超快脈沖激光對鈦合金的燒蝕特性與作用機理

鄭卜祥,姜歌東,王文君,梅雪松

(1.西安交通大學機械工程學院, 710049, 西安;2.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 710054, 西安)

超快脈沖激光對鈦合金的燒蝕特性與作用機理

鄭卜祥1,2,姜歌東1,2,王文君1,2,梅雪松1,2

(1.西安交通大學機械工程學院, 710049, 西安;2.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 710054, 西安)

為探究超快脈沖激光對難加工材料的燒蝕特性與損傷機制,利用皮秒脈沖激光研究鈦合金的燒蝕閾值、燒蝕形貌和作用機理。依據(jù)燒蝕面積和激光能量密度的線性關系,確定了鈦合金的燒蝕閾值,通過顯微鏡觀察分析了不同激光參數(shù)下鈦合金的表面燒蝕形貌,采用雪崩電離與多光子電離詳細解釋了超快脈沖激光對鈦合金的作用機理,并從燒蝕形貌和閾值角度劃分了燒蝕區(qū)域。結果表明:鈦合金的燒蝕閾值約為0.109 J/cm2;在1064 nm波長下的燒蝕質量要優(yōu)于532 nm波長下的質量,而低重復頻率能獲得高質量的微結構,燒蝕中央?yún)^(qū)域材料去除更為均勻,且燒蝕彈坑形狀規(guī)則,表面平滑;隨著脈沖數(shù)和能量的增加,光子能量累積增多,燒蝕尺度和形貌特征愈加明顯,燒蝕邊界愈加清晰,說明脈沖數(shù)和光子能量累積是表面微結構誘導的關鍵要素之一;燒蝕區(qū)域可劃分為改性區(qū)、過渡區(qū)、再沉積區(qū)和燒蝕區(qū),在燒蝕區(qū)以多光子電離為主,在改性區(qū)、過渡區(qū)和再沉積區(qū)以雪崩電離為主。該結果可為超快脈沖激光微結構精密加工提供參考。

超快脈沖激光;鈦合金;燒蝕特性;作用機理

鈦合金因具有強度高、密度小、耐高低溫、耐腐蝕、機械性能好、無磁無毒等優(yōu)良性能而被廣泛應用于航空航天、船舶冶金、石油化工、生物醫(yī)藥等領域[1],是一種典型的難加工材料。在航空航天領域,鈦合金主要用于制造航空發(fā)動機的壓氣機部件和火箭、導彈、高速飛機的結構件,以減輕重量,提高推重比和結構效率[2]。隨著激光技術的快速發(fā)展,超快脈沖激光與材料表面的相互作用已成為廣泛關注的課題[3-4],它憑借其極短的脈沖持續(xù)時間和極高的峰值能量,已顯示了許多獨特的加工優(yōu)點,為難加工材料高精度無損加工提供了一條新途徑。例如,利用超快脈沖激光制造技術,在航空鈦合金葉片表面加工若干微冷卻孔就是一個非常重要的研究方向[5]。因此,對鈦合金進行超快脈沖激光的微細加工及其機理研究具有極其重要的研究意義和應用價值。

