小序

Ti-6Al-4V 合金海内牌号为 TC4 ,是一种典范的(α+ β )型钛合金,具有比强度高、耐高温、耐侵蚀、综合性能优异的优点,普遍应用于航空航天、船舶、汽车及医疗等领域 [1 ] 。。。。。。可是由于钛合金导热率低、难加工等特点,通例加工方法逐渐难以知足加工需求。。。。。。

水导激光作为一种复合加工手艺,使用了光在差别物质界面上撒播的全反射特征。。。。。。由于水和空气具有差别的折射率,当激光以一定角度照射到二者之间的界面时会在水束中爆发全反射,此时激光可以沿着水束的偏向举行撒播,激光被传导于工件外貌时对证料举行加热、剥离,从而完成对工件的加工。。。。。。水导激光加工手艺具有切缝锥度小、加工精度高、无须对焦、切面质量好、重熔层小等优点,很是适合钛合金质料的细亲近割、钻孔、开槽等加工。。。。。。水导激光加工手艺原理如图 1 所示。。。。。。

海内外学者对水导激光加工举行了普遍研究。。。。。。Li 等[ 2-3 ] 比照了水导激光和通例激光切割镁合金、钛合金 TA1 的外貌质量,发明水导激光切割后外貌清洁整齐,在熔渣和热损伤控制方面显着优于通例激光加工。。。。。。 Zhang 等 [4 ] 团结ANSYS 有限元模拟和正交实验,剖析了水导激光的差别工艺参数对钛合金、不锈钢、铝合金、铜 4 种典范金属质料的影响,发明接纳水导激光打孔后,孔的圆度获得了优异的包管且周围清洁、险些无热影响区。。。。。。 Rashed 等 [5 ] 剖析了水导激光和 微细电火花 加工后钢板 的 表 面 质量,发明水导激光打孔后外貌越发匀称,在一定水平上可以替换电火花手艺对喷油嘴举行加工。。。。。。张正等 [6 ] 提出了一种新型水导激光缩流导光要领,并通过耦合试验与加工试验对其举行验证,试验效果批注水导激光切割铝板后微槽两侧险些无热影响区。。。。。。

现在的研究已经对水导激光加工后的宏观外貌质量举行了一定评价,但针对外貌形貌特征及形成机理的研究相对较少。。。。。。本文使用水导激光加工装备对TC4钛合金板材举行切割,剖析水导激光加工方法对TC4钛合金外貌形貌的影响,进而对水导激光加工手艺的工艺特点举行了探讨。。。。。。

1、 试验计划与检测

1.1 试验装备与参数

试验接纳的水导激光加工装备为瑞士 Synova公司的 LCS305 机床。。。。。。加工系统接纳波长为 532nm的脉冲激光与最大 50MPa 的去离子高压水束举行耦合。。。。。。本试验的水导激光工艺参数如表 1 所示。。。。。。

1.2 试件质料与检测

试验质料选用厚度为 2mm 的TC4钛合金轧制板材,接纳水导激光加工装备将其切割成 10mm×10mm×2mm 的长方体样品,样品加工后使用99% 的无水乙醇洗濯备用。。。。。。

使用 CCD 工业体式显微镜对切割外貌的宏观形貌举行视察;使用蔡司 GeminiSEM460 场发射扫描电子显微镜对样品的微观形貌举行剖析,并通过其配备的 X 射线能谱仪系统对样品外貌因素举行起源剖析;使用 KLA-FilmetricsProfilm3D 光学轮廓仪获取样品外貌二维、三维微观形貌图像等数据。。。。。。

2 、试验效果与剖析

2.1 外貌宏观形貌剖析

水导激光切割TC4钛合金后,使用 CCD 工业体式显微镜对样件举行视察,可以清晰地视察到切割外貌漫衍着沿进给偏向的横向条纹。。。。。。使用光学轮廓仪对切割外貌形态举行检测,发明切割外貌高低升沉,其中横向条纹位置为凹陷形貌,横向条纹的上下侧均有显着的条状隆起。。。。。。

除此之外,可以发明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外貌爆发一道横向条纹,正是这种多周次的往复循环扫描战略使得质料外貌爆发了多道次的横向条纹 [7 ] ,切割外貌宏观形貌如图 2 所示。。。。。。

2.2 外貌微观形貌剖析

使用扫描电子显微镜进一步视察,可以发明切割外貌的隆起、凹陷处具有差别的特征,凭证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外貌的上部、中部交替循环泛起,碎石区和波纹区泛起于切割外貌的底部。。。。。。切割外貌分区如图 3 所示。。。。。。

2.2.1 隆起区形貌剖析

使用扫描电子显微镜对隆起区形貌举行视察,隆起区形貌如图 4 所示。。。。。。从图中可以发明,隆起区形貌相对凸出且沿进给偏向有着显着的崎岖升沉,其外貌漫衍着较多的松散孔洞,大部分孔洞的直径规模在 1.056~2.103 μ m 之间。。。。。。

