連續(xù)激光拋光TC4的實(shí)驗(yàn)研究

曾俊勇，趙振宇，婁 燕，李 凱，尹 杰，王 超

（1.深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518061；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院中德機(jī)器人學(xué)院，廣東 深圳 518172）

Ti6Al4V具有耐腐蝕性好、密度小、比強(qiáng)度高和拋光性好等良好的綜合性能，廣泛應(yīng)用于生物、航天和其他領(lǐng)域[1]，也被稱為TC4。TC4被公認(rèn)為最受歡迎的鈦合金產(chǎn)品，幾乎占據(jù)了當(dāng)今世界所用鈦產(chǎn)品一半的市場份額[2]。在工業(yè)領(lǐng)域方面，由于其密度小、耐腐蝕性好，常用于制造噴氣發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)葉片、葉輪、緊固件、支架、管道等。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于其良好的生物相容性，常用于制造人工心臟和血液支架等昂貴的醫(yī)學(xué)器械[1,3]。除此之外，鈦合金還在石油化工、汽車、造船等領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用。市場對鈦合金的需求越來越高，對鈦合金表面質(zhì)量的要求也越來越高，如何提高鈦合金表面質(zhì)量是急需解決的問題。

拋光技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中重要的表面加工技術(shù)，拋光效果的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對拋光技術(shù)的要求也越來越高，傳統(tǒng)的拋光方法有：機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、等離子體拋光等[1,4]。傳統(tǒng)的拋光技術(shù)需要耗費(fèi)大量的人力，不僅在拋光過程中需要去除一部分材料，產(chǎn)生浪費(fèi)，而且可能會對環(huán)境造成污染。

相比于傳統(tǒng)的拋光技術(shù)，近年來，新興的激光拋光技術(shù)逐步走進(jìn)人們的視野[5]。激光拋光技術(shù)是一種選擇性的區(qū)域拋光技術(shù)，可以對選定區(qū)域進(jìn)行快速拋光，降低其表面粗糙度。激光拋光過程是通過振鏡將激光器發(fā)出來的激光聚焦在材料表面，材料表面吸收激光能量，溫度快速增加，達(dá)到材料的熔點(diǎn)，形成熔池，熔池在重力和表面張力的作用下流動，隨著光斑移動，熔池也會跟隨移動。之前熔化形成的熔池重新凝固，使得表面材料重新分配，降低了表面粗糙度和提高了表面光潔度[4,6]。

1 鈦合金拋光機(jī)理

1.1 表面淺熔融機(jī)理（SSM）

2002年，國外學(xué)者Ramos及其團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了激光拋光存在兩種拋光機(jī)制[7-9]：表面淺熔融（SSM）和表面過熔融（SOM）。圖1是表面淺熔融和表面過熔融示意圖，在表面淺熔融（SSM）過程中，當(dāng)作用在材料表面的能量密度超過材料熔點(diǎn)時，會使材料融化，且熔化深度不超過峰谷值，峰區(qū)材料在重力和表面張力的作用下會流向谷區(qū)，從而達(dá)到“熔峰填谷”的效果，使表面變得光滑。隨著能量密度增加，熔化深度增加，當(dāng)熔化深度超過峰谷值后就形成了表面過熔融（SOM）。在SOMⅠ中，由于熔池深度h和溫度變化ΔT相對較低，幾乎不產(chǎn)生震蕩，可以起到光滑表面的效果。隨著熔池深度和液體過熱的繼續(xù)增大，當(dāng)達(dá)到SOM Ⅳ后，會在材料表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的震蕩和鐵氧化，使得表面粗糙度變大，甚至?xí)^初始表面粗糙度值。

圖1 表面淺熔融和表面過熔融示意圖

2004年，Mai團(tuán)隊(duì)首次提出了微熔化的觀念[10]，研究了激光拋光對304不銹鋼表面的表面形貌、硬度、耐腐蝕性能的影響效果。采用內(nèi)部開發(fā)的一維有限差分傳熱模型模擬出了拋光過程中材料的快速熔化和凝固過程。拋光后的表面粗糙度是75nm，相比于初始表面粗糙度是195nm，降低64%。

2009年，Perry等人利用脈沖激光微拋光技術(shù)在空氣中拋光經(jīng)微磨處理的鈦合金（Ti6Al4V）樣品，觀察到拋光表面存在裂紋等缺陷[11-12]。這種缺陷主要是由于表面氧化所引起的。同時，采用脈沖激光微拋光技術(shù)拋光鎳樣品，首次引入臨界頻率來預(yù)測空間頻率下的拋光效果。即當(dāng)熔化持續(xù)時間明顯長于傅立葉分量的時間常數(shù)時，拋光表面的振幅將顯著降低。相反，如果熔融時間明顯短于時間常數(shù)，則傅立葉分量的振幅變化很小。通過建立一維瞬態(tài)模型來預(yù)測鎳樣品的最大熔池深度和寬度。當(dāng)臨界頻率小于材料的空間頻率，表面的粗糙度明顯降低。