目前,超快激光加工技術的發(fā)展還遠未成熟,其與各種材料相互作用的機理解釋各不相同且還不十分清楚[6],較多的相關研究都集中在一些典型材料的燒蝕閾值和其去除機理方面[6-14]。這是因為材料的燒蝕閾值是判斷激光與材料相互作用機制的重要參量,對材料去除機理的說明意義重大,它與激光參數(shù)的相對關系對微結構加工的質量、形狀、尺寸等形貌特征有著非常重要的影響[6]。對于金屬材料,如不銹鋼、銅、鋁、鈮、鎳基合金、銀、鉑、金、鉬、鎢、鉻等[7-14],多注重閾值研究,較少關注機理,而對鈦合金的研究相對更少。文獻[15]利用飛秒脈沖激光在純鈦表面進行了孔結構加工特性的實驗研究;文獻[16]研究了鈦合金材料與飛秒脈沖激光相互作用后的力學穩(wěn)定性;文獻[17]通過130fs、800nm的超快脈沖激光輻照鈦金屬表面,形成了納米紋理的錐形微結構,大大降低了整個可見光譜的反射率;文獻[18-19]采用飛秒激光加工技術,在鈦合金表面加工微納復合結構,同時利用飛秒激光掃描的方法,在鈦金屬表面加工出平行的微米槽結構群,大大減少了表面反射,增強了表面吸收率。從這些研究可以看出,研究者們大多關注純鈦或鈦合金的超快脈沖激光加工不同微納結構的特性,很少從燒蝕形貌特征和閾值角度對鈦合金材料的去除機理進行系統(tǒng)研究。文獻[7-8]在純鈦表面利用150fs的超快脈沖激光進行了燒蝕閾值研究,得到其燒蝕閾值約為0.102 1J/cm2,而對于鈦合金的燒蝕閾值計算還未見報道。另外,由于采用不同的判斷標準和計算方法,存在超快激光加工精度和測量誤差的影響,得到精確的鈦合金燒蝕閾值很有必要。因此,確定鈦合金的超快脈沖激光燒蝕閾值,并從燒蝕形貌特征和閾值角度研究其燒蝕機理,將為超快脈沖激光與材料表面相互作用的機理提供更多的理論指導和試驗依據(jù)。

本文以鈦合金材料為研究對象,利用皮秒脈沖激光對其加工的燒蝕閾值、燒蝕形貌等燒蝕特性和材料去除的作用機理等方面進行了深入研究。通過加工表面燒蝕面積與高斯分布的激光能量密度之間的線性關系,確定了鈦合金在超快脈沖激光照射下的燒蝕閾值;通過掃描電子顯微鏡(SEM)和激光共聚焦顯微鏡(LSCM)觀察分析了不同激光參數(shù)下鈦合金的表面燒蝕形貌和微結構質量;通過雪崩電離與多光子電離詳細解釋了超快脈沖激光對鈦合金燒蝕的作用機理,并從燒蝕形貌特征和閾值角度闡述了超快脈沖激光高斯光束對燒蝕區(qū)域的不同劃分。

1 超快脈沖激光加工實驗原理及條件

采用超快脈沖激光加工工藝輻照鈦合金材料表面時,需要通過激光與樣品材料表面的相對運動來實現(xiàn)多處燒蝕加工。這種相對運動可分為兩種方式:一是固定光束,移動樣品;二是固定樣品,移動光束。一般來說,樣品的控制較易實現(xiàn),且能保證穩(wěn)定的光束。因此,本實驗采用固定光束、移動樣品的加工方式,通過軟件程序控制工作臺實現(xiàn)樣品高精度三維運動控制,在材料表面加工出微結構。其實驗原理如圖1所示,由運動控制系統(tǒng)與光學系統(tǒng)兩大部分組成。運動控制系統(tǒng)主要控制樣品運動,使激光束在樣品表面實現(xiàn)多處燒蝕加工;光學系統(tǒng)主要用于提供激光光源,并可根據(jù)加工需要控制光束通斷和調節(jié)激光能量與光斑尺寸。

圖1 實驗原理示意圖

實驗采用奧地利High-Q laser公司生產(chǎn)的Nd:VAN皮秒脈沖可再生放大激光器,激光脈沖寬度為10ps,最大功率為2 W,波長可選擇1064、532和355 nm 3個波段,重復頻率可選1、5、10、20、50、100kHz。通過調節(jié)激光器內(nèi)部偏振片選擇激光波長和確定激光功率,應用衰減片調節(jié)激光入射能量,光束經(jīng)聚焦透鏡(焦距150mm)聚焦后,垂直照射到放置于運動精度為10nm的三維控制工作臺上的鈦合金樣品表面。利用該皮秒激光器可以對其波長、重復頻率、脈沖數(shù)、功率等重要參數(shù)進行合理選擇。

