符永宏，符 昊，許 華，王忠領(lǐng)，楊守軍

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

激光毛化(laser texturing，LT)是利用高能量密度的激光束照射到材料表面，使材料在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生局部熔化、凝固和部分汽化，從而在材料表面獲得所期望的微觀規(guī)則幾何形貌及其分布，達(dá)到對材料表面改形、改性的目的.自比利時(shí)冶金研究中心開發(fā)出CO2激光毛化冷軋輥技術(shù)以來，國內(nèi)外一直高度重視激光毛化技術(shù)的研究和應(yīng)用，激光毛化技術(shù)已在軋輥上得到廣泛應(yīng)用.受激光毛化軋輥啟發(fā)，本課題組開展了對金屬塑性成形模具表面的激光毛化研究，以期提高模具使用壽命，優(yōu)化成形工藝，提高成形件質(zhì)量［1］.

針對激光功率、離焦量、脈沖寬度、重復(fù)頻率、掃描速度、輔助氣體類型、角度及壓力等激光毛化工藝參數(shù)對加工形貌質(zhì)量的影響，A.A.Samokhin等［2］認(rèn)為，毛化形貌的形成是由于在激光照射下，材料受到電磁波激勵(lì)造成的;基于此，S.Chilamakuri等［3］設(shè)計(jì)了一種算法，通過輸入不同的參數(shù)，在計(jì)算機(jī)上生成了球冠狀、火山口狀和W狀等3種毛化形貌;萬大平、劉紅斌等［4-5］利用有限元法，對脈沖激光毛化過程的溫度場、應(yīng)力場、液體流動(dòng)狀態(tài)等進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了脈沖激光毛化過程中各種加工參數(shù)下熔池的形狀、大小以及熔池內(nèi)的溫度、速度分布;許伯強(qiáng)等［6］數(shù)值模擬了激光與鋁相互作用時(shí)，熔池表面張力梯度對Marangoni對流的影響;D.Du，劉瑩等［7-8］采用YAG激光器，在軋輥試樣表面加工出球冠狀的毛化形貌，并分析了工藝參數(shù)對其尺寸的影響規(guī)律.國外還有學(xué)者分別對硬盤表面激光毛化處理進(jìn)行了試驗(yàn)研究［9-10］.

本研究通過試驗(yàn)方法，在試樣表面進(jìn)行激光毛化加工，以揭示激光參數(shù)及輔助工藝參數(shù)對毛化形貌的形狀及其尺寸的影響規(guī)律，并對毛化區(qū)域材料的金相組織、顯微硬度進(jìn)行觀測和測量，研究毛化點(diǎn)的力學(xué)性能.

1 方法與步驟

圖1為工藝試驗(yàn)加工原理圖，離焦量正負(fù)以及吹氣角度θ的定義如圖所示.

試驗(yàn)選用燈泵浦YAG多功能激光加工系統(tǒng)，利用多模激光束進(jìn)行加工.試樣材質(zhì)為Cr12模具鋼，其中:w(C)=2.0% ～2.3%，w(Si)＜0.4%，w(Mn)＜0.4%，w(S)＜0.03%，w(P)＜0.03%，w(Cr)=11.5% ～13.0%，w(Ni)＜0.25%，w(Cu)＜0.3%，w(Co)＜1%，試樣尺寸如圖2所示.

磨削后，Ra=0.3μm，表面未進(jìn)行淬火處理，硬度達(dá)到360 HV，加工前用酒精溶液對表面進(jìn)行清洗.采用單因素輪換法設(shè)計(jì)試驗(yàn).

具體的激光加工參數(shù)以及輔助工藝參數(shù)分別如下:離焦量為 -1.2，-0.9，-0.6，-0.3，0，0.3，0.6，0.9，1.2 mm;掃描速度為2.5～6.5 mm·s-1;電壓為380，400，420，440，460 V;脈沖寬度為 0.3，0.6，1.0，1.3，1.6，1.8，2.0 ms;重復(fù)頻率為2，3，4，5 Hz;輔助氣體包括 N2和 O2;吹氣角度為 30°，45°，60°和 90°;氣體壓力為0，0.5，0.7，1.4，2.0，2.5，3.0 MPa.

激光加工后，對毛化試樣進(jìn)行超聲波清洗，并在WKYO-NT1100非接觸式三維形貌儀上對毛化點(diǎn)形狀與尺寸進(jìn)行觀測.將檢測后的部分試樣沿對稱面進(jìn)行剖切，經(jīng)鑲嵌、粗磨、精磨、拋光、腐蝕之后，分別在JSM-7001F熱場發(fā)射電鏡和LEICADM 2500 M透射光顯微鏡上觀測毛化點(diǎn)形狀與剖面的金相組織.最后，選取火山口形貌，在HV-1000 99314顯微硬度計(jì)上測量其顯微硬度.

2 結(jié)果與討論

2.1 激光毛化形貌的形成機(jī)理

在本試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，獲得了3種毛化形貌，其二維、三維及掃描電鏡圖如圖3所示.

