鈦及鈦合金由于具有良好的耐腐蝕性[1]，已被用于農業機械領域，如高心泵[2]、排污閥[3]、射流泵[4]等。但由于鈦合金通常被歸為難加工的材料，使用傳統的拋光方法需要高熱熔度的工人以避免對工件表面造成不必要的損傷[5]，而且在常規的切削速度下會出現生產率低和刀具磨損快的問題[6]。高心泵在輸送含有砂石的水流時，葉輪葉片很容易遭受磨損，影響高心泵的工作壽命[7]。然而，鈦合金的耐磨性能比較差[8]，其中包括摩擦系數不穩定、嚴重的黏著磨損，及對微動磨損敏感[9]，且磨損后的鈦和鈦合金再鈍化過程非常復雜[10]，限制了鈦合金在摩擦學領域的廣泛應用。

相對于傳統的機械拋光，激光拋光作為一種非接觸式的加工方式，可以獲得高精度精加工表面，不僅能改善硬質材料加工困難和加工效率低的問題，還可以提高材料表面的硬度和耐磨性[11]。通常，激光拋光主要有脈沖激光拋光和連續激光拋光2種形式，前者被稱為激光微觀拋光，通常針對原始輪廓的算術平均高度Sa為 0.2~1.0μm的表面；后者被稱為激光宏觀拋光，通常針對Sa為 2.0~16.0μm的表面[12]。

目前大量學者利用激光加工對鈦合金的拋光和改性進行了大量的研究，并取得了較好的效果，例如PERRY等[13]的研究表明，在氮氣氛圍保護下使用Nd:YAG脈沖激光束對微銑削鎳鈦合金零件采用激光微拋光的加工方式取得了良好的拋光效果，使得工件Sa從 0.206μm下降到 0.070μm。

MARIMUTHU等[14]使用連續激光激光器將TCA 表面Sa從 10.2μm降到 2.4μm，并發現輸入能量增加會導致激光拋光表面產生周期性的條紋圖案，通過將激光光照射在最低限度，可以實現具有良好輪廓和粗糙度的拋光表面。MA等[15]在對TC4鈦合金進行激光拋光時發現鈦合金工作表面二維輪廓的最大高度R_2由 90μm下降到 4μm，且激光冷卻后形成的α'馬氏體，在使得工件表面硬度提高了32%的同時，也提升了材料表面的耐磨性。

通常，對于高粗糙度表面的拋光主要采用連續激光拋光的方式。然而，連續激光拋光熱影響區大，重熔深度可高達 199μm，易導致薄壁葉輪葉片產生熱變形而使得工件失效。因此，文中將使用熱影響區較小的納秒激光器，對分別在氮氣和空氣氛圍下的高粗糙度TC4鈦合金表面的拋光原理進行研究，并討論經激光拋光后的工件所獲得的α'-Ti 和 TiN 對材料表面硬度和耐磨性的影響。

1、試驗階段

試驗材料為3 mm厚的TC4鈦合金板，其化學組分：Al, V, Fe, C, N, H, O的質量百分數分別為5.500%~6.750%, 3.500%~4.500%, 0.300%, 0.080%, 0.050%, 0.015%, 0.200%。其余為Ti.工件表面的形貌是通過直徑為4 mm的球銑刀加工制得（主軸轉速為2000 r/min, 進給量為1000 mm/min, 銑削間距為0.5 mm, 背吃刀量為0.2 mm），加工后其表面算術平均高度Sa為 6.59μm，加工后的表面形貌如圖1所示，圖中h_a為工件表面相對高度。

試驗所用到的激光器為Nd:YAG脈沖激光器(YLPP-1-150V-30)，波長λ為1064 nm,光斑直徑為30 μm.在室溫條件下,分別在氬氣和空氣環境下進行激光拋光加工,激光掃描路徑為“Z”字形,激光拋光面積為10 mm×10 mm.使用KEYENCE VK-9710K激光共聚焦系統測量表面粗糙度的變化,觀察工作表面三維形貌.借助半自動顯微硬度儀(HXD-1000 TMSC/LCDC)維氏硬度計測量工作的表面顯微硬度,試驗負荷F為0.5 N,保壓時間為15 s,卸荷時間為5 s.另外,采用HT-1000型高溫摩擦擦拭試驗機測量基體與激光拋光工作在氬氣與空氣氛圍下的滑動摩擦損性能.在摩擦擦拭試驗中,在室溫條件下,載荷450 g,對磨材料直徑為4 mm的GCH5陶瓷球,摩擦半徑為2 mm,對磨20 min后停止摩擦.

