Ti6Al4V (TC4) 具有強度高 [1]?耐腐蝕性好 [2]?生物相容性優(yōu)異 [3-4] 等特點，被廣泛應用于航空?航天?醫(yī)療等領域?增材制造 (Additive manufacturing, AM) 技術可以加工傳統(tǒng)制造工藝難以實現(xiàn)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(tǒng)的拋光技術存在環(huán)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(xiàn)對微小區(qū)域的加工，具有較高的加工精度和重復性 [12], 其工作環(huán)境要求相對簡單，在加工過程中也不會造成環(huán)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，F(xiàn)ang 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(xù)激光對 S316 不銹鋼 (SLM) 進行了正交拋光試驗；Lee 等 [19] 利用連續(xù)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(xù)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(fā)現(xiàn)，通過增加激光拋光的次數(shù)，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(xù)激光的兩步加工方法，提高了 LMD 零件的表面質量，為后續(xù) 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(xù)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(chǎn)生的高熱能量會造成零件熱影響區(qū)域過大?出現(xiàn)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(jīng)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(xù)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(tǒng)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(tǒng)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(xù)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(chǎn)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(yōu)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(xiàn)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(tǒng)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(xù)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(shù)

實驗用到的激光器有皮秒激光?飛秒激光?連續(xù)激光?其中，皮秒激光器由德國通快 (TRUMPF) 公司生產(chǎn)，型號為 TruMicro5 050, 搭載振鏡系統(tǒng)，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(chǎn)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(xù)激光采用 IPG 公司生產(chǎn)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(qū)域尺寸均為 5 mm×5 mm, 在加工區(qū)域內(nèi)依次進行皮秒激光去除 - 飛秒激光去除 - 連續(xù)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(fā)生在波峰上，也發(fā)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(shù)如表 1 所示?

表 1 皮秒?飛秒?連續(xù)激光加工參數(shù) 

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(jīng)過對 TC4 (LMD) 零件的測量，得到最大峰谷差為 250 μm?為了使后續(xù)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(tǒng) 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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)過連續(xù)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(jīng)銑削后，機加工 TC4 的原始表面峰谷差達到了 250 μm?在經(jīng)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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)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(xù)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(tǒng)稱為上表面，經(jīng)過銑削得到的表面統(tǒng)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)生的部分材料重熔噴濺顆粒，經(jīng)過冷卻后重新附著在激光加工區(qū)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(qū)域顯著減小，激光作用的范圍有限，材料的熔融?凝固現(xiàn)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(jīng)飛秒激光去除后其粗糙度約為 1.7 μm?經(jīng)過連續(xù)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(xù)激光在 TC4 表面持續(xù)輸入熱量，使得材料表面快速吸收能量，發(fā)生熔化?在重力及表面張力的作用下，液態(tài)材料發(fā)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(xù)采用相同的激光加工參數(shù)，對 TC4 (LMD) 樣件進行拋光?經(jīng)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(chǎn)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(jīng)皮秒激光去除后，可以看到材料表面熔化?凝固現(xiàn)象較多?在經(jīng)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(jīng)飛秒激光去除后材料表面熔化現(xiàn)象顯著減少?最后，經(jīng)連續(xù)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(jīng)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(jīng)過飛秒激光去除后，峰谷差進一步降低?同時，經(jīng)飛秒激光去除后材料表面峰谷差變化相對平穩(wěn)，約為 20 μm?最后，通過連續(xù)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(qū)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(jīng)皮秒激光去除后，材料的粗糙度降至 4 μm 左右，經(jīng)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(qū)域有限?經(jīng)飛秒激光去除后，熱影響范圍更小，材料熔化?凝固現(xiàn)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(jīng)過連續(xù)激光重熔后，表面熔化的液態(tài)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(jīng)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(jīng)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(jīng)飛秒激光去除后進一步增至 1 146 MPa, 最終經(jīng)過連續(xù)激光重熔后降至 934 MPa?發(fā)生這一變化的主要原因是皮秒?飛秒?連續(xù)激光各自的脈寬不同，對材料的作用時間存在差異，相應產(chǎn)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(qū)域內(nèi)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(qū)域的熱膨脹被未加工區(qū)域所約束，材料在冷卻時會發(fā)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(xù)時間更短，因此激光作用區(qū)域內(nèi)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(qū)域及材料內(nèi)部的溫度變化較小?在隨后的冷卻過程中，激光作用區(qū)域材料因冷卻收縮而受到更大程度的約束，因此經(jīng)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(xù)激光重熔過程中，激光對表面的照射是持續(xù)的，使得材料表面在一定時間內(nèi)保持均勻的加熱狀態(tài)，且隨著照射時間的延長，材料內(nèi)部溫度逐步升高?經(jīng)連續(xù)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(xù)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(qū)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(jīng)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(jīng)過連續(xù)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(xù)激光重熔后形成的溫度梯度相對均勻，所以產(chǎn)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(jīng)皮秒激光去除后材料的峰谷距離降至 35 μm, 再經(jīng)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(xiàn)象較少?在經(jīng)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(jīng)過連續(xù)激光重熔后達到了最小值，為 0.682 μm?

3) TC4 (LMD) 材料經(jīng)過皮秒激光去除?飛秒激光去除和連續(xù)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(jīng)飛秒激光去除后進一步增至 1 146 MPa?連續(xù)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(chǎn)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）