69 / 2022-09-07 15:49:01

激光诱导化学改性砂带磨削Ti6Al4V表面强化研究

Ti6Al4V钛合金,激光诱导化学改性,砂带磨削,表面强化

钛合金作为航空航天工业中的一种关键性结构金属，广泛应用于航空发动机叶片及压气机关键零部件的制造。但是，由于钛合金导热系数低、弹性模量小、亲和性强，导致其加工效率低、成本高和难度大，一般的切削和磨削难以实现对其高效加工。并且，上述钛合金关键零部件长期服役在高温、高压、高转速、极限重载等极端条件下，极易发生表面破损和腐蚀，从而造成工件失效，严重影响航空发动机的服役可靠性。因此研究一种可以通过材料改性提高钛合金可加工性同时兼具钛合金表面强化的新工艺，对于提高航空发动机的制造效率和服役性能意义重大。

本研究提出一种激光诱导化学改性辅助磨削强化表面的新方法。利用超短脉冲激光诱导Ti6Al4V钛合金表层发生化学改性，产生易于去除的化学改性层，改善Ti6Al4V钛合金的磨削加工性，并且激光诱导化学改性同时结合砂带磨削实现了高表面完整性强化表面的加工。本研究的主要内容和发现如下：

①通过激光诱导实验从化学改性层的微观形貌结构、元素分布及其化学态三方面展开表征分析，研究了激光诱导化学改性Ti6Al4V的机理以及改善可加工性的关键因素。

②激光诱导化学改性辅助磨削在磨削力、砂带磨损、表面完整性及强化属性的加工性能通过对比常规磨削进行评估，研究了激光诱导化学改性辅助砂带磨削的材料去除机理和表面强化机制。

③研究发现：化学改性层由化合物层和过渡层组成，激光诱导Ti6Al4V与空气中N₂、O₂反应所得的产物（TiN、TiO₂和Al₂O₃）团簇成多种类型的微观共聚混合物颗粒堆积形成具有蓬松结构易于去除的化合物层，激光热影响产生的过渡层存在晶粒析出和诱导微裂纹。激光诱导化学改性辅助磨削的磨削力、表面粗糙度随化合物层厚度增加而减低，磨削划痕减弱。激光诱导化学改性辅助磨削的砂带磨损主要是轻微磨耗，而不是常规磨削的磨粒破裂脱离和严重磨耗。在最佳参数下激光诱导化学改性辅助磨削的磨削力(F_z，F_x)、表面粗糙度(Ra，Ry)和磨粒磨耗分别降低了(65%，62%)、(62.5%，61.5%)和61%，表面硬度和耐磨损性能提高4倍，表面耐腐蚀性能提高7倍。本研究为钛合金部件的高效高性能加工提供了可行的方法参考。