钛合金Ti6Al4V表面重熔结构外文翻译资料

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钛合金Ti6Al4V表面重熔结构

A.Temmler and M.A. Walochnik亚琛工业大学激光技术教授，地址：Steinbachstr 15,亚琛52062,德国

E.Willenborg and K.Wissenbach德国弗劳恩霍夫激光技术研究，地址：Steinbachstr 15,亚琛52062,德国

传统的表面结构化过程往往有两个关键缺点。首先，在结构化过程本身，一些方法往往需要基于另一种技术，这意味着大量的额外费用。其次，所有传统的表面结构化过程都需要去除材料，这些材料浪费在加工过程中没有得到任何进一步的利用。有一种新的结构化方法是金属表面结构的激光重熔（波形）。在这个过程中，没有去除材料而是将材料在熔融状态重新分配。这种结构化的过程是基于新的原理——重熔。表面结构和微粗糙度是在激光控制下由表面张力引起的熔池的自组织产生的。到目前为止，基础研究一直集中在热加工钢1.2343（AISI：H11）（美国钢铁学会标准：美国空冷硬化型），这种材料已经取得了有希望的结果。目前的研究和开发目前正在寻求扩大可加工材料的范围。由于重熔是热驱动工艺，因此金属材料的范围由于它们的热物理性能而存在显着差异。诸如导热性，吸收系数，粘度和热容的性质。钛合金Ti6Al4V具有广泛的工业应用，尤其是航空，航天和医疗工程。本文将研究这种材料的重熔过程。重熔的表面结构化程序原理基于正弦调制功率的激光束在表面上移动。激光功率的较低工艺限制是熔化材料产生熔池所需的功率。因此在本文中，激光功率的上限是刚好在大量材料熔融蒸发之前的点。我们使用金相截面来测量熔池深度和宽度的尺寸，它们取决于程序参数，例如激光束直径（125-500lm），扫描速度（25-200mm / s）和激光功率（20-400W）。我们还研究了结构特性（例如，高度）和所使用的程序参数（例如激光束直径，激光功率和调制波长）之间的基本相互依赖性。

结果表明，WaveShape工艺非常适合处理钛合金Ti6Al4V，因为实现的结构和工艺速度显着高于先前研究的热加工钢。

关键词：激光表面处理，激光重熔，表面结构，钛合金，熔池，无材料去除。1.介绍

零件或产品的表面强度影响其性质和功能。对消费者来说这些中的一部分是例如磨损，腐蚀和耐刮擦性等等的触觉以及视觉印象。因此，许多塑料部件具有结构化表面，例如汽车仪表板上的皮革纹理。通常，这些结构被集成在用于塑料部件的注塑模具中，然后在注塑过程期间被转移到塑料部件。用激光辐射构造金属表面的新方法是通过重熔（“WaveShape”）构造。 在该方法中，没有材料被去除，而是在熔融时重新分配。与通过光化学蚀刻或通过激光烧蚀（这两者均去除材料）的结构化的常规结构相比，这种结构化工艺基于新的有效的重熔原理。表面结构和低微观粗糙度是在激光控制下由于表面张力引起的熔体池的自组织导致的。

1. 技术发展水平

到目前为止，仅有一种其它结构化方法基于在表面的再熔化期间材料的再分布。 这个所谓的SurfiSculpt过程与通过重熔（WaveShape）结构化的过程相关，并且Dance和Buxton对这种方法做了叙述。它们通过使用电子束或激光束结构化材料；该工艺由TWI（英国焊接协会）开发并获得专利。在该过程中，能量束聚焦在金属表面上，从而产生熔池和蒸发的材料。聚焦激光束以高处理速度（gt; 500mm/s）在表面上移动到限定的终点[图1(a）]。在重熔的轨道的开始处产生峰，而在轨道的末端由于能量束被关闭而产生谷。由于相同的轨道被重复熔化，这个过程被放大，产生与纵横比高达30:1的柱状奇异结构[图1（b）和（c）]。通常，所有这些奇异结构都包括丘陵和相关的谷，使得只有通过组合大量的这些结构才能实现区域的结构化。热处理局部地限制在所产生的结构周围。在调查过程中，发现程序参数和实现的结构之间存在着强烈的相互依赖关系，这些相互依存关系尚未得到广泛探索并且尚未得到理解。到目前为止，被处理的样品的适当的温度管理似乎是至关重要的，因为在理论上，相同的结构因彼此间不同的距离而相应的改变。此外，由于在加工期间熔池的脱落，所产生的结构通常具有粗糙的表面。在本文中，我们调查WaveShape过程，而不是SurfiSculpt。到目前为止，通过重熔进行结构化的基础研究（WaveShape）已经专注于热加工钢1.2343（AISI：H11），并且已经为该材料获得了有希望的结果。目前的研究和开发正在寻求扩大可加工材料的范围。钛合金Ti6Al4V具有广泛的工业应用，特别是用于医疗工程。本文将研究这种材料的激光重熔（WaveShape）的表面结构。

