皮秒-飛秒-連續激光三步漸進拋光法：實現LMD制造TC4鈦合金零件低應力與低粗糙度的協同調控

Ti6Al4V (TC4) 具有強度高 [1]?耐腐蝕性好 [2]?生物相容性優異 [3-4] 等特點，被廣泛應用于航空?航天?醫療等領域?增材制造 (Additive manufacturing, AM) 技術可以加工傳統制造工藝難以實現的復雜?薄壁零件 [5], 近年來得到廣泛應用?通過 AM 制造的 TC4 零件通常存在表面質量差?粗糙度高等缺點 [6-7], 在實際應用中較大的粗糙度會使零件的疲勞強度?耐腐蝕性降低，從而影響材料的使用壽命，因此對 AM 制造的 TC4 零件進行拋光研究很有必要?傳統的拋光技術存在環境污染?材料尺寸受限等問題，增大了拋光過程的復雜性和成本 [8-11]?采用激光拋光可以實現對微小區域的加工，具有較高的加工精度和重復性 [12], 其工作環境要求相對簡單，在加工過程中也不會造成環境污染 [13-14]?

大量學者通過激光拋光對各種金屬零件進行了拋光研究，并取得了一定的研究成果?目前，常用的 AM 技術主要包括鋪粉式增材制造 [15](Selective laser melting, SLM) 和送粉式增材制造 [16](Laser metal deposition, LMD)?其中，關于 SLM 制造零件的拋光研究較為成熟，Fang 等 [17] 利用納秒激光對 IN718 (SLM) 合金進行了拋光實驗；Li 等 [18] 通過連續激光對 S316 不銹鋼 (SLM) 進行了正交拋光試驗；Lee 等 [19] 利用連續波光纖激光器對 TC4 (SLM) 進行了拋光實驗，均得到了質量較好的表面?

對于 LMD 技術，受到其制造工藝的影響，LMD 零件表面波紋度?粗糙度遠遠大于 SLM 零件，因此其拋光工藝更為復雜 [20]?Xu 等 [21] 使用連續激光拋光 LMD 零件，將其粗糙度降至 1.76 μm, 拋光效果有限?Rosa 等 [22] 研究發現，通過增加激光拋光的次數，可以降低 LMD 零件的表面粗糙度?Kim 等 [23] 分析得出，激光重熔的能量密度可以在一定程度上提高 LMD 零件的表面質量?Arrizubieta 等 [24] 提出，通過激光去除和激光拋光組合加工的方式可以提高 LMD 零件的表面質量?Shen 等 [25] 采用皮秒激光和連續激光的兩步加工方法，提高了 LMD 零件的表面質量，為后續 LMD 零件拋光提供了新思路?

針對 TC4 (LMD) 存在的波紋度大?粗糙度高等問題，使用皮秒或飛秒激光拋光來降低材料表面粗糙度的效果十分有限?若采用連續激光重熔拋光，在 TC4 (LMD) 材料表面波紋度的影響下，需要通過多次拋光才能得到較低的表面粗糙度，此時激光多次重熔過程中產生的高熱能量會造成零件熱影響區域過大?出現殘余應力等問題，從而削弱材料的性能?本文提出一種多激光異步拋光工藝來降低材料的表面粗糙度?首先使用皮秒激光與振鏡組合，通過激光去除方式，降低材料表面的波峰與峰谷距離，再經過飛秒激光與物鏡組合，進一步減小峰谷距離，獲得表面較為平整的材料表面，最后通過連續激光重熔來降低材料的表面粗糙度，并對多激光異步拋光過程中材料的表面輪廓?粗糙度?殘余應力進行分析?