實驗環(huán)境為空氣,常溫常壓。實驗材料為航空航天工業(yè)使用最廣泛的鈦合金Ti-6Al-4V(TC4)。燒蝕加工完成后,應用日本Hitachi S-3000N型掃描電子顯微鏡和日本Olympus OLS4000型激光共聚焦顯微鏡對其燒蝕形貌進行觀察分析。

2 結果與分析

2.1 燒蝕閾值

燒蝕閾值是指單層材料形成不可逆的永久性破壞時所需要的最小能流密度[20],即入射激光對材料產(chǎn)生燒蝕的臨界能量密度或臨界功率密度。目前,主要有3種確定材料燒蝕閾值的方法:形貌觀察,采用顯微鏡觀察表面是否出現(xiàn)形貌永久性損傷;在線觀測,采用原位散射或激光發(fā)射光譜探測法在線觀測是否出現(xiàn)表面等離子體;數(shù)值計算,利用燒蝕面積或體積和激光能量密度的線性關系,采用外推法將面積或體積外推至零處對應的能量密度即為燒蝕閾值[6,21-23]。3種方法的共同點是都要利用激光聚焦后的光斑半徑(即束腰半徑)。

本文以顯微形貌觀測為基礎,采用數(shù)值計算的外推法來確定燒蝕閾值。由于燒蝕體積形狀不規(guī)則,考慮燒蝕深度計算燒蝕體積時更容易產(chǎn)生較大誤差,而只考慮燒蝕面積時可減小計算誤差,所以采用面積外推至零處來計算燒蝕閾值得到的結果更準確。該方法相對形貌觀察和在線觀測而言,是一種更好、更可行的確定方法,它存在實驗與理論計算基礎[24]。但該方法也存在一定問題,當激光強度逐漸減小到接近燒蝕閾值時,材料燒蝕面積或體積會突然減小而產(chǎn)生線性變化規(guī)律的一定偏離,致使外推誤差加大[21-22]。為了減小該偏離誤差和材料燒蝕面積與激光能量測量的相對誤差,實驗中可以適當增加激光能量和測量次數(shù)。

按圖1所示實驗原理進行實驗,采用遠離燒蝕閾值的較高能量密度進行了多次測量,得到超快脈沖激光對鈦合金材料的燒蝕面積隨激光能量密度的變化關系如圖2所示,所采用的激光波長為1064 nm,重復頻率為10kHz,脈沖數(shù)為2 000。由圖2可以看出,鈦合金材料的燒蝕面積隨能量密度的增加而增大,并呈現(xiàn)出近似的線性關系。通過該線性關系即可計算推導出鈦合金的燒蝕閾值。

圖2 鈦合金材料燒蝕面積與激光能量密度的關系

超快脈沖激光與材料相互作用時,材料只有在激光強度達到一定值時才能被燒蝕去除。利用激光光束能量的高斯分布,在距離光束中心r處的空間能量密度Φ(r)與其中心峰值能量密度Φ0存在如下關系[8,10,21,24-25]

(1)

式中:ω0為經(jīng)透鏡聚焦后的光斑半徑(即束腰半徑)。據(jù)此,材料被燒蝕時燒蝕邊緣處對應的空間能量密度(即材料的燒蝕閾值)為[8,10,25]

(2)

式中:D為燒蝕直徑。由此可知,燒蝕直徑D與激光能量密度存在如下關系[8,10,23,25]

(3)

而光束中心的Φ0與其對應的脈沖能量Ep和平均脈沖功率Wp存在如下關系[8,25]

(4)

所以鈦合金材料的燒蝕閾值為

(5)

式中:f為激光重復頻率。經(jīng)透鏡聚焦后的光斑半徑ω0可由下式求出[26]

(6)

