304 不銹鋼表面織構液相輔助激光制備＊

翟帥杰 馮啟高 張秋臣 逄明華 馬利杰

（河南科技學院，河南 新鄉 453003）

304 不銹鋼以其優異的冷加工、韌性及耐腐蝕特性廣泛用于船舶、石油化工和核電等領域，然而該材料強度及硬度低、耐磨性能差等問題制約了其進一步發展與應用[1-3]。表面織構技術是指借助一定的加工設備，在固體表面形成特定的微觀形貌，以改善固體表面性能，目前已成為研究熱點之一[4-5]。

表面織構常用的加工方法目前主要有激光、電火花及電沉積等，激光加工因其具有效率高、重復性好和無材料限制等優點，被廣泛應用，且相應研究較多。謝志偉等[6]利用實驗方法研究了表面織構尺寸與激光加工參數之間的關聯，結果表明激光加工功率對304 不銹鋼的表面織構尺寸影響最為明顯，合理調控激光加工功率、掃描速率及加工次數可進一步提高表面織構的加工質量。婁德元等[7]用納秒光纖激光對304 不銹鋼表面進行了正交掃描加工，獲得了正方形網格溝槽-凸起織構，并結合熱處理技術降低了不銹鋼表面的自由能，調控了其潤濕性。謝永等[8]采用紫外激光打標機（FLS-FB）在304 鋼表面刻蝕了三角形織構，并用粗磨、精拋光等手段去除表面毛刺，提高了界面摩擦學特性。上述研究表明利用激光加工技術可得到微/納織構，改善材料表面性能。由于激光加工本質為激光光束與固體表面材料的熱耦合作用，為此，極容易在加工區域產生熱效應及重鑄層，不僅惡化了表面特性，也影響了織構精度。液相輔助激光加工是近年來提出的一種新型加工技術，即將工件浸入輔助液體中使用激光對其加工，該技術能有效避免加工區域的熱效應及熔融物重鑄等問題，遂而引發學者們的關注。朱帥杰等[9]利用皮秒激光器在空氣及水介質中對金屬薄板進行了激光加工，結果表明水輔助激光加工能有效改善材料的熱變形及氧化現象，進而提高了微孔加工質量。Zhang D等[10]用水及乙醇溶液作為飛秒激光的輔助介質對薄鍺晶片進行了切割實驗，發現輔助介質類型對激光加工質量存在明顯的影響，在1%濃度乙醇溶液輔助及100 μm/s 掃描速度下可進行超細優質無碎屑加工。隨后，Zhang D等[11]利用水與丙酮的混合液輔助飛秒激光在晶體Si 表面得到了周期性的微/納米織構，并探討其形成機制。孫冬等[12]通過水射流輔助激光切割實驗證明了液相輔助激光加工技術可降低加工區域的重鑄及毛刺現象。Li G Q等[13-14]利用乙醇溶液輔助飛秒激光技術在鎳表面得到了三維微/納米織構，并通過改變激光脈沖的能量實現了鎳表面潤濕性及織構尺寸的調控。

上述研究表明液相輔助激光加工技術可降低工件表面的熱效應、熔融物重鑄及氧化等問題，具有廣闊的應用前景。鑒于該技術發展的時間較短，與表面織構加工相結合的研究更少，在此針對液相輔助激光加工304 不銹鋼表面織構進行了探討，為進一步拓展304 不銹鋼的應用領域奠定基礎。

1 試驗

1.1 試樣表面形貌及潤濕性測量

本文選用現有304 鉻-鎳不銹鋼為研究對象，具體化學元素見表1 所示。試件尺寸為15 mm×15 mm×3 mm，初始及激光加工后的表面形貌由白光干涉儀（Contour GT-X3/X8 三維表面輪廓儀，Bruker,Nano,Inc.）測量獲得，初始表面粗糙度Ra 為1.2 μm，具體測量原理見圖1 所示。

圖1 測量原理及結果

表1 304 不銹鋼化學元素含量

接觸角是衡量固體表面潤濕的主要指標之一，為評價激光加工前后試樣表面的潤濕性，在此利用接觸角測量儀（SDC-100，東莞市鼎盛精密儀器有限公司）測量了試件表面的接觸角。測量時先用無水乙醇對試樣表面進行超聲清洗10 min，室溫下吹干。每個試樣表面分別測量3 次，取其平均值作為接觸角最終結果。為評價表面形貌及氧化特性，分別采用SEM（Quanta 200 掃描電子顯微鏡）及其配套的EDS（OXFOBRD INCA250 能譜儀系統）對加工前后試件表面進行檢測。

