石墨表面激光加工拋物線人字形織構(gòu)的工藝研究

張 帆，殷 鵬，劉昱陽，王建梅

(太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心，太原 030024)

流體動壓密封是一種非接觸式端面密封技術(shù)，其利用流體動壓效應(yīng)在密封端面間形成微米級潤滑膜，從而實現(xiàn)非接觸運轉(zhuǎn)和多次重復(fù)使用的性能要求。浸漬石墨由于具有良好的自潤滑性能、傳熱性能和耐高溫耐腐蝕等優(yōu)異性能，目前作為火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵氣體密封或其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械液體密封的關(guān)鍵摩擦副材料[1]。機(jī)械密封在使用過程中，由于摩擦溫升過大，石墨環(huán)會出現(xiàn)過度磨損等情況，影響密封介質(zhì)的泄漏量和密封的使用性能與可靠性。

為提升密封的摩擦潤滑性能并減小泄漏量，在摩擦副表面加工微織構(gòu)以增大摩擦副在氣體或液體等流體狀態(tài)下的小間隙動壓效應(yīng)和摩擦學(xué)性能。V型槽織構(gòu)、L型和人字型織構(gòu)在機(jī)械密封中研究較多。比較不同織構(gòu)對密封端面摩擦性能的影響，認(rèn)為人字型微槽具有更好的摩擦學(xué)性能[2-6]。關(guān)于織構(gòu)的制備方法，隨著以色列學(xué)者Etsion提出全新的激光表面微織構(gòu)技術(shù)，該技術(shù)在密封環(huán)表面的應(yīng)用逐漸廣泛[7]，相應(yīng)激光毛化加工設(shè)備有CO2激光器、YAG激光器、光纖激光器、脈沖時間激光器等[8]。本文主要研究具有高強(qiáng)度耐磨新型石墨材料的梯形人字槽織構(gòu)的激光加工工藝方法。

激光加工過程中存在燒蝕、輪廓不均勻和深度控制不精確的問題，對于高精度零部件的加工和使用性能影響較大，因此對于激光加工方法和控制參數(shù)的研究具有重要意義。上海交通大學(xué)王卓等[9]利用超短脈沖激光技術(shù)在不銹鋼表面制備激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)，得到掃描速度、能量密度和脈沖重疊率等參數(shù)對表面結(jié)構(gòu)成型能力的影響規(guī)律；周穎鴻等[10-12]分別在鋼和陶瓷等材料上進(jìn)行了激光紋理化實驗，研究了速度、脈寬、功率密度等對毛化形貌的影響，并提出相關(guān)理論模型；李偉秋等[13]利用納秒激光在聚晶金剛上加工槽型織構(gòu)，分析了表面形貌和摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)過大的激光功率會使金剛石表面產(chǎn)生嚴(yán)重的石墨化現(xiàn)象；韓源[14]等人構(gòu)建了納秒激光刻蝕金剛石涂層的溫度場仿真模型，并通過實驗研究了掃描次數(shù)對織構(gòu)性能的影響；Zhou等[15]分析了長脈沖激光制備凹凸微織構(gòu)的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)材料的表面張力對凸起形狀起主導(dǎo)作用；張朋波[16]和Marla[17]等通過對激光熔蝕進(jìn)行建模，探究了光斑形狀、脈寬、功率密度對金屬表面微凹坑形貌以及深度的影響，提出相關(guān)熔蝕理論模型；江蘇大學(xué)符永宏、周穎鴻等[18]通過FLUENT仿真軟件建模研究了脈寬、功率密度對45鋼、Cr12模具鋼上毛化織構(gòu)和微凹坑織構(gòu)關(guān)鍵幾何尺寸的影響規(guī)律；董智偉等[19]人利用光纖激光打標(biāo)機(jī)在硬質(zhì)合金表面加工微溝槽織構(gòu)，研究得出功率、脈沖頻率、打標(biāo)次數(shù)和速度等工藝參數(shù)對織構(gòu)質(zhì)量的影響規(guī)律。目前關(guān)于激光控制參數(shù)的研究主要集中在掃描速度、脈寬和功率密度等，對于織構(gòu)填充有重要影響的關(guān)鍵參數(shù)如填充方式、線間距等卻缺乏研究。這主要是因為目前關(guān)于表面微織構(gòu)的激光制造工藝的主要研究對象為陶瓷、金剛石、鋼或其它硬質(zhì)合金材料。