由此可知,1064 nm、10ps的皮秒脈沖激光經(jīng)透鏡聚焦后的光斑半徑約為25.028 μm。結合圖2結果,如使用激光的平均功率為200mW,鈦合金材料表面的燒蝕直徑約為60.533 μm,燒蝕深度約為25.373 μm。據(jù)此,可計算出鈦合金材料的超快脈沖激光燒蝕閾值約為0.109 J/cm2,與文獻[7-8]中所得純鈦的超快脈沖激光燒蝕閾值約0.102 1J/cm2相差不大。

2.2 燒蝕形貌

當超快脈沖激光強度較弱時,材料表面會因弱燒蝕產(chǎn)生輕微燒蝕斑,稱為弱燒蝕;當其強度較強時,材料表面會因強燒蝕出現(xiàn)粗糙的燒蝕彈坑,稱為強燒蝕。2.2.1 不同波長下獲得的表面燒蝕形貌 圖3為皮秒脈沖激光在重復頻率為1kHz、脈沖數(shù)為1000、能量密度為1.5 J/cm2時不同波長(1064 nm和532 nm)下獲得的表面燒蝕形貌及三維輪廓形貌。

(a)波長為1064 nm

(b)波長為532 nm

由圖3可以看出,燒蝕邊界位置出現(xiàn)弱燒蝕形貌,而中央?yún)^(qū)域出現(xiàn)明顯的強燒蝕形貌。由于激光燒蝕末期存在能量波動和激光線偏振等因素,當選擇激光波長較短時,燒蝕彈坑會出現(xiàn)不平整的毛刺。比較圖3a、圖3b可知,1064 nm比532 nm波長的皮秒脈沖激光得到的燒蝕彈坑表面形貌要好,燒蝕直徑大但燒蝕深度淺,且燒蝕中央?yún)^(qū)域材料去除更均勻,彈坑內(nèi)部更平整,孔形更圓更規(guī)則,表面更平滑,燒蝕邊界更清晰。這是因為激光波長較長時,其頻率較低,自由電子在激光作用下的電離抖動較小,更有利于其電離和加速,獲得更大、更平緩的動能。在波長較短時,高斯分布的激光光束容易因頻率較高加深燒蝕深度而減小燒蝕直徑,且易出現(xiàn)劇烈的電子電離抖動,進而影響燒蝕的形貌特征和表面質量,所以應選擇合適的波長。

2.2.2 不同重復頻率下獲得的表面燒蝕形貌 圖4為皮秒脈沖激光在波長為1064 nm、能量密度為1.5 J/cm2、脈沖數(shù)為2 000時不同重復頻率(1kHz和10kHz)下獲得的表面燒蝕形貌。

(a)重復頻率為1kHz (b)重復頻率為10kHz

由圖4可以看出,相同能量密度時,重復頻率對燒蝕微結構的直徑影響不大。1kHz比10kHz重復頻率下的燒蝕形貌特征和微結構質量要好,燒蝕中央?yún)^(qū)域材料去除更均勻,燒蝕彈坑形狀更規(guī)則,表面更圓、更平滑,但10kHz比1kHz重復頻率燒蝕更嚴重,中央?yún)^(qū)域的燒蝕深度也更深。這是因為激光光束能量呈高斯分布,中央?yún)^(qū)域的燒蝕表現(xiàn)更為明顯,重復頻率越高時,光子通量(即每秒每平方厘米上對應的光子數(shù))越大,多光子吸收率也就越大,對材料燒蝕也更嚴重,這樣會加深燒蝕深度,所以應選擇合適的重復頻率。

2.2.3 不同脈沖數(shù)下獲得的表面燒蝕形貌 圖5為皮秒脈沖激光在重復頻率為1kHz,波長為1064 nm,功率為50mW,脈沖數(shù)分別為1000、2 000、3 000、4 000、5 000、7 000、10000、20000時獲得的表面燒蝕形貌。

