引言

TC4鈦合金在工業(yè)生產(chǎn)領域應用廣泛，它具有優(yōu)良的耐蝕性、密度小、比強度高和良好的拋光性薄板成型性和鍛造性能，在石油化工、造船、汽車、航空等領域得到成功應用。LM 成型的鈦合金表面粗糙度一般為15～50μm，遠大于傳統(tǒng)方式加工的零件，經(jīng)過簡單手工打磨或者采用噴丸、電解拋光等后處理方式能夠獲得很好的表面質(zhì)量，但是當零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜或者是精細零件時，采用上述后處理方法將不再適用。激光拋光是非接觸式拋光，用一定能量密度的激光束輻照特定工件，使其表面一薄層物質(zhì)熔化或蒸發(fā)而獲得光滑表面。不需要任何機械研磨劑和拋光工具，可以拋光用傳統(tǒng)拋光方法很難拋光或非常復雜的表面，拋光精度高，可達到納米級]。

由于激光拋光技術(shù)具有傳統(tǒng)拋光技術(shù)無法比擬的優(yōu)點， 20世紀90年代以來，美國、俄羅斯、日本、德國和中國的研究者已經(jīng)對金剛石薄膜、高分子聚合物、陶瓷、半導體、光學元件、絕緣體、藍寶石等材料進行了大量的拋光實驗研究。本文旨在維持TC4合金材料性質(zhì)不變的情況下，使用激光拋光技術(shù)最大程度降低TC4合金表面粗糙度。

1、實驗設備與研究方法

1.1 實驗方案

本文研究通過調(diào)整激光器種類和調(diào)節(jié)激光器參數(shù)研究對TC4鈦合金表面粗糙度的影響規(guī)律，得出符合所需表面粗糙度的工藝參數(shù)，并確定如圖1所示的實驗方案。通過三維形貌儀測試材料表面形貌、拋光面的X/Y軸的周期變化和表面粗糙度。

1.2 實驗材料

實驗采用TC4合金材料，具有優(yōu)良的耐蝕性、小密度、高的比強度和良好的拋光性薄板成型性和鍛造性。拋光前，使用線切割方法將3D打印的TC4鈦合金切割成尺寸規(guī)格約為2mm×50mm×50mm的鈦合金板（平板）試樣。

1.3 實驗裝置

本文共使用了2種不同的激光器對TC4鈦合金進行拋光試驗，分別為二氧化碳激光器和光纖激光器。二氧化碳激光拋光實驗裝置的激光光源采用 ROfin公司DC035型號的準連續(xù)二氧化碳激光器（w＝10.6μm），激光模式為準基模，最高功率3500Ｗ，如圖2所示。

 光纖激光器為北京熱刺激光有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的單模輸出激光器，額定輸出功率為1200W，工作波長為1080nm，工作模式是連續(xù)輸出，單模輸出平頂高斯光束，輸出功率可調(diào)范圍10％～100％，輸出光纜最長可達20m。

試驗樣品使用白光干涉儀即三維形貌儀（WYKO　NT1100Optical　PrOfilingSｙstem）測量表面粗糙度Ra，在VSI（Vertcal　Scanning　interfer－ence）模式下測量，其精度為1nm，采用50倍物鏡放大鏡頭，其視場范圍（對應測試面積大?。?36nm×480nm。

Leica　DM2700M正置金相顯微鏡采用先進的通用白光LED照明系統(tǒng)。載物臺行程25mm，物鏡放大倍率分別為5X、10X、20X、50X。載物臺的大小為76mm×50mm。圖片分辨率范圍從130Ｗ像素到800Ｗ像素。

硬度儀采用WilsOn　VＨ1202維氏硬度計，利用壓痕對角線長度的測量值來計算硬度值，最大測試高度130mm，最大測試深度為距離壓頭中心175mm，目鏡采用20倍電子目鏡，物鏡具有10X和50X兩個倍率的物鏡。實驗裝置如圖3所示，（a）、（b）、（c）、（ｄ）分別為光纖激光器、三維形貌儀、顯微鏡、維氏硬度計。

