發(fā)布日期：2025-5-20 16:45:47
鈦及鈦合金由于具有良好的耐腐蝕性[1]，已被用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，如離心泵[2]、排污閥[3]、射流泵 [4]等.但由于鈦合金通常被歸為難加工的材料，使用傳統(tǒng)的拋光方法需要高熟練度的工人以避免對工件表面 造成不必要的損傷[5]，而且在常規(guī)的切削速度下會出現(xiàn)生產(chǎn)率低和刀具磨損快的問題[6].離心泵在輸送含 有砂石的水流時，葉輪葉片很容易遭受磨損，影響離心泵的工作壽命[1，7].然而，鈦合金的耐摩擦性能比 較差[8]，其中包括摩擦系數(shù)不穩(wěn)定、嚴(yán)重的黏著磨損，及對微動磨損敏感[9]，且磨損后的鈦和鈦合金再鈍 化過程非常復(fù)雜[10]，限制了鈦合金在摩擦學(xué)領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用.
相對于傳統(tǒng)的機(jī)械拋光，激光拋光作為一種非接觸式的加工方式，可以獲得高精度精加工表面，不僅能 改善硬脆材料加工困難和加工效率低的問題，還可以提高材料表面的硬度和耐磨性[11].通常，激光拋光主 要有脈沖激光拋光和連續(xù)激光拋光2種形式，前者被稱為激光微觀拋光，通常針對原始輪廓的算術(shù)平均高度S ａ為0.2～1.0μm的表面；后者被稱為激光宏觀拋光，通常針對Sa為2.0～16.0μm的表面[12].
目前大量學(xué)者利用激光加工對鈦合金的拋光和改性進(jìn)行了大量的研究，并取得了較好的效果，例如 PERRY等[13]的研究表明，在氬氣氛圍保護(hù)下使用ND：YAG脈沖激光束對微銑削鎳鈦合金零件采用激光微拋光 的加工方式取得了良好的拋光效果，使得工件Sa從0.206μm下降到0.070μm.MAＲＩＭＵＴHＵ等[14]使用連 續(xù)波光纖激光器將TC4表面Sa從10.2μm降到2.4μm，并發(fā)現(xiàn)輸入能量增加會導(dǎo)致激光拋光表面產(chǎn)生周期性的 條紋圖案，通過將熔池對流限制在最低限度，可以實現(xiàn)具有良好輪廓和粗糙度的拋光表面.MA等[15]在對TC4 鈦合金進(jìn)行激光拋光時發(fā)現(xiàn)鈦合金工件表面二維輪廓的最大高度Rz由90μm下降到4μm，且激光冷卻后形成 的α′馬氏體，在使得工件表面硬度提高了32％的同時，也提升了材料表面的耐磨性.
通常，對于高粗糙度表面的拋光主要采用連續(xù)激光拋光的方式.然而，連續(xù)激光拋光熱影響區(qū)大、重熔 深度可高達(dá)1199μm[16]，易導(dǎo)致薄壁葉輪葉片產(chǎn)生熱變形而使得工件失效.因此，文中將使用熱影響區(qū)較小 的納秒激光器，對分別在氬氣和空氣氛圍下的高粗糙度TC4鈦合金表面的拋光原理進(jìn)行研究，并討論經(jīng)激光 拋光后的工件所獲得的α′-Ti和TiN對材料表面硬度和耐磨性的影響.
1、試驗階段
試驗材料為3mm厚的TC4鈦合金板，其化學(xué)組分：Al，V，F(xiàn)e，C，N，H，O的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為5.500％～ 6.750％，3.500％～4.500％，0.300％，0.080％，0.050％，0.015％，0.200％，其余為Ti.工件表面的形 貌是通過直徑為4mm的球銑刀加工制得（主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，進(jìn)給量為1000mm/min，銑削間距為0.5mm， 背吃刀量為0.2mm），加工后其表面算術(shù)平均高度Sa為6.59μm，加工后的表面形貌如圖1所示，圖中Hｒｅ為 工件表面相對高度.