2012年，Vadali 等人在Perry等人的基礎(chǔ)上將一維空間頻率的概念擴(kuò)展至二維空間頻率[13]。并且用它來預(yù)測脈沖激光微拋光的拋光表面形貌和粗糙度。通過建立二維軸對稱傳熱模型來預(yù)測熔池的深度和寬度，分析了熔池表面由表面張力和粘度力產(chǎn)生的阻力會使穩(wěn)態(tài)毛細(xì)波發(fā)生震蕩。預(yù)測的表面高度和空間頻率和實(shí)際的表面高度和空間頻率十分吻合。對于650ns的脈沖持續(xù)時間來說，最大的熔池熔化持續(xù)時間是1164ns，空間頻率是115mm-1。同年，Ukar等人通過快速傅里葉變換（FFT），對初始表面形貌空間頻譜濾波后獲得了拋光表面的形貌，并開發(fā)了一種基于物理的表面預(yù)測方法，結(jié)合了流體流動模型和數(shù)值傳熱模型，可用于準(zhǔn)確預(yù)測毛細(xì)管狀態(tài)下的拋光表面形貌[14]。

2015年，Wang等人又在Vadali團(tuán)隊(duì)的基礎(chǔ)上建立了基于熱毛細(xì)力機(jī)制的表面預(yù)測模型[15]，先采集原始表面粗糙度的數(shù)據(jù)，利用毛細(xì)力機(jī)制對未拋光表面進(jìn)行低通濾波處理，然后引入特征斜率和歸一化平均位移創(chuàng)建具有熱毛細(xì)力流動特征的表面形貌，最后預(yù)測拋光后表面粗糙度空間頻譜。在x方向上，除了100mm-1和200mm-1這兩個點(diǎn)外，熱毛細(xì)力機(jī)制下預(yù)測模型空間頻率和實(shí)際拋光表面空間頻率能很好地吻合，而y方向上，熱毛細(xì)力機(jī)制下預(yù)測模型空間頻率和實(shí)際拋光表面空間頻率基本一致。

上述的預(yù)測模型是一種半經(jīng)驗(yàn)式的預(yù)測模型，僅僅預(yù)測了拋光過程中熔池深度和寬度，從而得到拋光表面的臨界頻率fcr，最后達(dá)到預(yù)測表面粗糙度的目的。但是這種模型無法模擬出拋光過程中熔池流動的動態(tài)演變過程和熔池流動的溫度場、速度場的變化情況。需要設(shè)計(jì)二維、甚至三維的流體動力學(xué)仿真模型來模擬熔池流動狀態(tài)。

2005年，Sim等人對激光融化過程中的軸對稱熱毛細(xì)對流進(jìn)行了數(shù)值研究[16]，通過耦合運(yùn)輸方程和邊界條件，分析了熔池和自由表面隨時間的演化過程。提出由于馬朗戈尼對流使得流體從溫度高的中心流向溫度低的邊界，所以穩(wěn)態(tài)下的自由表面會在中心處凹陷，在熔池邊緣凸起。

2013年，Ma等人采用有限元的方法，耦合傳熱和層流建立二維軸對稱瞬態(tài)模型[17-18]。不僅為溫度場和速度場提供了瞬態(tài)解，而且預(yù)測了自由變形表面上的表面輪廓演化。仿真結(jié)果表明，仿真后的熔池深度和凝固后的表面形貌與實(shí)際用白光干涉儀觀察到的熔池深度和表面形貌吻合。

2017年，Zhang等人也建立了耦合傳熱和層流的二維軸對稱模型，并且研究了毛細(xì)力和熱毛細(xì)力在拋光過程中的作用[19]。仿真結(jié)果表明，毛細(xì)力在熔融初始階段占主導(dǎo)地位，主要消除具有大曲率的凹凸表面，而熱毛細(xì)力在熔融結(jié)束階段起主導(dǎo)作用，主要消除殘余表面粗糙度。

2021年，Li等人在Zhang團(tuán)隊(duì)的模型基礎(chǔ)上，將靜止熱源模型拓展為移動熱源，研究了熔池在移動過程中的表面形貌的演變過程[20]。移動熱源向x方向移動，熔池會在表面張力的作用下形成凹坑，冷卻階段凹坑會在毛細(xì)力的作用下重新變得光滑，在加熱時間到達(dá)5.6ms時，可以看到在拋光表面的初始位置和最終位置形成凸起和凹坑，冷卻后表面形貌變化不大，并且仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差控制在20%以內(nèi)。

