氣氛對紫外激光非晶合金盲孔加工性的影響研究*

（中國航空制造技術(shù)研究院高能束流加工技術(shù)重點實驗室，北京 100024）

近年來材料制備技術(shù)迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出一大批如非晶態(tài)合金[1]、高熵合金[2]、復合材料[3]等性能優(yōu)異的超材料。非晶合金因硬度大、強度高、耐腐蝕、低磁性等特點，具有很好的應用潛質(zhì)，但它脆性大且受熱易晶化，常規(guī)加工方式很難加工。激光加工具有無接觸應力且不受材料硬度限制的優(yōu)勢，其中以超快激光和紫外激光這兩類的熱效應最小，非常適合加工脆硬性大、難加工材料[4–5]。與超快激光相比，紫外納秒激光結(jié)構(gòu)簡單、購置及維護成本低、對工作環(huán)境要求低，成為其顯著優(yōu)勢。開展紫外納秒激光打孔等應用研究，分析紫外激光加工非晶合金的可行性，對非晶合金等難加工材料加工方式的擴展和補充具有積極意義。

本文以Zr–Cu 非晶合金為研究對象，使用波長355nm 的紫外納秒激光，對非晶合金進行旋切打孔，研究了不同氣氛下盲孔的加工質(zhì)量和效率。然后通過XRD 衍射分析了非晶材料穩(wěn)定性，同時在現(xiàn)有紫外納秒加工機理的研究基礎(chǔ)上，給出了紫外激光加工非晶合金時材料性能保持穩(wěn)定的原因。

試驗方法

材料為1.2mm 厚的Zr–Cu 非晶合金，表面拋光處理，見圖1。試驗采用波長355nm、平均功率2.4W，激光脈寬240ns、輸出頻率50kHz 的紫外納秒激光光源。電腦控制激光的輸出，并且通過振鏡控制激光的掃描路徑。

不同于定點復制法的孔徑和加工質(zhì)量受制于光斑大小和光斑質(zhì)量，旋切法加工的孔徑可控，孔形優(yōu)異[6]。若激光繞旋轉(zhuǎn)中心作半徑D/2 的回轉(zhuǎn)，則加工出孔徑為D的孔，如圖2（a）所示。圖2（b）為在旋切基礎(chǔ)上發(fā)展起來的同心圓填充打孔方式，同心圓式直接利用圓周掃描，根據(jù)光斑尺寸，選擇合適的填充間距，在目標位置上從里到外分別掃描，實現(xiàn)盲孔的加工[7–8]。紫外納秒的焦斑半徑為15μm，通過30 個間距10μm 的同心圓組合加工出直徑600μm 的孔。

試驗選用同心圓旋切法，研究不同氣氛下的打孔效果，試驗參數(shù)如表1所示。其中，指示壓力為壓力表的讀數(shù)值，文中無說明時為指示壓力（MPa），絕對壓力與指示壓力的關(guān)系如下：

各組均采用相同的加工參數(shù)，激光功率2.4W，脈沖頻率50kHz，掃描速度100mm/s，打孔時間1min。光斑直徑約30μm，選擇同心圓間距10μm。激光制作盲孔過程中，其質(zhì)量評價的參數(shù)有孔形狀、底面粗糙度、去除量等。為了對比各氣氛的加工效果，本文對其中幾個參數(shù)進行了測量。

圖3為環(huán)境提供系統(tǒng)示意圖?？諝鈮毫υ囼瀸嶋H上分別利用了空氣壓縮機提供的正壓力、大氣壓力環(huán)境和真空泵來實現(xiàn)的負壓力。其中負壓力由密封罐和抽氣機組成的抽真空系統(tǒng)提供（圖3）。氧氣和氮氣環(huán)境由向已抽真空的密封罐通入氧氣或氮氣提供。

圖1 非晶合金試樣Fig.1 Amorphous alloy specimens

試驗在不同氣氛中進行，加工后的試樣先經(jīng)酒精超聲清洗10min。使用OLYMPUS/BX41M 型光學顯微鏡和Sigma HD/ULTRA 型掃描電鏡進行形貌觀測，使用OLYMPUS/OLS4100 型3D 測量激光顯微鏡測量樣品表面粗糙度，使用KEYENCE/VHX–5000 型超景深三維顯微鏡觀察三維形貌。同時，使用BRUKER/D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀進行XRD 分析。

