-
0 前言
-
TC4 钛合金由于其密度低、导热系数小、耐腐蚀、高温力学性能稳定等优点，在各个领域都有广泛应用[1]。激光选区熔化增材制造相比传统的加工方式可以制备更为复杂的结构件，但是也存在有内部缺陷和表面质量不高的问题，尤其是较差的表面质量，是限制其直接应用的关键问题之一，需要采用后续的加工处理提高表面质量[2]。激光抛光作为一项新兴表面处理技术，在处理航空高温合金复杂零件中具有潜在的各种优势[3]。激光能量可控，既能保证表面熔融效果又能避免过度烧蚀；抛光空间自由，能实现复杂结构与曲面的加工；抛光质量检测方便，无化学污染，环境友好，避免了传统加工的刀具磨损问题[4]。表面粗糙度作为激光抛光表面形貌最重要的组成部分，和抛光熔池的流动速度、流动均匀性紧密相关，而抛光表面性能则与熔池凝固过程中的晶粒生长规律紧密相关[5]。
-
脉冲激光抛光作为一种新型材料表面加工技术，主要用于精抛光，能够实现更优异的表面粗糙度和性能，同时避免激光对基体造成的过烧蚀现象[6]。YAN 等[7]采用飞秒激光抛光 ZrO2陶瓷和 SiC 陶瓷，均取得良好的抛光效果，其中 ZrO2 陶瓷表面粗糙度由 6.615 μm 降低至 1.562 μm。CHEN 等[8] 采用纳秒脉冲激光抛光 Al / PLA 增材制造工件，表面粗糙度由原始的 5.64 μm 减小到 0.32 μm。 BHADURI 等[9]发现激光抛光使表面粗糙度 Sa 从 2.4 μm 下降至 0.25 μm，且抛光后表面具有各向同性的性质。ZHANG 等[10]采用皮秒激光实现氧化铝陶瓷的高效、大面积、无损、高精度抛光，确定抛光过程中的抛光规律和烧蚀阈值。脉冲激光抛光的热效应和高冷却速度有助于获得超细显微组织和机械孪晶[11]，对 Inconel718 高温合金脉冲激光抛光区域的物相和表面性能分析，FANG 等[12]发现抛光温度骤变促进了 γ〞的形成和晶粒尺寸的下降，最终导致显微硬度从 350 HV 增大至 440 HV，耐磨性提升。白浩等[13]建立脉冲激光抛光温度场与应力场的有限元模型，通过温度场、应力场以及 Ti6Al4V 钛合金的凝固过程分析，探究微裂纹的宽度和深度的影响因素。LIU 等[14]采用纳秒激光抛光 5A06 铝合金，激光抛光后表面粗糙度由 1.04 μm 减小到 0.53 μm，重熔层厚度约为 10 μm。但是激光抛光熔池小，凝固速率高，表面缺陷难以控制，半凝固状态的熔体黏度上升，流动不均匀导致表面波纹和熔滴等凸起[15]。受激光功率和扫描速度影响显著，过小的热输入导致熔池尺寸过小，没有足够的流动体积，抛光效果差，过大的热输入则导致烧蚀严重，表面质量变差、性能降低[16]；脉冲激光抛光由于其固有参数易在表面形成周期性的波纹，增大了脉冲激光抛光表面粗糙度[17]；工件初始表面粗糙度对抛光性能影响明显，初始粗糙度高的表面需要更大的能量密度才能实现熔化和表面重构，但是随着热影响区重熔深度增加，抛光表面会出现微裂纹，氧化严重[18]。因此，脉冲激光抛光的优点是可以显著降低表面粗糙度，并且在一定程度上细化熔池晶粒，提高抛光表面的显微硬度，并调节试样的力学性能。
-
综上所述，研究者分别采用纳秒脉冲激光和皮秒脉冲激光对不同的材料进行抛光处理，但是针对同一种薄壁结构材料的抛光对比研究较少，难以分析不同激光的热效应以及对性能的影响。本文针对激光选区熔化制备的 TC4 钛合金，采用皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光两种方式对薄壁TC4钛合金进行激光抛光，均选择最优的激光加工参数，从抛光后的表面质量、热影响层深度、元素含量变化和拉伸性能等方面进行分析，同时对不同脉冲激光抛光的机理进行分析讨论。
-
1 试验准备
-