相比于硬質(zhì)合金材料，石墨材料為多層結(jié)構(gòu)且表面孔隙率較大，激光加工容易出現(xiàn)燒蝕和邊緣不均等特征，關(guān)于石墨表面微織構(gòu)的加工工藝需要系統(tǒng)研究。韓智斌等[20]人采用高速雕銑機(jī)在石墨上加工織構(gòu)，通過銷盤實驗研究了凹坑形貌對材料水潤滑性能的影響，發(fā)現(xiàn)了較佳的凹坑參數(shù)；Wang等[21]利用碳石墨固定環(huán)與石英旋轉(zhuǎn)環(huán)的相互作用，通過對比試驗發(fā)現(xiàn)激光表面凹坑處理提高了密封件的摩擦學(xué)性能；Ma等[22]在石墨表面采用激光加工反向螺旋槽，通過激光掃描速度和功率控制螺旋槽深度。實驗發(fā)現(xiàn)螺旋槽能顯著提高水環(huán)境下機(jī)械密封的摩擦學(xué)性能；Slawomir 等[23]在石墨圓盤上利用磨料射流加工120°臺階人字形織構(gòu)，通過摩擦磨損實驗發(fā)現(xiàn)其具有較高的穩(wěn)定性和較低的摩擦因數(shù)。王天瑞等[24]人利用激光打標(biāo)機(jī)在石墨表面上制備不同織構(gòu)，分析了功率對織構(gòu)邊緣平滑度的影響，并通過摩擦磨損實驗研究了織構(gòu)形貌和排布方式對摩擦學(xué)性能的影響。目前對于石墨表面的微織構(gòu)研究，主要集中在擁有表面織構(gòu)的摩擦副性能評價方面，關(guān)于石墨材料表面織構(gòu)的加工工藝研究較少。

本文針對火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵用高強(qiáng)度耐磨新型石墨材料，采用光纖激光器在石墨表面制備拋物線人字形織構(gòu)，系統(tǒng)研究激光器的掃描速度、功率、加工次數(shù)、填充圖案、填充線間距以及頻率等參數(shù)對臺階人字槽織構(gòu)的激光加工工藝的影響規(guī)律，并通過控制激光熔蝕程度實現(xiàn)截面輪廓線的平滑過渡，進(jìn)而確定新型石墨表面織構(gòu)的激光加工工藝。

1 實驗材料及研究方法

文中實驗為河北翔九石墨股份有限公司提供的酚醛浸漬石墨塊狀材料，主要性能如表1所示。激光加工采用俄羅斯IPG公司生產(chǎn)的QSJD-30W光纖激光器。在石墨材料上加工如圖1所示的階梯人字形層次織構(gòu)。由于激光容易熔蝕邊界，通過控制沿深度方向不同位置處的熔蝕程度，以實現(xiàn)截面輪廓的平滑過渡，利用激光成型拋面輪廓的機(jī)理如圖2所示，其中a、b、c各圖分別表示理論階梯型截面輪廓、激光熔蝕成型過程以及實際拋面輪廓。

圖1 120°階梯人字形織構(gòu)示意圖(單位：μm)Fig.1 Schematic diagram of 120° stepped herringbone texture (unit：μm)

圖2 拋物線型截面輪廓成型機(jī)理示意圖Fig.2 Schematic diagram of parabolic section profile forming mechanism