試驗所用到的激光器為ND：YAG脈沖激光器（YLPP-1-150V-30），波長λ為1064Nｍ，光斑直徑為30 μm.在室溫條件下，分別在氬氣和空氣環(huán)境下進(jìn)行激光拋光加工，激光掃描路徑為“Ｚ”字形，激光拋光面 積為10mm×10mm.使用ＫＥＹＥNCＥVＫ-9710Ｋ激光共聚焦系統(tǒng)測量表面粗糙度的變化、觀察工件表面三維 形貌.借助半自動顯微硬度儀（HＸD-1000TMSC/LCDC）維氏硬度計測量工件的表面顯微硬度，試驗負(fù)荷Ｆ 為0.5N，保壓時間為15S，卸荷時間為5S.另外，采用HＴ-1000型高溫摩擦磨損試驗機(jī)測量基體與激光拋光 工件在氬氣與空氣氛圍下的滑動摩擦磨損性能.在摩擦磨損試驗中，在室溫條件下，載荷450g，對磨材料直 徑為4mm的Gcr15陶瓷球，摩擦半徑為2mm，對磨20min后停止摩擦.
2、試驗結(jié)果和討論
2.1 拋光效果
經(jīng)過前期的預(yù)試驗，發(fā)現(xiàn)短脈寬無法維持熔池的流動，只能降低表面小范圍內(nèi)的粗糙度，而長脈寬因更 易使熔體保持流動而降低了表面大范圍內(nèi)的粗糙度.這與NSSER等[17]發(fā)現(xiàn)脈沖長度較長時，會減小空間波長 為0.625μm≤λ≤80.000μm的表面粗糙度的結(jié)論一致.在此基礎(chǔ)上研究納秒激光使用不同平均功率[18]在氬 氣和空氣氛圍下對TC4高粗糙度銑削表面拋光的形貌及性能影響，試驗參數(shù)見表1，表中Ｌ為掃描間距，Ｐ為 激光平均功率，ｆ為激光重復(fù)頻率，V為激光掃描速度，tp為激光脈寬.
經(jīng)激光拋光后表面的算術(shù)平均高度結(jié)果如圖2所示，在氬氣和空氣氛圍下，拋光結(jié)果呈現(xiàn)出相同的變化 趨勢.在激光拋光過程中只要采用適當(dāng)?shù)臈l件，無需使用輔助氣體即可獲得良好的拋光表面.另外，在相同激 光參數(shù)條件下，在氬氣氛圍下能獲得更低粗糙度的表面，Sa最小為2.94μm，下降了56.12％，而空氣氛圍下 最小Sa為3.17μm，下降了51.89％.
經(jīng)激光拋光后表面的算術(shù)平均高度結(jié)果如圖2所示，在氬氣和空氣氛圍下，拋光結(jié)果呈現(xiàn)出相同的變化 趨勢.在激光拋光過程中只要采用適當(dāng)?shù)臈l件，無需使用輔助氣體即可獲得良好的拋光表面.另外，在相同激 光參數(shù)條件下，在氬氣氛圍下能獲得更低粗糙度的表面，Sa最小為2.94μm，下降了56.12％，而空氣氛圍下 最小Sa為3.17μm，下降了51.89％.