圖3 3種毛化形貌

每種形貌均可在一定的工藝參數(shù)范圍內(nèi)加工得到，3種形貌的典型工藝參數(shù)見表1.采用單因素輪換法，按照表1中加工參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn).觀測加工形貌發(fā)現(xiàn):采用氮?dú)鉃檩o助氣體，選擇合適的吹氣角度和壓力能夠獲得球冠狀形貌;采用氧氣作為輔助氣體，選擇合適的吹氣角度和壓力能夠獲得火山口狀形貌;采用氧氣或者氮?dú)?，只要選擇合適的工藝參數(shù)，也可得到W狀形貌.

表1 不同毛化形貌典型工藝參數(shù)

激光束聚焦后照射到工件表面，材料表面會(huì)發(fā)生物理化學(xué)變化.在激光照射部位，材料表面會(huì)形成金屬熔池，熔池內(nèi)部存在自然對流和Marangoni對流，使得熔池內(nèi)材料重新分布，形成不同的形狀.金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，密度會(huì)發(fā)生變化，由此而引起的慣性力成為自然對流的驅(qū)動(dòng)力［10］;Marangoni對流的驅(qū)動(dòng)力為液體表面的張力，而液體表面張力是溫度和表面活性劑濃度的函數(shù).Marangoni對流是熔池中對流的主要形式，自然對流的流速為每秒毫米量級，而Marangoni對流的流速為每秒米量級［6］.另外，在激光與工件材料相互作用的過程中，材料部分汽化，產(chǎn)生的氣體反沖壓力對毛化形貌形狀也有影響.雖然多種物理反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)會(huì)影響最終形貌形狀，但在不考慮輔助氣體時(shí)，Marangoni對流是最主要因素［10］.

采用氧氣時(shí)，熔池表面形成一層氧化物，氧化物作為表面活性劑，能改變表面流體流場，導(dǎo)致形貌改變.氧氣助燃效果使得熔池表面溫度增高，表層熔融氧化物發(fā)生局部流動(dòng)，進(jìn)而在熔池表面形成了表面活性劑濃度梯度，使熔融材料反向流動(dòng)，即由中心向邊緣流動(dòng)［9-10］.溫度梯度對表面張力的影響同時(shí)存在.因此，溫度梯度和表面活性劑濃度梯度對表面張力的影響程度是確定流體最終流向的關(guān)鍵.一定參數(shù)范圍內(nèi)，表面活性劑濃度梯度處于主導(dǎo)地位［10］，熔融金屬從中心流向邊緣，形成火山口狀形貌(見圖3d-f).此外，輔助氣體的垂直吹射，有助于中心熔融金屬向邊緣流動(dòng).試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著氣體壓力緩慢增加，形貌逐漸由W狀轉(zhuǎn)變?yōu)榛鹕娇跔?這是由于氧氣壓力較小時(shí)，2個(gè)因素對表面張力影響不相上下，流體分別從中心和邊緣相向流動(dòng)，形成圖3g-i所示W(wǎng)狀形貌.采用氮?dú)鈺r(shí)，選取合適吹氣角度，氣體壓力使得球冠凸起的中心凹陷，形成W狀.

綜上，Cr12表面形貌的形狀取決于溫度梯度和表面活性劑濃度梯度的主導(dǎo)地位.若溫度梯度為主導(dǎo)因素，則形成球冠狀形貌;若表面活性劑濃度梯度為主導(dǎo)因素，則形成火山口狀;若兩者不相上下，則形成W狀.此外，輔助氣體類型、角度和壓力對此也有較大影響，氧氣不利于球冠狀形貌的形成，氮?dú)獠焕诨鹕娇跔钚蚊驳男纬?

2.2 工藝參數(shù)對球冠狀形貌尺寸的影響

工藝參數(shù)對毛化形貌的形狀和尺寸均有顯著影響，以球冠狀形貌為研究對象，討論激光脈沖重復(fù)頻率、輔助氣體壓力及角度對其尺寸的影響.球冠狀形貌的尺寸定義如圖4所示.

圖4 球冠狀形貌尺寸示意圖

2.2.1 重復(fù)頻率

在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，隨著激光脈沖重復(fù)頻率的逐漸增大，毛化點(diǎn)直徑單調(diào)減小，如圖5所示.

圖5 頻率對毛化點(diǎn)直徑的影響

重復(fù)頻率從2 Hz增加到5 Hz，毛化點(diǎn)直徑減小近9%，幅度不大.試驗(yàn)采用單脈沖加工方法，激光毛化點(diǎn)直徑主要由單脈沖能量決定，激光重復(fù)頻率增加時(shí)，激光脈沖峰值功率有所下降，導(dǎo)致單脈沖能量減小，毛化點(diǎn)的直徑隨之減小.另外，由于激光脈沖作用時(shí)并非停留在毛化點(diǎn)處，而是以一定的速度掃描.試驗(yàn)過程中，在相鄰毛化點(diǎn)間距保持不變的條件下，頻率增加，掃描速度也增加，導(dǎo)致激光輸入能量減小，這也使得毛化點(diǎn)直徑減小.因此，為了獲得較好的毛化形貌，毛化點(diǎn)間距、掃描速度和脈沖重復(fù)頻率需要進(jìn)行系統(tǒng)匹配.

