引言

Ti-6Al-4V 合金國內牌號為 TC4 ,是一種典型的(α+ β )型鈦合金,具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕、綜合性能良好的優點,廣泛應用于航空航天、船舶、汽車及醫療等領域 [1 ] 。但是由于鈦合金導熱率低、難加工等特點,常規加工方式逐漸難以滿足加工需求。

水導激光作為一種復合加工技術,利用了光在不同物質界面上傳播的全反射特性。由于水和空氣具有不同的折射率,當激光以一定角度照射到二者之間的界面時會在水束中發生全反射,此時激光可以沿著水束的方向進行傳播,激光被傳導于工件表面時對材料進行加熱、剝離,從而完成對工件的加工。水導激光加工技術具有切縫錐度小、加工精度高、無須對焦、切面質量好、重熔層小等優點,非常適合鈦合金材料的精密切割、鉆孔、開槽等加工。水導激光加工技術原理如圖 1 所示。

國內外學者對水導激光加工進行了廣泛研究。Li 等[ 2-3 ] 對比了水導激光和常規激光切割鎂合金、鈦合金 TA1 的表面質量,發現水導激光切割后表面干凈整潔,在熔渣和熱損傷控制方面明顯優于常規激光加工。 Zhang 等 [4 ] 結合ANSYS 有限元模擬和正交實驗,分析了水導激光的不同工藝參數對鈦合金、不銹鋼、鋁合金、銅 4 種典型金屬材料的影響,發現采用水導激光打孔后,孔的圓度得到了良好的保證且周圍干凈、幾乎無熱影響區。 Rashed 等 [5 ] 分析了水導激光和 微細電火花 加工后鋼板 的 表 面 質量,發現水導激光打孔后表面更加均勻,在一定程度上可以替代電火花技術對噴油嘴進行加工。張正等 [6 ] 提出了一種新型水導激光縮流導光方法,并通過耦合試驗與加工試驗對其進行驗證,試驗結果表明水導激光切割鋁板后微槽兩側幾乎無熱影響區。

目前的研究已經對水導激光加工后的宏觀表面質量進行了一定評價,但針對表面形貌特征及形成機理的研究相對較少。本文利用水導激光加工設備對TC4鈦合金板材進行切割,分析水導激光加工方式對TC4鈦合金表面形貌的影響,進而對水導激光加工技術的工藝特點進行了探究。

1、 試驗方案與檢測

1.1 試驗設備與參數

試驗采用的水導激光加工設備為瑞士 Synova公司的 LCS305 機床。加工系統采用波長為 532nm的脈沖激光與最大 50MPa 的去離子高壓水束進行耦合。本試驗的水導激光工藝參數如表 1 所示。

1.2 試件材料與檢測

試驗材料選用厚度為 2mm 的TC4鈦合金軋制板材,采用水導激光加工設備將其切割成 10mm×10mm×2mm 的長方體樣品,樣品加工后利用99% 的無水乙醇清洗備用。

利用 CCD 工業體式顯微鏡對切割表面的宏觀形貌進行觀察;利用蔡司 GeminiSEM460 場發射掃描電子顯微鏡對樣品的微觀形貌進行分析,并通過其配備的 X 射線能譜儀系統對樣品表面成分進行初步分析;利用 KLA-FilmetricsProfilm3D 光學輪廓儀獲取樣品表面二維、三維微觀形貌圖像等數據。

2 、試驗結果與分析

2.1 表面宏觀形貌分析

水導激光切割TC4鈦合金后,利用 CCD 工業體式顯微鏡對樣件進行觀察,可以清晰地觀察到切割表面分布著沿進給方向的橫向條紋。利用光學輪廓儀對切割表面形態進行檢測,發現切割表面凹凸起伏,其中橫向條紋位置為凹陷形貌,橫向條紋的上下側均有明顯的條狀隆起。

除此之外,可以發現橫向條紋數目與水導激光掃描周次相同,即水導激光的每次掃描都會在切割表面產生一道橫向條紋,正是這種多周次的往復循環掃描策略使得材料表面產生了多道次的橫向條紋 [7 ] ,切割表面宏觀形貌如圖 2 所示。

2.2 表面微觀形貌分析

利用掃描電子顯微鏡進一步觀察,可以發現切割表面的隆起、凹陷處具有不同的特征,根據形態特點大致可以分為 4 種區域: Ⅰ 隆起區、 Ⅱ 凹陷區、 Ⅲ碎石區、 Ⅳ 波紋區。其中,隆起區和凹陷區在切割表面的上部、中部交替循環出現,碎石區和波紋區出現于切割表面的底部。切割表面分區如圖 3 所示。

2.2.1 隆起區形貌分析

利用掃描電子顯微鏡對隆起區形貌進行觀察,隆起區形貌如圖 4 所示。從圖中可以發現,隆起區形貌相對凸出且沿進給方向有著明顯的高低起伏,其表面分布著較多的疏松孔洞,大部分孔洞的直徑范圍在 1.056~2.103 μ m 之間。