1.2 輔助溶液及表面激光加工

現有表面織構類型多集中于溝槽型織構、離散凹坑織構等規則織構，隨著研究的深入，已證明微/納復合織構具有更好的減磨效果。為得到此表面織構，降低激光加工的熱效應、熔融物重鑄層及表面氧化等問題，在此選擇液相輔助激光加工方法。激光打標機為M20 光纖激光打標機（M20，河南中航北工智能裝備有限公司），主要加工參數見表2所示。

表2 液相輔助激光加工參數

激光加工方式為交叉掃描加工，掃描間距20 μm ×20 μm，具體加工方案見圖2，輔助液體為無水乙醇+雙氧水（體積比50∶1）[15-16]。溶液沒過試件表面深度對液相輔助激光加工效果影響明顯，當溶液沒過試件表面太深時，激光光束能量衰減嚴重；而沒過工件表面太淺時，激光加工產生的氣泡爆炸對加工過程影響大，穩定性差。在此選擇溶液量為25 mL，沒過試件上表面深度為2 mm。

圖2 液相輔助激光加工原理

2 結果及分析

2.1 表面氧化特性分析

圖3 為304 不銹鋼表面激光交叉掃描加工前后的形貌及元素含量，圖3a 為初始表面，圖3b 為空氣介質中加工表面，圖3c 為無水乙醇+雙氧水介質輔助加工表面，圖4 為空氣及液相介質中激光加工單溝槽結果。由圖3b 可以看出，空氣介質激光加工后的表面呈現黑色，其能譜圖中氧元素的含量明顯增高，表明在空氣介質中激光加工的表面發生了氧化反應。如圖3c，可看出液相輔助下激光加工的表面與初始表面顏色一致，其能譜圖中的氧元素含量也有所下降，這是由于工件在激光加工后去除了已有的氧化層所致，表明液相環境下激光加工表面沒有出現氧化現象。由圖4 可以看出，在空氣介質中激光加工的單溝槽兩側，出現了明顯高于初始表面的熔融物重鑄層，且重鑄層高度為20～29 μm。表明空氣環境下激光加工熔融物更易于聚集、凝固于溝槽邊緣，形成了硬度較高的毛刺。而在液相介質中，單溝槽兩側雖有重鑄層，但重鑄層高度已降至5～6.5 μm，明顯低于空氣介質激光制備的單溝槽，表明輔助液相能改善激光加工的熔融物重鑄現象，提高激光加工質量[17]。究其原因為激光束與固體表面材料相互作用瞬間產生了大量的熱，使固-液界面處的液體快速氣化并產生大量氣泡，氣泡溢出時由于液深降低、壓強減小，導致氣泡增大、移動軌跡處液體壓強減小形成負壓區，液體流動形成射流產生了攜帶效應，帶走了大部分激光加工熔融物，為此，溝槽附近毛刺現象明顯降低[18]。氣泡溢出時而空氣介質中氣泡無法形成，加工熔融物重新凝結，故而溝槽附近毛刺現象明顯[8]，見圖5 所示。

