引言

TC4鈦合金在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它具有優(yōu)良的耐蝕性、密度小、比強(qiáng)度高和良好的拋光性薄板成型性和鍛造性能，在石油化工、造船、汽車、航空等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。LM 成型的鈦合金表面粗糙度一般為15～50μm，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)方式加工的零件，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單手工打磨或者采用噴丸、電解拋光等后處理方式能夠獲得很好的表面質(zhì)量，但是當(dāng)零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者是精細(xì)零件時(shí)，采用上述后處理方法將不再適用。激光拋光是非接觸式拋光，用一定能量密度的激光束輻照特定工件，使其表面一薄層物質(zhì)熔化或蒸發(fā)而獲得光滑表面。不需要任何機(jī)械研磨劑和拋光工具，可以拋光用傳統(tǒng)拋光方法很難拋光或非常復(fù)雜的表面，拋光精度高，可達(dá)到納米級(jí)]。

由于激光拋光技術(shù)具有傳統(tǒng)拋光技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)， 20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)、俄羅斯、日本、德國(guó)和中國(guó)的研究者已經(jīng)對(duì)金剛石薄膜、高分子聚合物、陶瓷、半導(dǎo)體、光學(xué)元件、絕緣體、藍(lán)寶石等材料進(jìn)行了大量的拋光實(shí)驗(yàn)研究。本文旨在維持TC4合金材料性質(zhì)不變的情況下，使用激光拋光技術(shù)最大程度降低TC4合金表面粗糙度。

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

本文研究通過(guò)調(diào)整激光器種類和調(diào)節(jié)激光器參數(shù)研究對(duì)TC4鈦合金表面粗糙度的影響規(guī)律，得出符合所需表面粗糙度的工藝參數(shù)，并確定如圖1所示的實(shí)驗(yàn)方案。通過(guò)三維形貌儀測(cè)試材料表面形貌、拋光面的X/Y軸的周期變化和表面粗糙度。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用TC4合金材料，具有優(yōu)良的耐蝕性、小密度、高的比強(qiáng)度和良好的拋光性薄板成型性和鍛造性。拋光前，使用線切割方法將3D打印的TC4鈦合金切割成尺寸規(guī)格約為2mm×50mm×50mm的鈦合金板（平板）試樣。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

本文共使用了2種不同的激光器對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行拋光試驗(yàn)，分別為二氧化碳激光器和光纖激光器。二氧化碳激光拋光實(shí)驗(yàn)裝置的激光光源采用 ROfin公司DC035型號(hào)的準(zhǔn)連續(xù)二氧化碳激光器（w＝10.6μm），激光模式為準(zhǔn)基模，最高功率3500Ｗ，如圖2所示。

 光纖激光器為北京熱刺激光有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的單模輸出激光器，額定輸出功率為1200W，工作波長(zhǎng)為1080nm，工作模式是連續(xù)輸出，單模輸出平頂高斯光束，輸出功率可調(diào)范圍10％～100％，輸出光纜最長(zhǎng)可達(dá)20m。

試驗(yàn)樣品使用白光干涉儀即三維形貌儀（WYKO　NT1100Optical　PrOfilingSｙstem）測(cè)量表面粗糙度Ra，在VSI（Vertcal　Scanning　interfer－ence）模式下測(cè)量，其精度為1nm，采用50倍物鏡放大鏡頭，其視場(chǎng)范圍（對(duì)應(yīng)測(cè)試面積大小）為736nm×480nm。

Leica　DM2700M正置金相顯微鏡采用先進(jìn)的通用白光LED照明系統(tǒng)。載物臺(tái)行程25mm，物鏡放大倍率分別為5X、10X、20X、50X。載物臺(tái)的大小為76mm×50mm。圖片分辨率范圍從130Ｗ像素到800Ｗ像素。

硬度儀采用WilsOn　VＨ1202維氏硬度計(jì)，利用壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的測(cè)量值來(lái)計(jì)算硬度值，最大測(cè)試高度130mm，最大測(cè)試深度為距離壓頭中心175mm，目鏡采用20倍電子目鏡，物鏡具有10X和50X兩個(gè)倍率的物鏡。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，（a）、（b）、（c）、（ｄ）分別為光纖激光器、三維形貌儀、顯微鏡、維氏硬度計(jì)。

2、二氧化碳激光拋光工藝對(duì)鈦合金表面粗糙度的影響

2.1 激光功率對(duì)表面粗糙度的影響

選擇在離焦量為20mm、掃描速度250mm/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到激光功率對(duì)拋光表面粗糙度的影響，如圖4所示。