2.2.2 輔助氣體壓力

氮?dú)鈮毫η蚬跔蠲c(diǎn)直徑和凸起高度的影響規(guī)律如圖6所示.

圖6 吹氣壓力對形貌尺寸的影響

毛化點(diǎn)直徑隨著吹氣壓力的增加而增加，但增幅不大.這主要是由于壓力增加，氣體流量增加，激光熱能向四周的擴(kuò)散加劇，進(jìn)而使得熔池直徑變大，毛化點(diǎn)直徑相應(yīng)增加.凸起高度隨著吹氣壓力的增加，先增加后減小.依據(jù)快速熔凝理論，過冷熔體因干擾而產(chǎn)生的凸緣尖端生長速率最大，因此氮?dú)鈱θ鄢貍?cè)的吹送擾動(dòng)有助于微凸形貌的產(chǎn)生，使得材料單向流動(dòng)，有助于凸起高度增加.但是吹氣壓力過大，將會(huì)導(dǎo)致熔池中金屬飛濺，使得形成微凸體的有效金屬體積減少，最終凸起高度減小.因此，為獲得較高的微凸體，吹氣壓力必須控制在一定的范圍以內(nèi).由圖6可知:壓力在0.5 MPa左右時(shí)，凸起高度達(dá)到峰值，形貌最佳.

2.2.3 輔助氣體吹送角度

圖7為吹氣角度θ與球冠狀形貌直徑及高度的關(guān)系曲線.

圖7 吹氣角度對形貌尺寸的影響

隨著吹氣角度θ的增加，毛化點(diǎn)直徑變化不大，在600μm左右波動(dòng)，而中心凸起高度減小.在吹氣角度較小時(shí)，氣體促使金屬液體單向流動(dòng)的作用比較顯著，金屬不斷堆積，因而凸起高度值較大;吹氣角度增大后，金屬液體單向流動(dòng)的作用減弱，此時(shí)金屬液體在表面張力的作用下，由四周邊緣向中心流動(dòng)，而吹送輔助氣體又增加了流動(dòng)阻力，凸起高度值減小.因此，要獲得較高凸起的球冠狀形貌，吹氣角度應(yīng)取小值.

2.3 激光毛化區(qū)域的金相組織與顯微硬度

圖8為毛化試樣截面顯微圖.沿毛化點(diǎn)的對稱面進(jìn)行線切割，經(jīng)過鑲嵌、粗磨、精磨、拋光、4%硝酸酒精腐蝕之后，得到火山口毛化形貌截面的顯微圖(圖8a);在激光的作用下，得到了較規(guī)則的火山口形貌，并且重熔區(qū)和基體的分界線清晰可見，重熔區(qū)的顯微組織相對于基體材料更為致密，晶粒大幅變小(圖8b);重熔區(qū)的金相組織為針狀馬氏體(圖8c);基體材料金相組織為珠光體和球化體(圖8d).

毛化點(diǎn)硬度沿深度方向變化規(guī)律如圖9所示.由圖9可知，相對于基體，重熔區(qū)的硬度總體上增加了，且隨著深度的增加而增加，在接近分界線處硬度達(dá)到最大值1 225 HV，提高了近3倍.

圖9 毛化點(diǎn)顯微硬度

上述試驗(yàn)結(jié)果表明:毛化點(diǎn)相對于基體，金相組織更為致密，晶粒更為細(xì)小，硬度大幅提高，在深度方向上硬度逐漸增加.這主要是由于激光毛化為熔凝造型，加熱和冷卻速度極快，形核率大幅增加，因而獲得致密的針狀馬氏體組織，晶粒細(xì)小，硬度增加;此外，金屬熔池的底部與被加熱至微熔狀態(tài)的固態(tài)基體晶粒相接觸，非均勻晶核依附于這個(gè)表面形核［11］，因而在靠近分界線處，形核率更高，組織更致密，硬度更高.

3 結(jié)論

1)毛化形貌的形狀取決于熔池表面溫度梯度和表面活性劑濃度梯度的主導(dǎo)地位.對Cr12而言，若溫度梯度為主導(dǎo)因素，則形成球冠狀形貌;若表面活性劑濃度梯度為主導(dǎo)因素，則形成火山口狀;若兩者不相上下，則形成W狀.

2)輔助氣體類型、吹氣角度和壓力對毛化形貌有較大影響.氧氣不利于球冠狀形貌形成，氮?dú)獠焕诨鹕娇跔钚蚊残纬?對球冠狀形貌而言，隨著吹氣壓力的增加，毛化點(diǎn)直徑增加，凸起高度先增加后減小;吹氣角度的增加使得凸起高度減小.

3)激光參數(shù)對毛化形貌有著顯著影響.脈沖頻率的增加使得球冠狀毛化點(diǎn)直徑減小.

4)相對于基體，毛化點(diǎn)金相組織更為致密，晶粒更為細(xì)小，硬度大幅提高，在深度方向上硬度逐漸增加，因而毛化點(diǎn)耐磨性增加.

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