水导激光切割TC4钛合金板表面形貌特征分析

引言

Ti-6Al-4V 合金国内牌号为 TC4 ,是一种典型的(α+ β )型钛合金,具有比强度高、耐高温、耐腐蚀、综合性能良好的优点,广泛应用于航空航天、船舶、汽车及医疗等领域 [1 ] 。但是由于钛合金导热率低、难加工等特点,常规加工方式逐渐难以满足加工需求。

水导激光作为一种复合加工技术,利用了光在不同物质界面上传播的全反射特性。由于水和空气具有不同的折射率,当激光以一定角度照射到二者之间的界面时会在水束中发生全反射,此时激光可以沿着水束的方向进行传播,激光被传导于工件表面时对材料进行加热、剥离,从而完成对工件的加工。水导激光加工技术具有切缝锥度小、加工精度高、无须对焦、切面质量好、重熔层小等优点,非常适合钛合金材料的精密切割、钻孔、开槽等加工。水导激光加工技术原理如图 1 所示。

国内外学者对水导激光加工进行了广泛研究。Li 等[ 2-3 ] 对比了水导激光和常规激光切割镁合金、钛合金 TA1 的表面质量,发现水导激光切割后表面干净整洁,在熔渣和热损伤控制方面明显优于常规激光加工。 Zhang 等 [4 ] 结合ANSYS 有限元模拟和正交实验,分析了水导激光的不同工艺参数对钛合金、不锈钢、铝合金、铜 4 种典型金属材料的影响,发现采用水导激光打孔后,孔的圆度得到了良好的保证且周围干净、几乎无热影响区。 Rashed 等 [5 ] 分析了水导激光和 微细电火花 加工后钢板 的 表 面 质量,发现水导激光打孔后表面更加均匀,在一定程度上可以替代电火花技术对喷油嘴进行加工。张正等 [6 ] 提出了一种新型水导激光缩流导光方法,并通过耦合试验与加工试验对其进行验证,试验结果表明水导激光切割铝板后微槽两侧几乎无热影响区。

目前的研究已经对水导激光加工后的宏观表面质量进行了一定评价,但针对表面形貌特征及形成机理的研究相对较少。本文利用水导激光加工设备对TC4钛合金板材进行切割,分析水导激光加工方式对TC4钛合金表面形貌的影响,进而对水导激光加工技术的工艺特点进行了探究。

1、 试验方案与检测

1.1 试验设备与参数

试验采用的水导激光加工设备为瑞士 Synova公司的 LCS305 机床。加工系统采用波长为 532nm的脉冲激光与最大 50MPa 的去离子高压水束进行耦合。本试验的水导激光工艺参数如表 1 所示。

1.2 试件材料与检测

试验材料选用厚度为 2mm 的TC4钛合金轧制板材,采用水导激光加工设备将其切割成 10mm×10mm×2mm 的长方体样品,样品加工后利用99% 的无水乙醇清洗备用。

利用 CCD 工业体式显微镜对切割表面的宏观形貌进行观察;利用蔡司 GeminiSEM460 场发射扫描电子显微镜对样品的微观形貌进行分析,并通过其配备的 X 射线能谱仪系统对样品表面成分进行初步分析;利用 KLA-FilmetricsProfilm3D 光学轮廓仪获取样品表面二维、三维微观形貌图像等数据。

2 、试验结果与分析

2.1 表面宏观形貌分析

水导激光切割TC4钛合金后,利用 CCD 工业体式显微镜对样件进行观察,可以清晰地观察到切割表面分布着沿进给方向的横向条纹。利用光学轮廓仪对切割表面形态进行检测,发现切割表面凹凸起伏,其中横向条纹位置为凹陷形貌,横向条纹的上下侧均有明显的条状隆起。

除此之外,可以发现横向条纹数目与水导激光扫描周次相同,即水导激光的每次扫描都会在切割表面产生一道横向条纹,正是这种多周次的往复循环扫描策略使得材料表面产生了多道次的横向条纹 [7 ] ,切割表面宏观形貌如图 2 所示。

2.2 表面微观形貌分析

利用扫描电子显微镜进一步观察,可以发现切割表面的隆起、凹陷处具有不同的特征,根据形态特点大致可以分为 4 种区域: Ⅰ 隆起区、 Ⅱ 凹陷区、 Ⅲ碎石区、 Ⅳ 波纹区。其中,隆起区和凹陷区在切割表面的上部、中部交替循环出现,碎石区和波纹区出现于切割表面的底部。切割表面分区如图 3 所示。

2.2.1 隆起区形貌分析

利用扫描电子显微镜对隆起区形貌进行观察,隆起区形貌如图 4 所示。从图中可以发现,隆起区形貌相对凸出且沿进给方向有着明显的高低起伏,其表面分布着较多的疏松孔洞,大部分孔洞的直径范围在 1.056~2.103 μ m 之间。