表1 石墨材料性能參數(shù)Tab.1 Graphite material performance parameters

本文研究的人字形織構(gòu)具有如下特征：1)具有3種不同的深度層次；2)不同層次的表面輪廓間距僅為200 μm；3)不同層次中激光線密集程度不同，第三層的表面輪廓線頂端長度最短，為70 μm；4)不同層次的深度不同，最大深度僅為50 μm左右；5)表面輪廓的寬度沿人字形邊緣向底端逐漸增大，且增長速率逐漸減緩。同時加工時可能發(fā)生邊緣凸起、邊緣熔蝕或熔蝕疊加效應(yīng)導(dǎo)致形成類似凹坑或凹槽的異類織構(gòu)形貌。

石墨材料激光加工工藝的主要方法如下：首先對石墨材料進(jìn)行打磨、拋光、清洗和干燥(如圖3)，然后采用光纖激光器進(jìn)行石墨表面的人字形織構(gòu)加工。加工完成后采用超景深顯微鏡進(jìn)行織構(gòu)表面形貌和尺寸觀察與測量，并進(jìn)行三維輪廓觀察和深度合成，綜合分析織構(gòu)的表面形貌和深度變化規(guī)律，研究不同加工工藝方案對織構(gòu)成型的影響，獲得性能較優(yōu)的工藝參數(shù)方案。最后在1 #石墨和2#石墨上進(jìn)行具有較優(yōu)表面形貌和較好深度分布的織構(gòu)激光加工工藝的可重復(fù)性和一般適用性進(jìn)行研究。

圖3 石墨材料磨拋表面Fig.3 Graphite material grinding and polishing surface

2 加工工藝方法

本部分針對石墨材料的階梯人字形織構(gòu)，進(jìn)行光纖激光器的掃描速度、功率、不同層次的加工次數(shù)、填充方案(圖案、線間距)以及頻率等影響表面質(zhì)量的加工工藝參數(shù)研究。

激光掃描速度v和功率P是影響加工質(zhì)量的主要因素，為了研究單次激光下織構(gòu)的成型能力，設(shè)計出如表2所示的不同比較方案。

表2 v/P耦合設(shè)計方案Tab.2 v/P coupling design scheme

為滿足梯形多層織構(gòu)在深度方面的要求，設(shè)計如下如表3所示的方案：使用深度較淺、成型較好的v/P方案，通過改變加工次數(shù)形成不同深度層次。

表3 加工次數(shù)設(shè)計方案(單位：次)Tab.3 Design plan for processing times (unit：times)

鑒于激光是通過“以點聚線，以線掃面”來進(jìn)行填充的，“激光線”的排列方式與填充方式有關(guān)，并且“線密度”直接影響織構(gòu)的成型。因此進(jìn)一步設(shè)計填充圖形，如表4所示。在此基礎(chǔ)上考慮填充線間距和加工頻率的影響，工藝參數(shù)分別如表5和表6所示。

表4 填充圖形設(shè)計方案Tab.4 Fill in the graphic design scheme

表5 填充線間距設(shè)計方案Tab.5 Filling line spacing design scheme

表6 加工頻率設(shè)計方案Tab.6 Processing frequency design scheme

3 結(jié)果與討論

基于上述工藝參數(shù)的設(shè)計，進(jìn)行光纖激光器不同掃描速度、功率、加工次數(shù)、填充方案(圖案、線間距)以及頻率等不同工藝參數(shù)下的織構(gòu)加工。由于所研究織構(gòu)形貌的對稱特性，故可針對石墨單側(cè)的輪廓形貌進(jìn)行研究與分析。如圖4所示，利用超景深顯微鏡分析織構(gòu)的輪廓成型能力和深度分布，織構(gòu)三維輪廓形貌如圖4(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)其深度層次分明，與圖1中設(shè)計方案吻合。平行于織構(gòu)縱截面(圖示XY平面)，沿圖4(b)中紅色箭頭所示方向進(jìn)行深度合成，觀察織構(gòu)內(nèi)部區(qū)域的橫截面輪廓(輪廓線見圖(b)底部AB區(qū)域)，發(fā)現(xiàn)其具有良好的拋物線特征且相當(dāng)平滑，不存在毛化或者燒蝕的鋸齒特征。最后通過綜合紅色箭頭方向的不同坐標(biāo)部位的深度值，可以得到織構(gòu)的深度分布趨勢。AB截面的深度分布如圖4(b)所示。