2、二氧化碳激光拋光工藝對鈦合金表面粗糙度的影響

2.1 激光功率對表面粗糙度的影響

選擇在離焦量為20mm、掃描速度250mm/min進行實驗，得到激光功率對拋光表面粗糙度的影響，如圖4所示。

從測量結(jié)果看出：當激光功率在350W～450Ｗ范圍內(nèi)時，表面粗糙度有起伏現(xiàn)象，其主要原因是較低的激光功率不足以使高峰完全熔化，導致不同位置的拋光效果不同。當激光功率為490W時，表面粗糙度最低，降到131.38nm，并且有很明顯銀白色的金屬光澤，三維形貌如圖5。其主要原因是隨著能量密度的增加，原始材料表面剛好達到熔融狀態(tài)，熔融金屬流動和凝固達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。

隨著激光功率的升高，熔融金屬內(nèi)部流動增加，表面粗糙度緩慢增加；當功率超過650W以后，表面粗糙度陡然升高，波紋現(xiàn)象明顯。

2.2 激光離焦量對表面粗糙度的影響

結(jié)合上組實驗結(jié)果，設置激光功率450W和500Ｗ、掃描速度250mm/min，改變離焦量參數(shù)，TC4鈦合金粗糙度如圖6所示。

由測量結(jié)果得出：拋光TC4鈦合金過程中，表面粗糙度隨著離焦量的增大而降低。當功率500Ｗ，離焦量30mm時，表面粗糙度Ra為較低值231.42nm，如圖7所示。通過實驗研究，得出高離焦量和高功率下熔融區(qū)域更寬，并且光斑功率密度均勻，這有利于降低波紋狀起伏，提高拋光的效率。

2.3 激光掃描速度對表面粗糙度的影響

實驗中選取功率為450Ｗ和500W，離焦量為30mm，TC4鈦合金粗糙度如圖8。

 當掃描速度太慢時，材料表面熱積累嚴重，形成熔池產(chǎn)生流動，拋光表面粗糙度變大，并且有氧化變黃的現(xiàn)象出現(xiàn)。速度在200mm/min時，TC4鈦合金表面開始有金屬光澤。隨著掃描速度的增加，表面粗糙度逐漸降低，當掃描速度在450mm/min時，拋光效果達到最佳，表面粗糙度Ra下降到123.20nm，如圖９所示。

2.4 激光掃描間距對表面粗糙度的影響

設置激光功率500Ｗ，離焦量30mm，掃描速度450mm/min，實驗結(jié)果如圖10。

掃描間隔過小，輻照區(qū)域內(nèi)材料吸收的能量較多，材料重復拋光，粗糙度較高，同時有氧化變黃甚至變黑的現(xiàn)象；當掃描間距為0.3mm時，表面淺熔，獲得較好的拋光效果，表面粗糙度Ra降為117.62nm，如圖11。繼續(xù)增大掃描間隔，掃描路徑之間仍有未熔融的區(qū)域，而且不能消除單道掃描后凸起的部分。

2.5 激光拋光后鈦合金材料性質(zhì)檢測

原始表面和拋光表面的比較如圖12所示，圖中顯示峰值大部分為Ti元素。

A、Ｂ峰Lin值基本保持不變，Ｃ、D和F峰Lin 值升高比較明顯，D、Ｇ和Ｈ峰Lin值減少比較多。

我們可以做出結(jié)論，拋光總體結(jié)構(gòu)沒有變化，并且晶粒尺寸變小，晶格排列變整齊。說明二氧化碳激光器拋光鈦合金，對材料表面的結(jié)構(gòu)有很明顯的改善。

并且原始峰在2-Ｔｈeta-Scale的46°位置發(fā)現(xiàn)Ｔi2O的出現(xiàn)，但是在拋光后的XRD檢測中，并沒有發(fā)現(xiàn)Ti₂O的存在，因此在拋光過程中由于保護裝置的嚴密性和3D打印材料的多孔性，TC4表面的氧化物得到很好的去除。激光拋光后鈦合金的顯微硬度分布如圖13所示。

如圖13（a）所示，說明激光拋光鈦合金表面有很明顯的硬度改善。而在縱向方向上表面粗糙度的影響范圍為1mm，如圖13（b）所示，說明二氧化碳激光拋光TC4對其縱向方向的物化性質(zhì)影響比較小。

2.6 拋光效果

激光參數(shù)功率為500Ｗ，離焦量30mm，掃描速度450mm/min，掃描間距為0.3mm時，TC4鈦合金表面粗糙度具有最小值117.62nm，拋光效果較好，如圖14所示。

