光纤激光气体氮化钛合金发射光谱及等离子体研究 
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1 引言
钛合金表面激光气体氮化工艺可在钛合金表面生成与基体冶金结合的氮化层, 快速提高钛合金表面硬度和耐磨性, 具有广阔的应用前景。 在过去几十年中, 众多学者对其进行了深入研究, 取得了广泛的研究成果[1,2,3]。 但是氮化过程是否产生等离子体、 等离子体对氮化工艺的作用以及工艺参数对等离子体数量的影响尚不明确, 一些学者认为等离子体对氮化过程有利, 因为等离子体通过逆韧致辐射吸收激光能量, 并发射出短波射线, 短波射线更有利于钛基体吸收[4], 并且等离子体高速运动与基体撞击, 有利于传质过程[5]。 另一些学者认为等离子体对氮化过程有害, 因为等离子体屏蔽了激光能量, 降低了激光器与基体间的能量耦合作用[6]。 多数学者认为氮化过程不能产生等离子体或者忽略了等离子体的作用[7,8,9]。
宾夕法尼亚大学学者研究发现, 采用10.6 μm长波CO2激光氮化钛合金过程可产生氮等离子体, 等离子体没有影响能量传输过程, 有利于增加氮化层氮含量, 并进一步研究了激光维持氮等离子体氮化方法[3, 10-11]。 电子更容易通过逆韧致辐射吸收长波CO2激光能量, 并碰撞中性氮气, 导致中性氮气电离[12], 短波光纤激光氮化钛合金过程是否可产生等离子体尚不明确。
采用1.064 μm短波光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V钛合金, 用探针法检测光谱发射区导电性, 研究光谱发射区是否形成等离子体, 采用光谱仪和高速摄像系统拍摄光谱发射区, 研究激光功率、 离焦量、 激光扫描速度和气体成分对光谱特性、 光谱发射区温度和等离子体的数量影响。
1 实验部分
采用钛合金Ti-6Al-4V板材, 其化学成分如表1。 板材的厚度为8 mm, 试验前采用线切割将其切割成100 mm×80 mm的试块。 试验选用工业纯氮气和纯氩气。 试验激光器为IPG高功率光纤激光器, 型号为YLS-4000, 最大输出功率为4.0 kW, 激光波长为1.064 μm, 激光器输出连续激光, 激光光斑为圆形, 焦点处光斑直径为3 mm。 光纤激光头搭载在六轴KUKA工业机器人手臂上。
表 1. Ti-6Al-4V化学成分
Table 1. Chemical component of Ti-6Al-4V
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试验系统如图1, 氮化试验在大气环境下进行, 未采用真空室, 氮气喷嘴中心轴线和激光束中心轴线相重合。 采用探针法研究氮化区是否形成等离子体, 将5 V电池与万用表串联, 并串联两个钨极, 将钨极尖端置于光谱发射区, 钨极尖端相距2 mm, 检测光谱发射区导电性。 采用荷兰Avantes公司的10通道光谱仪采集氮化过程发射光谱, 光谱仪型号为AvaSpec-ULS3648-X-USB2, 测量波长范围200~1 075 nm, 最高光学分辨率0.05 nm(FWHM), 波长精度±0.02 nm, 积分时间10 μs~10 min, 本研究中所有试验积分时间都是375 μs。 采用OLYMPUS ispeed 3高速摄像机拍摄光谱发射区域照片, 高速摄像系统采样率范围为1~3 000 Hz, 配尼康AF MIC RO 200 mm 1∶4D微距镜头, 选用电弧焊接面罩黑玻璃对发射光谱进行滤波。
本研究试验工艺参数如表2, 采用单变量法进行研究, 即分别研究激光功率、 离焦量、 激光扫描速度和氮气氩气比例对光谱特性、 光谱发射区温度和等离子体数量的影响。
表 2. 工艺参数
Table 2. Process parameters