(a)脈沖數(shù)為1000 (b)脈沖數(shù)為2 000

(c)脈沖數(shù)為3 000 (d)脈沖數(shù)為4 000

(e)脈沖數(shù)為5 000 (f)脈沖數(shù)為7 000

(g)脈沖數(shù)為10000 (h)脈沖數(shù)為20000

由圖5可以看出,脈沖數(shù)對燒蝕微結構的直徑影響不大,但總體趨勢是隨著脈沖數(shù)的增加而略微增大,直至趨于飽和狀態(tài)。隨著脈沖數(shù)的增加,燒蝕邊界愈加清晰,燒蝕區(qū)域呈現(xiàn)出愈加明顯的形貌特征,其中央?yún)^(qū)域材料去除也愈加嚴重,燒蝕顆粒逐漸變大,進而逐步去除,形成明顯彈坑。并且,脈沖數(shù)越多,燒蝕中央?yún)^(qū)域與周邊區(qū)域的邊界形貌特征區(qū)別越明顯,呈現(xiàn)出越深的燒蝕彈坑,這主要是因為激光光束能量呈高斯分布。此外,燒蝕彈坑周邊有不同程度的熱損傷,且在脈沖數(shù)很少和很多時,其形貌特征會更好。這是因為存在材料重結晶凝聚后的再沉積,會形成不同程度的熱損傷;脈沖數(shù)少時燒蝕還不太嚴重,脈沖數(shù)多時光子能量累積較多,達到了材料徹底去除的目的,易形成邊界更清晰的燒蝕彈坑。這表明,在燒蝕過程中存在光子能量的累積效應,改變脈沖數(shù)可以誘導出不同形貌特征的微結構,是造成材料不同程度破壞的原因之一。2.2.4 不同功率下獲得的表面燒蝕形貌 圖6為皮秒脈沖激光在重復頻率為1kHz,波長為1064 nm,脈沖數(shù)為1000,功率分別是15、20、25、30、35、40、45、50mW時獲得的表面燒蝕形貌,不同功率對應著不同的能量。

(a)功率為15 mW (b)功率為20mW

(c)功率為25 mW (d)功率為30mW

(g)功率為45 mW (h)功率為50mW

由圖6可以看出,燒蝕微結構的直徑隨著激光功率的增加而不斷增大,直至趨于飽和狀態(tài)。這主要是因為能量較高時產(chǎn)生的自由載流子等離子體較多,當累積到某個臨界值時,各等離子體相互之間的庫侖斥力很難完全將其全部噴濺出去,會使部分等離子體殘留在材料表面而沉積下來,致使燒蝕直徑逐漸趨于飽和狀態(tài)。在能量較低時,材料部分去除,表面以弱燒蝕為主,形成模糊的燒蝕彈坑形貌,見圖6a、圖6b。在能量較高時,表面出現(xiàn)材料急劇去除的強燒蝕現(xiàn)象,形成非常清晰的燒蝕彈坑形貌。隨著激光能量的增加,燒蝕邊界愈加清晰,燒蝕區(qū)域呈現(xiàn)出愈加明顯的形貌特征,其中央?yún)^(qū)域材料去除也愈加嚴重,燒蝕顆粒逐漸變大,形成明顯彈坑。并且,能量越大,光子能量累積越多,燒蝕中央?yún)^(qū)域與周邊區(qū)域的邊界形貌特征區(qū)別越明顯,呈現(xiàn)出越深的燒蝕彈坑。這主要是因為激光光束能量呈高斯分布,也充分說明光子能量累積可以造成材料不同程度的破壞,是鈦合金表面誘導出微結構特征的關鍵要素之一。

2.3 作用機理

激光燒蝕是材料表面吸收激光照射能量后因各種機制產(chǎn)生線性及非線性過程的質量遷移與消蝕,使得材料產(chǎn)生加熱、熔化、蒸發(fā)、氣化和噴濺等現(xiàn)象[23,27]。由于受激光參數(shù)、材料自身特性和環(huán)境等因素的影響,超快脈沖激光對材料的作用機理主要有普通熔化、超快熔化、熱汽化、庫侖爆炸、相爆炸、光子機械破損、雪崩電離與多光子電離等幾種[6,20],但材料的去除過程實際上是多個機理的綜合作用,很難清楚區(qū)分,其中雪崩電離與多光子電離起主要作用[21,28]。

