光纖激光氣體氮化鈦合金發(fā)射光譜及等離子體研究

郭晉昌，石 玗，顧玉芬，張 剛

1.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050 2.隴東學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000

引 言

鈦合金表面激光氣體氮化工藝可在鈦合金表面生成與基體冶金結(jié)合的氮化層，快速提高鈦合金表面硬度和耐磨性，具有廣闊的應(yīng)用前景。在過去幾十年中，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究，取得了廣泛的研究成果[1-3]。但是氮化過程是否產(chǎn)生等離子體、等離子體對(duì)氮化工藝的作用以及工藝參數(shù)對(duì)等離子體數(shù)量的影響尚不明確，一些學(xué)者認(rèn)為等離子體對(duì)氮化過程有利，因?yàn)榈入x子體通過逆韌致輻射吸收激光能量，并發(fā)射出短波射線，短波射線更有利于鈦基體吸收[4]，并且等離子體高速運(yùn)動(dòng)與基體撞擊，有利于傳質(zhì)過程[5]。另一些學(xué)者認(rèn)為等離子體對(duì)氮化過程有害，因?yàn)榈入x子體屏蔽了激光能量，降低了激光器與基體間的能量耦合作用[6]。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為氮化過程不能產(chǎn)生等離子體或者忽略了等離子體的作用[7-9]。

賓夕法尼亞大學(xué)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，采用10.6 μm長(zhǎng)波CO2激光氮化鈦合金過程可產(chǎn)生氮等離子體，等離子體沒有影響能量傳輸過程，有利于增加氮化層氮含量，并進(jìn)一步研究了激光維持氮等離子體氮化方法[3,10-11]。電子更容易通過逆韌致輻射吸收長(zhǎng)波CO2激光能量，并碰撞中性氮?dú)?，?dǎo)致中性氮?dú)怆婋x[12]，短波光纖激光氮化鈦合金過程是否可產(chǎn)生等離子體尚不明確。

采用1.064 μm短波光纖激光氣體氮化Ti-6Al-4V鈦合金，用探針法檢測(cè)光譜發(fā)射區(qū)導(dǎo)電性，研究光譜發(fā)射區(qū)是否形成等離子體，采用光譜儀和高速攝像系統(tǒng)拍攝光譜發(fā)射區(qū)，研究激光功率、離焦量、激光掃描速度和氣體成分對(duì)光譜特性、光譜發(fā)射區(qū)溫度和等離子體的數(shù)量影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

采用鈦合金Ti-6Al-4V板材，其化學(xué)成分如表1。板材的厚度為8 mm，試驗(yàn)前采用線切割將其切割成100 mm×80 mm的試塊。試驗(yàn)選用工業(yè)純氮?dú)夂图儦鍤?。試?yàn)激光器為IPG高功率光纖激光器，型號(hào)為YLS-4000，最大輸出功率為4.0 kW，激光波長(zhǎng)為1.064 μm，激光器輸出連續(xù)激光，激光光斑為圓形，焦點(diǎn)處光斑直徑為3 mm。光纖激光頭搭載在六軸KUKA工業(yè)機(jī)器人手臂上。

表1 Ti-6Al-4V化學(xué)成分Table 1 Chemical component of Ti-6Al-4V

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1，氮化試驗(yàn)在大氣環(huán)境下進(jìn)行，未采用真空室，氮?dú)鈬娮熘行妮S線和激光束中心軸線相重合。采用探針法研究氮化區(qū)是否形成等離子體，將5 V電池與萬用表串聯(lián)，并串聯(lián)兩個(gè)鎢極，將鎢極尖端置于光譜發(fā)射區(qū)，鎢極尖端相距2 mm，檢測(cè)光譜發(fā)射區(qū)導(dǎo)電性。采用荷蘭Avantes公司的10通道光譜儀采集氮化過程發(fā)射光譜，光譜儀型號(hào)為AvaSpec-ULS3648-X-USB2，測(cè)量波長(zhǎng)范圍200～1 075 nm，最高光學(xué)分辨率0.05 nm(FWHM)，波長(zhǎng)精度±0.02 nm，積分時(shí)間10 μs～10 min，本研究中所有試驗(yàn)積分時(shí)間都是375 μs。采用OLYMPUS ispeed 3高速攝像機(jī)拍攝光譜發(fā)射區(qū)域照片，高速攝像系統(tǒng)采樣率范圍為1～3 000 Hz，配尼康A(chǔ)F MIC RO 200 mm 1∶4D微距鏡頭，選用電弧焊接面罩黑玻璃對(duì)發(fā)射光譜進(jìn)行濾波。