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2 结果与讨论
2.1 光纤激光致等离子体
采用图1中串联电路(探针法)判断光谱发射区导电性, 并明确光谱发射区是否形成等离子体。 采用表2中工艺参数进行氮化试验, 试验过程万用表显示10~40 mA电流, 证明光谱发射区形成了等离子体。
研究中, 功率密度较大时, 可观察到强烈的发光现象。 采用表2中第1组参数进行氮化试验, 用高速摄像系统拍摄光谱发射区照片, 如图2所示。 图2中发光区域存在等离子体, 该区域底部仅仅贴合钛合金试样, 且亮度极高, 顶部受气流作用有扰动现象, 亮度偏弱, 其整体形貌非常像是从钛基体内燃烧起来的“火苗”。
文献[12]采用长波CO2激光气体氮化钛合金, 发现长波CO2激光可导致氮气电离, 作者认为CO2激光可以加热钛试样表面杂质并导致其蒸发, 杂质蒸汽中发生少量热电离, 形成少量自由电子, 这些电子通过逆韧致辐射吸收CO2激光能量, 进而碰撞中性氮气分子, 导致氮气发生 “雪崩”式电离, 形成高密度氮等离子体。 与长波CO2激光相比, 本研究采用的短波光纤激光对电子加热能力小几个数量级, 杂质蒸汽通过热电离形成的少量电子无法吸收短波光纤激光能量, 光纤激光氮化钛合金过程中无法通过文献[12]中的机制形成氮等离子体。 但是短波光纤激光更容易被钛合金基体吸收, 光纤激光对基体加热能力大幅提高, 熔池温度大幅提高, 可形成大量Ti-6Al-4V合金蒸汽, 并通过热电离形成金属蒸汽等离子体。 故本研究中短波光纤激光氮化钛合金过程形成了钛合金蒸汽等离子体, 这与长波CO2激光氮化钛合金过程形成的氮等离子体是不同的。
采用表2中第1组参数进行氮化实验, 采集了发射光谱, 并对发射光谱进行诊断, 诊断结果如图3, 金属蒸汽等离子体是由大量钛原子(TiⅠ)和钛一次离子(TiⅡ)组成。 实验表明金属蒸汽的能量高于钛一次离子电离能, 但是低于钛二次离子电离能。 对本研究中其他试验的发生光谱进行诊断, 得到类似结论, 金属蒸汽等离子体中含有大量钛原子(TiⅠ)和钛一次离子(TiⅡ)。 实验还发现工艺参数显著影响线状光谱强度和金属蒸汽等离子体数量, 2.2—2.5节进行详细分析。
2.2 功率对光谱特性的影响
采用表2中第2组参数进行激光气体氮化试验, 发射光谱如图4所示。 激光功率为1.5 kW时, 仅仅1 064 nm波长附近出现较强发射光谱, 本试验激光波长是1 064 nm, 图4中1 064 nm附近强光谱是气体散射激光造成的, 本研究所有试验都会在1 064 nm附近采集到强发射光谱。 图4中, 发射光谱由连续光谱和线状光谱组成, 连续光谱和线状光谱变化趋势相同, 但不是完全呈正比例, 本研究所有试验中连续光谱与线状表现出类似变化趋势。
文献[13]采集了不同电流的电弧发射光谱, 电弧光谱中存在连续光谱, 由于连续光谱由热辐射和韧致辐射等过程产生, 其中热辐射占主要部分, 所以较大电流导致电弧温度升高, 连续光谱增强。 文献[14]研究了水下湿法焊接引弧过程等离子体电子数密度, 引弧光谱中存在线状光谱, 线状光谱主要由等离子体区域原子核外电子由激发态跃迁到基态时产生, 所以等离子体密度越高线状光谱越强。 以上分析表明连续光谱强度可以大致表征光谱发射区温度, 线状光谱的强度可以大致表征等离子体的数量。 图4中随着激光功率增大, 连续光谱和线状光谱都呈现增强趋势, 表明随着激光功率增大, 光谱发射区域温度升高, 并且等离子体的数量不断增多。 功率小于2.5 kW时, 只有连续光谱, 功率大于2.5 kW时出现明显的线状光谱, 证明此时可形成等离子体。 图5为光谱发射区高速摄像照片, 图5(a)激光功率为2.0 kW, 图5(b)激光功率为2.5 kW, 图5(b)中等离子体区亮度比图5(a)大幅提高, 并且面积大幅增大, 证明产生等离子体时, 亮度会大幅提高。 文献[15]采用CO2激光器气体氮化钛合金, 发现激光功率大于3.5 kW, 即激光功率密度大于6.6×103 kW·cm-2时, 可产生氮等离子体。 本研究采用3.0 kW光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V合金, 激光能量分布为高斯模型, 焦平面中心点最大功率密度为2.3×102 kW·cm-2, 氮化过程形成了金属蒸汽等离子体, 表明光纤激光氮化钛合金过程形成金属蒸汽等离子所需要的激光功率密度更低。