 在拋光后的表面上發(fā)現(xiàn)微觀裂紋，考慮到設置的二氧化碳激光器激光功率過高，裂紋的產(chǎn)生首先是高溫區(qū)域材料晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)晶界面開裂，形成熱裂紋；其次由于熱循環(huán)造成了氫擴散，形成冷裂紋。通過預熱和外加溫度場等方式能夠改變激光拋光過程中顯微組織的結(jié)構(gòu)，改善拋光質(zhì)量，減少微觀裂紋。

3、光纖激光拋光工藝對鈦合金表面粗糙度的影響

3.1 金屬表面形貌對表面粗糙度的影響

圖15所示為激光拋光之前的TC4鈦合金的四種不同表面形貌，分別采用不同方法來進行預處理。

實驗采用的工藝參數(shù)如下：在激光聚焦面上方9mm處，激光功率90W、激光掃描速度80mm/s、掃描間距0.3mm，拋光面積為1cm×1cm。這些參數(shù)對不同表面形貌進行拋光處理時保持不變。其具體數(shù)值和拋光效果（粗糙度改善度）在表1中詳細列出。

由表2可知，對于不同的表面粗糙度和表面形貌，相同拋光工藝參數(shù)下激光拋光效果有所不同。

拋光之前，c和ｄ表面的粗糙度小于a和b表面的粗糙度，導致c和ｄ表面對激光的吸收率比a和ｂ表面吸收率小，拋光時所需要的能量密度較低。雖然c，ｄ表面的粗糙度改善情況比a和ｂ差，但是最終拋光效果比較好。

通過上述對不同形貌表面進行激光拋光效果的比較分析，我們可以得出：表面粗糙度較小，所需要的拋光能量密度較低，△Ra也下降得比較小，但是拋光會獲得比較好的結(jié)果。同時不僅表面粗糙度會影響激光拋光的效果，表面的形貌也會對激光拋光產(chǎn)生很大影響。

3.2 離焦量對表面粗糙度的影響

選擇光斑直徑作為有效參數(shù)，進行探究實驗。

激光功率分別設定為80Ｗ、100Ｗ、120W、140W，輻照時間1s。圖16所示為在不同功率的激光照射下，離焦距離與熔融區(qū)直徑的關系曲線。

從上述實驗結(jié)果可以看出，首先，由于激光是高斯分布的，當離焦量增大的時候，激光的光斑面積會增大，激光熔融區(qū)的直徑也會隨著增大；但是離焦量再增加的時候，由于激光的能量密度低于材料的激光熔化閾值，所以熔融區(qū)的直徑反而下降了。

3.3 拋光效果

在實驗中，選擇最優(yōu)激光參數(shù)：離焦量為激光聚焦面上方9mm處，激光功率90W、激光掃描速度80mm/s、掃描間距0.3mm，在工件表面進行第一遍平行直線形貌的平面掃描，掃描路徑如圖17所示；然后進行第二遍平行間隔直線形狀的平面掃描，第二遍平行間隔直線形狀的平面掃描方法與第一遍相同，且第一遍和第二遍兩道平行線直線形貌之間具有部分重疊，即掃描上述部分重疊的兩道直線平行形貌對應的激光間距是小于等于半個光斑；待激光加工頭掃描完第一遍后回到原始位置，保持第一遍掃描的參數(shù)不變，進行第二遍掃描；重復上述步驟進行多遍掃描加工，直到表面粗糙度得到明顯的改善，得到需要的光潔度。最終拋光第九次的時候表面粗糙度達到最低值，表面無明顯形變和裂紋。拋光效果如圖18所示。

4、結(jié)論

本文用三維形貌儀、XRD和硬度測試儀等測試手段研究了二氧化碳激光拋光Ti6Al4V合金鈦的加工工藝，并設法改善加工試樣的表面質(zhì)量；接著研究了光纖激光拋光Ti6Al4V合金鈦的加工工藝，提高試樣表面質(zhì)量，降低表面粗糙度。綜合考慮二氧化碳激光器和光纖激光器拋光TC4鈦合金的拋光效果，光纖激光器拋光TC4鈦合金更適宜。二氧化碳激光器拋光TC4出現(xiàn)裂紋和變型等問題，而光纖激光器拋光TC4鈦合金熱影響區(qū)小，重熔深度小于2μm，拋光后表面粗糙度可達148.72nm，無明顯裂紋和變形，光纖激光更適宜拋光TC4鈦合金。

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