通太过析可知,激光的高温效应会使质料爆发熔化或气化,气化的金属爆发气态破碎时会泛起爆炸征象,从而在质料外貌形成孔洞 [8 ] 。。。。。。别的,水导激光加工时接纳多周次的往复循环扫描战略,由于隆起区是外貌较为凸出的区域,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,隆起区外貌质料履历多次熔化、气化、冷却等历程,从而形成了这种大宗孔洞漫衍的形貌。。。。。。

2.2.2 凹陷区形貌剖析

使用扫描电子显微镜对切缝外貌的凹陷区形貌举行视察,凹陷区形貌如图 5 所示。。。。。。从图中可以发明凹陷区有较多块状平台,细小龟裂纹漫衍于块状平台外貌,使得整个块状平台被支解成不规则的小板块。。。。。。别的,凹陷区的平台外貌漫衍有少量小尺寸孔洞,且孔洞险些均泛起于裂纹轨迹之上,孔洞直径为 0.495~1.356 μ m 。。。。。。

这是由于激光能量作用于质料上时,热量在质料局部迅速累积,从而使得质料爆发熔化,由于熔融物质无法完全被水束扫除,部分熔融物质冷却凝固在切割外貌形成块状平台。。。。。。水导激光加工是一个快速加热、快速冷却的历程,在此时代质料会爆发较大的应力,当应力值凌驾其屈服极限时即爆发裂纹。。。。。。

在平台外貌附着有少量球形熔滴,对该区域举行能谱面扫描检测,可以发明相较于其他位置,球形熔滴的 O 元素含量占比更高。。。。。。进一步对其举行能谱点 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% ,凭证相对原子质量盘算可推测该物质为 TiO 2 ,能谱面扫描检测如图 6 所示。。。。。。

2.2.3 碎石区形貌剖析

使用扫描电子显微镜对碎石区形貌举行视察发明,相较于凹陷区、隆起区,碎石区的外貌形态有着显著差别,该区域整体泛起为碎石状,仅有少部分区域零星漫衍着块状平台,碎石区形貌如图 7 所示。。。。。。此种形貌的形成缘故原由是水导激光切割时,高压水束受到切缝底部质料的阻碍,从而爆发了向上的反向攻击波,并且由于进给速率相对较快,高压水束在进给偏向上也可以具有一定的动能,因此对熔融物质起到优异的“剥离”作用,从而形成了碎石状的外貌形貌;膨胀的高压等离子体羽流也会对切缝外貌爆发攻击波,增进了熔融物质的“剥离”。。。。。。

为了进一步研究碎石区泛起位置的纪律,举行了差别加工循环周次试验。。。。。。当扫描周次为10 、11次时板材均未被切断,水导激光切割后接纳其他物理方法使其断裂。。。。。。比照两组试验效果,发明碎石区形貌始终处于切割外貌的最底部,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换,而在切缝底部会形成新的碎石区形貌,差别循环周次扫描试验如图 8 所示。。。。。。

2.2.4 波纹区形貌剖析

使用扫描电子显微镜对波纹区形貌举行视察发明,波纹区外貌漫衍有海浪状平台、球形熔滴及孔洞,球形熔滴呈飞溅状,有着显着的冲洗痕迹,波纹区形貌如图 9 所示。。。。。。

最后一次扫描时,质料底部被完全切穿,高压水束不受质料阻碍,水束的冲洗效果更好,因此切割外貌的熔融物质受到水束的一连挤压,从而形成具有条理的海浪状平台。。。。。。除此之外,由于水束的冲洗作用,波纹区部分熔化或气化的金属被抛离质料外貌,从而使得外貌爆发了大尺寸孔洞,被抛出的金属经由水束冲洗后重新冷却凝固,在质料外貌张力的作用下形成球形熔滴 [9 ] 。。。。。。海浪状平台、球形熔滴以及大尺寸孔洞组成了波纹区的奇异形貌。。。。。。

3、 结论

本文以TC4钛合金轧制板材为试验质料,重点对水导激光切割后的切面举行了形貌剖析,起源探讨了差别形貌的形成缘故原由,所得结论如下:

(1 )TC4钛合金在水导激光切割后外貌高低不平,从而爆发横向条纹征象。。。。。。横向条纹为凹陷形貌且数目与扫描周次相同,切割外貌的横向条纹是由于水导激光的多周次扫描造成的。。。。。。

(2 )凭证切割后外貌形态的差别,可将TC4钛合金切割外貌分成 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外貌的上部、中部交替循环泛起,碎石区和波纹区泛起于切割外貌的底部。。。。。。

(3 )TC4钛合金经由一周次水导激光扫描后会形成碎石区形貌,碎石区形貌再次经由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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