本研究試驗(yàn)工藝參數(shù)如表2，采用單變量法進(jìn)行研究，即分別研究激光功率、離焦量、激光掃描速度和氮?dú)鈿鍤獗壤龑?duì)光譜特性、光譜發(fā)射區(qū)溫度和等離子體數(shù)量的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 光纖激光致等離子體

采用圖1中串聯(lián)電路(探針法)判斷光譜發(fā)射區(qū)導(dǎo)電性，并明確光譜發(fā)射區(qū)是否形成等離子體。采用表2中工藝參數(shù)進(jìn)行氮化試驗(yàn)，試驗(yàn)過程萬用表顯示10～40 mA電流，證明光譜發(fā)射區(qū)形成了等離子體。

研究中，功率密度較大時(shí)，可觀察到強(qiáng)烈的發(fā)光現(xiàn)象。采用表2中第1組參數(shù)進(jìn)行氮化試驗(yàn)，用高速攝像系統(tǒng)拍攝光譜發(fā)射區(qū)照片，如圖2所示。圖2中發(fā)光區(qū)域存在等離子體，該區(qū)域底部?jī)H僅貼合鈦合金試樣，且亮度極高，頂部受氣流作用有擾動(dòng)現(xiàn)象，亮度偏弱，其整體形貌非常像是從鈦基體內(nèi)燃燒起來的“火苗”。

文獻(xiàn)[12]采用長(zhǎng)波CO2激光氣體氮化鈦合金，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)波CO2激光可導(dǎo)致氮?dú)怆婋x，作者認(rèn)為CO2激光可以加熱鈦試樣表面雜質(zhì)并導(dǎo)致其蒸發(fā)，雜質(zhì)蒸汽中發(fā)生少量熱電離，形成少量自由電子，這些電子通過逆韌致輻射吸收CO2激光能量，進(jìn)而碰撞中性氮?dú)夥肿?，?dǎo)致氮?dú)獍l(fā)生 “雪崩”式電離，形成高密度氮等離子體。與長(zhǎng)波CO2激光相比，本研究采用的短波光纖激光對(duì)電子加熱能力小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，雜質(zhì)蒸汽通過熱電離形成的少量電子無法吸收短波光纖激光能量，光纖激光氮化鈦合金過程中無法通過文獻(xiàn)[12]中的機(jī)制形成氮等離子體。但是短波光纖激光更容易被鈦合金基體吸收，光纖激光對(duì)基體加熱能力大幅提高，熔池溫度大幅提高，可形成大量Ti-6Al-4V合金蒸汽，并通過熱電離形成金屬蒸汽等離子體。故本研究中短波光纖激光氮化鈦合金過程形成了鈦合金蒸汽等離子體，這與長(zhǎng)波CO2激光氮化鈦合金過程形成的氮等離子體是不同的。

采用表2中第1組參數(shù)進(jìn)行氮化實(shí)驗(yàn)，采集了發(fā)射光譜，并對(duì)發(fā)射光譜進(jìn)行診斷，診斷結(jié)果如圖3，金屬蒸汽等離子體是由大量鈦原子(TiⅠ)和鈦一次離子(TiⅡ)組成。實(shí)驗(yàn)表明金屬蒸汽的能量高于鈦一次離子電離能，但是低于鈦二次離子電離能。對(duì)本研究中其他試驗(yàn)的發(fā)生光譜進(jìn)行診斷，得到類似結(jié)論，金屬蒸汽等離子體中含有大量鈦原子(TiⅠ)和鈦一次離子(TiⅡ)。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)顯著影響線狀光譜強(qiáng)度和金屬蒸汽等離子體數(shù)量，2.2—2.5節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖3 光譜診斷結(jié)果Fig.3 The result of spectral diagnosis

