基于納秒激光的304不銹鋼表面織構制備機理研究*

溫永美,劉 慶

(河南工學院 車輛與交通工程學院,河南 新鄉 453003)

0 引言

304不銹鋼具有優良的耐腐蝕性,在各領域得到了廣泛應用。尤其在食品保存、潮濕環境、水下環境中,304不銹鋼表現出良好的經濟性、適用性。為了提高304不銹鋼的耐腐蝕性[1-3]、抗菌性[4,5],國內外學者做了相關研究,研究主要集中在表面改性,其中織構對表面特性影響的研究已經成為目前表面技術的研究熱點。表面織構是利用特定加工方法在固體光滑表面加工出具有幾何特征形貌的粗糙表面的一種表面工程技術[6],研究發現,表面織構具有良好的摩擦學性能[7,8]、耐腐蝕性能[9,10]等。

L. Ruiz de Lara等[11]采用激光直寫技術在鋁合金表面制備了織構,使織構表面表現出了超疏水特性,并采用循環極化曲線和開路電位(OCP)測試方法研究了織構表面的耐腐蝕性能。實驗結果表明,該超疏水織構表面表現出了良好的耐腐蝕特性,經分析,在激光加工過程中形成的氧化層以及被困在μ腔中的小體積的空氣,阻止了腐蝕性物質的滲透,減少了固-液界面的面積,從而提高了耐腐蝕性。劉亞運等[12]利用激光技術在硬質合金刀具后刀面制備了槽型織構,并用其切削陶瓷生胚。實驗結果表明,與無織構刀具相比,織構能夠有效降低刀具磨損,平行于主切削刃的織構表現出較好的抗磨損性能,有利于提高刀具的使用壽命。

Sinaga N等[13]采用計算流體力學的方法,研究了織構參數和雷諾數對潤滑軸承摩擦學特性的影響。實驗結果表明,空化對動水壓力有顯著影響,織構參數對摩擦學特性影響顯著,存在相對最佳織構深度。文獻[14,15]也有類似的結論。

目前,關于304不銹鋼的特定參數織構制備研究極少,針對該狀況,本文采用納秒激光在304不銹鋼板上制備織構,以研究激光功率、掃描速度、加工次數等激光參數對織構參數的影響。

1 試驗

1.1 材料

選擇1.5mm厚的304不銹鋼板,在激光加工前使用砂紙打磨待加工表面,以去除表面氧化膜及雜質,打磨后使用丙酮清洗并放置在樣品袋內待用。

1.2 試驗方案

采用KN120納秒激光打標機在處理過的304不銹鋼表面制備織構,制備示意圖見圖1。激光頻率為20 kHz,激光光斑直徑為50 μm,離焦量為0,激光掃描路徑為長20 mm的直線,選擇不同激光功率、掃描速度、加工次數,具體激光參數見表1。在制備后,使用單因素法分析激光參數對織構參數的影響。織構表面制備完成后,使用布魯克三維光學表面輪廓儀(Contour GK-K)觀測織構形貌及織構尺寸。織構截面示意圖見圖2。

圖1 織構制備示意圖

表1 激光加工參數

圖2 織構截面示意圖

2 結果與討論

2.1 激光功率對織構參數的影響

激光功率作為重要的激光參數之一,決定了激光的能量,通常采用能量密度來表示,能量密度表達式見公式(1)[16]。由公式(1)可知,在光斑半徑、掃描速度不變的情況下,激光能量密度與激光功率正相關。

(1)

式中E為激光能量密度(J/mm2),P為激光功率(W),r為光斑半徑(mm),v為掃描速度(mm/s)。

為了研究激光功率對織構參數的影響,設定激光頻率為20kHz,激光光斑直徑為50 μm,離焦量為0,掃描速度為120 mm/s,加工次數為1,再分別用4 W、8 W、12 W、16 W、20 W的激光功率進行制備。圖3為不同激光功率對織構深度、寬度的影響。由圖3可知,隨著激光功率的增加,織構深度、織構寬度均增大,并且增大幅度基本一致。公式(1)表明在光斑直徑、掃描速度不變的情況下,隨激光功率增加,激光能量密度增大,激光對靶材的氣化、熔融能力增強,因此,隨著激光功率的增加,織構深度、織構寬度均增大。

