激光加工過程中材料晶體取向的影響因素分析

何 清，張景泉，黃 婷，肖榮詩

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，高功率及超快激光先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)室，北京100124）

自1960年激光問世以來，激光材料加工就受到了高度重視。激光具有高亮度、高方向性、高單色性、高相干性、高可調(diào)諧性等特性，通過調(diào)Q、鎖模技術(shù)可將脈沖寬度壓縮至納秒（10-9s）、皮秒（10-12s）、飛秒（10-15s）甚至阿秒（10-18s）量級，因此激光在能量、波長、時間等方面可選擇范圍寬，與材料相互作用產(chǎn)生相應(yīng)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)各種加工目的。

激光加工方法眾多，如激光熔覆、增材制造、激光焊接、脈沖激光沉積、激光誘導(dǎo)周期性結(jié)構(gòu)等，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。激光熔覆是一種涂層與基體冶金結(jié)合的先進(jìn)表面改性與修復(fù)技術(shù)，具有稀釋率低、結(jié)構(gòu)致密、組織細(xì)小等特點(diǎn)[1-2]；激光增材制造以激光為能量源，以材料逐層累加的方式制造各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)異的零件[3-6]；激光焊接通過激光加熱實(shí)現(xiàn)材料永久連接，具有熱輸入小、焊接速度快、接頭性能好、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)[7-8]；脈沖激光沉積是一種先進(jìn)的薄膜制備技術(shù)，具有反應(yīng)迅速、沉積效率高、定向性強(qiáng)、薄膜沉積分辨率高等特點(diǎn)[9-11]；激光誘導(dǎo)周期性結(jié)構(gòu)是一種具有納米尺度特征結(jié)構(gòu)和自重復(fù)微觀尺度結(jié)構(gòu)的表面組織結(jié)構(gòu)制造方法，可以改變材料表面浸潤性、光學(xué)特性等[12-18]。

材料的不同晶面具有不同的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)特性[19]，如Cu的不同晶面對CO2的C-C耦合能顯示出不同的電化學(xué)還原能力[20]。激光加工是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，當(dāng)與材料相互作用時，材料的不同晶面會產(chǎn)生不同的熱、機(jī)械響應(yīng)，對激光加工過程和效果產(chǎn)生顯著影響[21-22]。本文對激光熔覆、增材制造、焊接、脈沖激光沉積、超短脈沖激光加工過程中材料晶體取向?qū)庸み^程中的影響研究進(jìn)行了概述。

1 激光熔覆

激光熔覆熱輸入集中，熔池中正溫度梯度高，因此激光熔池中一般不產(chǎn)生形核和等軸晶的生長，固液界面以外延方式推進(jìn)，熔覆層組織受到基底材料與晶體取向的顯著影響。鎳基高溫合金因其良好的材料性能成為工業(yè)領(lǐng)域的重要材料，因此研究者們對這類合金做了大量研究工作。在定向凝固DZ22基體上熔覆鎳基合金，基體擇優(yōu)取向（100）晶面可以實(shí)現(xiàn)熔覆層晶粒的定向生長[23]。在鎳基高溫合金基底上多層熔覆同類合金時，基材表層的晶體取向與合金擇優(yōu)取向相近或一致，可得到與基材晶體取向一致、組織結(jié)構(gòu)規(guī)整且與基材組織連續(xù)的定向柱狀枝晶[24-25]。在單晶高溫合金 DD3上熔覆FGH95合金時，在基體的（001）晶面上可得到從基體外延生長的組織細(xì)小、力學(xué)性能良好的單晶熔覆層[26]。Nishimoto等[27]在鎳基單晶高溫合金CMSX-4表面熔覆高溫合金René142，在低熱量輸入條件下，表面熔化區(qū)域生成具有沿著基體取向外延生長的單晶枝晶（圖1）。Vilar等[28]在SRR99鎳基高溫合金的（100）單晶基體上熔覆NiCrAlY，發(fā)現(xiàn)熔覆層形成的枝晶遺傳了基體的單晶性質(zhì)和（100）取向。上述研究表明，當(dāng)鎳基高溫合金作為熔覆層基體時，擇優(yōu)晶向?yàn)椋?00），該取向和熱流方向夾角很小，可以實(shí)現(xiàn)熔覆層沿原擇優(yōu)晶向連續(xù)生長。