图 5. 光谱发射区
(a): 2.0 kW; (b): 2.5 kW
Fig. 5. Emission spectrum region
(a): 2.0 kW; (b): 2.5 kW
2.3 离焦量对光谱特性的影响
采用表2中第3组参数进行激光气体氮化试验, 发射光谱如图6。 随着离焦量的增大, 连续光谱和线状光谱都出现先减弱后增强, 之后又减弱的复杂变化趋势, 文献[4]研究离焦量变化对CO2激光致光谱发射特性变化, 试验现象与本研究相似。 增大离焦量, 光斑面积增大, 激光功率密度降低, 故光谱呈减弱趋势; 但是增大离焦量, 光斑面积增大, 形成更多钛蒸汽, 故光谱有增强的趋势; 以上相互矛盾的因素共同作用, 造成光谱随离焦量复杂的变化趋势。 离焦量从10 mm依次增大到25 mm, 因为激光功率不变, 加热区域面积增大, 气体温度少量降低, 导致连续光谱少量减弱; 但是气体温度降低, 引起等离子体大量复合, 导致线状光谱大幅度减弱。 离焦量大于20 mm时, 线状光谱非常微弱, 证明此时等离子体的量非常少。 总体而言, 离焦量从0 mm依次增大到25 mm, 等离子体数量随线状光谱强度变化, 表现出先减少后增多, 之后又减少的复杂变化趋势。
2.4 扫描速度对光谱特性的影响
采用表2中第4组参数进行激光气体氮化试验, 发射光谱如图7, 由于扫描速度增大, 施加到试样单位面积上的能量减小, 温度降低导致热辐射减小, 能量密度降低导致等离子体数量减少, 故连续光谱和线状光谱都呈减弱趋势。 如图4和图6, 定点氮化时存在热积累, 所以线状光谱比连续光谱减弱更快; 如图7, 连续氮化过程热积累更小, 所以随扫描速度增大, 连续光谱和线状光谱减弱的速度相当。 另外, 当扫描速度达到12 mm·s-1时, 线状光谱已经非常微弱了, 证明激光扫描速度大于12 mm·s-1时, 不能产生等离子体。
图8为氮化层表面照片, 本研究未对工艺参数进行优化, 故氮化轨道没有TiN特有的金黄色。 图8中可见, 扫描速度较大时, 氮化轨道宽度少量减小。 氮化轨道均表现出中间光滑两侧粗糙的特点。 文献[3]认为, 熔池受热膨胀, 结合马兰戈尼对流的影响, 导致熔池表面液态金属外溢, 形成了粗糙区。
图9为氮化层横截面照片, 横截面采用砂纸打磨, 并采用3%HF和5%HNO3混合溶液进行了腐蚀。 图9中激光扫描速度从左往右依次增大。 图中氮化区、 热影响区和基体清晰可见, 而且随激光扫描速度增大, 氮化区和热影响区的尺寸都明显减小。 氮化层和热影响区深度随热输入变化如图10, 热输入较大时, 氮化层和热影响深度增加速度减小, 这是由于热输入较大时产生了更多等离子体, 屏蔽了部分激光能量。 文献[16]研究发现, 光纤激光焊接铝合金可导致合金中Mg元素电离, 屏蔽大量激光能量, 所以热输入增大时焊缝熔深增大更慢, 与本研究结论一致。
2.5 氮氩比对光谱特性的影响
钛合金表面激光气体氮化的难点之一是氮化层容易开裂, 采用氩气对氮气进行稀释, 可有效避免氮化层开裂[3, 17]。 本研究总气流量保持10 L·min-1, 采用氩气稀释氮气, 并进行氮化试验, 研究了氮氩比对光谱发射特性和等离子体数量的影响。 采用表2中第5组参数进行激光气体氮化试验, 发射光谱如图11, 氮气和氩气比例为0∶1和2∶80时, 光谱曲线与图4中激光功率为1.5 kW的曲线类似, 几乎检测不到光谱信息, 故文中未展示这两条曲线。 图11中可见, 随着氩气含量的增加, 连续光谱和线状光谱都会减弱, 这是由于加入氩气使氮气稀释, 进入熔池的氮元素数量减少, 氮气和钛金属的反应本身就是放热反应, 所以熔池温度降低, 蒸发量减少, 等离子体量减少, 空间温度降低, 进而连续光谱和线状光谱都会减弱。