試驗結(jié)果與討論

1 氣氛壓力的影響

圖2 打孔方式Fig.2 Drilling methods

表1 試驗參數(shù)列表Table1 List of test parameters

圖3 環(huán)境提供裝置Fig.3 Environmental provision equipment

根據(jù)1～8 號的試驗（表1），紫外激光加工盲孔的底面形貌會隨著氣氛壓力改變而變化，主要表現(xiàn)為兩種不同的表面形貌，較高壓力下的“珊瑚狀”表面和較低壓力下的“鱗狀”表面。圖4（a）和（b）為0 和–0.08MPa 空氣壓力下盲孔的底面形貌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大氣及以上壓力下形貌為鏤空狀的珊瑚結(jié)構(gòu)，底面凹凸不平，且分布著一些微孔。真空中的底面形貌為同心環(huán)分布的鱗狀結(jié)構(gòu)，底面較為平整，同心環(huán)周期性間距約10μm。

圖5為不同空氣壓力下盲孔底面粗糙度的測量結(jié)果。試驗中使用3D 測量激光顯微鏡的粗糙度測試功能，測量樣品底面的面粗糙度?？梢钥闯觯S著氣氛壓力的逐漸增大，盲孔底面粗糙度逐漸增大。其中，氣壓從–0.08MPa 增大到0.35MPa，面粗糙度從1.72μm 增大為7.23μm。

圖6為不同空氣氣壓下打孔的材料去除率測量結(jié)果。試驗中控制打孔時間均為1min，使用超景深三維顯微鏡測量孔內(nèi)材料去除量，得到單位時間內(nèi)材料效率?？梢钥闯?，隨著氣壓逐漸增大，打孔去除率逐漸減小。其中，氣氛壓力從–0.08MPa 增大到0.45MPa，材料去除率從9.3× 106μm3/min降為2.3×106μm3/min。大氣壓力為–0.08MPa 時材料去除量的測量結(jié)果見圖7。

打孔方式和加工參數(shù)一定時，隨著氣氛壓力的增大，底面從較為平整的鱗狀形貌轉(zhuǎn)變?yōu)殓U空狀的珊瑚形貌，盲孔底面粗糙度逐漸增大，但材料去除率逐漸減少。

盲孔底面形貌成因十分復雜，與材料屬性、光反應強度、氣體環(huán)境等因素有關(guān)。對于不同氣壓下底面形貌的成因，有以下推測。真空下氧含量極低，氧化反應可以忽略，材料的去除主要靠激光輻照區(qū)域的急劇溫升使材料瞬間氣化或沸騰濺射實現(xiàn)。在脈沖能量穩(wěn)定的情況下，單光斑材料去除量一致，由掃描速度和重頻決定的光斑間距相同，且同心圓間距一致，形成了較為平坦的鱗狀底面。對于空氣中珊瑚狀底面，氧氣不充分時各處光反應強度不同，材料去除率有微弱差別。隨著掃描次數(shù)增大，不均衡性逐漸被放大，造成盲孔底面的凹凸不平。另外氣壓會影響等離子體的存在時間，真空中等離子體迅速消散，氣壓增大會導致等離子體衰減的速度變慢[9]。較高密度的等離子體起到聚焦的作用[10]，當?shù)入x子體存在時間超過脈沖間隔，則會改變下個激光脈沖的加工狀態(tài)，由于等離子體的密度、成分和分布不均衡，所以單脈沖材料去除量會有所偏差，最終形成凹凸不平的表面。表面的不平整導致激光不垂直于材料表面，后經(jīng)不斷反射、散射和干涉，誘導形成類似珊瑚狀的多孔結(jié)構(gòu)。據(jù)菲涅耳效應[11]，孔壁入射角越大，光能的吸收率和去除率越低，所以當盲孔底面呈珊瑚狀時，材料去除率很低。

圖4 不同空氣壓力下盲孔的底面SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photographs of blind hole bottom under different air pressures

圖5 不同空氣壓力下盲孔底面的面粗糙度Fig.5 Surface roughness of blind hole bottom under different air pressures

2 氣氛種類的影響

氣氛壓力0.35MPa 時，空氣中盲孔底面為鏤空狀的珊瑚形貌，而氮氣和氧氣中形貌見圖8。氮氣中底面為同心環(huán)式鱗狀形貌，與真空中的表面形貌相似。氧氣中底面為伴隨著微細龜裂的重凝形貌，龜裂紋粒尺寸2～5μm。

圖9為不同氣氛中盲孔底面粗糙度的測量結(jié)果。試驗中使用3D測量激光顯微鏡的粗糙度測試功能，測量樣品底面的面粗糙度?？梢钥闯觯瑝毫ν瑸?.35MPa 時，空氣中盲孔的底面粗糙度最高，平均值為7.23μm；氧氣中盲孔底面粗糙度最低，平均值為1.56μm。