圖4 截面輪廓分析方法Fig.4 Section profile analysis method

3.1 v/P耦合參數(shù)的影響

激光掃描速度v和功率P如表2所示，圖5中A～E為功率50%、速率依次遞減下的織構(gòu)形貌，發(fā)現(xiàn)A型和B型織構(gòu)表面均發(fā)生了嚴(yán)重?zé)g現(xiàn)象，A型燒蝕地更加嚴(yán)重。結(jié)合圖6中C～E的深度分布，發(fā)現(xiàn)隨著速度增大，深度呈遞減趨勢。因此在功率一定時，單次激光所得深度隨速度減小而增大。這是因為隨著激光移動變慢，激光在表面停留的時間延長，工作區(qū)域在持續(xù)熱影響下逐漸變深。

圖5 不同v/P方案的微觀表面形貌Fig.5 Microscopic surface morphology of different v/P schemes

圖6 不同v/P方案的深度分布趨勢Fig.6 The depth distribution trend of different v/P schemes

根據(jù)表面燒蝕程度的不同，選擇如下3種掃描速度：v=500 mm/s、v=700 mm/s、v=1 000 mm/s.分別在三種掃描速度下研究功率對織構(gòu)成型能力的影響。觀察圖5中B、C、F～I(xiàn)型織構(gòu)的表面形貌，發(fā)現(xiàn)F、H型(P=60%)燒蝕程度最為嚴(yán)重，B、C型(P=50 %)次之，G、I型(P=40 %)燒蝕最輕。因此在1 000 mm/s速率條件下設(shè)計功率影響方案時，不再考慮60 %功率參數(shù)對結(jié)果的影響，設(shè)計E(P=50 %)、J(P=40%)兩組方案。從圖5中發(fā)現(xiàn)E、J型織構(gòu)的表面燒蝕均不嚴(yán)重，同時結(jié)合圖6中C、E、I和J型的深度分布，發(fā)現(xiàn)深度依次減小，說明單次激光所加工的深度隨著功率的增加而增大，并且功率對深度的影響更為顯著。

考慮掃描速度和功率的綜合影響，對圖5中燒蝕程度較輕的幾種方案進(jìn)行深度評價，深度分布趨勢如圖6所示，發(fā)現(xiàn)J型織構(gòu)深度最淺、分布比較均勻，已經(jīng)達(dá)到設(shè)計要求。選擇J型作為較優(yōu)v/P方案。

3.2 加工次數(shù)的影響

圖7為J型參數(shù)下不同加工次數(shù)對織構(gòu)形貌的影響，可以發(fā)現(xiàn)均未發(fā)生嚴(yán)重?zé)g。深度評價結(jié)果見圖8，發(fā)現(xiàn)T3型(“1+3+5”次)織構(gòu)深度呈單調(diào)增加趨勢、深度差異性較大，這是因為不同層次的加工次數(shù)差別較大，造成截面輪廓線的銜接不良。T1、T2型織構(gòu)深度分布盡管也呈增大趨勢，但其增長速率逐漸變緩，至一定值后將不再增長，只進(jìn)行微小浮動(動態(tài)穩(wěn)定)。比較發(fā)現(xiàn)T1型(“1+2+2”次)織構(gòu)深度的增長區(qū)間較窄、穩(wěn)定區(qū)間較寬、起伏程度較小，具有更好的成型能力，選擇其作為較優(yōu)方案。

圖7 不同加工次數(shù)方案的微觀表面形貌Fig.7 Microscopic surface morphology of processing times

圖8 不同加工次數(shù)方案的深度分布趨勢Fig.8 The depth distribution trend of different processing times