從測(cè)量結(jié)果看出：當(dāng)激光功率在350W～450Ｗ范圍內(nèi)時(shí)，表面粗糙度有起伏現(xiàn)象，其主要原因是較低的激光功率不足以使高峰完全熔化，導(dǎo)致不同位置的拋光效果不同。當(dāng)激光功率為490W時(shí)，表面粗糙度最低，降到131.38nm，并且有很明顯銀白色的金屬光澤，三維形貌如圖5。其主要原因是隨著能量密度的增加，原始材料表面剛好達(dá)到熔融狀態(tài)，熔融金屬流動(dòng)和凝固達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

隨著激光功率的升高，熔融金屬內(nèi)部流動(dòng)增加，表面粗糙度緩慢增加；當(dāng)功率超過(guò)650W以后，表面粗糙度陡然升高，波紋現(xiàn)象明顯。

2.2 激光離焦量對(duì)表面粗糙度的影響

結(jié)合上組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置激光功率450W和500Ｗ、掃描速度250mm/min，改變離焦量參數(shù)，TC4鈦合金粗糙度如圖6所示。

由測(cè)量結(jié)果得出：拋光TC4鈦合金過(guò)程中，表面粗糙度隨著離焦量的增大而降低。當(dāng)功率500Ｗ，離焦量30mm時(shí)，表面粗糙度Ra為較低值231.42nm，如圖7所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，得出高離焦量和高功率下熔融區(qū)域更寬，并且光斑功率密度均勻，這有利于降低波紋狀起伏，提高拋光的效率。

2.3 激光掃描速度對(duì)表面粗糙度的影響

實(shí)驗(yàn)中選取功率為450Ｗ和500W，離焦量為30mm，TC4鈦合金粗糙度如圖8。

 當(dāng)掃描速度太慢時(shí)，材料表面熱積累嚴(yán)重，形成熔池產(chǎn)生流動(dòng)，拋光表面粗糙度變大，并且有氧化變黃的現(xiàn)象出現(xiàn)。速度在200mm/min時(shí)，TC4鈦合金表面開始有金屬光澤。隨著掃描速度的增加，表面粗糙度逐漸降低，當(dāng)掃描速度在450mm/min時(shí)，拋光效果達(dá)到最佳，表面粗糙度Ra下降到123.20nm，如圖９所示。

2.4 激光掃描間距對(duì)表面粗糙度的影響

設(shè)置激光功率500Ｗ，離焦量30mm，掃描速度450mm/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10。

掃描間隔過(guò)小，輻照區(qū)域內(nèi)材料吸收的能量較多，材料重復(fù)拋光，粗糙度較高，同時(shí)有氧化變黃甚至變黑的現(xiàn)象；當(dāng)掃描間距為0.3mm時(shí)，表面淺熔，獲得較好的拋光效果，表面粗糙度Ra降為117.62nm，如圖11。繼續(xù)增大掃描間隔，掃描路徑之間仍有未熔融的區(qū)域，而且不能消除單道掃描后凸起的部分。

2.5 激光拋光后鈦合金材料性質(zhì)檢測(cè)

原始表面和拋光表面的比較如圖12所示，圖中顯示峰值大部分為Ti元素。

A、Ｂ峰Lin值基本保持不變，Ｃ、D和F峰Lin 值升高比較明顯，D、Ｇ和Ｈ峰Lin值減少比較多。

我們可以做出結(jié)論，拋光總體結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，并且晶粒尺寸變小，晶格排列變整齊。說(shuō)明二氧化碳激光器拋光鈦合金，對(duì)材料表面的結(jié)構(gòu)有很明顯的改善。

并且原始峰在2-Ｔｈeta-Scale的46°位置發(fā)現(xiàn)Ｔi2O的出現(xiàn)，但是在拋光后的XRD檢測(cè)中，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Ti₂O的存在，因此在拋光過(guò)程中由于保護(hù)裝置的嚴(yán)密性和3D打印材料的多孔性，TC4表面的氧化物得到很好的去除。激光拋光后鈦合金的顯微硬度分布如圖13所示。

如圖13（a）所示，說(shuō)明激光拋光鈦合金表面有很明顯的硬度改善。而在縱向方向上表面粗糙度的影響范圍為1mm，如圖13（b）所示，說(shuō)明二氧化碳激光拋光TC4對(duì)其縱向方向的物化性質(zhì)影響比較小。

2.6 拋光效果

激光參數(shù)功率為500Ｗ，離焦量30mm，掃描速度450mm/min，掃描間距為0.3mm時(shí)，TC4鈦合金表面粗糙度具有最小值117.62nm，拋光效果較好，如圖14所示。