通過分析可知,激光的高溫效應會使材料發生熔化或氣化,氣化的金屬發生氣態破裂時會出現爆炸現象,從而在材料表面形成孔洞 [8 ] 。此外,水導激光加工時采用多周次的往復循環掃描策略,由于隆起區是表面較為凸出的區域,因此其更靠近水導激光光斑的中部,激光作用于隆起區的能量更多,隆起區表面材料經歷多次熔化、氣化、冷卻等過程,從而形成了這種大量孔洞分布的形貌。

2.2.2 凹陷區形貌分析

利用掃描電子顯微鏡對切縫表面的凹陷區形貌進行觀察,凹陷區形貌如圖 5 所示。從圖中可以發現凹陷區有較多塊狀平臺,細小龜裂紋分布于塊狀平臺表面,使得整個塊狀平臺被分割成不規則的小板塊。此外,凹陷區的平臺表面分布有少量小尺寸孔洞,且孔洞幾乎均出現于裂紋軌跡之上,孔洞直徑為 0.495~1.356 μ m 。

這是由于激光能量作用于材料上時,熱量在材料局部迅速累積,從而使得材料發生熔化,由于熔融物質無法完全被水束清除,部分熔融物質冷卻凝固在切割表面形成塊狀平臺。水導激光加工是一個快速加熱、快速冷卻的過程,在此期間材料會產生較大的應力,當應力值超過其屈服極限時即產生裂紋。

在平臺表面附著有少量球形熔滴,對該區域進行能譜面掃描檢測,可以發現相較于其他位置,球形熔滴的 O 元素含量占比更高。進一步對其進行能譜點 掃 描 檢 測,發 現 O 元 素 的 質 量 百 分 比 高 達7.09% , Ti 元素的質量百分比為 51.54% ,根據相對原子質量計算可推測該物質為 TiO 2 ,能譜面掃描檢測如圖 6 所示。

2.2.3 碎石區形貌分析

利用掃描電子顯微鏡對碎石區形貌進行觀察發現,相較于凹陷區、隆起區,碎石區的表面形態有著顯著不同,該區域整體呈現為碎石狀,僅有少部分區域零散分布著塊狀平臺,碎石區形貌如圖 7 所示。此種形貌的形成原因是水導激光切割時,高壓水束受到切縫底部材料的阻礙,從而產生了向上的反向沖擊波,并且由于進給速度相對較快,高壓水束在進給方向上也可以具有一定的動能,因此對熔融物質起到良好的“剝離”作用,從而形成了碎石狀的表面形貌;膨脹的高壓等離子體羽流也會對切縫表面產生沖擊波,促進了熔融物質的“剝離”。

為了進一步研究碎石區出現位置的規律,進行了不同加工循環周次試驗。當掃描周次為10 、11次時板材均未被切斷,水導激光切割后采用其他物理方式使其斷裂。對比兩組試驗結果,發現碎石區形貌始終處于切割表面的最底部,即單次掃描后形成碎石區形貌;在下一周次掃描時,原有碎石區形貌會被凹陷區形貌替代,而在切縫底部會形成新的碎石區形貌,不同循環周次掃描試驗如圖 8 所示。

2.2.4 波紋區形貌分析

利用掃描電子顯微鏡對波紋區形貌進行觀察發現,波紋區表面分布有波浪狀平臺、球形熔滴及孔洞,球形熔滴呈飛濺狀,有著明顯的沖刷痕跡,波紋區形貌如圖 9 所示。

最后一次掃描時,材料底部被完全切穿,高壓水束不受材料阻礙,水束的沖刷效果更好,因此切割表面的熔融物質受到水束的連續擠壓,從而形成具有層次的波浪狀平臺。除此之外,由于水束的沖刷作用,波紋區部分熔化或氣化的金屬被拋離材料表面,從而使得表面產生了大尺寸孔洞,被拋出的金屬經過水束沖刷后重新冷卻凝固,在材料表面張力的作用下形成球形熔滴 [9 ] 。波浪狀平臺、球形熔滴以及大尺寸孔洞組成了波紋區的獨特形貌。

3、 結論

本文以TC4鈦合金軋制板材為試驗材料,重點對水導激光切割后的切面進行了形貌分析,初步探究了不同形貌的形成原因,所得結論如下:

(1 )TC4鈦合金在水導激光切割后表面凹凸不平,從而產生橫向條紋現象。橫向條紋為凹陷形貌且數目與掃描周次相同,切割表面的橫向條紋是由于水導激光的多周次掃描造成的。

(2 )根據切割后表面形態的不同,可將TC4鈦合金切割表面分成 4 種區域,即隆起區、凹陷區、碎石區及波紋區;隆起區和凹陷區在切割表面的上部、中部交替循環出現,碎石區和波紋區出現于切割表面的底部。

(3 )TC4鈦合金經過一周次水導激光掃描后會形成碎石區形貌,碎石區形貌再次經過水導激光掃描后將轉變為凹陷區形貌,與此同時在切縫最底部將形成新的碎石區形貌。

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