對于超快脈沖激光燒蝕鈦合金材料的作用機理,可以從導帶電子的角度解釋。當激光能量密度超過鈦合金的燒蝕閾值時,會使鈦合金表面對激光能量產(chǎn)生較強的非線性吸收,其表面的價帶電子將大量轉變成導帶電子,直到其密度高于表面等離子體密度時,材料便會吸收大量的激光能量而造成破壞。這一轉變的實現(xiàn)途徑主要有雪崩電離與多光子電離2種[21]。當超快脈沖激光與鈦合金材料相互作用區(qū)域內(nèi)的光強較低時,一些碰撞束縛電子的自由電子將會存在并產(chǎn)生逆向韌致輻射,成為雪崩電離的種子電子,吸收激光能量后會增加動能,直到該動能大于束縛電子的電離勢能后,就會不斷碰撞分子或離子而產(chǎn)生呈幾何級數(shù)增多的較低動能的自由電子,形成雪崩電離,此時的燒蝕機理以雪崩電離為主。當光強很高時,材料內(nèi)部的電子因光子通量遠大于其電子數(shù)密度,將會大量吸收多光子而電離形成自由電子,此時的燒蝕機理以多光子電離為主。

因此,超快脈沖激光對鈦合金材料的燒蝕主要是通過雪崩電離與多光子電離2種機制使其瞬間產(chǎn)生大量高溫的自由電子,當其累積到某個臨界密度時,將在逆向韌致輻射作用下大量吸收激光能量使其溫度迅速上升,并通過熱傳導傳到晶格的束縛電子上,將其剝離后產(chǎn)生高密度的高溫高壓等離子體,再通過庫侖斥力以噴濺的方式迅速脫離母材表面,達到材料去除的燒蝕目的。由于等離子體噴濺時間極短,產(chǎn)生的熱量幾乎全部帶走,使得作用區(qū)域溫度陡然下降到加工前溫度,對周圍材料的熱損傷很小[28]。

根據(jù)前面所得燒蝕形貌圖可以看出,當脈沖數(shù)較多或功率較大時,燒蝕彈坑形貌特征非常明顯,邊界也十分清晰。這是因為自由電子在激光作用時由發(fā)射聲子冷卻,僅需皮秒量級就能迅速熱擴散并使材料熔化,與晶格在極短時間內(nèi)就能達到熱平衡,使得燒蝕區(qū)域輪廓清晰。在激光能流密度較大時,材料表面會產(chǎn)生熔化、蒸發(fā)、氣化、噴濺等燒蝕現(xiàn)象。由于激光光束能量呈高斯分布,燒蝕區(qū)域表現(xiàn)出明顯的弱燒蝕和強燒蝕階段。根據(jù)燒蝕閾值和形貌特征,在文獻[29]對透明材料飛秒激光燒蝕形貌影響機理研究的基礎上,提出燒蝕區(qū)域可清晰地劃分為改性區(qū)、過渡區(qū)、再沉積區(qū)和燒蝕區(qū),如圖7所示,其對應的直徑分別為D4、D3、D2和D1。

圖7 超快激光光束對燒蝕形貌的燒蝕區(qū)域劃分示意圖

超快脈沖激光強度在光束中心(光束直徑D≤D1)處很強,當激光強度超過鈦合金材料的燒蝕閾值很多時,該區(qū)域將在高溫高壓的條件下完全以噴濺的方式迅速脫離鈦合金母材而被徹底燒蝕,可稱為燒蝕區(qū);在D1