4為激光拋光后的表面形貌.隨著激光功率的增加，起初工件表面的粗糙度會先減小，而當(dāng)P為11Ｗ時， 隨著激光功率的增加使得工件表面粗糙度增大.這是因為在P為8Ｗ時，如圖4ａ和4D所示，在氬氣和空氣氛圍 下，拋光后工件表面的形貌與初始形貌相似，但工件表面微凸起結(jié)果在激光的作用下得到了平滑處理.隨著 激光功率增加，由于熔池內(nèi)流體流動速度增加及負(fù)表面張力系數(shù)的影響，迫使表面上的熔融材料向外流動 [19]，導(dǎo)致熔池中心出現(xiàn)駝峰狀、熔池邊界附近為凹陷狀[20]，表現(xiàn)為在激光拋光的路徑方向上熔池快速冷 卻后在表面形成條紋狀的溝壑；隨著激光平均功率增加，這種溝壑會越來越明顯，導(dǎo)致表面粗糙度增大.如 圖4ｂ和4ｅ所示，在激光平均功率P為11Ｗ時，在氬氣和空氣氛圍下均顯示出具有相對均勻的表面和最佳熔 體寬度的熔化區(qū)；但當(dāng)激光平均功率P為14Ｗ時，表面過度熔化所形成的溝壑反而增大了工件表面的粗糙度.
2.2 硬度
圖5為初始工件與分別在氬氣和空氣氛圍下經(jīng)過不同激光平均功率拋光后工件的表面硬度，圖中D為維氏 硬度.TC4在鑄造狀態(tài)下由α＋β相組成，其硬度約為355.9±13.3HV.在氬氣氛圍下，當(dāng)P為14Ｗ時，工件表 面的硬度提升到434.5±25.3HV，提升了21.94％左右；而在空氣氛圍下，當(dāng)P為14Ｗ時，達(dá)到最高硬度為 985.1±95.7HV，提升了約176.79％.
為研究激光拋光后的工件表面硬度提高的原因，選取P＝12Ｗ時，分別對氬氣氛圍下拋光后的工件（S1 ）、空氣氛圍下拋光后的工件（S2）與初始工件（S0）的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究.此外分別研究了其表面磨損性 能和磨損機(jī)制.
圖6為激光拋光后的XRD圖，圖中ＩD，2θ分別為衍射峰強(qiáng)度、衍射角.由圖可知，在氬氣氛圍下拋光后 的工件S1的β衍射峰消失，轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;/α′-Ti的衍射峰.
圖7為截面的微觀結(jié)構(gòu)特征.通過分析圖7C和7ｆ，可以驗證在氬氣氛圍下拋光的工件S1重熔區(qū)域獲得了納 米硬度為632HV的針狀α′-Ti馬氏體結(jié)構(gòu)[20]；另一方面，在拋光過程中激光形成的熔池受到金屬基體的強(qiáng) 烈冷卻作用，冷卻速度可以達(dá)到10-6～10-3K/S，導(dǎo)致晶粒細(xì)化，使得其表面硬度增大[16].另外，由于激 光的熱效應(yīng)使得合金元素蒸發(fā)而在底部形成鑰匙孔區(qū)域[21]，如圖7ｆ所示.
而在空氣氛圍下，如圖6所示，XRD衍射檢測出氮化物的2種相：立方晶格的TiN和具有六方晶格結(jié)構(gòu)的固 溶體TiN0.3衍射峰，表明在空氣氛圍下拋光的工件S2表面被氮化.由圖7ａ和7ｂ可以看出，重熔區(qū)域糊狀地 帶是由于熔池中TiN晶體樹突生長的停滯效應(yīng)而形成[22]；并且在重熔熱影響區(qū)生成了針狀馬氏體結(jié)構(gòu)，如 圖7ｅ所示.
圖8為在空氣中激光拋光過程中引起的次表面微觀圖譜的ＥDS圖譜.由圖可知，通過能量色散光譜檢查工 件S2橫截面的化學(xué)元素分布，結(jié)果顯示氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％，主要集中在激光拋光基體表層，表明工件 表面存在氧化.而氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則為12％，主要分布在基體表面，并如圖3ａ所示在重熔過程中跟隨熔池 內(nèi)部對流向下擴(kuò)散[23].
雖然有研究[24]表明鈦對氧氣的親和度比氮氣高，但仍可以確定工件S2表面發(fā)生了氮化.因此，由于工 件S2表面獲得了α′-Ti晶體和硬度為2609HV的TiN[20]，使得其表面硬度得到了顯著的提升.