 在拋光后的表面上發(fā)現(xiàn)微觀裂紋，考慮到設(shè)置的二氧化碳激光器激光功率過(guò)高，裂紋的產(chǎn)生首先是高溫區(qū)域材料晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)晶界面開裂，形成熱裂紋；其次由于熱循環(huán)造成了氫擴(kuò)散，形成冷裂紋。通過(guò)預(yù)熱和外加溫度場(chǎng)等方式能夠改變激光拋光過(guò)程中顯微組織的結(jié)構(gòu)，改善拋光質(zhì)量，減少微觀裂紋。

3、光纖激光拋光工藝對(duì)鈦合金表面粗糙度的影響

3.1 金屬表面形貌對(duì)表面粗糙度的影響

圖15所示為激光拋光之前的TC4鈦合金的四種不同表面形貌，分別采用不同方法來(lái)進(jìn)行預(yù)處理。

實(shí)驗(yàn)采用的工藝參數(shù)如下：在激光聚焦面上方9mm處，激光功率90W、激光掃描速度80mm/s、掃描間距0.3mm，拋光面積為1cm×1cm。這些參數(shù)對(duì)不同表面形貌進(jìn)行拋光處理時(shí)保持不變。其具體數(shù)值和拋光效果（粗糙度改善度）在表1中詳細(xì)列出。

由表2可知，對(duì)于不同的表面粗糙度和表面形貌，相同拋光工藝參數(shù)下激光拋光效果有所不同。

拋光之前，c和ｄ表面的粗糙度小于a和b表面的粗糙度，導(dǎo)致c和ｄ表面對(duì)激光的吸收率比a和ｂ表面吸收率小，拋光時(shí)所需要的能量密度較低。雖然c，ｄ表面的粗糙度改善情況比a和ｂ差，但是最終拋光效果比較好。

通過(guò)上述對(duì)不同形貌表面進(jìn)行激光拋光效果的比較分析，我們可以得出：表面粗糙度較小，所需要的拋光能量密度較低，△Ra也下降得比較小，但是拋光會(huì)獲得比較好的結(jié)果。同時(shí)不僅表面粗糙度會(huì)影響激光拋光的效果，表面的形貌也會(huì)對(duì)激光拋光產(chǎn)生很大影響。

3.2 離焦量對(duì)表面粗糙度的影響

選擇光斑直徑作為有效參數(shù)，進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。

激光功率分別設(shè)定為80Ｗ、100Ｗ、120W、140W，輻照時(shí)間1s。圖16所示為在不同功率的激光照射下，離焦距離與熔融區(qū)直徑的關(guān)系曲線。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，首先，由于激光是高斯分布的，當(dāng)離焦量增大的時(shí)候，激光的光斑面積會(huì)增大，激光熔融區(qū)的直徑也會(huì)隨著增大；但是離焦量再增加的時(shí)候，由于激光的能量密度低于材料的激光熔化閾值，所以熔融區(qū)的直徑反而下降了。

3.3 拋光效果

在實(shí)驗(yàn)中，選擇最優(yōu)激光參數(shù)：離焦量為激光聚焦面上方9mm處，激光功率90W、激光掃描速度80mm/s、掃描間距0.3mm，在工件表面進(jìn)行第一遍平行直線形貌的平面掃描，掃描路徑如圖17所示；然后進(jìn)行第二遍平行間隔直線形狀的平面掃描，第二遍平行間隔直線形狀的平面掃描方法與第一遍相同，且第一遍和第二遍兩道平行線直線形貌之間具有部分重疊，即掃描上述部分重疊的兩道直線平行形貌對(duì)應(yīng)的激光間距是小于等于半個(gè)光斑；待激光加工頭掃描完第一遍后回到原始位置，保持第一遍掃描的參數(shù)不變，進(jìn)行第二遍掃描；重復(fù)上述步驟進(jìn)行多遍掃描加工，直到表面粗糙度得到明顯的改善，得到需要的光潔度。最終拋光第九次的時(shí)候表面粗糙度達(dá)到最低值，表面無(wú)明顯形變和裂紋。拋光效果如圖18所示。

4、結(jié)論

本文用三維形貌儀、XRD和硬度測(cè)試儀等測(cè)試手段研究了二氧化碳激光拋光Ti6Al4V合金鈦的加工工藝，并設(shè)法改善加工試樣的表面質(zhì)量；接著研究了光纖激光拋光Ti6Al4V合金鈦的加工工藝，提高試樣表面質(zhì)量，降低表面粗糙度。綜合考慮二氧化碳激光器和光纖激光器拋光TC4鈦合金的拋光效果，光纖激光器拋光TC4鈦合金更適宜。二氧化碳激光器拋光TC4出現(xiàn)裂紋和變型等問(wèn)題，而光纖激光器拋光TC4鈦合金熱影響區(qū)小，重熔深度小于2μm，拋光后表面粗糙度可達(dá)148.72nm，無(wú)明顯裂紋和變形，光纖激光更適宜拋光TC4鈦合金。

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