2、試驗結果和討論

2.1 拋光效果

經過前期的測試驗,發現短脈寬無法維持熔池的流動,只能降低表面小范圍內的粗糙度,而長脈寬因更易使熔體保持流動而降低了表面大范圍內的粗糙度.這與NUSSER等[17]發現脈沖長度較長時,會減小空間波長為0.625 μm≤λ≤80.000 μm的表面粗糙度的結論一致.在此基礎上研究納米激光使用不同平均功率[18]在氬氣和空氣氛圍下對TC4高粗糙度銑削表面拋光的形貌及性能影響,試驗參數見表1,表中L為掃描間距,P為激光平均功率,f為激光重復頻率,v為激光掃描速度,t為激光脈寬.

表 1 激光參數 

Tab.1 Laserparameters

激光參數	值
L / μ m	15
P /W	8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
f /Hz	1000
v / ( mm · s -1 )	150
t p /ns	500

經激光拋光后表面的算術平均高度結果如圖2所示,在氬氣和空氣氛圍下,拋光結果呈現出相同的變化趨勢.在激光拋光過程中只要采用適當的條件,無需使用輔助氣體即可獲得良好的拋光表面.另外,在相同激光參數條件下,在氬氣氛圍下能獲得更低粗糙度的表面,Sa最小為2.94 μm,下降了56.12%,而空氣氛圍下最小Sa為3.17 μm,下降了51.89%.

這是因為當激光作用于工作表面的低峰時,由于高斯脈沖激光中心至邊緣過渡區域的材料會在激光的熱輻射下形成熔池,如圖3a所示,圖中v為激光移動速度.在表面張力的多向作用下,熔池會使得表面的不平整重新分布;另一方面,由于重力的影響,部分熔池向低谷方向流動,使得表面溝壑被填充.最終如圖3b所示,圖中H為表面粗糙結構高度;為工作測量寬度.從氬氣氛圍下P為12 W時拋光后的輪廓對比圖可以看出,熔池在工作表面重新分配的結果為表面被熔化的高峰向低谷流動,低峰.沒有得到平滑,深谷得到填充,最終結果表現為工作表面的粗糙度降低.

圖4為激光拋光后的表面形貌.隨著激光功率的增加,起初工作表面的粗糙度會先減小,而當P為11 W時,隨著激光功率的增加使得工作表面粗糙度增大.這是因為在P為8 W時,如圖4a和4d所示,在氬氣和空氣氛圍下,拋光后工作表面的形貌與初始形貌相似,但工作表面微凸起結果在激光的作用下得到了平滑處理.隨著激光功率增加,由于熔池內流體流動速度增加及負表面張力系數的影響,迫使表面的熔融材料向外流動[19],導致熔池中心出現駝峰狀,熔池邊界附近為凹陷狀[20],表現為在激光拋光后的路徑方向上熔池快速冷卻后在表面形成條紋狀的溝壑;隨著激光平均功率增加,這種溝壑會越來越明顯,導致表面粗糙度增大.如圖4b和4e所示,在激光平均功率P為11W時,在氬氣和空氣氛圍下均顯示出具有相對均勻的表面和最佳熔體寬度的熔化區;但當激光平均功率P為14W時,表面過度熔化所形成的溝壑反而增大了工作表面的粗糙度.

2.2 硬度

圖5為初始工件與分別在氬氣和空氣氛圍下經過不同激光平均功率拋光后工件的表面硬度,圖中D為維氏硬度.TC4在鑄造狀態下由α+β相組成,其硬度約為355.9±13.3HV.在氬氣氛圍下,當P為14W時,工件表面的硬度提升到434.5±25.3HV,提升了21.94%左右;而在空氣氛圍下,當P為14W時,達到最高硬度為985.1±95.7HV,提升了約176.79%.

為了研究激光拋光后的工件表面硬度提高的原因,選取P=12W時,分別對氬氣氛圍下拋光后的工件(S1)、空氣氛圍下拋光后的工件(S2)與初始工件(S0)的微觀結構進行研究.此外分別研究了其表面磨損性能和磨損機制.

圖6為激光拋光后的XRD圖,圖中I_4、2θ分別為衍射峰強度、衍射角.由圖可知,在氬氣氛圍下拋光后的工件S1的β衍射峰消失,轉變為α/α'-Ti的衍射峰.