试验材料选用 TC4 钛合金，采用激光选区熔化后退火后激光清洗的方式制备原始试样。然后选用皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光对增材制造的TC4试样直接进行激光抛光处理，两种脉冲激光为未调制的高斯热源，并且两种激光分别进行大范围的激光抛光参数优化，选择最优的激光加工参数作为对比来分析北京莱泽 16 W 皮秒脉冲激光和 100 W 纳秒脉冲激光抛光对表面完整性的影响。
-
以平均表面粗糙度和热影响层深度为目标，经过上百组参数优化，获得优化后皮秒脉冲激光的加工参数为：光斑直径 15 μm，扫描速度 2 000 mm / s，功率 16 W，频率 500 kHz，脉冲宽度 10 ps，采用弓形扫描路径。获得优化后纳秒脉冲激光的加工参数为：光斑直径 25 μm，扫描速度 2 000 mm / s，功率 70 W，频率 200 kHz，扫描间距 0.08 mm，点雕刻时间 0.1 ms，采用弓形扫描路径。
-
采用线切割加工出金相试块和拉伸试样，金相试样使用 HF+HCl+HNO3+H2O（体积分数分别为 1%、1.5%、2.5%、95%）化学腐蚀 25 s，采用扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，SEM） 观察试样微观组织。为避免增材制造的各向异性，拉伸试样均为水平方向，拉伸尺寸参照《金属材料室温拉伸试验方法 GB / T228-2002》，总长为 30 mm，有效长度为 11 mm，宽度为 4 mm。采用能谱仪（Energy dispersive spectrometer，EDS）分析截面的元素含量变化，利用激光共聚焦显微镜观测抛光前后的表面粗糙度和形貌。拉伸试样采用型号为 INSTON 5569 电子万能材料试验机按照国标GBT228-2002金属材料室温拉伸试验方法进行测试。
-
2 结果与讨论
-
2.1 表面粗糙度
-
通过激光共聚焦显微镜对皮秒和纳秒脉冲激光抛光前后的试样表面进行观测，结果如图1 所示。所有试样在调整水平后进行观测，原始的激光选区熔化试样的表面较粗糙，表面粗糙度 Ra 为 3.52 μm，在对高度进行分析时，发现其变化范围为−33.97～33.64 μm，变化范围大约为 65 μm（图1a），并且在图1b 中可以看到个别区域的高度变化非常显著，可能是增材制造的微观缺陷引起的。在分别进行大量参数优化的基础上，皮秒脉冲激光抛光和纳秒脉冲激光抛光都显著改善了表面粗糙度。图1c 和图1d 中看到皮秒脉冲激光后的表面粗糙度 Ra 为 0.71 μm，表面粗糙度下降约 79.8%，并且在对高度进行分析时，发现变化范围为−11.72～12.43 μm，变化范围大约为 24 μm。对纳秒脉冲激光抛光的表面粗糙度测试，发现纳秒脉冲激光后的表面粗糙度 Ra 为 0.66 μm，表面粗糙度下降约 81.3%，并且在对高度进行分析时，发现变化范围为−8.83～11.35 μm，变化范围大约为 20 μm（图1e 和图1f）。整体来说，经过参数优化，尽管功率密度、脉冲频率、脉冲宽度和激光能量密度区别较大，但是皮秒和纳秒脉冲激光均可以实现表面粗糙度的大幅下降。
-
图1 激光抛光前后表面对比
-
Fig.1 Surface comparison before and after laser polishing: (a) 3D morphology of original sample; (b) height line diagram of original samples; (c) 3D morphology of Picosecond pulse laser polishing; (d) height line diagram of picosecond pulse laser polishing; (e) 3D morphology of nanosecond pulse laser polishing; (f) height line diagram of nanosecond pulse laser polishing.