圖3 304 不銹鋼激光加工前后表面形貌及元素含量

圖4 空氣與液相介質下激光加工單溝槽效果

圖5 空氣介質與液相輔助下的激光織構加工

2.2 激光參數對表面形貌影響

為進一步清晰液相輔助下激光加工參數對表面質量的影響，在此研究了激光掃描間距與表面織構形貌的關聯，如圖6 所示。可以看出當激光掃描間距為50 μm×50 μm 時，試樣表面溝槽特性明顯，且在兩激光交匯處凹坑深度增大。當激光掃描間距為20 μm×20 μm 時，表面溝槽特性消失，進而形成了隨機分布的微凸峰形貌。該形貌隨著激光加工功率的增強并沒有發生改變，僅微凸峰的尺度有所差異。當激光加工功率為24 W 時，微凸峰的高度約為4 μm；當激光加工功率為32 W 時，微凸峰的高度約為2.75 μm，見圖7。究其原因為激光光束與試樣表面的作用區域并非是一個點，而是一個區域，在區域中心處激光的能量最高、邊緣處激光的能量相對較低[9-10]。當激光光束交叉掃描加工工件表面時，兩能量區域可能會發生干涉（具體由激光光束尺度及掃描精度決定），且激光功率越大材料的去除能力越強。當激光掃描間距為50 μm×50 μm 時，激光光束沒有發生干涉，呈現了單溝槽特性；而掃描間距為20 μm×20 μm 時，激光光束出現干涉，為此單溝槽特性消失，表面形貌呈現了面分布特性。此外，當有輔助液相時，氣泡在固-液界面加工區域快速形成、成長，對激光光束起到了一定的散射作用（圖5b）[9-10]。再者，氣泡在固-液界面的破裂，對固體表面產生了強烈的負壓沖蝕[9-10]。而此時加工區域在激光熱作用下正處于固體、類流體、流體及氣體的耦合態，氣泡的破裂造成固體表面材料的濺離，在加工表面形成了類波浪形特性（圖7f）及較大的凹坑（圖7e 橢圓圈處），表明激光作用下氣泡的生成及破裂對表面加工形貌有著決定性的影響。文獻[19]也提出激光作用下氣泡沖蝕材料微斷裂去除現象，說明液相輔助下固體材料表面微觀形貌的形成是激光光束熱與氣泡負壓沖蝕耦合作用的結果。

圖6 激光掃描間距對表面形貌的影響

圖7 激光功率對表面形貌影響

2.3 織構表面潤濕特性

潤濕性對304 不銹鋼表面的耐腐蝕性及摩擦學特性均有著重要的影響，在此對304 不銹鋼原始表面、空氣及液相輔助下的激光加工表面分別進行了接觸角測量，結果如圖8 所示。可以看出，304 不銹鋼原始表面的接觸角為70.5°，空氣中加工的表面接觸角為30.7°，而液相輔助環境下的接觸角僅為13.3°。其中原始304 不銹鋼表面的接觸角最大，而液相輔助環境下的304 不銹鋼表面的接觸角最小，表明液相輔助介質下激光表面加工能夠獲得更好的表面潤濕性。現有研究已表明影響固體表面潤濕性的因素主要有表面形貌及化學元素[20-21]，本實驗中液相輔助激光加工前后試樣元素種類沒有變化（圖3），為此可認為引發試樣表面潤濕性的改變主要是固體表面形貌的結果。根據Wenzel 模型可知（式（1）），對于親水性材料，固體表面化學元素均一時，表面粗糙度因子越大，則固-液界面的表觀接觸角 θ*則越小，潤濕性越強[13,21]。

圖8 激光功前后試件表面接觸角

式中：θ*為固-液界面 表觀接觸角，deg；θe為固-液界面本征接觸角，deg；r為粗糙度因子，可由式（2）進行計算。

式中：H為單微凸峰的高度；R為單微凸峰半徑。

由于304 不銹鋼表面接觸角為70.5°親水性表面，激光加工后表面形成了波浪形微觀形貌，粗糙度因子增大，表觀接觸角減小，潤濕性增強。對于空氣介質下激光加工的表面形貌，由圖3 可知表面氧元素含量增加，發生了氧化生成了氧化鐵如式（3），降低了試樣表面的自由能，故而表面接觸角增大[22]。

3 結語

為改善304 不銹鋼表面激光加工氧化及熔融物粘結現象，得到形貌更為復雜的三維表面織構，本文在不同介質中對304 不銹鋼的表面進行了激光加工，得到了微凸體分布更加均勻的類波浪形微觀形貌，降低了激光加工氧化及熔融物重鑄現象，改善了表面加工質量及潤濕性。綜上分析，所得結論如下：

（1）空氣環境下激光加工熔融物不易去除，形成了硬度較高的毛刺，且試件表面加工氧化現象明顯。在液相介質中，固-液界面液體在激光光束熱作用下快速氣化，形成氣泡溢出，攜帶了大部分的激光加工熔融物，降低了熔融物重鑄現象，同時保護了試件表面使其不產生氧化反應。

（2）液相環境下，激光交叉掃描加工時氣泡在固-液界面區域快速形成、成長，對激光光束又起到了散射作用，同時氣泡的破裂也對固體表面產生了負壓沖蝕，兩者綜合作用生成了類波浪特性的微觀形貌。

（3）液相輔助下激光加工表面氧化性較低，故而接觸角小，增強了表面潤濕性。而空氣介質中試樣表面被氧化，生成了氧化鐵，使加工表面潤濕性降低。