重庆大学 肖贵坚 *、杨政宇、黄建超、张堂铭、李鑫、汪迎新、倪源河 / 文

摘要：钛合金因其良好的材料性能被广泛的用于各领域，良好的表面微纳结构对提高关键零部件的服役性能有重要作用。但钛合金具有很高的硬度和耐腐蚀性，很难进行机械和化学腐蚀加工。激光砂带协同加工充分利用了激光对材料的改性作用与砂带的抛光作用，能被很好的用于钛合金表面微结构加工。研究激光砂带加工过程中不同参数对微结构的影响对提高钛合金表面服役性能有重要意义。通过改变激光参数和磨削参数进行激光砂带加工钛合金微结构对比试验实验，并分析比较不同影响因素下加工过程中的微结构的完整性。结果表明：激光功率和进给速度对钛合金微结构加工影响较大。

引言

钛合金因其良好的材料性能被广泛的用于各领域。表面微结构可以提高材料的摩擦性能、生物医学性能以及光学性能，其在微电子、国防、先进制造业等高技术领域也具有广泛的应用。良好的表面微纳结构对提高关键零部件的服役性能有重要作用。但钛合金具有很高的硬度和耐腐蚀性，很难进行机械和化学腐蚀加工。皮秒激光和飞秒激光等超短脉冲激光可用于钛合金微结构加工中，砂带磨削后的钛合金表面比抛光后的表面完整性更好。故本文采用砂带磨削来保证表面精度和适当的磨削抛光，然后采用皮秒激光来制备表面微纳结构。研究激光砂带加工过程中不同参数对微结构的影响对提高钛合金表面服役性能有重要意义。

本文针对钛合金激光砂带加工微结构的影响因素展开研究，开展了一系列激光参数和磨削参数对比试验。通过激光功率、平台进给速度两个主要影响因素对钛合金激光砂带加工微结构的影响进行分析研究，为优化钛合金激光砂带磨削加工微结构工艺提供新的思路。

1. 实验条件和方法

1.1实验材料

本实验所采用的工件材料为钛合金板材， 如 图 1.1 所 示， 实 验 钛 合 金 板 材 的 尺 寸 为200mm×100mm×4mm。实验用砂带为氧化铝砂带、粒度 80#。

1.2实验平台和检测设备

激光砂带加工系统是自主研发的实现激光砂带融合加工的实验平台，以此设备可以进行不同材料的激光加工工艺开发，建立并扩展激光微加工不同类材料的工艺数据库，在成熟工艺条件下进行加工生产。

（1）平台参数

机床主要技术参数：

1) 深度检测分辨率：0.1μm

2) 激光功率：0 ～ 12W

3) 脉宽：15ps

4) 工作行程：600*400*150*160mm

5) 重复精度：±20μm

6) 磨头电机转速：0 ～ 2800r/min

7) 支持同轴观察和倾斜雕刻

（2）实验平台示意图

本实验平台搭建结构示意图如图 1.3 所示，主要包括激光、力传感器和磨削系统三部分组成。激光：提供加工过程中的激光能量；力传感器：负责激光砂带加工过程中力的变化进行测量；磨削系统：机床接触杆 / 轮、砂带等，提供磨削运动。

1.3实验方法

选择不同激光参数和磨削参数进行激光砂带协同加工实验，在加工完成后使用便携式显微镜观察钛合金表面微结构情况。激光参数选择不同的激光功率作为变量；磨削参数选择不同的平台进给速度作为变量，参数如表 1.1 所示。且本次加工的微结构为椭圆微结构，如图 1.4 所示。

2实验结果与分析

对实验结果进行检测，选择不同工艺参数组合进行钛合金磨削，基于控制变量法设计了单因素实验，旨在探究不同工艺参数下激光砂带加工过后工件表面的微结构形貌，分析各工艺参数对微结构形貌的影响，得到最佳微结构的最优工艺参数值。

2.1激光功率对椭圆微结构的影响

如表 1.1 中 1、2 组实验所示，砂带磨削速度 4m/s，磨削下压量 0.01mm，激光扫描次数 400，进给速度0.1mm/s，激光扫描速度 3000mm/s，单因素变量为激光功率。

对表 1.1 中 1-2 组实验使用便携显微镜进行观测，如图 2.1 所示。图（a）-（b）图分别对应 1、2 组实验，每组实验的微观结构，从到到下依次为：砂带磨削形貌、激光砂带协同作用形貌。由上图可看出，当其它参数均保持不变时，随着激光功率的逐渐减少，对于砂带磨削形貌几乎不变，其原因是激光功率不会影响到磨削参数的变化；激光砂带协同作用形貌和激光加工形貌的扫描痕迹特征逐渐减弱，图（a）中，激光功率最大，微结构的形貌最为清晰；图（b）中，激光功率小，微结构几乎不存在。

2.2平台进给速度对椭圆微结构的影响

如表 1.1 中 3、4 组实验所示，砂带磨削速度 8m/s，磨削下压量 0.01mm，激光功率 12W，激光加工数目400，激光扫描速度 3000mm/s，单因素变量为平台进给速度。

对表 1.1 中 9-10 组实验使用便携显微镜进行观测，如图 2.2 所示 , 下图中，（a）-（b）图分别对应 9-10组实验，每组实验的微观结构，从到到下依次为：激光砂带协同作用形貌、单独激光加工形貌。由下图可看出，图（a）中，即当进给速度为 0.05mm/s 时微结构图案重叠极为明显，可能是由于激光射出时激光重复扫描，所以应当根据微结构图案、进给速度来相互调整才能得到相对较好的微结构。显然，在当前情况下，进给速度为 0.1mm/s 是，钛合金表面的微结构更为完整，基本没有重叠部分。

3.结论

（1）激光功率的能量影响微结构的成形机理，当激光功率小到一定阈值时，几乎没有微结构。随着激光功率的增加，材料经过激光的能量使其熔化、气化的现象也更为突出。由于激光是斜射，不同的微结构因匹配相应的进给速度才能使钛合金表面结构更完整，避免微结构重叠。

（2）本实验对钛合金激光砂带加工微结构的影响进行分析研究，为优化钛合金激光砂加工微结构提供新的思路，对高性能零部件加工有一定指导意义。