-
2.2 热影响层
-
本文除了通过表面的三维形貌分析皮秒 / 纳秒脉冲激光对激光选区熔化增材制造钛合金的影响，还通过截面的微观组织形貌与元素变化分析激光抛光对钛合金在深度方向的影响。图2 对比了皮秒和纳秒脉冲激光对抛光表面微观形貌的影响。虽然皮秒和纳秒脉冲激光抛光后的表面粗糙度非常接近，但从截面观测到的表面形貌仍然有较大区别。从图2a 可以看到表面仍残留有少量的增材未熔球状粉末颗粒，其直径小于 50 μm，这些未熔颗粒在超声清洗和试验中的皮秒脉冲激光抛光仍未被去除。如图2b 所示，纳秒脉冲激光抛光的表面覆盖着熔融后凝固的不规则形状的材料。说明在激光抛光的过程中，皮秒脉冲激光的热量积累很小，残留未熔粉末颗粒在抛光中没有熔融，而纳秒脉冲激光的热量积累很显著，残留的未熔颗粒在激光抛光中实现了熔化。除此之外，纳秒脉冲激光抛光后的表层还有少量的微小裂纹，可能是由于高热量积累导致的热应力而产生的。
-
图2 脉冲激光抛光对增材制造表面颗粒影响对比
-
Fig.2 Comparison of the impact of pulse laser polishing on additive manufacturing surface particles
-
脉冲激光在对激光选区熔化增材制造的TC4钛合金表面进行抛光时，必然会产生较多的热量，而这些热量会使抛光表面产生一定深度的热影响层。通过图3 对皮秒和纳秒脉冲激光抛光的热影响层深度进行分析。皮秒脉冲激光的热影响层较浅，多次测量后的平均热影响层深度约为 24.28 μm（图3a）。纳秒脉冲激光抛光后热影响层较深，同样进行多次测量，计算得到平均热影响层深度约为 34.20 μm（图3b），比皮秒脉冲激光的热影响层深度增大约 40.9%。
-
图3 脉冲激光抛光对截面热影响层深度的影响
-
Fig.3 Influence of pulse laser polishing on the depth of cross-sectional thermal influence ayer
-
通过 EDS 元素含量的变化分析热影响层深度也可以有效地对比皮秒和纳秒脉冲激光对抛光表面完整性的影响。图4 是皮秒脉冲激光抛光后的截面元素含量分析，从图4b 可以看到钛（Ti）元素的含量远高于其他元素的含量，并且在左侧的 10～20 μm 范围内有明显的元素含量变化，图4c 是氧（O）元素在深度方向的含量变化，通过以 O 元素为代表的各种元素含量的变化，可以从侧面反映出热影响层带来的氧化深度影响。通过测量发现，O 元素较高的区域宽度约为 17 μm，所以当前测试区域的热影响层深度约为 17 μm。但是从图3a 可以看到热影响层的深度是变化的，所以只能做定性半定量分析。除此之外，选择靠近抛光表面的区域 A（图3d）和原始抛光表面的区域 B（图3e）进行元素含量的测试，发现热影响层的 O 元素含量为 11.03%，而远离抛光表面区域 B 的 O 元素含量为4.58%，也充分证明热影响层的氧化较严重。除此之外，区域 A 的 C 元素含量为 9.17%，说明近表面的热影响非常严重。
-
图4 皮秒脉冲激光抛光在深度方向元素的含量变化
-
Fig.4 Elemental content variation in the depth direction after picosecond pulse laser polishing (a) SEM morphology test positions; (b) Elemental content variation for each element; (c) Oxygen element content variation; (d) Elemental content analysis near the polished surface; (e) Elemental content analysis far from the polished surface
-
采用同样的方法测试纳秒脉冲激光抛光的截面元素含量变化，如图5 所示。O 元素的含量变化说明测试区域的热影响层深度约为 30 μm （图5c）。对于近抛光表面的热影响层区域 C 的 O 元素和 C 元素含量总和约为 23.61%（图5d），远离抛光表面的区域 D 的 O 元素含量为 5.91%， C 元素含量为 3.24%（图5e）。对比分析皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光抛光，皮秒脉冲激光的热积累更小，热影响层深度更浅，同时可知在此热影响区域内，皮秒激光加工的氧化程度略低于纳秒激光加工。
-