圖7為截面的微觀結構特征.通過分析圖7c和7f,可以驗證在氬氣氛圍下拋光后的工件S1重熔區域獲得了納米硬度為632HV的針狀α'-Ti馬氏體結構[20];另一方面,在拋光過程中激光形成的熔池受到金屬基體的強烈冷卻作用,冷卻速度可以達到10^{-6}-10^{-3}K/s,導致晶粒細化,使得其表面硬度增大[16].另外,由于激光的熱效應使得合金元素蒸發而在底部形成鑰匙孔區域[21],如圖7f所示.

而在空氣氛圍下，如圖6所示，XRD衍射檢測出氮化物的2種相：立方晶格的TiN和具有六方晶格結構的固溶體TiN\(_0。衍射峰，表明在空氣氛圍下拋光的工作S2表面被氮化。由圖7a和7b可以看出，重熔區模糊地帶是由于熔池中TiN晶體樹突生長的停滯效應而形成[22]；并且在重熔熱影響區生成了針狀馬氏體結構，如圖7e所示。

雖然有研究[24]表明鈦對氧氣的親和度比氮氣高，但仍可以確定工作S2表面發生了氮化。因此，由于工作S2表面獲得了α'-Ti晶體和硬度為2 609 HV的TiN[20]，使得其表面硬度得到了顯著的提升。另外，由于拋光后的表面快速冷卻，在空氣氛圍下拋光后工作S2表面出現了裂紋，如圖7a所示；且與工作S1相同，均出現了鑰匙孔區域，如圖7e所示。

2.3 摩擦磨損

圖9為動摩擦系數（COF）變化，圖中t為對磨時間。由圖可知COF在對磨前約1 min呈快速上升趨勢,這是因為GCr15陶瓷球與工件表面微凸起之間的實際接觸面積小,所受應力大,導致工件表面出現劇烈磨損,此階段為磨合階段。此后,工件的動摩擦系數則在平均動摩擦系數附近上下波動,為穩定磨損階段。主要是因為隨著對磨時間增長,工件表面的微凸起結構被逐漸磨損,對磨球與工件表面的實際接觸面積增大,表面接觸應力減小。

特別是,表面的平均動摩擦系數初始工作S0的為0.46,氣缸氛圍下拋光后的工件S1則下降到0.44,而空氣氛圍下拋光后的工件S2則大幅減小到0.16。表明經過拋光后工件表面耐磨性均得到了提升,特別是在空氣氛圍下拋光的工作表現出較低的動摩擦系數和良好穩定性。這是由于激光拋光后的工件表面獲得了α'-Ti或TiN晶體,使得其表面硬度均高于基體,可以有效提升鈦合金表面的耐磨性[^{25}]。

圖10 為工件表面的磨損形貌。由圖10a和10d可以看出,在對磨過程中GCr15陶瓷球會對硬度較低的鈦合金表面進行剝削,產生塑性變形,而被磨損的材料顆粒不易被排除,并在對磨過程中對基體進行二次剝削形成溝壑,如圖10e所示。因此,初始工件S0的磨損方式為磨粒磨損。

由圖10c和10f可知,在氣氛下拋光的工件S1和初始工件S0以同樣的方式被磨損,但由于工件S1表面獲得了α'-Ti針狀馬氏體結構,硬度和耐磨性均得到了提高,使得工件S1的磨損寬度從工件S0的1045μm減小到932μm。

在空氣中拋光的工作S2在對磨20min后未見明顯磨損。然而,GCr15陶瓷球在對磨過程中,工件表面會產生瞬時高溫,易形成黏結點,在循環對磨過程中發生撕裂,產生剝落坑,如圖10b所示,其磨損機制為粘著磨損[^{26}]。

3、結論

當激光能量合適時,激光在氣和空氣氛圍下均能使工件表面的粗糙度降低,且在氣氛間能獲得更好的表面粗糙度。其中在氣氛下,激光平均功率P為11W時,獲得的表面水平均高度Sa最小,為2.94μm,粗糙度下降了56.12%。

在氣氛下,重熔層由初始α+β相轉變為α'-Ti馬氏體相,硬度最高提高了21.94%;在空氣氛圍下,重熔層則生成了未經長大的TiN晶體和α'-Ti馬氏體,使得材料表面硬度顯著提升了176.79%。

在氣氛下拋光的工作磨損性能得到了不斷提升,其與初始工件均為磨粒磨損;但在空氣氛圍下拋光的工作由于表面獲得了高硬度TiN,使得其耐磨性和穩定性都得到大幅提升,磨損機制變為粘著磨損。

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