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Ti6Al4V合金表面蒸汽压激光复合加工新工艺的实验研究

DOI:10.1016/j.jmatprotec.2019.116450 期刊:Journal of Materials Processing Technology 出版年份:2019 更新时间:2025-09-16 10:30:52
摘要: 除车削、铣削或光化学蚀刻等传统结构化工艺外,激光加工在金属表面结构化中的应用日益广泛。这些激光工艺的根本区别在于:结构化过程要么通过材料去除实现,要么通过材料重分布达成。本研究实验探究了一种新型混合工艺——结合脉冲激光辐射的材料烧蚀与连续激光辐射重熔工艺的材料重分布。在介绍该混合工艺的基础上,我们详细描述了所用设备及方法,并展示了在Ti6Al4V合金表面生成的结构。 实验采用光束直径520微米、功率220瓦、扫描速度100毫米/秒的连续激光辐射,在预处理Ti6Al4V表面形成熔池。同时叠加使用光束直径65微米、脉宽60纳秒、最大脉冲能量0.35毫焦、频率50千赫的脉冲激光辐射,使熔池内微量熔融材料蒸发。这种局部材料蒸发产生的蒸汽压力会使熔池表面变形,从而形成表面结构。 结果表明:脉冲激光辐射在熔池表面激发了波长为激光光束直径两倍的毛细表面波。这种受迫激发的毛细表面波形成了经白光干涉仪分析的固化后表面结构。分析得出:激发毛细表面波的振荡频率为ν=2.27(±0.16)千赫,凝固过程中该表面振荡的阻尼有效运动粘度为μ=0.1328平方厘米/秒。 在结构特征方面,我们获得了高达100微米的结构高度。当未发生熔融材料喷射时,结构高度可通过脉冲能量和激光脉冲数进行可控调节。最后通过材料重分布体积的时间效率对比显示:该工艺实现了28.37立方毫米/分钟的重分布速率,显著优于现有其他激光纹理技术,充分证明了这种新型混合工艺不仅适用于表面结构化,更具有广阔应用前景。
作者: A. Temmler,DM. LIU,S. Drinck,JB. LUO,R. Poprawe
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研究概述 实验方案 设备清单

研究一种基于蒸汽压力的Ti6Al4V表面结构化新型混合激光工艺,重点考察脉冲能量和激光脉冲次数对表面结构形成的影响,并将该工艺的体积再分配率与其他激光纹理化技术进行对比。

该研究成功展示了利用连续波与脉冲激光辐射的混合工艺对Ti6Al4V进行可控结构化。实现了高达100微米的结构高度,体积再分配速率达到28.37立方毫米/分钟。该工艺在表面结构化应用方面显示出巨大潜力,能够根据脉冲能量和脉冲数量控制结构高度。

该过程受限于脉冲能量及在不引起显著材料蒸发或喷射的前提下可施加的脉冲数量。最大脉冲数受到结构化所用脉冲能量的约束,以避免不受控的熔体喷射。

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