2.2 功率對(duì)光譜特性的影響

采用表2中第2組參數(shù)進(jìn)行激光氣體氮化試驗(yàn)，發(fā)射光譜如圖4所示。激光功率為1.5 kW時(shí)，僅僅1 064 nm波長(zhǎng)附近出現(xiàn)較強(qiáng)發(fā)射光譜，本試驗(yàn)激光波長(zhǎng)是1 064 nm，圖4中1 064 nm附近強(qiáng)光譜是氣體散射激光造成的，本研究所有試驗(yàn)都會(huì)在1 064 nm附近采集到強(qiáng)發(fā)射光譜。圖4中，發(fā)射光譜由連續(xù)光譜和線狀光譜組成，連續(xù)光譜和線狀光譜變化趨勢(shì)相同，但不是完全呈正比例，本研究所有試驗(yàn)中連續(xù)光譜與線狀表現(xiàn)出類似變化趨勢(shì)。

圖4 功率對(duì)發(fā)射光譜的影響Fig.4 Effect of power on emission spectrum

文獻(xiàn)[13]采集了不同電流的電弧發(fā)射光譜，電弧光譜中存在連續(xù)光譜，由于連續(xù)光譜由熱輻射和韌致輻射等過程產(chǎn)生，其中熱輻射占主要部分，所以較大電流導(dǎo)致電弧溫度升高，連續(xù)光譜增強(qiáng)。文獻(xiàn)[14]研究了水下濕法焊接引弧過程等離子體電子數(shù)密度，引弧光譜中存在線狀光譜，線狀光譜主要由等離子體區(qū)域原子核外電子由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)產(chǎn)生，所以等離子體密度越高線狀光譜越強(qiáng)。以上分析表明連續(xù)光譜強(qiáng)度可以大致表征光譜發(fā)射區(qū)溫度，線狀光譜的強(qiáng)度可以大致表征等離子體的數(shù)量。圖4中隨著激光功率增大，連續(xù)光譜和線狀光譜都呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，表明隨著激光功率增大，光譜發(fā)射區(qū)域溫度升高，并且等離子體的數(shù)量不斷增多。功率小于2.5 kW時(shí)，只有連續(xù)光譜，功率大于2.5 kW時(shí)出現(xiàn)明顯的線狀光譜，證明此時(shí)可形成等離子體。圖5為光譜發(fā)射區(qū)高速攝像照片，圖5(a)激光功率為2.0 kW，圖5(b)激光功率為2.5 kW，圖5(b)中等離子體區(qū)亮度比圖5(a)大幅提高，并且面積大幅增大，證明產(chǎn)生等離子體時(shí)，亮度會(huì)大幅提高。文獻(xiàn)[15]采用CO2激光器氣體氮化鈦合金，發(fā)現(xiàn)激光功率大于3.5 kW，即激光功率密度大于6.6×103kW·cm-2時(shí)，可產(chǎn)生氮等離子體。本研究采用3.0 kW光纖激光氣體氮化Ti-6Al-4V合金，激光能量分布為高斯模型，焦平面中心點(diǎn)最大功率密度為2.3×102kW·cm-2，氮化過程形成了金屬蒸汽等離子體，表明光纖激光氮化鈦合金過程形成金屬蒸汽等離子所需要的激光功率密度更低。

圖5 光譜發(fā)射區(qū)(a)：2.0 kW；(b)：2.5 kWFig.5 Emission spectrum region(a)：2.0 kW；(b)：2.5 kW

2.3 離焦量對(duì)光譜特性的影響

采用表2中第3組參數(shù)進(jìn)行激光氣體氮化試驗(yàn)，發(fā)射光譜如圖6。隨著離焦量的增大，連續(xù)光譜和線狀光譜都出現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)，之后又減弱的復(fù)雜變化趨勢(shì)，文獻(xiàn)[4]研究離焦量變化對(duì)CO2激光致光譜發(fā)射特性變化，試驗(yàn)現(xiàn)象與本研究相似。增大離焦量，光斑面積增大，激光功率密度降低，故光譜呈減弱趨勢(shì)；但是增大離焦量，光斑面積增大，形成更多鈦蒸汽，故光譜有增強(qiáng)的趨勢(shì)；以上相互矛盾的因素共同作用，造成光譜隨離焦量復(fù)雜的變化趨勢(shì)。離焦量從10 mm依次增大到25 mm，因?yàn)榧す夤β什蛔?，加熱區(qū)域面積增大，氣體溫度少量降低，導(dǎo)致連續(xù)光譜少量減弱；但是氣體溫度降低，引起等離子體大量復(fù)合，導(dǎo)致線狀光譜大幅度減弱。離焦量大于20 mm時(shí)，線狀光譜非常微弱，證明此時(shí)等離子體的量非常少?？傮w而言，離焦量從0 mm依次增大到25 mm，等離子體數(shù)量隨線狀光譜強(qiáng)度變化，表現(xiàn)出先減少后增多，之后又減少的復(fù)雜變化趨勢(shì)。