因此不同層次之間并非次數(shù)越多越好，還需考慮次數(shù)對截面輪廓線銜接性能的影響。本層次的加工可以抵消上次成型表面的部分粗糙微峰，但次數(shù)增大到一定程度后，繼續(xù)操作將會在新的表面增加更多的粗糙微谷，增大了深度分布的不均勻度。

3.3 填充圖案的影響

填充圖案主要指激光的運動路徑構(gòu)成的單元圖案，不同的圖案對不同形狀的織構(gòu)形貌影響不同。圖9為不同填充圖案下微觀織構(gòu)的表面形貌，可以看出織構(gòu)表面均未發(fā)生嚴(yán)重?zé)g。填充圖案對深度分布的影響如圖10所示，從圖中發(fā)現(xiàn)ⅰ型和ⅱ型織構(gòu)的深度分布具有相同的先增大后趨于平緩的變化趨勢，這是因為ⅰ型和ⅱ型織構(gòu)線密度較大。由于激光頻率較快、石墨材料熔點較低，因此在短時間內(nèi)產(chǎn)生熱量較多，造成深度加深現(xiàn)象，并且沿織構(gòu)邊緣，激光加工面積隨寬度的增大而增加，同樣會引起線密度增大，進(jìn)而造成深度加深，而當(dāng)寬度增大到一定程度后，其增長速率變緩，深度趨于穩(wěn)定；其他三種方案由于線密度較低，所以寬度對深度的影響較小，從圖10觀察到三種織構(gòu)深度較淺、分布較均勻，而ⅴ型織構(gòu)深度的起伏程度更低且不至于太淺，成型能力更好，可作為較優(yōu)參數(shù)。

圖9 不同填充圖案的微觀表面形貌Fig.9 Microscopic surface topography of different filling patterns

圖10 不同填充圖案的深度分布趨勢Fig.10 The depth distribution trend of different fill patterns

3.4 填充線間距的影響

圖11為不同線間距下微觀織構(gòu)的表面形貌，可以看出織構(gòu)表面均未發(fā)生嚴(yán)重?zé)g。線間距對深度分布的影響如圖12所示，從圖中發(fā)現(xiàn)S2(δ=0.03 mm)和S3(δ=0.04 mm)型織構(gòu)的深度較淺、起伏程度較大。而S1型(δ=0.02 mm)織構(gòu)的深度明顯更深，且呈先增大后平緩的趨勢，其成因與前述填充圖案的影響方式相似，S1型織構(gòu)線間距小，具有較大的線密度，因而具有和前述i型、ii型相同的深度變化趨勢。可以發(fā)現(xiàn)，小的線間距會加重相鄰兩道次“激光線”之間的熱影響，一方面使織構(gòu)深度加深，另一方面可以較好地消除前一道次“激光線”附近的微谷或微峰，使織構(gòu)成型更加平滑、粗糙起伏程度更小。S2、S3型織構(gòu)線間距較小，盡管深度分布因此變得淺而均勻，但增加了不平滑性。從圖12中可以發(fā)現(xiàn)S1型織構(gòu)相對于其他兩種織構(gòu)具有明顯的深度差值，表明線間距對深度的影響規(guī)律是非線性的。同時發(fā)現(xiàn)S1型織構(gòu)的深度分布集中在50 μm附近，差異性較小，滿足設(shè)計要求，選擇其作為較優(yōu)參數(shù)。

圖11 不同線間距方案的微觀表面形貌Fig.11 Microscopic surface morphology of different line spacing

圖12 不同線間距方案的深度分布趨勢Fig.12 The depth distribution trend of different line spacing schemes

3.5 加工頻率的影響

圖13為不同頻率下的織構(gòu)形貌，均未發(fā)生嚴(yán)重?zé)g。頻率對深度分布的影響如圖14所示，發(fā)現(xiàn)它們的深度變化范圍和趨勢相同，但F1型(f=20 kHz)更加平滑、起伏程度小，成型能力更好，這是因為頻率越大，激光點越密集，形成的“激光線”愈發(fā)平滑。選擇F1型方案作為較優(yōu)參數(shù)。