圖1 René142熔化區(qū)域生成單晶枝晶

除了鎳基高溫合金外，其他的基體材料也存在類似現(xiàn)象。Ocelík等[29-30]在42CrMo4鋼基體上熔覆鈷基合金時，發(fā)現(xiàn)熔覆層外延生長的晶體取決于基體的取向（圖2），Venkatesh等[31]在碳鋼表面熔覆碳化鉻-鎳基涂層時，發(fā)現(xiàn)在較低的激光功率下，顯微組織Cr7C3晶粒選擇性生長為柱狀（0001）取向的結(jié)構(gòu)（圖 3）。

綜上，激光熔覆時基體的晶粒取向決定了熔覆層-基體界面處的晶粒取向。熔覆層晶粒延續(xù)了基體晶粒的擇優(yōu)取向，實(shí)現(xiàn)定向、規(guī)整、連續(xù)的生長。

圖2 鈷基合金涂層晶體在鋼基底上生長

圖3 碳鋼表面的碳化鉻-鎳涂層熔覆層中枝晶的擇優(yōu)生長]

2 激光增材制造

增材制造是一種改變傳統(tǒng)制造理念和模式的先進(jìn)制造技術(shù)。激光選區(qū)熔化和激光沉積成形是增材制造技術(shù)的重要組成部分。Al-6.2Mg-0.36Sc-0.09 Zr合金激光選區(qū)熔化時在垂直于熔接線的方向形成呈柱狀且具有（200）擇優(yōu)取向的織構(gòu)[32]（圖4）。Li和Liu等[33]在鈦鋁基合金上發(fā)現(xiàn)隨著激光能量密度增加，晶體從（0001）取向變?yōu)椋?001）、（101ˉ1）和（112ˉ1）取向的組合。同樣的，激光沉積 α＋β 鈦合金（TC21）時材料相變的演化與材料的晶面取向有關(guān)[34]。 Zhang等[35]在 Ti6Al2Sn2Zr3Mo1.5Cr2Nb合金基底上激光沉積成形α+β鈦合金時，生長晶體遺傳了基底的結(jié)晶學(xué)取向，傾向于在擇優(yōu)取向（100）向生長（圖 5）。與該結(jié)果類似，Zhu 等[36]在 Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金（TC11）樣品上發(fā)現(xiàn)沿沉積方向存在β（001）擇優(yōu)取向的組織。

圖4 Al-6.2Mg-0.36Sc-0.09Zr合金形成具有（200）擇優(yōu)取向織構(gòu)

圖5 鈦合金基底上晶體（100）擇優(yōu)取向生長

可見，在激光增材制造中，基底的取向決定晶體生長，且合金晶體取向?qū)辖鹣嘧兊难莼袥Q定性作用，不同取向?qū)е孪嘧冞^程中產(chǎn)生各向異性，從而影響合金相變的演化。

3 激光焊接

在太陽能電池產(chǎn)業(yè)中，通常采用激光將幾個單獨(dú)的薄硅片焊接形成硅的基底片材。Hessmann等[37]在對（111）和（100）兩個取向薄硅片焊接時，發(fā)現(xiàn)（111）面上引起的應(yīng)力較強(qiáng)（圖 6）。