图6 和图7 分别是皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光抛光后截面的元素含量分布。其中钛（Ti）、钒（V）、铁（Fe）、铝（Al）四种金属元素的分布是比较平均的，没有偏析现象，不受激光加工方式的影响。但是由于热影响层的作用，C 元素和 O 元素的含量在靠近抛光表面的区域显著高于内部，根据前面的区域 EDS 测试结果，皮秒激光抛光内部 C、O 含量约为近表面的 20.64%，纳秒激光抛光内部 C、O 含量约为近表面的 39.21%。
-
图5 纳秒脉冲激光抛光在深度方向元素含量变化
-
Fig.5 Elemental content variation in the depth direction after nanosecond pulse laser polishing (a) SEM morphology test positions; (b) Elemental content variation for each element; (c) Oxygen element content variation; (d) Elemental content analysis near the polished surface; (e) Elemental content analysis far from the polished surface
-
图6 皮秒脉冲激光抛光在截面的元素分布
-
Fig.6 Elemental distribution on the cross-section after picosecond pulse laser polishing
-
图7 纳秒脉冲激光抛光在截面的元素分布
-
Fig.7 Elemental distribution on the cross-section after nanosecond pulse laser polishing
-
2.3 抛光后室温拉伸性能
-
在激光抛光后对所有抛光前后试样进行了拉伸性能的测试，所有的室温拉伸应力-应变曲线如图8 所示。原始的 SLM 试样为增材制造后进行的 800℃，保温 4 h，随炉冷却的热处理方式。皮秒和纳秒激光抛光的参数见试验部分。可以看到皮秒脉冲激光抛光、纳秒脉冲激光抛光和原始的 SLM 试样的拉伸应力-应变曲线较为接近。
-
图8 激光抛光后拉伸应力应变曲线
-
Fig.8 Tensile stress-strain curves after laser polishing
-
为了进一步准确地对比两种脉冲激光抛光的结果，对各试样的极限拉伸强度进行对比，结果如图9 所示，发现无论是皮秒脉冲激光还是纳秒脉冲激光，表面氧化层的存在导致激光选区熔化制备的 TC4 钛合金拉伸强度出现轻微下降，皮秒脉冲激光抛光后的极限拉伸强度为 977.48±2.33 MPa，纳秒脉冲激光抛光后的极限拉伸强度为 971.23± 1.23 MPa。可见增材制造试样的拉伸强度一致性较好，而激光抛光并没有对拉伸强度造成显著影响。然而通过图10 对激光抛光后的拉伸应变分析时，发现皮秒脉冲激光抛光后的拉伸应变为 0.558 7± 0.024 9，纳秒脉冲激光抛光后的拉伸应变为 0.510 5 ±0.029 0。皮秒脉冲激光抛光后试样的平均拉伸应变略高于原始增材试样，纳秒脉冲激光抛光比皮秒脉冲激光抛光的拉伸应变下降约 8.6%，主要是因为纳秒脉冲激光抛光的热影响层深度较大，氧化程度较高，产生的氧化物脆性大，使拉伸试样的有效受载面积减小，最终在一定程度上导致拉伸应变的降低。
-
图9 激光抛光后极限拉伸强度对比
-
Fig.9 Comparison of ultimate tensile strength after laser polishing
-
图10 激光抛光后拉伸应变对比
-
Fig.10 Comparison of tensile strain after laser polishing
-
2.4 不同脉冲激光抛光机理
-
图11 所示为皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光抛光对表面完整性影响的机理分析。原始的激光选区熔化 TC4 试样表面是存在一定的凹凸不平，且原始表面粗糙度数值相对较大。在进行皮秒脉冲激光抛光时，由于其具有更高的脉冲频率，更好的散热效果，所以热影响层较浅。除此之外，皮秒脉冲激光的光斑直径非常小，为 15 μm，在高斯光斑的作用下，激光热源中心的能量密度非常高，在抛光过程中主要为熔体的飞溅，实现了凸出部分材料的去除，并伴随着少量的重熔作用，以此降低表面粗糙度。但是当采用纳秒脉冲激光抛光时，一方面是脉冲频率的下降，从 500 kHz 下降至 200 kHz，另一方面纳秒脉冲激光的光斑直径较大，为 25 μm，因此主要靠整体光斑的热积累对原始表面形成熔化，在熔池内马兰戈尼流的作用下，熔体流向凹坑区域，最终实现表面粗糙度的改善，同时也带来较高的热影响层深度。