1、實驗

1.1 方法

實驗過程中采用的加工策略如圖 1 所示，TC4 (LMD) 零件原始表面如圖 1a 所示，皮秒激光與振鏡組合的皮秒激光去除過程如圖 1b 所示，主要借助皮秒激光的高效率去除特性，搭配振鏡系統的高速掃描特點，快速?大量地去除波峰波谷材料，從而降低峰谷距離?飛秒激光與物鏡組合的飛秒激光去除過程如圖 1c 所示，由于飛秒激光加工精度較高，同時搭配物鏡系統的運動平臺進行低速掃描，可以精確地去除波峰處的材料，進一步減小峰谷距離?連續激光重熔過程如圖 1d 所示，主要通過激光重熔來提高飛秒激光去除后材料的表面質量?

由于皮秒激光的脈寬大于飛秒激光，同時激光單脈沖能量等于激光功率與脈寬的乘積，因此在超快激光去除過程中，激光功率一定的情況下，皮秒激光攜帶的脈沖能量遠大于飛秒激光，在材料表面產生的作用力更強，能夠去除更多材料，因此皮秒激光的材料去除效率優于飛秒激光?

振鏡和物鏡兩者的瑞利長度存在差異，在對表面峰谷距離較大的材料進行激光去除時，對材料表面波峰?波谷的去除效果略有不同?在使用振鏡加工時，由于振鏡的瑞利長度大于物鏡的瑞利長度，在光束傳播方向上激光能量衰減緩慢，所以在加工波峰?波谷處的材料時兩者的去除差異并不明顯，對降低材料峰谷距離的作用有限?物鏡的瑞利長度較小，可以實現對材料波峰?波谷的差異性去除?在實際加工過程中，物鏡搭配的運動平臺的掃描速度較慢，如果單獨采用物鏡進行加工，將增加加工時間，影響加工效率?由此，首先采用振鏡對材料表面進行快速?高效去除，減小材料表面峰谷的距離，再使用物鏡搭配的運動平臺進行低速掃描去除，進一步縮小峰谷距離，此加工策略有利于整體加工效率和加工質量的提升?

在皮秒激光?飛秒激光與材料的作用過程中，脈寬越大，則材料去除效率越高，所以皮秒激光去除效率大于飛秒激光去除效率 [26]?在實際加工過程中，振鏡的掃描速度較快，而物鏡系統搭配的運動平臺的掃描速度較慢?由此，在采用多激光異步拋光工藝時，首先采用皮秒激光與振鏡組合，進行皮秒激光去除；然后，使用飛秒激光與物鏡組合，進行飛秒激光去除；最后，通過連續激光重熔來改善表面質量?該技術可以用于起伏較大零件表面的精密處理，以及盲孔?微槽的精密加工?

1.2 設備及加工參數

實驗用到的激光器有皮秒激光?飛秒激光?連續激光?其中，皮秒激光器由德國通快 (TRUMPF) 公司生產，型號為 TruMicro5 050, 搭載振鏡系統，最大脈沖能量為 125 μJ, 波長為 1 030 nm, 重復頻率為 400 kHz, 脈沖寬度為 8 ps?飛秒激光器采用 Light Conversion 公司生產的 Pharos 系列，脈沖寬度為 290 fs, 波長為 1 030 nm, 最大脈沖能量為 33 μJ, 重復頻率為 598 kHz?連續激光采用 IPG 公司生產的光纖激光器，最大輸出功率為 250 W, 波長為 1 070 nm?

在實驗過程中，激光作用區域尺寸均為 5 mm×5 mm, 在加工區域內依次進行皮秒激光去除 - 飛秒激光去除 - 連續激光重熔，加工路徑一致，均采用弓字形掃描軌跡?在皮秒激光去除過程中，由于振鏡的瑞利長度較大，對材料峰谷的去除差異并不明顯，因此為了避免皮秒激光去除波谷處的材料過多，通過調整離焦距離，使激光到達波谷處的能量接近于 TC4 燒蝕閾值，如圖 2 所示?當激光在波峰處聚焦時，超快激光的去除深度為Lat?在這一點上，材料的去除不僅發生在波峰上，也發生在波谷處，如圖 2a 所示?當離焦距離調整為Ld時，到達波谷的激光能量接近于 TC4 的燒蝕閾值?由此可見，在波谷處去除的材料較少，且材料去除主要集中在波峰處，如圖 2b 所示，從而達到減小峰谷距離的目的?在實驗過程中，不同階段的激光加工參數如表 1 所示?