圖13 不同頻率方案的微觀表面形貌Fig.13 Microscopic surface morphology of different frequency

圖14 不同頻率方案的深度分布趨勢Fig.14 The depth distribution of different frequency schemes

3.6 優(yōu)化參數(shù)的可重復(fù)性研究

針對1#石墨材料的階梯人字形織構(gòu)，進(jìn)行光纖激光器的掃描速度、功率、不同層次的加工次數(shù)、填充方案(圖案、線間距)以及頻率等影響表面質(zhì)量的加工工藝的優(yōu)化參數(shù)如表7所示，可以實現(xiàn)表面形貌光滑、尺寸精度較好的人字形織構(gòu)。為驗證優(yōu)化參數(shù)的可重復(fù)性，在石墨材料不同區(qū)域內(nèi)分別應(yīng)用上述優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行織構(gòu)加工，織構(gòu)形貌和深度分布結(jié)果分別如圖15和圖16中CF1、CF2、CF3系列方案所示，它們形貌相似，均未發(fā)生嚴(yán)重?zé)g，深度分布較為接近，說明獲得的優(yōu)化參數(shù)應(yīng)用在1#石墨上具有良好的可重復(fù)性。

表7 1#石墨材料的優(yōu)化參數(shù)Tab.7 Optimized parameters of 1#graphite material

同時為了驗證優(yōu)化參數(shù)在同系列石墨材料上的一般適用性，取2#石墨作為研究對象，其性能特點見表1.應(yīng)用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行加工，織構(gòu)形貌和深度分布結(jié)果分別如圖15和圖16中2#方案所示。發(fā)現(xiàn)2#石墨表面未發(fā)生嚴(yán)重熔蝕，并且深度分布與1#石墨材料具有較大程度的相似性。說明所述優(yōu)化參數(shù)對于同系列性能相近的石墨材料具有較好的適用性。

圖15 優(yōu)化參數(shù)在不同位置的表面形貌Fig.15 Optimize the surface morphology of the parameters at different positions

圖16 優(yōu)化參數(shù)在不同位置的深度分布趨勢Fig.16 Optimize the depth distribution trend of parameters at different positions

4 結(jié)論

針對火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵用高強(qiáng)度耐磨新型石墨材料，采用光纖激光器在石墨表面制備拋物線人字形織構(gòu)，系統(tǒng)研究了光纖激光器的掃描速度、激光功率、加工次數(shù)、填充圖案和線間距以及頻率等參數(shù)對人字形織構(gòu)的激光加工工藝的影響規(guī)律。

(1)掃描深度隨速率v的降低或功率P的增大而增大，功率對深度的影響程度更大，但速率過小或功率過大時易造成嚴(yán)重?zé)g現(xiàn)象；加工次數(shù)越多，深度越深，但不同深度層次之間加工次數(shù)的確定需要考慮次數(shù)對截面輪廓的影響；不同填充圖案對深度分布具有不同的影響，其影響機(jī)理與線密度和加工寬度(或加工面積)的分布規(guī)律有關(guān)；填充圖案的線間距越小，加工深度越淺、輪廓分布越平滑、底面起伏程度越??；頻率越大，深度分布越發(fā)平滑，并且相比于線間距，頻率對平滑效應(yīng)的影響更大。

(2)通過石墨材料的工藝研究獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)，并且此工藝參數(shù)具有可重復(fù)性，對于同系列性能相近的石墨材料也具有較好的適用性。優(yōu)化工藝參數(shù)為“J+T1+V+S1+F1”：速度和功率為v=1 000 mm/s、P=40 %，不同層次的加工次數(shù)為“1+2+2”，填充圖案和線間距為雙向填充、δ=0.2 mm；加工頻率f=20 kHz.