-
图11 皮秒和纳秒脉冲激光对激光选区熔化 TC4 表面粗糙度影响机理
-
Fig.11 Impact mechanism of picosecond and nanosecond pulse lasers on the surface quality of selective laser melted TC4
-
3 结论
-
（1）经过参数优化后，皮秒和纳秒脉冲激光都能实现激光选区熔化增材制造TC4钛合金表面粗糙度的大幅下降，综合表面质量和力学性能皮秒脉冲激光抛光优于纳秒脉冲激光抛光。
-
（2）皮秒激光抛光的热积累较小，存在部分未熔颗粒仍旧没有熔化现象，热影响层深度较小，而纳秒激光抛光的热积累较大，热影响层深度也较大。
-
（3）皮秒和纳秒激光抛光都会在近表面形成热影响层，同时热影响层中氧含量的增加说明发生了一定程度的氧化现象。
-
（4）激光抛光后，皮秒和纳秒脉冲激光都会导致拉伸强度的轻微下降，并且受纳秒脉冲激光更高的热影响及氧化作用，纳秒脉冲激光抛光的拉伸性能降低更显著。
-
参考文献
-
[1] 龙旭,贾啟普,李娇,等.选区激光熔化成形TC4钛合金力学性能及其工艺关联性[J].中国表面工程,2022,35(2):215-223.LONG Xu,JIA Qipu,LI Jiao,et al.Mechanical properties and parameter optimization of TC4 alloy by additive manufacturing[J].China Surface Engineering,2022,35(2):215-223.(in Chinese)
-
[2] GUO S,LI Y,GU J,et al.Microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V/B4C titanium matrix composite fabricated by selective laser melting(SLM)[J].Journal of Materials Research and Technology,2023,23:1934-1946.
-
[3] CHEN L,RICHTER B,ZHANG X,et al.Modification of surface characteristics and electrochemical corrosion behavior of laser powder bed fused stainless-steel 316L after laser polishing[J].Additive Manufacturing,2020,32:101013.
-
[4] MA C,VADALI M,DUFFIE N A,et al.Melt pool flow and surface evolution during pulsed laser micro polishing of Ti6Al4V[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2013,135(6):061023.
-
[5] DAI W,LI J,ZHANG W,et al.Evaluation of fluences and surface characteristics in laser polishing SKD 11 tool steel[J].Journal of Materials Processing Technology,2019,273:116241.
-
[6] FAN Z,SUN X,ZHUO X,et al.Femtosecond laser polishing yttria-stabilized zirconia coatings for improving molten salts corrosion resistance[J].Corrosion Science,2021,184:109367.
-
[7] YAN Z,LIN Q,LI G,et al.Femtosecond laser polishing of SiC/SiC composites:effect of incident angle on surface topography and oxidation[J].Journal of Composite Materials,2021,55(11):1437-1445.