表 1 皮秒?飛秒?連續激光加工參數 

Tab.1 Picosecond, femtosecond and continuous laser processing parameters

1.3 材料

實驗用到 TC4 (LMD) 零件峰谷距離示意圖如圖 3a 所示，經過對 TC4 (LMD) 零件的測量，得到最大峰谷差為 250 μm?為了使后續加工效果更加直觀，采用銑削的方式加工出深度為 250 μm 的 TC4 凹槽，如圖 3b 所示，以此來模擬 TC4 (LMD) 零件的波峰波谷?測量得到的機加工 TC4 表面形貌及 2D 輪廓分別如圖 3c?d 所示?

1.4 表征

采用白光干涉激光顯微系統 VK-X3000 系列，對多激光異步拋光過程中材料表面輪廓及粗糙度進行測量?同時，使用 PULSTEC μ-X360 設備測量材料表面的殘余應力?

2、結果及分析

為了更直觀地體現多激光異步拋光過程中材料表面輪廓?粗糙度的變化，同時體現多激光異步拋光工藝中不同激光作用過程的必要性，首先使用多激光異步拋光參數對銑削形成的機加工 TC4 材料進行加工，并展示了多激光作用前后材料表面輪廓及粗糙度的變化，證明了多激光異步拋光工藝的有效性?最后，再使用相同的加工參數對 TC4 (LMD) 材料進行拋光，并分析了不同激光作用前后材料表面輪廓?粗糙度及殘余應力的變化情況?

2.1 多激光異步拋光前后機加工 TC4 表面輪廓?粗糙度分析

經過多激光異步拋光后，測量不同激光作用前后機加工 TC4 零件的表面形貌及粗糙度?在不同激光作用下，材料的表面形貌及 2D 輪廓如圖 4 所示?

在多激光異步拋光前后，機加工 TC4 的表面形貌變化情況如圖 4a 所示，原始表面右側因經過銑削加工，可以清楚地看到銑刀的加工痕跡，左側凸起部分為波峰，右側銑刀加工的凹槽為波谷?經過皮秒激光去除和飛秒激光去除后，材料表面臺階消失?表面趨于平整，最后經過連續激光重熔后材料表面形貌得到進一步提升?

在多激光異步拋光前后，材料表面 2D 輪廓如圖 4b 所示?TC4 鈦合金經銑削后，機加工 TC4 的原始表面峰谷差達到了 250 μm?在經過皮秒激光與振鏡組合的高效率快速掃描去除后，材料表面峰谷差快速降至 35 μm?由于振鏡的瑞利長度較大，在光束傳播方向上能量衰減緩慢，因此材料表面峰谷差仍有 35 μm, 無法通過皮秒激光和振鏡進一步去除?在經過飛秒激光去除后，材料表面基本平整，不存在明顯的臺階?這一現象與預期相符，主要是由于物鏡的瑞利長度較小，沿光束傳播方向上激光能量衰減較大，因此在加工表面起伏較大的材料時，可以實現對波峰?波谷的差異性去除，使得材料表面趨于平整?

