，磨損區(qū)域?qū)捳f明不銹鋼球的表面磨損嚴(yán)重，球與硬質(zhì)合金表面的接觸面積大. 而液相輔助激光加工表面存在微凸峰及凹坑，干摩擦?xí)r對不銹鋼球表面的刮擦嚴(yán)重，而刮傷表面與磨損顆粒引發(fā)了硬質(zhì)合金表面磨損的非均勻性. 空氣介質(zhì)中激光加工表面的磨損區(qū)域與原始表面相當(dāng)，但無明顯劃痕. 表明不銹鋼球磨損同樣嚴(yán)重，但試樣表面的微凸峰及磨損磨粒未能刮傷硬質(zhì)合金表面，說明硬質(zhì)合金表面經(jīng)過激光加工后表面硬度得到了明顯提升. 結(jié)合2.1節(jié)試驗結(jié)果可判定空氣介質(zhì)中激光加工表面的熔融物重鑄層，提高了硬質(zhì)合金表面硬度與耐磨性[24]. 由圖7(a~c)可以看出，原始表面的磨損區(qū)域?qū)捛夷ズ凵疃茸畲螅合噍o助激光加工表面的磨損區(qū)域窄且磨痕淺，空氣介質(zhì)激光加工表面介于兩者之間，且潤滑條件下試樣表面的磨損均優(yōu)于干摩擦工況. 表明潤滑油對界面摩擦起到了潤滑作用，但潤滑效果有所差異，三者中液相輔助激光加工表面的潤滑效果最優(yōu). 現(xiàn)有研究均表明，表面織構(gòu)能夠改善界面摩擦學(xué)特性是由于其存儲了更多的潤滑油，更易形成流體動壓效應(yīng)[25]. 由此推斷，液相輔助激光加工表面的微織構(gòu)在潤滑油存儲及形成流體動壓潤滑方面更具有優(yōu)勢. 在潤滑油中添加MoS2固體顆粒后，試樣表面的磨損呈現(xiàn)出一定程度的惡化(見圖8)，說明潤滑油中添加MoS2固體顆粒后，更不利于形成界面流體動壓潤滑.

3 試驗結(jié)果分析

上述試驗結(jié)果表明，空氣與液相輔助下激光加工的織構(gòu)均能改善硬質(zhì)合金表面摩擦學(xué)特性，且液相輔助激光加工表面的效果最佳. 這是因為空氣介質(zhì)中硬質(zhì)合金表面材料在激光光束的作用下快速揮發(fā)、冷卻并凝固于加工區(qū)域邊緣，形成了明顯的熔融物重鑄層及毛刺. 在此過程中又與空氣中的氧元素反應(yīng)生成氧化鈷和氧化鈦(圖9)，使加工區(qū)域呈現(xiàn)黑色且硬度增大[22]，減弱表面形貌對固-液界面潤濕性的影響，制約界面摩擦學(xué)特性的改善效果[22][圖10(a)]. 液相輔助激光加工硬質(zhì)合金時，表面材料在激光光束的熱作用下?lián)]發(fā)，輔助液體對加工表面起到了冷卻和保護(hù)作用[11,15].不僅使固體熔融物冷卻速度加快，同時也隔離了空氣，減輕固體表面氧化現(xiàn)象，且輔助液體在激光光束的熱作用下快速氣化，氣泡脫離時攜帶出固體熔融物，抑制表面重鑄現(xiàn)象[11,15-16]. 為此，液相輔助激光加工表面的潤濕性更好，潤滑液更易滲入并存儲于表面微凹坑內(nèi)，改善界面摩擦學(xué)特性[圖10(b)].

Fig. 7 Surface wear morphology of test samples under oil lubrication condition of (a) initial sample surface,(b) laser processing in air and (c) laser processing with assisted liquid圖7 油潤滑下試樣表面磨損形貌：(a)原始表面，(b)空氣介質(zhì)激光加工表面和(c)液相輔助激光加工表面

Fig. 8 Surface wear morphology of test samples under oil and MoS2 mixed lubrication condition of (a) initial sample surface, (b) laser processing in air and (c) laser processing with assisted liquid圖8 油與MoS2粉末混合潤滑下試樣表面磨損形貌：(a)原始表面，(b)空氣介質(zhì)激光加工表面和(c)液相輔助激光加工表面

Fig. 9 XRD analysis results of (a) original surface, (b) laser machined surface in air medium and(c) liquid phase assisted laser machined surface圖9 XRD分析結(jié)果：(a)原始表面，(b)空氣介質(zhì)激光加工表面和(c)液相輔助激光加工表面

Fig. 10 Surface wear reduction mechanism of (a) laser processing in air and (b) laser processing with assisted liquid.圖10 表面減磨機(jī)理：(a)空氣介質(zhì)激光加工表面；(b)液相輔助激光加工表面

4 結(jié)論

為降低YT15工件表面空氣介質(zhì)激光加工的熱效應(yīng)及熔融物重鑄現(xiàn)象，本文中將液相輔助激光技術(shù)引入到硬質(zhì)合金表面織構(gòu)加工中，制備出形貌更為復(fù)雜和質(zhì)量更優(yōu)的表面織構(gòu). 通過對織構(gòu)表面形貌、潤濕性及摩擦磨損特性對比研究，得出以下結(jié)論：

a. 空氣介質(zhì)下激光加工硬質(zhì)合金表面的氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，熔融物易固結(jié)于加工區(qū)域附近，形成熔融物重鑄層及毛刺. 降低硬質(zhì)合金表面織構(gòu)的加工質(zhì)量，使表面織構(gòu)對其潤濕性的改善減弱. 影響潤滑油在接觸界面間的滲入及存儲，致使表面織構(gòu)對界面摩擦行為的調(diào)控效果變差.

b. 輔助液相對激光加工表面起到冷卻及保護(hù)作用，避免了加工表面的氧化. 而固-液界面快速形成的氣泡又對加工熔融物起到了攜帶作用，改善熔融物重鑄問題，提高了表面織構(gòu)加工質(zhì)量. 此外，液相輔助激光加工獲得的織構(gòu)表面具有更優(yōu)的潤濕性，有利于潤滑液在接觸界面間的滲入及存儲，進(jìn)而改善了界面摩擦學(xué)行為.

c. 潤滑油中添加MoS2固體潤滑顆粒對表面織構(gòu)的減磨效果存在影響，MoS2固體潤滑顆粒隨潤滑油進(jìn)入到織構(gòu)界面間，對界面起到一定的隔離和潤滑作用. 但固體顆粒在表面織構(gòu)微凹坑內(nèi)的沉積減弱潤滑油流體動壓潤滑效果，與單純油潤滑相比，界面摩擦系數(shù)略高.