通过分析可知,激光的高温效应会使材料发生熔化或气化,气化的金属发生气态破裂时会出现爆炸现象,从而在材料表面形成孔洞 [8 ] 。此外,水导激光加工时采用多周次的往复循环扫描策略,由于隆起区是表面较为凸出的区域,因此其更靠近水导激光光斑的中部,激光作用于隆起区的能量更多,隆起区表面材料经历多次熔化、气化、冷却等过程,从而形成了这种大量孔洞分布的形貌。

2.2.2 凹陷区形貌分析

利用扫描电子显微镜对切缝表面的凹陷区形貌进行观察,凹陷区形貌如图 5 所示。从图中可以发现凹陷区有较多块状平台,细小龟裂纹分布于块状平台表面,使得整个块状平台被分割成不规则的小板块。此外,凹陷区的平台表面分布有少量小尺寸孔洞,且孔洞几乎均出现于裂纹轨迹之上,孔洞直径为 0.495~1.356 μ m 。

这是由于激光能量作用于材料上时,热量在材料局部迅速累积,从而使得材料发生熔化,由于熔融物质无法完全被水束清除,部分熔融物质冷却凝固在切割表面形成块状平台。水导激光加工是一个快速加热、快速冷却的过程,在此期间材料会产生较大的应力,当应力值超过其屈服极限时即产生裂纹。

在平台表面附着有少量球形熔滴,对该区域进行能谱面扫描检测,可以发现相较于其他位置,球形熔滴的 O 元素含量占比更高。进一步对其进行能谱点 扫 描 检 测,发 现 O 元 素 的 质 量 百 分 比 高 达7.09% , Ti 元素的质量百分比为 51.54% ,根据相对原子质量计算可推测该物质为 TiO 2 ,能谱面扫描检测如图 6 所示。

2.2.3 碎石区形貌分析

利用扫描电子显微镜对碎石区形貌进行观察发现,相较于凹陷区、隆起区,碎石区的表面形态有着显著不同,该区域整体呈现为碎石状,仅有少部分区域零散分布着块状平台,碎石区形貌如图 7 所示。此种形貌的形成原因是水导激光切割时,高压水束受到切缝底部材料的阻碍,从而产生了向上的反向冲击波,并且由于进给速度相对较快,高压水束在进给方向上也可以具有一定的动能,因此对熔融物质起到良好的“剥离”作用,从而形成了碎石状的表面形貌;膨胀的高压等离子体羽流也会对切缝表面产生冲击波,促进了熔融物质的“剥离”。

为了进一步研究碎石区出现位置的规律,进行了不同加工循环周次试验。当扫描周次为10 、11次时板材均未被切断,水导激光切割后采用其他物理方式使其断裂。对比两组试验结果,发现碎石区形貌始终处于切割表面的最底部,即单次扫描后形成碎石区形貌;在下一周次扫描时,原有碎石区形貌会被凹陷区形貌替代,而在切缝底部会形成新的碎石区形貌,不同循环周次扫描试验如图 8 所示。

2.2.4 波纹区形貌分析

利用扫描电子显微镜对波纹区形貌进行观察发现,波纹区表面分布有波浪状平台、球形熔滴及孔洞,球形熔滴呈飞溅状,有着明显的冲刷痕迹,波纹区形貌如图 9 所示。

最后一次扫描时,材料底部被完全切穿,高压水束不受材料阻碍,水束的冲刷效果更好,因此切割表面的熔融物质受到水束的连续挤压,从而形成具有层次的波浪状平台。除此之外,由于水束的冲刷作用,波纹区部分熔化或气化的金属被抛离材料表面,从而使得表面产生了大尺寸孔洞,被抛出的金属经过水束冲刷后重新冷却凝固,在材料表面张力的作用下形成球形熔滴 [9 ] 。波浪状平台、球形熔滴以及大尺寸孔洞组成了波纹区的独特形貌。

3、 结论

本文以TC4钛合金轧制板材为试验材料,重点对水导激光切割后的切面进行了形貌分析,初步探究了不同形貌的形成原因,所得结论如下:

(1 )TC4钛合金在水导激光切割后表面凹凸不平,从而产生横向条纹现象。横向条纹为凹陷形貌且数目与扫描周次相同,切割表面的横向条纹是由于水导激光的多周次扫描造成的。

(2 )根据切割后表面形态的不同,可将TC4钛合金切割表面分成 4 种区域,即隆起区、凹陷区、碎石区及波纹区;隆起区和凹陷区在切割表面的上部、中部交替循环出现,碎石区和波纹区出现于切割表面的底部。

(3 )TC4钛合金经过一周次水导激光扫描后会形成碎石区形貌,碎石区形貌再次经过水导激光扫描后将转变为凹陷区形貌,与此同时在切缝最底部将形成新的碎石区形貌。

参考文献

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