-
[8] CHEN L,ZHANG X.Modification the surface quality and mechanical properties by laser polishing of Al/PLA part manufactured by fused deposition modeling[J].Applied Surface Science,2019,492:765-775.
-
[9] BHADURI D,PENCHEV P,BATAL A,et al.Laser polishing of 3D printed mesoscale components[J].Applied Surface Science,2017,405:29-46.
-
[10] ZHANG X,JI L,ZHANG L,et al.Polishing of alumina ceramic to submicrometer surface roughness by picosecond laser[J].Surface and Coatings Technology,2020,397:125962.
-
[11] LI Y,CHENG X,GUAN Y.Ultrafine microstructure development in laser polishing of selective laser melted Ti alloy[J].Journal of Materials Science and Technology,2021,83:1-6.
-
[12] FANG Zhihao,LU Libin,CHEN Longfei,et al.Laser polishing of additive manufactured superalloy[J].Procedia CIRP,2018,71:150-154.
-
[13] 白浩,王伊卿,董霞,等.Ti6Al4V 钛合金脉冲激光抛光微裂纹产生机理与尺寸特征研究[J].西安交通大学学报,2015,49(12):117-123.BAI Hao,WANG Yiqing,DONG Xia,et al.Mechanism and size characteristics of micro crack on polished Ti6Al4V[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,2015,49(12):117-123.(in Chinese)
-
[14] LIU B,MI G,WANG C.Study on the morphology and microstructure of 5A06 alloy by high-pulse-frequency pulsed laser micro polishing[J].Materials Chemistry and physics,2020,255:123500.
-
[15] NÜSSER C,KUMSTEL J,KIEDROWSKI T,et al.Process‐and material‐induced surface structures during laser polishing[J].Advanced Engineering Materials,2015,17(3):268-277.
-
[16] 张伟康,戴伟,郑志镇,等.激光抛光H13模具钢自由表面演变的数值模拟与验证[J].中国激光,2019,46(7):75-85.ZHANG Weikang,DAI Wei,ZHENG Zhizhen,et al.numerical simulation and verification of freeisurface evolution in laser polishing of H13 tool steel [J].Chinese journal of lasers,2019,46(7):75-85.(in Chinese)
-
[17] TEMMLER A,ROSS I,LUO J,et al.Influence of global and local process gas shielding on surface topography in laser micro polishing(LµP)of stainless steel 410[J].Surface and Coatings Technology,2020,403:126401.
-
[18] JARITNGAM P,TANGWARODOMNUKUN V,QI H,et al.Surface and subsurface characteristics of laser polished Ti6Al4V titanium alloy[J].Optics and Laser Technology,2020,126:106102.