圖3 激光功率對織構深度、寬度的影響

2.2 掃描速度對織構參數的影響

掃描速度為激光光斑沿所繪制路徑移動的速度,當激光頻率一定時,掃描速度會影響單位面積內激光脈沖數,也可以理解為單位面積內激光能量累積量。

為了研究掃描速度對織構參數的影響,設定激光頻率為20kHz,激光光斑直徑為50 μm,離焦量為0,激光功率為12 W,加工次數為1,再分別用40 mm/s、80 mm/s、120 mm/s、160 mm/s、200 mm/s的掃描速度進行制備。圖4為掃描速度對織構深度、寬度的影響。由圖4可知,隨著掃描速度的增加,織構深度先增大后減小,織構寬度先減小后增大。

圖4 掃描速度對織構深度、寬度的影響

有個現象值得關注,當掃描速度為40 mm/s時織構深度為負值,即當掃描速度為40 mm/s時織構為凸織構,此加工條件下的織構三維形貌見圖5。當掃描速度較低時,單位面積內的激光能量積累應較大,形成的織構深度及寬度都應增加,但是卻出現了織構為凸織構的現象。經分析,這與激光的等離子體屏蔽效應[17,18]有關,即激光燒蝕產生的等離子體能夠吸收部分入射激光能量,減少了激光能量與材料表面的耦合。當等離子體尺寸越來越大,啟動時間與激光脈沖重疊時,這種效應就變得越來越強。當掃描速度較低時,在被加工區域單位面積內形成的等離子體較多,等離子體屏蔽效應增強,到達加工區域的實際激光能量較小,無法使304不銹鋼達到氣化狀態,僅出現熔融,熔融后的304不銹鋼在激光沖擊和壓力作用下濺起形成凸起群落并冷卻成型,使織構表現為凸起狀。

圖5 掃描速度為40 mm/s時的織構三維形貌

剔除掃描速度為40mm/s時由于等離子體屏蔽效應產生的凸織構,隨著掃描速度的增加,織構深度逐漸減小,織構寬度逐漸增大。經分析,隨著掃描速度增加,單位面積內激光能量積累量減小,靶材氣化、熔融量減小,使織構深度隨之減小,熔融量減小使得臨近靶材表面的熔融物堆積減小,織構寬度隨之增大。

2.3 加工次數對織構參數的影響

加工次數為激光光斑沿所繪制路徑加工的遍數,表現為對同一加工路徑重復掃描的次數。

為了研究加工次數對織構參數的影響,設定激光頻率為20kHz,激光光斑直徑為50 μm,離焦量為0,激光功率為12 W,掃描速度為120 mm/s,再分別以1、3、5、7、9的加工次數進行制備。圖6為加工次數對織構深度、寬度的影響。由圖6可知,隨著加工次數的增加,織構深度先增大后減小,織構寬度先減小后增大。經分析,該規律的出現與激光能量符合高斯分布[19]及離焦量有關,Guo B等[20]的研究表明激光能量分布以激光光斑為中心向四周遞減。隨著加工次數的增加,除第一次加工外,后續遍數的加工相當于離焦量發生了變化,使焦點不在被加工表面,綜合激光能量符合高斯分布這一特征,后續遍數加工無法使靶材與激光能量達到最佳能量耦合狀態,加工次數越多該現象越明顯。當加工次數在1至5次時,離焦量變化較小,隨著加工次數增加,靶材的氣化、熔融量增大,織構深度隨之增大;由于熔融量的增大,熔融材料在鄰近靶材表面附近冷卻、堆積量增加,使織構寬度減小。當加工次數大于5時,后續遍數的激光能量無法到達已加工織構槽底,僅對臨近靶材表面周圍的材料形成熔融,使織構寬度逐漸增大;熔融物流入已加工織構槽底,使織構深度逐漸減小。

圖6 加工次數對織構深度、寬度的影響

3 結論

為了研究激光參數對304不銹鋼表面織構參數的影響及激光加工304不銹鋼表面織構的機理,分析了激光功率、掃描速度、加工次數等激光參數對織構參數的影響,主要結論如下:

1)隨著激光功率的增加,激光能量密度增大,靶材的氣化、熔融量增加,使織構深度、織構寬度均增大;

2)隨著掃描速度的增加,單位面積內能量積累減小,熔融量減小,織構深度先增大后減小,織構寬度先減小后增大;

3)隨著加工次數的增加,靶材熔融量增大,離焦量變大,織構深度先增大后減小,織構寬度先減小后增大;

4)當激光頻率為20 kHz、激光光斑直徑為50 μm、離焦量為0、激光功率為12 W、加工次數為1、掃描速度為40 mm/s時,所得織構為凸織構。該現象值得進一步研究,尤其可對其應用進行探索;

5)影響304不銹鋼表面織構尺寸的因素主要有:激光能量密度、單位面積能量累積、等離子體屏蔽效應、離焦量等。