圖6 離焦量對(duì)發(fā)射光譜的影響Fig.6 Effect of defocus distance on emission spectrum

2.4 掃描速度對(duì)光譜特性的影響

采用表2中第4組參數(shù)進(jìn)行激光氣體氮化試驗(yàn)，發(fā)射光譜如圖7，由于掃描速度增大，施加到試樣單位面積上的能量減小，溫度降低導(dǎo)致熱輻射減小，能量密度降低導(dǎo)致等離子體數(shù)量減少，故連續(xù)光譜和線狀光譜都呈減弱趨勢(shì)。如圖4和圖6，定點(diǎn)氮化時(shí)存在熱積累，所以線狀光譜比連續(xù)光譜減弱更快；如圖7，連續(xù)氮化過程熱積累更小，所以隨掃描速度增大，連續(xù)光譜和線狀光譜減弱的速度相當(dāng)。另外，當(dāng)掃描速度達(dá)到12 mm·s-1時(shí)，線狀光譜已經(jīng)非常微弱了，證明激光掃描速度大于12 mm·s-1時(shí)，不能產(chǎn)生等離子體。

圖7 掃描速度對(duì)發(fā)射光譜的影響Fig.7 Effect of scanning speed on emission spectrum

圖8為氮化層表面照片，本研究未對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，故氮化軌道沒有TiN特有的金黃色。圖8中可見，掃描速度較大時(shí)，氮化軌道寬度少量減小。氮化軌道均表現(xiàn)出中間光滑兩側(cè)粗糙的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，熔池受熱膨脹，結(jié)合馬蘭戈尼對(duì)流的影響，導(dǎo)致熔池表面液態(tài)金屬外溢，形成了粗糙區(qū)。

圖8 氮化層表面Fig.8 The surface of nitride layer

圖9為氮化層橫截面照片，橫截面采用砂紙打磨，并采用3%HF和5%HNO3混合溶液進(jìn)行了腐蝕。圖9中激光掃描速度從左往右依次增大。圖中氮化區(qū)、熱影響區(qū)和基體清晰可見，而且隨激光掃描速度增大，氮化區(qū)和熱影響區(qū)的尺寸都明顯減小。氮化層和熱影響區(qū)深度隨熱輸入變化如圖10，熱輸入較大時(shí)，氮化層和熱影響深度增加速度減小，這是由于熱輸入較大時(shí)產(chǎn)生了更多等離子體，屏蔽了部分激光能量。文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)，光纖激光焊接鋁合金可導(dǎo)致合金中Mg元素電離，屏蔽大量激光能量，所以熱輸入增大時(shí)焊縫熔深增大更慢，與本研究結(jié)論一致。

圖9 氮化層橫截面Fig.9 Cross section of nitride layer

圖10 氮化層和熱影響區(qū)深度Fig.10 Depth of nitride layer and heat effected zone

2.5 氮?dú)灞葘?duì)光譜特性的影響

鈦合金表面激光氣體氮化的難點(diǎn)之一是氮化層容易開裂，采用氬氣對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行稀釋，可有效避免氮化層開裂[3,17]。本研究總氣流量保持10 L·min-1，采用氬氣稀釋氮?dú)?，并進(jìn)行氮化試驗(yàn)，研究了氮?dú)灞葘?duì)光譜發(fā)射特性和等離子體數(shù)量的影響。采用表2中第5組參數(shù)進(jìn)行激光氣體氮化試驗(yàn)，發(fā)射光譜如圖11，氮?dú)夂蜌鍤獗壤秊?∶1和2∶80時(shí)，光譜曲線與圖4中激光功率為1.5 kW的曲線類似，幾乎檢測(cè)不到光譜信息，故文中未展示這兩條曲線。圖11中可見，隨著氬氣含量的增加，連續(xù)光譜和線狀光譜都會(huì)減弱，這是由于加入氬氣使氮?dú)庀♂?，進(jìn)入熔池的氮元素?cái)?shù)量減少，氮?dú)夂外伣饘俚姆磻?yīng)本身就是放熱反應(yīng)，所以熔池溫度降低，蒸發(fā)量減少，等離子體量減少，空間溫度降低，進(jìn)而連續(xù)光譜和線狀光譜都會(huì)減弱。

