供稿人：孫嘯宇、張航 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-10-28
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所Yufan Liu等人采用脈沖激光和連續(xù)波激光相結(jié)合的混合激光拋光技術(shù)，對激光定向能沉積(LDED)Inconel 718高溫合金部件表面進行激光拋光。原始樣品、單脈沖激光拋光(SPLP)和混合激光拋光(HLP)加工樣品的表面形貌如圖1所示。圖像顯示，原始樣品表面粗糙度15.75 μm，經(jīng)過SPLP處理后，表面粗糙度降低至6.14 μm，經(jīng)過 HLP處理能夠進一步將表面粗糙度降至0.23 μm，達(dá)到接近鏡面效果。
圖1 不同狀態(tài)下LDED Inconel 718樣品的表面分析。(a) SPLP與HLP拋光后表面宏觀圖像，(b) SPLP與HLP三維形貌比較，(c)原始表面SEM形貌，(d) SPLP表面SEM形貌，(e) HLP表面SEM形貌，(f)原始樣品表面三維形貌圖，(g) SPLP樣品三維形貌圖，(h) HLP樣品三維形貌圖
三種樣品表層的EBSD結(jié)果如圖2所示，激光處理后表層顯示出典型的層狀結(jié)構(gòu)，包括重熔層和熱影響區(qū)（HAZ）。SPLP重熔層具有超細(xì)晶粒和外延生長特征，低角度晶界數(shù)量明顯增多。HLP重熔層中，主要由細(xì)柱狀晶粒組成，這些晶粒大多垂直于表面。SPLP和HLP處理均明顯降低了原始樣品中的晶粒尺寸。
圖2 不同狀態(tài)下LDED Inconel 718樣品的EBSD分析: (a)原始制備樣品，(b) SPLP處理樣品和(c) HLP處理樣品的EBSD晶體取向圖;(d)原始樣品、(e) SPLP處理樣品、(f) HLP處理樣品低角度晶界分布圖;(g)制備樣品和激光拋光樣品的平均晶粒尺寸
對三種樣品表層進行納米壓痕測試，發(fā)現(xiàn)SPLP處理降低了表面顯微硬度，這可能和快速凝固導(dǎo)致的非平衡組織形成有關(guān)，而HLP處理提高了表面顯微硬度，可能與重熔層中次生相的增加和晶粒細(xì)化有關(guān)。但是兩種處理方式均提高了表層的楊氏彈性模量。
圖3 脈沖激光和連續(xù)波激光拋光處理的led Inconel 718高溫合金的晶體生長和顯微組織演變示意圖
圖3顯示由于脈沖激光與連續(xù)激光能量大小和特性的不同，導(dǎo)致了組織生長與表面拋光效果的差異。脈沖激光熔池小且不穩(wěn)定，冷卻速度快，限制了元素的擴散和二次相的析出，并且瞬時凝固也使得原始表面波紋結(jié)構(gòu)維持不變，影響了粗糙度。連續(xù)激光熔池尺寸大，凝固時間長，表層熔體有更長的時間進行流平，這使得他獲得了更低的表面粗糙度。
近來隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，對工件的表面質(zhì)量提出了更高的要求。激光拋光作為一種新型拋光方式正越來越受到社會各界重視。本文的研究表明混合激光拋光在改善表面質(zhì)量和提高機械性能方面有著積極作用，這對于航空航天等領(lǐng)域的高性能部件制造具有重要意義。