圖6 硅（111）和（100）晶面焊縫處不同取向應(yīng)力差異

不銹鋼激光焊接結(jié)構(gòu)的破壞大多起源于焊縫熔合區(qū)，而晶面取向?qū)缚p的機(jī)械性能有著重要影響[38-39]。Li等[40]采用激光焊接304不銹鋼時焊縫擇優(yōu)取向均為（200）和（220）方向，這種取向與是否采用表面活性劑硫無關(guān)。Rong等[41]發(fā)現(xiàn)在磁場作用下，降低擇優(yōu)取向（100）面的強(qiáng)度能改善對塑性變形的抵抗力。通過第二層沉積再加熱奧氏體不銹鋼焊接區(qū)（100）取向的柱狀晶粒，發(fā)現(xiàn)該擇優(yōu)取向保持不變[42]。由此可見，不銹鋼在凝固時晶粒最易沿（100）取向成核和生長。

焊接的快速冷卻期間，相變?nèi)Q于取向，熔池邊界的母材晶粒表面可作為凝固組織的基底。因此，熔合區(qū)凝固晶粒的形成與固態(tài)母材晶粒取向有關(guān)，結(jié)構(gòu)相似性可以減小母材與焊縫之間的晶粒取向差。

4 脈沖激光沉積

研究表明，脈沖激光沉積的基材取向決定了薄膜的性能。Verma等[43]系統(tǒng)地研究了在釔穩(wěn)定氧化鋯-YSZ（111）、Al2O3（0001）、Si（100）三種襯底上脈沖激光沉積ZnO薄膜的生長情況，YSZ（111）襯底上觀察到最大晶粒，可作為C軸取向膜生長的較好襯底，而Al2O3（0001）襯底為分離的納米柱提供了更好的生長條件（圖7）。同樣的，Han等[44]發(fā)現(xiàn)ZnO薄膜在硅襯底上沉積的取向隨機(jī)，而在藍(lán)寶石襯底上取向具有六方對稱性，表現(xiàn)出較高的結(jié)晶質(zhì)量。在La0.5Sr0.5CoO3層涂覆的MgO襯底上可成功生長具有良好物理性能（001）取向的 K3Li2Nb5O15薄膜[45]；在Pt/Ta/玻璃襯底上可制備擇優(yōu)取向?yàn)?（117）的Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）薄膜，該取向薄膜具有良好的鐵電性能[46]。在Pt（111）涂覆的Si襯底上可獲得具有（220）擇優(yōu)晶體取向的 NBT 膜，NBT 薄膜沿（220）取向的鐵電疇圖表現(xiàn)出可變的面內(nèi)壓電響應(yīng)[47]。Zhang等[48]在IN718合金板上沉積鎳基高溫合金，研究結(jié)果表明大部分晶粒的生長方向傾向于 （001）取向（圖8），晶粒的取向生長形成了組織結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)生了各向異性。

圖7 ZnO薄膜在不同襯底上的生長情況

脈沖激光沉積制備的薄膜以非晶或多晶為主，其表面狀態(tài)、負(fù)電子親和性、壓電應(yīng)力系數(shù)均依賴于晶面取向。襯底材料的晶體取向會對沉積后晶體取向產(chǎn)生決定性影響，一般在與薄膜晶格失配小、熱膨脹系數(shù)匹配的襯底材料上制備具有擇優(yōu)取向的薄膜的成功率最高、微觀晶體結(jié)構(gòu)最好。

圖8 IN718合金表面脈沖激光沉積后晶粒的（001）向生長

5 超短脈沖激光加工

超短脈沖激光可以在材料表面制備具有不同功能的微納結(jié)構(gòu)，同時也賦予了材料不同的功能，如爬墻機(jī)器人的超強(qiáng)黏附、脫附功能[49-50]，防水材料表面自清潔、超疏水功能[51-52]，游泳運(yùn)動員泳衣的“鯊魚皮”性能[53-55]等。超短脈沖激光制備的表面結(jié)構(gòu)對基材的晶體取向具有選擇性。