3 結 論

(1)依據(jù)加工表面燒蝕面積與高斯分布的激光能量密度之間的線性關系,計算確定出鈦合金材料的超快脈沖激光燒蝕閾值約為0.109 J/cm2。

(2)應用顯微鏡觀察分析了不同激光參數(shù)下鈦合金的表面燒蝕形貌和微結構質量,得出:①在1064 nm波長下的燒蝕質量要優(yōu)于532 nm波長下的質量,燒蝕直徑大但燒蝕深度淺,燒蝕中央?yún)^(qū)域材料去除更為均勻,燒蝕彈坑形狀更規(guī)則,表面更圓、更平滑,燒蝕邊界更清晰;②低重復頻率能獲得高質量的微結構,而高重復頻率燒蝕更嚴重,獲得的燒蝕深度更深;③燒蝕微結構的直徑隨著激光功率的增加而不斷增大,直至趨于飽和狀態(tài),而受重復頻率和脈沖數(shù)的影響不大;④隨著脈沖數(shù)和能量的增加,光子能量累積增多,燒蝕尺度和形貌特征愈加明顯,燒蝕中央?yún)^(qū)域材料去除愈加嚴重,燒蝕邊界愈加清晰,說明脈沖數(shù)和光子能量累積可以造成材料不同程度的破壞,是鈦合金表面微結構特征誘導的關鍵要素之一。

(3)從導帶電子角度,采用雪崩電離與多光子電離理論可以較好地解釋超快脈沖激光對鈦合金燒蝕的作用機理。在其燒蝕過程中,燒蝕區(qū)域表現(xiàn)出明顯的弱燒蝕和強燒蝕階段,根據(jù)燒蝕閾值和形貌特征,可將其劃分為改性區(qū)、過渡區(qū)、再沉積區(qū)和燒蝕區(qū)。在不同燒蝕區(qū)域,雪崩電離與多光子電離所起作用各不相同,在燒蝕區(qū)以多光子電離為主,在改性區(qū)、過渡區(qū)和再沉積區(qū)以雪崩電離為主。

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(編輯 杜秀杰)

AblationCharacteristicsandInteractionMechanismofUltra-FastPulseLaser-InducedDamageinTitaniumAlloy

ZHENG Buxiang1,2,JIANG Gedong1,2,WANG Wenjun1,2,MEI Xuesong1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710054, China)

To reveal ablation characteristics and damage mechanism of difficult-to-machine material processed by ultra-fast pulse laser, the ablation threshold, ablation morphology and interaction mechanism of titanium alloy are investigated by picosecond pulse laser. Focusing on the linear dependence of laser energy density on the ablation area, the threshold fluence of ultra-fast pulse laser-induced ablation in titanium alloy is determined. The ablation morphologies of titanium alloy surface under the different laser parameters are observationally analyzed. The interaction mechanism of titanium alloy processed by ultra-fast pulse laser is explained in detail with the theories of avalanche ionization and multiphoton ionization, and the different ablation zones are distinguished according to the ablation morphology and threshold fluence. The results show that the ablation threshold of titanium alloy reaches 0.109 J/cm2; the ablation quality of titanium alloy processed by a picosecond pulse laser of 1064 nm wavelength gets better than that by 532 nm wavelength, and low repetition rate favors high-quality microstructure; the ablative central area has more uniform material removal, and the ablation crater has regular shape and smooth surface. With increasing pulse number and laser energy, the accumulation of photon energy increases, ablation dimension and morphological characteristics become more obvious, and the ablation boundary becomes more distinct. It indicates that pulse number and accumulation of photon energy are respectively one of the key factors for inducing surface microstructure. The observed ablation zone can be divided into modified region, transition region, redeposition region and ablation region. Multiphoton ionization dominates in the ablation region, while avalanche ionization dominates in the modified, transition and redeposition regions.

ultra-fast pulse laser; titanium alloy; ablation characteristics; interaction mechanism

2014-04-28。

鄭卜祥(1980—),男,博士生,工程師;王文君(通信作者),女,副教授。

國家自然科學基金重大研究計劃資助項目(91123024);教育部長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT1172);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(xjj2012113)。

時間:2014-10-23

10.7652/xjtuxb201412004

TN249;O434.14

:A

:0253-987X(2014)12-0021-08

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