-
摘要
以激光选区熔化 TC4 钛合金薄壁结构件为研究对象，采用皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光进行激光抛光，旨在探究不同激光抛光方式对增材制造的钛合金表面性能的影响。两种激光加工参数均为优化后的工艺参数，且均为高斯光源。对抛光后的表面形貌、表面粗糙度、热影响层深度、元素分布、氧化程度和试样的拉伸性能进行对比分析。结果表明皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光均可以显著改善增材制造 TC4 钛合金的表面质量，降低表面粗糙度，从原始的 3.52 μm 下降至皮秒抛光的 0.71 μm 或纳秒激光的 0.66 μm。纳秒脉冲激光具有更高的热积累，表面氧化程度高，热影响层深，约为 34.20 μm，比皮秒脉冲激光热影响层深度增大约 40.9%。拉伸试验结果表明，虽然激光抛光略微降低了激光选区熔化增材制造钛合金的拉伸性能，但是纳秒脉冲激光抛光后试样的拉伸强度和拉伸应变下降更显著。本研究为激光抛光在增材制造中的应用提供了深入的试验分析和理论探讨，为进一步扩展皮秒脉冲激光在高性能金属零件的制备提供了新思路和方法。
Abstract
The TC4 titanium alloy is widely applied in various fields owing to its low density, low thermal conductivity, corrosion resistance, and stable high-temperature mechanical properties. In this study, picosecond and nanosecond pulsed lasers are used in laser polishing to investigate the effects of different laser-polishing methods on the surface properties of additively manufactured titanium alloy. Pulsed-laser polishing, as a novel surface-processing technology, primarily focuses on precision polishing to achieve superior surface roughness and performance while avoiding laser-induced substrate overheating. Researchers have conducted polishing treatments using nanosecond and picosecond pulsed lasers on different materials and confirmed that pulsed-laser polishing significantly reduces surface roughness, refines the grain structure of melted pools, enhances the microhardness of polished surfaces,and alters the mechanical properties of samples. However, comparative studies pertaining to the polishing of the same thin-wall structure material are limited, thus rendering it challenging to analyze the thermal effects of different lasers and their impact on performance. Based on the average surface roughness and depth of the heat-affected zone as targets, after optimizing hundreds of parameter sets, the optimized processing parameters for picosecond pulsed lasers are determined to be as follows: spot diameter, 15 μm; scanning speed, 2000 mm / s; power, 16 W; frequency, 500 kHz; pulse width, 10 ps; and serpentine scanning path. Meanwhile, the optimized processing parameters for nanosecond pulsed lasers are as follows: spot diameter, 25 μm; scanning speed, 2000 mm / s; power, 70 W; frequency, 200 kHz; scanning spacing, 0.08 mm; dot engraving time, 0.1 ms; and serpentine scanning path. A comparative study is performed using picosecond and nanosecond pulsed lasers to investigate their effects on the surface morphology, surface roughness, depth of the heat-affected zone, elemental distribution, oxidation degree, and tensile properties of laser-melted TC4 titanium alloy thin-wall structures. The results indicate that both types of lasers can significantly improve the surface quality of additively manufactured TC4 titanium alloy, i.e., the original roughness of 3.52 μm is reduced to 0.71 and 0.66 μm via picosecond and nanosecond lasers, respectively. The nanosecond pulsed laser exhibits higher thermal accumulation, thus resulting in a higher surface oxidation degree and a deeper heat-affected zone of approximately 34.20 μm, which is approximately 40.9% higher than that afforded by the picosecond pulsed laser. During laser polishing, the thermal accumulation of picosecond pulsed lasers is minimal and residual unmelted powder particles do not melt during polishing, whereas the thermal accumulation of nanosecond pulsed lasers is significant, thus causing residual unmelted particles to melt during laser polishing. The surface layer after nanosecond pulsed-laser polishing exhibits only a few minor cracks, which is attributable to thermal stress caused by high thermal accumulation. Although the thermal accumulation of the picosecond pulsed laser is smaller and the depth of the heat-affected zone is shallower, within the heat-affected zone, the oxidation degree due to picosecond-laser processing is slightly higher than that due to nanosecond-laser processing. Results of mechanism analysis show that the spot diameter of the picosecond pulsed laser is extremely small and that under the action of a Gaussian spot, the energy density at the center of the laser heat source is extremely high. Consequently, the molten pool splashes during polishing, thereby removing protruding material and resulting in a small amount of remelting, which reduces the surface roughness. The nanosecond pulsed laser relies primarily on the thermal accumulation of the overall spot to melt the original surface. Under the effect of Marangoni flow in the melt pool, the molten material flows toward the depression area, thus improving the surface roughness and resulting in a larger depth of the heat-affected zone. Using picosecond and nanosecond pulsed lasers for the laser melting and polishing of TC4 titanium alloy thin-wall structures, this study elucidates two different mechanisms of pulsed-laser polishing, thus providing new insights and methods for preparing high-surface-quality metal components via additive manufacturing.
Keywords
laser polishing ； picosecond laser ； nanosecond laser ； additive manufacturi