图1 SurfiSculpt的原理图和示例图（参考文献1-3）

图2 光学设置示意图（参考文献4）。

1. 计划

对于通过重熔的表面结构化（WaveShape），使用包括光纤耦合Q开关Nd：YAG固态激光器（k em。1064nm和P L，最大为400W）在内的实验体系。光学设置主要用于将激光光纤投射到工件表面（图2）。电动光圈和变焦望远镜允许激光束直径在的范围内连续改变。三维（3D）激光扫描系统能够实现聚焦激光束在工件表面上的快速、三维偏转。在结构化过程中，激光束可以以高达5m /s的速度和高达100g的加速度移动。为了聚焦激光束，使用f-theta;物镜。结构化发生在处理室中，其中填充惰性气体以避免在表面重熔的情况下的不期望的氧化。监测处理室内的剩余氧气浓度，并通过适应的闭环控制将其调节至限定的水平。除了用于快速激光束移动的三个“光学”轴之外，还使用五个机械轴（三个线性和两个旋转）来相对于激光束对准工件表面。总之，该实验设置可以处理具有最大尺寸为300*300*100，最大重量为10kg的工件。

4.工艺原理

表面结构的激光重熔（波形）是基于在熔融材料凝固的过程中熔池体积的变化和决定了产生的表面形貌的三相线路的相依运动的物理关系。在激光抛光中，熔池体积的变化是不期望的，但是在WaveShape方法中，可以例如通过激光功率的调节来精确调节熔池体积。作为熔池体积的诱导调制的结果，所得到的表面形貌的机理与通过激光抛光形成波纹的机理相同。

图3显示了WaveShape过程的程序原理。 薄表面层（lt;100m）随后熔化并固化，凝固的方向遵循熔池表面。在恒定的激光功率下，熔池表面近似平坦且不发生结构化。激光功率的增加导致熔池体积的增加。此外，从固体到液体的密度变化以及热膨胀导致熔融材料的体积更大，因此熔池表面向外膨胀。

随着表面膨胀金属材料在凝固过程中结构化，激光功率减小，则过程完全相反地工作。因此，通过调制激光功率同时薄的表面层被重熔，可以实现结构化（图3）。

控制熔池体积是调制波形的过程中必不可少的， 所产生的表面形貌的高度，尺寸和形式直接取决于平均熔池体积，以及熔池体积的绝对变化和时间依赖性改变速率。虽然熔池的平均尺寸决定了所产生的结构的结构分辨率，但熔体池体积的绝对变化和时间相关的变化速率决定了所产生的结构的高度和对称性。为了实现周期性结构，激光功率在平均激光功率下被正弦调制，其振幅为，波长为（图4上）。

在激光功率被调制的同时，具有直径的激光束通过3D激光扫描系统在限定的扫描速度和轨道偏移dy下在表面上单向移动。 调制的激光功率的波长等于重熔结构的波长。为了获得紧凑的区域而不是单个轨道，重熔的轨道的重叠是必要的（图4下）。

图3 原理图（参考文献4）

图4 程序原理示意图（参考文献4）。

1. 实验

WaveShape方法的主要程序参数是激光功率幅度Pa，激光束直径和激光功率调制波长。表征的最重要的参数是结构高度h。研究激光功率幅度和结构高度的相互关系是因为它们取决于波长，激光束直径和重复次数。为此，在由Ti6Al4V制成的样品上重熔具有六倍波长的最小长度的单轨道。样品为圆柱形，直径为80mm，两侧平坦。通过机械研磨制备样品的每一侧的初始表面形貌，得到Ra lt;0.4lm的平均表面粗糙度。

对于每组程序参数，设置5个单轨道以增加可信度。在单轨道结构化之后，通过白光干涉测量法将它们映射（图5顶部）。

基于这些测量，沿着轨道的纵向截面半自动地分析单个轨道的结构高度和波长（图5中间）。使用适合的一维快速傅立叶变换; 这个纵截面在空间频率，相位和相应的幅度方面进行了分析（图5b）。为了精确地确定主空间频率和相应的调制幅度，通常使用零填充，这导致在主峰附近的下降的振铃效应。 空间波长是空间频率的倒数（），而振幅等于结构高度h。

图5 单轨分析示意图（参考文献4）。

1. 结果与讨论

A.平均激光功率和激光功率量值的确定

根据激光束直径和扫描速度，最大激光功率幅度受到限制。一方面，最小激光功率由阈值给出，即材料开始熔化的功率，用表示。另一方面，最大激光功率构成消融阈值，其中大量的材料蒸发，用表示。理论上，如果单位面积的能量保持恒定，则激光功率与激光束直径和扫描速度成线性关系。因此，对于和的几种组合i，确定最小激光功率和最大激光功率，并且通过实验验证它们的线性相关性。可见的重熔轨迹和材料的蒸发是用于确定两者的正确且容易观察的标准。

基于公式1和2，对在确定和后可以计算研究的每组程序参数的平均激光功率和最大激光功率幅度

， （1）

。 （2）

表1示出了对于两个直径 = 250和= 500的激光束在不同扫描速度下的平均激光功率和最大激光功率幅度。

针对和测量的值示表示出了与扫描速度的线性相关性。 对于 = 500和= 200mm / s的组合，由于激光束源的最大激光功率（P L，最大= 400W）受到限制，所以不能识别用于材料的开始蒸发的激光功率。 对于表I中所示的程序参数测量的值是进一步研究的基础。

表一 线性自适应和

B.激光功率幅度和结构高度的线性关系

为了研究结构高度h取决于激光功率幅度P A的程度，根据公式（3）以五个等距步长改变激光功率幅度。这是对= 250和=50mm/s进行实验获得的。

（3）

激光功率从未超过。研究了三种不同波长的效果：= 1,2和4mm。在片结构化之后，分析每个单个轨道的数字化纵向截面。

图6表示出了结构高度的测量值和根据每个波长的的结构高度的线性回归分析的结果

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