激光砂带加工钛合金纹理表面耐磨性研究

重庆大学

肖贵坚、宋沙雨、贺毅、刘帅、林瓯川

摘要

纹理化和残余应力对表面的摩擦学性能都有着积极的影响。钛合金由其优异的机械性能受到关注，在航空航天业等领域应用广泛。纹理化和残余应力对钛合金表面摩擦学性能的影响得到研究。但是，关注纹理化和残余应力共同的影响的报道较少。这项研究中提出了一种在Ti6Al4V表面上加工出具有压应力的沟槽纹理的激光砂带协同加工方法。结果表明激光砂带协同加工表面展现出更优异的耐磨性，其中，磨损深度可由激光加工表面上的2.69μm降低56.88%至协同加工表面上的1.16μm，磨损区域宽度可由689.41μm降低44.90%至379.84μm。

关键词：钛合金 ；激光加工 ；砂带加工

引言

钛合金具有高强度，低密度，良好的耐腐蚀性能和耐高温能力，在航空航天工业、生物医学领域和国防中受到广泛的关注与应用。但是钛合金存在着摩擦系数不稳定且高，低耐磨性等缺点。

表面纹理制备在功能表面得到广泛研究。其作为一种控制机械部件摩擦学行为的方法，可以改变表面之间的相互作用，以更好地润滑，控制摩擦并增强工程材料的耐磨性，在工程中得到广泛应用。一些基本的几何纹理，如沟槽或凹坑，通过储存润滑油和磨损碎屑来提高耐磨性，以减轻随后的摩擦。在传统加工方式中，车削、铣削和磨削常被用作加工表面纹理。激光表面纹理加工是提高材料摩擦学性能的有前途的技术，具有高柔性、对环境友好、精度高等优点。

通过直接激光烧蚀在表面纹理加工上提供了优势，但其中的热效应可能导致不需要的副产物，例如热致残余拉应力，这可能会导致表面裂纹的产生与扩展而降低部件的疲劳寿命。一般而言，残余压应力可通过增加表面显微硬度而提高耐磨性能。

纹理化和残余应力对表面的摩擦学性能都有着积极的影响。然而，同时关注纹理表面与残余应力对摩擦学性能的影响的研究较少。砂带磨削作为一种高效的柔性加工方法，常应用于多种加工方式的后处理精加工，能够有效施加残余压应力，在复合加工方面有着巨大的潜力，却未被过多研究。结合激光加工在表面纹理化上表现出的高精度和可控性，提出了一种激光砂带协同加工方法。

01

激光砂带加工实验装备及材料

采用100×50×5mm 的Ti6Al4V为实验基材，其化学成分如表1所示。通过70粒度的金字塔砂带和尼龙砂带对原始表面分别以0.1mm/s的进给速度vw、10m/s的线速度vb和0.1mm的磨削深度αp进行抛光处理，以去除表面氧化锈斑并规整表面。对抛光后表面进行15min、50℃的超声清洗，以去除表面残余物。在表面纹理加工实验环节，砂带选用100粒度的金字塔砂带。实验于自主研发的激光砂带装备上开展，如图1（a）所示，其采用皮秒脉冲激光器（Amber NX）。激光扫描路径和所选砂带如1（a）所示。

02

激光砂带加工实验及表面形貌

2.1实验设置

本项研究中提出了一种缓进给高线速度低下压的激光砂带协同加工方法。通过缓进给和高线速度的砂带磨削，以保证材料的充分去除；通过低下压，以避免高线速度情况下刀具与材料相互作用过程中引起的机床过大振动等非加工参数影响。

在实验中，为了进一步保证材料的充分去除，每条纹理加工次数T设置为5次。因此，实验中砂带磨削的加工参数固定不变，如表2所示。对应的，激光加工参数有所改变。激光加工会发生热效应，一方面会因此在材料表面产生拉应力，另一方面会诱导金属材料重熔和引起表面粗糙效应。通常，范围大梯度小的激光参数设置是作为研究激光加工表面微纳结构精度的有效方法，但在本项研究中，这并非研究重点。

实验采用Labelt-12/30-1.0设备进行激光砂带加工实验。本次实验采用钛合金TC4（Ti6Al4V），属于（α+β）型钛合金。其中所采用激光参数如表2所示、砂带磨削参数如表3所示。

采用高集成多功能摩擦磨损试验机(MFT-5000, Rtec Instrument, Inc., America) 进行摩擦学检验，如图2所示，主要进行不同纹理参数之间的相对磨损比较，而非评估磨损寿命。以球-盘接触进行往复式摩擦磨损，其中，试样球为9.525mm的钢球(12Cr18Ni9)，垂直于纹理方向往复。在这项研究中，参数选择为：法向载荷为5N，往复距离为10mm，往复频率为3Hz，往复时间为5min。即，滑动速度为60mm/s，滑动长度为18000mm。

2.2形貌结果

由图3可知，激光砂带协同加工表面的磨损深度更浅。磨损深度由激光加工表面上的2.69μm降低56.88%至激光砂带协同加工表面上的1.16μm。激光砂带协同加工表面可以简单认为是对激光加工表面上的氧化层的去除，并进行了抛光。氧化层的较低的剪切强度使得其更易被去除，而激光加工表面上的表面氧化程度更剧烈，这就导致了激光加工表面上的磨损深度更大，并且与激光砂带协同加工表面上的磨损深度有着较大幅度的差距。需要说明的是，白光干涉仪所检测的表面可能存在一定的噪点区域，因此在激光加工区域的磨削深度的选择时去除了这一区域，只考虑轮廓具有较明显的沟槽部分。由于激光砂带协同加工表面残余应力为压应力状态，并且其值大于基材表面初始应力，而激光加工表面由于激光热效应使得其表面残余应力状态为拉应力。两者残余应力状态的差距也导致了磨损深度的差距。即是说，可以认为加工的纹理表面残余应力与基材的残余压应力的大小关系影响着纹理表面的摩擦学性能。

如图4所示，激光砂带协同加工表面中的磨损区域的宽度更小，表面的沟槽结构展现出更好的耐磨损性能。磨损区域宽度由激光加工表面上的689.41μm降低44.90%至激光砂带协同加工表面上的379.84μm。由于激光砂带协同加工表面可以简单认为是对激光加工表面上的氧化层的去除，因此其沟槽深度有一定减少。沟槽深度的减小也使得磨屑更易填充，从而在往复摩擦过程中保护整个沟槽。因此可以发现图4（a）没有出现图4（b）中大面积的沟槽结构被磨平。

03

结论

本文根据自主研发的激光砂带实验平台，从表面纹理和残余应力对加工表面的摩擦学性能的影响出发，旨在结合激光加工和砂带磨削分别在这两方面表现出的优势及特点，提出了一种在Ti6Al4V表面加工出具有残余压应力的沟槽纹理表面的激光砂带协同方法。结果表明激光砂带协同加工表面展现出更优异的耐磨性，其中，磨损深度可降低56.88%，磨损区域宽度可降低44.90%。

来源：《中国涂附磨具》2023年第一期