1.2 表面過熔融機(jī)理（SOM）

從圖1可以看出，在SOMⅠ的拋光過程中，由于輸入材料表面的熱量較小，表面震蕩較小，可以起到光滑表面的效果。隨著能量密度的增大，材料表面在短時間內(nèi)聚集大量的熱量，熔池的熔化深度增加。當(dāng)熱量達(dá)到材料沸點(diǎn)之后，樣品表面一部分材料會蒸發(fā)，此時材料表面包含固、液、氣三相，同時蒸發(fā)的氣體會向下產(chǎn)生反作用力，作用在熔池區(qū)，熔池在這些力的作用下會產(chǎn)生震蕩，可能使表面變得更粗糙。在激光拋光領(lǐng)域，很少有學(xué)者利用有限元軟件來仿真SOM過程，但是在激光打孔、激光焊接等方面，對SOM的仿真機(jī)制研究較多，較為成熟。

2016年，Courtois等人首次耦合傳熱和層流建立了三維模型來描述激光焊接下的孔洞機(jī)制[21]。這個模型使用水平集和液、氣界面的動態(tài)跟蹤來描述大部分已知的從小孔到孔隙形成的現(xiàn)象。結(jié)果顯示，激光焊接的熔融邊界的偏斜角度和模擬的偏斜角度能夠很好地吻合。

2018年，Sharma等人考慮到與溫度相關(guān)的反沖壓力、表面張力、馬朗戈尼剪切應(yīng)力的影響，建立了二維數(shù)值模型來描述復(fù)雜的隨時間變化熔體流動過程[22]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在脈沖初始階段，反沖壓力是導(dǎo)致熔池熔體排除的主要因素。在凝固階段，表面張力引起的熔體回流會在孔入口處產(chǎn)生陰影。在后期，表面張力引起的拖曳力會限制反沖壓力，限制穿透深度，導(dǎo)致大量熔體留在孔內(nèi)，使熔體重新閉合引起孔堵塞。

2 實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果

采用波長為1064nm的連續(xù)波激光器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)材料是100mm×100mm×5mm的鈦合金板，鈦合金材料的化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)所用的激光功率為150W、160W、170W、180W、190W，掃描速度為20mm/s、25mm/s、30mm/s、35 mm/s、40mm/s，其余參數(shù)保持不變。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示，每次拋光的區(qū)域?yàn)?mm×9mm，共進(jìn)行25組實(shí)驗(yàn)。

表2 鈦合金（Ti6Al4V）拋光實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

表1 （Ti6Al4V）的主要化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，表格中的ED表示能量密度（Energy Density）。能量密度與功率、掃描速度、光斑直徑之間的關(guān)系表達(dá)式[23]可寫為：

表3 鈦合金拋光實(shí)驗(yàn)

為了更加清晰地描述激光功率和掃描速度對TC4表面粗糙度的影響效果，分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到圖3和圖4。圖3是掃面速度為30mm/s時，TC4表面粗糙度隨激光功率的變化曲線圖。結(jié)果顯示，隨著激光功率增大，TC4表面粗糙度逐漸增大，鈦合金表面變得越來越粗糙。相比于初始表面粗糙度，激光處理后TC4表面粗糙度有所增大，但還是遠(yuǎn)低于初始表面粗糙度。圖4是激光功率為150W時，掃描速度與TC4表面粗糙度之間的關(guān)系曲線，隨掃描速度增大，TC4表面粗糙度先降低后增大，大體上成“U型”曲線。并且在掃描速度為30mm/s時，TC4表面粗糙度降低到最低為1.756 μm。

圖3 激光功率對表面粗糙度的影響效果

圖4 掃描速度對表面粗糙度的影響效果

白光干涉儀觀察激光拋光前后鈦合金表面形貌的結(jié)果如圖5所示，初始鈦合金TC4表面凹凸不平，表面峰谷高度最大達(dá)到242.549μm，表面平均粗糙度是13.764μm，經(jīng)過拋光處理后，鈦合金TC4逐漸變得光滑，最大表面峰谷高度降低到了43.113μm，平均表面粗糙度也降低到1.756μm，降低了87.2%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分顯示，激光拋光參數(shù)對拋光后鈦合金的表面形貌有很大的影響。選擇最優(yōu)激光拋光參數(shù)組合可以有效地降低激光拋光后鈦合金表面的平均粗糙度。

圖5 激光拋光Ti6Al4V表面形貌（a）拋光前 （b）拋光后

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)描述了激光拋光中的兩種拋光機(jī)制：表面淺熔融（SSM）和表面過熔融（SOM）。從一維空間頻率預(yù)測熔池深度和表面形貌到二維空間頻率，從耦合傳熱和層流的靜止的二維瞬態(tài)模型到移動的二維瞬態(tài)模型，再到研究激光焊接下空洞機(jī)制形成的三維模型，綜述了激光拋光鈦合金機(jī)理的發(fā)展研究，并且進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)和白光干涉實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，激光拋光TC4鈦合金后表面粗糙度由13.764 μm降低到1.756 μm，降低了87.2%。