圖11 氮?dú)灞壤龑?duì)發(fā)射光譜的影響Fig.11 Effect of nitrogen argon ratio on emission spectrum

圖11中可見，加入少量的氬氣(20%)時(shí)，讓連續(xù)光譜和線狀光譜都大幅減弱。加入少量氬氣不僅稀釋了氮?dú)猓匾氖歉淖兊獨(dú)膺M(jìn)入熔池及氮元素在熔池中的傳輸方式[3]。不加氬氣時(shí)，熔池會(huì)發(fā)生馬蘭戈尼對(duì)流，將氮元素帶入熔池內(nèi)部；加入少量氬氣，熔池不再發(fā)生對(duì)流，氮?dú)獗仨毻ㄟ^擴(kuò)散的方式進(jìn)入熔池，并在熔池中以擴(kuò)散的方式傳遞，擴(kuò)散速度較慢，表面富氮層阻礙更多氮進(jìn)入熔池，因此加入少量氬氣可大幅減少熔池中氮含量，降低熔池溫度，減少鈦金屬蒸發(fā)量，進(jìn)而連續(xù)光譜和線狀光譜都大幅減弱，等離子體數(shù)量大幅減少。本研究光譜信息證明了文獻(xiàn)[3]的研究成果，即氮?dú)庵屑尤肷倭繗鍤?，可?qiáng)烈影響氮化過程。

為了進(jìn)一步明確加入氬氣對(duì)發(fā)射光譜和等離子體數(shù)量的影響，進(jìn)行了更詳細(xì)的試驗(yàn)。采用表2中第6組參數(shù)進(jìn)行激光氣體氮化試驗(yàn)，發(fā)射光譜如圖12所示。加入5%的氬氣使得線狀光譜大幅減少，等離子體數(shù)量大幅減少，這進(jìn)一步證明了前面的結(jié)論，加入少量氬氣，可劇烈改變氮化過程。另外氬氣從5%增大到15%時(shí)，連續(xù)光譜也不斷減弱。結(jié)合圖11和圖12，發(fā)現(xiàn)氬氣含量大于15%時(shí)，線狀光譜非常少，證明此時(shí)等離子體的量非常少。

圖12 氮?dú)灞壤龑?duì)發(fā)射光譜的影響Fig.12 Effect of nitrogen argon ratio on emission spectrum

3 結(jié) 論

(1)短波光纖激光氣體氮化Ti-6Al-4V鈦合金過程中，基體對(duì)激光吸收率高，導(dǎo)致熔池溫度高，大量基體蒸發(fā)形成金屬蒸汽，金屬蒸汽通過熱電離形成等離子體。

(2)當(dāng)激光功率較大，掃描速度較小，離焦量較小和氮?dú)夂枯^高時(shí)，光譜發(fā)射區(qū)可產(chǎn)生金屬蒸汽等離子體。

(3)光纖激光氣體氮化Ti-6Al-4V鈦合金，發(fā)射光譜由連續(xù)光譜和線狀光譜組成。連續(xù)光譜主要由熱輻射產(chǎn)生，連續(xù)光譜的強(qiáng)度可表征光譜發(fā)射區(qū)溫度，線狀光譜主要由等離子體區(qū)域的原子核外電子躍遷形成，線狀光譜的強(qiáng)度可以大致表征等離子體數(shù)量。線狀光譜和連續(xù)光譜隨工藝參數(shù)變化趨勢(shì)相同，但是并不呈正比例。

(4)隨激光功率增大或掃描速度減小，連續(xù)光譜和線狀光譜都呈增加趨勢(shì)；隨離焦量增大，連續(xù)光譜和線狀光譜呈先減小后增大，之后又減小的復(fù)雜變化趨勢(shì)。氮?dú)庵屑尤肷倭繗鍤猓瑥?qiáng)烈影響氮化過程，使連續(xù)光譜和線狀光譜大幅減弱，隨氬氣含量增加，連續(xù)光譜和線狀光譜會(huì)進(jìn)一步減弱。光譜發(fā)射區(qū)溫度與以上連續(xù)光譜變化趨勢(shì)相同，光譜發(fā)射區(qū)等離子體數(shù)量與以上線狀光譜變化趨勢(shì)相同。