图11中可见, 加入少量的氩气(20%)时, 让连续光谱和线状光谱都大幅减弱。 加入少量氩气不仅稀释了氮气, 更重要的是改变氮气进入熔池及氮元素在熔池中的传输方式[3]。 不加氩气时, 熔池会发生马兰戈尼对流, 将氮元素带入熔池内部; 加入少量氩气, 熔池不再发生对流, 氮气必须通过扩散的方式进入熔池, 并在熔池中以扩散的方式传递, 扩散速度较慢, 表面富氮层阻碍更多氮进入熔池, 因此加入少量氩气可大幅减少熔池中氮含量, 降低熔池温度, 减少钛金属蒸发量, 进而连续光谱和线状光谱都大幅减弱, 等离子体数量大幅减少。 本研究光谱信息证明了文献[3]的研究成果, 即氮气中加入少量氩气, 可强烈影响氮化过程。
为了进一步明确加入氩气对发射光谱和等离子体数量的影响, 进行了更详细的试验。 采用表2中第6组参数进行激光气体氮化试验, 发射光谱如图12所示。 加入5%的氩气使得线状光谱大幅减少, 等离子体数量大幅减少, 这进一步证明了前面的结论, 加入少量氩气, 可剧烈改变氮化过程。 另外氩气从5%增大到15%时, 连续光谱也不断减弱。 结合图11和图12, 发现氩气含量大于15%时, 线状光谱非常少, 证明此时等离子体的量非常少。
3 结论
(1) 短波光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V钛合金过程中, 基体对激光吸收率高, 导致熔池温度高, 大量基体蒸发形成金属蒸汽, 金属蒸汽通过热电离形成等离子体。
(2) 当激光功率较大, 扫描速度较小, 离焦量较小和氮气含量较高时, 光谱发射区可产生金属蒸汽等离子体。
(3) 光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V钛合金, 发射光谱由连续光谱和线状光谱组成。 连续光谱主要由热辐射产生, 连续光谱的强度可表征光谱发射区温度, 线状光谱主要由等离子体区域的原子核外电子跃迁形成, 线状光谱的强度可以大致表征等离子体数量。 线状光谱和连续光谱随工艺参数变化趋势相同, 但是并不呈正比例。
(4) 随激光功率增大或扫描速度减小, 连续光谱和线状光谱都呈增加趋势; 随离焦量增大, 连续光谱和线状光谱呈先减小后增大, 之后又减小的复杂变化趋势。 氮气中加入少量氩气, 强烈影响氮化过程, 使连续光谱和线状光谱大幅减弱, 随氩气含量增加, 连续光谱和线状光谱会进一步减弱。 光谱发射区温度与以上连续光谱变化趋势相同, 光谱发射区等离子体数量与以上线状光谱变化趋势相同。
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郭晋昌, 石玗, 顾玉芬, 张刚. 光纤激光气体氮化钛合金发射光谱及等离子体研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2022, 42(3): 961. Jin-chang GUO, Yu SHI, Yu-fen GU, Gang ZHANG. Study of Spectral Emissions Characterization and Plasma During Fiber Laser Gas Nitriding of Titanium Alloy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2022, 42(3): 961.
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