超短脈沖激光作用于材料時，往往伴隨著周期性表面結(jié)構(gòu) （laser-induced periodic surface structures，LIPSS）的生成。 楊宏道等[56]發(fā)現(xiàn)，硅（111）面LIPSS呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且折線交角為120°或60°，排列較凌亂；（100）面則呈正交折線格子狀結(jié)構(gòu)，形成的微結(jié)構(gòu)排列整齊。在SiO2基底上制備多晶硅薄膜時發(fā)現(xiàn)膜表面生成的LIPSS對（100）面取向有著強(qiáng)烈的依賴性，滿足晶面內(nèi)四重對稱條件才能形成LIPSS[57]。 Jiang 等[58]觀察到，飛秒激光作用硅（100）面、（111）面時，LIPSS對晶體取向產(chǎn)生強(qiáng)烈的依賴性，線偏振飛秒激光在某些偏振方向作用硅（100）晶面上不生成LIPSS，而（111）晶面更易生成LIPSS（圖 9a）。 與該結(jié)果類似，Tsu 等[59]發(fā)現(xiàn)硅（111）比（100）取向更易誘導(dǎo)形成表面結(jié)構(gòu)，在飛秒激光多脈沖照射下，硅和鍺的（111）晶面比（110）表現(xiàn)出更明顯的錐形結(jié)構(gòu)[60]（圖9b）。張欣等[61]對于飛秒激光刻蝕不同晶面單晶硅的行為特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)（111）晶面在飛秒激光能量密度低于和高于破壞閾值時分別形成非晶區(qū)和刻蝕區(qū)，而（100）面單晶硅在不同能量飛秒激光的作用下只形成刻蝕區(qū)。由此可見，激光作用在硅表面時，具有近似對稱、密排結(jié)構(gòu)的（111）面比（100）面更易形成微結(jié)構(gòu)，更易產(chǎn)生作用。

除半導(dǎo)體硅和鍺外，金屬表面LIPSS也與晶面取向有關(guān)。Huis和R?mer等[62-63]用三組不同激光參數(shù)作用高溫合金（800H）表面時發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先在立方晶面上形成漣漪結(jié)構(gòu)（圖10）。飛秒激光脈沖作用在多晶鎳表面時，其（213）和（215）晶面會形成LIPSS，而（111）面易形成晶格缺陷[64-65]（圖 11）。 Nürnberger等也發(fā)現(xiàn)不銹鋼表面的LIPSS形貌的排列方式取決于晶粒取向[66]（圖 12）。

圖9 硅（111）面受激光偏振作用與在微觀下形成的狀態(tài)

圖10 高溫合金不同取向晶粒上激光作用結(jié)果

圖11 單脈沖作用下的鎳表面不同晶面取向結(jié)果

圖12 不同晶體取向的不銹鋼表面下的激光作用

材料不同的晶面取向具有不同的表面能和表面原子密度，形成不同的鍵合位置，導(dǎo)致不同晶向的光學(xué)損傷閾值、自由電子密度、面與面之間作用力不同，使多晶材料不同取向?qū)す饽芰课詹煌?、燒蝕速率不同，因此在激光照射在材料表面時表現(xiàn)出不同的生長或去除行為，因此以晶面取向的差異決定了LIPSS的產(chǎn)生及形態(tài)。

6 結(jié)束語

激光加工技術(shù)推動了諸多領(lǐng)域的快速發(fā)展。作為一種先進(jìn)的材料加工手段，激光加工過程中材料的影響一直是關(guān)注的重點(diǎn)，隨著激光加工技術(shù)的不斷進(jìn)步及工業(yè)需求的擴(kuò)大，材料的晶體取向?qū)τ诩す饧庸さ挠绊憣⒃絹碓矫黠@。因此，深入理解材料晶體取向的影響，充分利用材料性能優(yōu)勢，對于材料的選擇及工藝參數(shù)的調(diào)整具有重要的應(yīng)用意義。