毫秒脉冲激光作用下TC4表面微织构形貌研究

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激光织构化技术是近年来发展起来的表面处理技术,该技术能在材料表面制备具有微纳米结构的特殊形貌,是改善材料表面的摩擦磨损性能、润湿性能等表面性能的有效方法,对延长零部件的使用寿命,节约能源具有重要意义。目前,关于激光织构化的研究绝大部分集中在织构化工艺和性能的表征,而对织构化过程中的温度场分布、形貌和表面粗糙度之间的关联及耐磨性的影响规律等缺乏深入研究。对这些方面的研究,将有利于优化激光织构工艺,实现织构化形貌的可控设计。本文对激光织构化的温度场进行了计算,在此基础上,开展了系统的激光织构化实验,并制备了具有不同织构化形貌的涂层。研究了织构化参数对表面形貌、粗糙度及耐磨性的影响规律,提出了利用织构结构的深宽比表征表面粗糙度的观点,并进一步研究了深宽比与耐磨性之间的关系,得到的主要结论如下:激光织构化温度场分布受脉冲宽度、脉冲频率和扫描速度的影响。随着脉冲宽度和频率增大,TC4表面上端点处能达到的最高温度升高,温度梯度增大,达到最高温度所需的时间增长。而扫描速度的变快,却降低了端点处能达到的最高温度,减小了温度梯度,缩短了达到最高温度所需的时间。脉冲宽度对织构化表面的织构密度没有显著影响,但是,深宽比r随脉宽的增大而增大。而脉冲频率和扫描速度不仅会影响织构密度,也影响织构的深宽比,织构密度和深宽比都随频率的增大而增大,随扫描速度的增加而减小。粗糙度Ra的变化与织构的深宽比r相关,深宽比越大,表面粗糙度也越高。表面粗糙度(Ra)与深宽比(r)之间的经验公式可表示为Ra2=7061.31×r。烧蚀调控技术可以减少激光束对TC4表面的烧蚀,在保持织构化形貌的同时,减小了织构的深宽比,从而降低了表面的粗糙度。不同的脉宽、频率和扫描速度会形成不同深宽比和粗糙度的表面,从而对表面的耐磨性产生影响。在本文研究条件下,脉宽不大于1.4 ms,频率不低于14 Hz,扫描速度不低于800 mm/min的条件所形成的表面具有较好的耐磨性。不同形貌的织构化涂层的耐磨性能有所差别,与TC4基体相比,直线织构对TC4基体的耐磨性没有明显改善,而点状织构和网格织构的表面耐磨性提高幅度较大,其中,网格织构的耐磨性提高最为显著。
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