在多激光異步拋光前后，機加工 TC4 的表面粗糙度結果如圖 5 所示?經過皮秒激光去除和飛秒激光去除后，極大地降低了材料表面峰谷差，但此時材料表面粗糙度仍然較高，約為 1.7 μm, 所以還需要通過連續激光重熔來降低材料的表面粗糙度?在測量過程中，分別測量了材料表面 x?y 2 個方向的粗糙度?在測量過程中，將 TC4 初始表面統稱為上表面，經過銑削得到的表面統稱為下表面，如圖 4a 所示?在激光加工前，TC4 上 (初始) 表面 x 方向的粗糙度為 1.284 μm, y 方向的粗糙度為 1.873 μm?經過銑削加工后，其粗糙度略有降低，x 、 y 方向的粗糙度分別為 1.342?1.219 μm?首先經過皮秒激光去除后，材料的表面粗糙度增大，達到了 2.219 μm?這主要是因為皮秒激光去除過程中產生的部分材料重熔噴濺顆粒，經過冷卻后重新附著在激光加工區域，增大了材料的表面粗糙度 [25]?由于飛秒激光的脈沖寬度極小，在激光去除過程中與皮秒激光相比，其能量沉積時間遠低于材料熱擴散時間，熱影響區域顯著減小，激光作用的范圍有限，材料的熔融?凝固現象減少，從而降低了材料的表面粗糙度?此時材料的表面粗糙度仍然較高，由圖 5 可以看到，經飛秒激光去除后其粗糙度約為 1.7 μm?經過連續激光重熔后，材料的表面質量得到巨大提升，其中粗糙度最低可以達到 0.682 μm, 材料表面也更加平整?在此過程中，連續激光在 TC4 表面持續輸入熱量，使得材料表面快速吸收能量，發生熔化?在重力及表面張力的作用下，液態材料發生流動，從而填平了材料表面的微觀溝壑，降低了其表面粗糙度?

2.2 多激光異步拋光前后 TC4 (LMD) 表面輪廓?粗糙度分析

為了驗證多激光異步拋光工藝的有效性，后續采用相同的激光加工參數，對 TC4 (LMD) 樣件進行拋光?經不同激光作用后，材料的表面形貌及 2D 輪廓如圖 6 所示?

如圖 6a 所示，TC4 (LMD) 表面存在大量加工過程中產生的重熔顆粒狀材料，它們的存在使得材料原始表面起伏明顯，表面形貌較差?經皮秒激光去除后，可以看到材料表面熔化?凝固現象較多?在經過飛秒激光去除后，由于飛秒激光極短的脈寬使得激光與材料的作用時間更短，熱量擴散有限，所以與皮秒激光去除后的表面形貌相比，經飛秒激光去除后材料表面熔化現象顯著減少?最后，經連續激光重熔后，材料的表面形貌與加工前相比，熔化顆粒消失，表面平整，表面形貌得到了極大改善?

如圖 6b 所示，經過皮秒激光去除后，材料原始表面的峰谷差得到明顯改善，但材料表面的最大峰谷差仍然在 50 μm 左右?這主要是由于振鏡的瑞利長度較大，激光在傳播方向上的能量變化相對均勻，對材料波峰?波谷的去除效果相同，所以無法進一步有效減小峰谷差?在經過飛秒激光去除后，峰谷差進一步降低?同時，經飛秒激光去除后材料表面峰谷差變化相對平穩，約為 20 μm?最后，通過連續激光重熔后，得到了表面平整?無明顯高度差的 TC4 (LMD) 樣件?

在實驗過程中，測量了多激光異步拋光前后加工區域 x? y 方向的表面粗糙度，結果如圖 7 所示?其中，TC4 (LMD) 原始樣件由于其表面存在重熔顆粒物質，因此 x 、 y 方向的原始表面粗糙度較高，分別為 7.637?7.278 μm?經皮秒激光去除后，材料的粗糙度降至 4 μm 左右，經過飛秒激光去除后進一步降低了材料的粗糙度?此過程主要是因為與皮秒激光相比，飛秒激光的脈寬更短，與材料作用的時間隨之變短，形成的熱影響區域有限?經飛秒激光去除后，熱影響范圍更小，材料熔化?凝固現象隨之減少，因此其表面粗糙度進一步減小，最小降至 3 μm 左右?此時材料的粗糙度仍然較大，同時材料表面的平整度較差，經過連續激光重熔后，表面熔化的液態材料流動，彌補了表面微觀缺陷，使得 TC4 (LMD) 的表面粗糙度降至 0.744 μm?多激光異步拋光前后材料表面實物如圖 8 所示?

2.3 多激光異步拋光前后 TC4 (LMD) 表面殘余應力分析

分析了 TC4 (LMD) 樣件表面經不同激光作用后的表面粗糙度，測量了多激光異步拋光過程中 TC4 (LMD) 的表面殘余應力，殘余應力變化如圖 9 所示?