另外，由于拋光后的表面快速冷卻，在空氣氛圍下拋光后工件S2表面出現(xiàn)了裂紋，如圖7ａ所示；且與 工件S1相同，均出現(xiàn)了鑰匙孔區(qū)域，如圖7ｅ所示.
2.3 摩擦磨損
圖9為動摩擦系數(shù)（COＦ）變化，圖中ｔ為對磨時間.由圖可知COＦ在對磨前約1min呈快速上升趨勢，這 是因為GCr15陶瓷球與工件表面微凸起之間的實際接觸面積小、所受應(yīng)力大，導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)劇烈磨損， 此階段為磨合階段.此后，工件的動摩擦系數(shù)則在平均動摩擦系數(shù)附近上下波動，為穩(wěn)定磨損階段.這主要是 因為隨著對磨時間增長，工件表面的微凸起結(jié)構(gòu)被逐漸磨損，對磨球與工件表面的實際接觸面積增大，表面 接觸應(yīng)力減小.
特別是，表面的平均動摩擦系數(shù)初始工件S0的為0.46，氬氣氛圍下拋光后的工件S1則下降到0.44，而空 氣氛圍下拋光后的工件S2則大幅減小到0.16.表明經(jīng)過拋光后工件表面耐磨性均得到了提升，特別是在空氣 氛圍下拋光的工件表現(xiàn)出較低的動摩擦系數(shù)和良好穩(wěn)定性.這是由于激光拋光后的工件表面獲得了α′-Ti或 TiN晶體，使得其表面硬度均高于基體，可以有效提升鈦合金表面的耐磨性[25].
圖10為工件表面的磨損形貌.由圖10ａ和10D可以看出，在對磨過程中GCr15陶瓷球會對硬度較低的鈦合 金表面進(jìn)行犁削，產(chǎn)生塑性變形，而被磨損的材料顆粒不易被排除，并在對磨過程中對基體進(jìn)行二次犁削形 成溝壑，如圖10ｅ所示.因此，初始工件S0的磨損方式為磨粒磨損.
由圖10C和10ｆ可知，在氬氣氛圍下拋光的工件S1和初始工件S0以同樣的方式被磨損，但由于工件S1表 面獲得了α′-Ti針狀馬氏體結(jié)構(gòu)，硬度和耐磨性均得到了提高，使得工件S1的磨痕寬度從工件S0的1045μm 減小到932μm.
在空氣中拋光的工件S2在對磨20min后未見明顯磨痕.然而，GCr15陶瓷球在對磨過程中，工件表面會產(chǎn) 生瞬時高溫，易形成黏結(jié)點，在循環(huán)對磨過程中發(fā)生撕裂，產(chǎn)生剝落坑，如圖10ｂ所示，其磨損機(jī)制為黏著 磨損[26].
3、結(jié)論
當(dāng)激光能量合適時，激光在氬氣和空氣氛圍下均能使工件表面的粗糙度降低，且在氬氣氛圍能獲得更好 的表面粗糙度.其中在氬氣氛圍下，激光平均功率P為11Ｗ時，獲得的表面算術(shù)平均高度Sa最小，為2.94μm ，粗糙度下降了56.12％.
在氬氣氛圍下，重熔層由初始α＋β相轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;′-Ti馬氏體相，硬度最高提高了21.94％；在空氣氛圍 下，重熔層則生成了未經(jīng)長大的TiN晶體和α′-Ti馬氏體，使得材料表面硬度顯著提升了176.79％.
在氬氣氛圍下拋光的工件磨損性能得到了小幅提升，其與初始工件均為磨粒磨損；但在空氣氛圍下拋光 的工件由于表面獲得了高硬度TiN，使得其耐磨性和穩(wěn)定性都得到大幅提升，磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp.
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