在多激光異步拋光過程中，TC4 (LMD) 表面殘余應力均為拉應力，經過皮秒激光去除后 TC4 (LMD) 表面殘余拉應力由最初的 450 MPa 增至 1 000 MPa, 經飛秒激光去除后進一步增至 1 146 MPa, 最終經過連續激光重熔后降至 934 MPa?發生這一變化的主要原因是皮秒?飛秒?連續激光各自的脈寬不同，對材料的作用時間存在差異，相應產生的溫度梯度不同?在皮秒激光去除過程中，由于激光的脈寬較短，激光對材料的作用時間極短，導致材料表面在激光照射區域內形成了顯著的溫度梯度?材料在激光作用下局部加熱后，隨即冷卻?由于加工區域的熱膨脹被未加工區域所約束，材料在冷卻時會發生收縮效應，因此加工后的材料表面會形成拉應力?相較之下，飛秒激光的脈沖寬度更短，激光作用時間更短?由于脈沖持續時間更短，因此激光作用區域內的溫度梯度相較于皮秒激光更為劇烈?在激光照射下表層材料的溫度急劇升高，而未加工區域及材料內部的溫度變化較小?在隨后的冷卻過程中，激光作用區域材料因冷卻收縮而受到更大程度的約束，因此經飛秒激光去除后，材料表面的殘余拉應力進一步增大?在連續激光重熔過程中，激光對表面的照射是持續的，使得材料表面在一定時間內保持均勻的加熱狀態，且隨著照射時間的延長，材料內部溫度逐步升高?經連續激光重熔拋光后，在表面張力和重力的作用下，材料重新分布，釋放了飛秒激光去除后形成的拉應力?由于連續激光拋光后形成的溫度梯度相對均勻，使得材料各部分熱膨脹和收縮更均勻，減小了不同區域間材料的變形差異?同時，在較長的熔池凝固時間下，熱應力可以通過塑性變形方式得到釋放，從而降低了最終的殘余拉應力，所以材料表面殘余應力逐漸增大?這是由于經皮秒激光?飛秒激光去除后形成的溫度梯度存在差異，使得表面殘余拉應力逐漸累積?材料表面的殘余應力減小，則是由于經過連續激光重熔后，材料在 TC4 (LMD) 表面重新分布，釋放了超快激光去除過程中累積的殘余拉應力?同時，由于連續激光重熔后形成的溫度梯度相對均勻，所以產生的殘余拉應力較小?

3、結論

1) 在對機加工 TC4 材料進行多激光異步拋光過程中，由于振鏡?物鏡的瑞利長度存在差異，對材料波峰?波谷的去除存在差異，使得經皮秒激光去除后材料的峰谷距離降至 35 μm, 再經過飛秒激光去除后獲得了相對平整的表面?

2) 皮秒激光脈寬遠小于飛秒激光脈寬，使得飛秒激光在材料表面作用的時間較短，材料表面熔化現象較少?在經過皮秒激光?飛秒激光去除后，機加工 TC4 的表面粗糙度從 2.219 μm 降至 1.7 μm, 再經過連續激光重熔后達到了最小值，為 0.682 μm?

3) TC4 (LMD) 材料經過皮秒激光去除?飛秒激光去除和連續激光重熔后，其表面質量逐漸得到改善，表面粗糙度由最初的 7.637 μm 降至 0.774 μm?

4) 在多激光異步拋光 TC4 (LMD) 過程中，由于皮秒激光?飛秒激光的脈寬存在差異，因此形成的溫度梯度不同，使得材料表面殘余拉應力由最初的 450 MPa 增至 1 000 MPa, 經飛秒激光去除后進一步增至 1 146 MPa?連續激光重熔使得材料在 TC4 (LMD) 表面重新分布，釋放了超快激光去除過程中累積的殘余拉應力，所以產生的殘余拉應力較小，降至 934 MPa?

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（注，原文標題：送粉式增材制造TC4鈦合金多激光異步拋光實驗研究）