圖10為不同氣氛中打孔的材料去除率測量結(jié)果。試驗中控制打孔時間均為1min，使用超景深三維顯微鏡測量孔內(nèi)材料去除量，得到單位時間內(nèi)材料效率?？梢钥闯?，壓力同為0.35MPa 時，氧氣中材料去除率最高為2.34×107μm3/min，其次氮氣中為1.96×107μm3/min，空氣中最低為4.3×106μm3/min。

打孔方式和加工參數(shù)一定時，隨著加工氣氛種類的變化，底面形貌也有所不同。壓力為0.35MPa 時，空氣中為多孔狀珊瑚表面，氮氣中為同心環(huán)式鱗狀形貌，氧氣中為伴隨著微細龜裂的重凝形貌。

若在不同氣體中激光與非晶相互作用機理相近的前提下，空氣的效果預計在氧氣和氮氣之間。而實際加工中發(fā)現(xiàn)，空氣中造型與氮氣和氧氣差別較大，推測其作用機理有所差異。試驗中氧氣和氮氣為干燥氣體，空氣直接取自大氣，未經(jīng)干燥。因空氣成分復雜，除占比78%的氮氣和21%的氧氣外，還有0.939%的稀有氣體、0.031%的二氧化碳和0.03%的其他氣體及雜質(zhì)存在。同時激光與材料相互作用機理還不十分明朗，所以不能簡單地認為空氣中的加工效果介于氧氣和氮氣之間。

圖6 不同空氣壓力下打孔的材料去除率Fig.6 Material removal rate of drilling under different air pressures

圖7 空氣壓力為–0.08MPa時材料去除量測量圖Fig.7 Removal volume measurement of ultraviolet laser drilling under –0.08MPa air pressure

圖8 不同氣體下盲孔的底面SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photographs of blind hole bottom under different gases

形貌決定表面粗糙度，空氣中加工形貌孔隙較多，具有較大的表面粗糙度，形貌成因已在上節(jié)探討且需進一步研究。氮氣中盲孔底面形貌與真空中近似，兩者共同點為環(huán)境中幾乎無氧，這與含氧環(huán)境加工形貌具有顯著差別，因此側(cè)證了氧參與了激光對材料去除過程并影響了加工形貌。在無氧環(huán)境中，穩(wěn)定的脈沖能量和光斑分布決定了加工表面的平整度；而純氧環(huán)境中，氧化反應充分，去除量一致形成平坦的龜裂重凝表面，所以在氮氣和氧氣中表面粗糙度均小于空氣環(huán)境。根據(jù)菲涅耳效應[11]，平坦表面材料去除量大于粗糙表面材料，氧化釋放的氧化熱[12]也有助于材料的去除，所以氧氣中材料的去除量最大，其次為氮氣。

3 XRD 分析

非晶態(tài)金屬原子排列呈短程有序、長程無序的狀態(tài)，因此具有不同于一般晶態(tài)物質(zhì)的力學、物理和化學性能。加工過程的熱效應可能導致非晶材料的晶化[13]，從而引起變性失效，現(xiàn)使用X 射線衍射分析紫外納秒激光加工中非晶材料物相的穩(wěn)定。圖11為不同氣氛下紫外激光加工表面的XRD 測量結(jié)果。當非晶物質(zhì)中出現(xiàn)較多晶態(tài)物質(zhì)時，便會在漫散峰上疊加上明銳的結(jié)晶峰[14]。從XRD 結(jié)果來看，衍射圖均由漫散峰組成，無明顯的結(jié)晶峰，初步判斷加工后材料仍呈非晶態(tài)，無明顯晶化。

經(jīng)紫外激光加工的非晶合金仍保持非晶態(tài)，推測與紫外納秒加工過程中瞬間的溫升和溫降有關(guān)。加工過程中，樣品表面材料瞬間被加熱到極高溫度，根據(jù)晏緒光等[15]研究，最高溫度出現(xiàn)在單個激光脈沖持續(xù)作用過程中，脈沖結(jié)束時材料迅速冷卻。根據(jù)華顯剛等[16]研究，紫外納秒激光加工時，表層材料的冷卻速度可達1010K/s 以上。鋯基合金非晶化的臨界冷卻速度較低[17]，具有極好的玻璃形成能力，在極高的過冷度下容易重新形成非晶。

圖9 不同氣氛時盲孔底面的面粗糙度Fig.9 Surface roughness of blind hole bottom under different gases

圖10 不同氣氛下打孔的材料去除率Fig.10 Material removal rate of drilling under different gases

圖11 不同狀態(tài)下Zr–Cu合金的X射線衍射圖（非晶態(tài)）Fig.11 X-ray diffraction patterns of Zr-Cu alloys under different conditions

結(jié)論

使用同心圓方式在Zr–Cu 非晶材料上打盲孔，研究了不同氣氛對盲孔形貌、物相及加工性的影響，得到如下結(jié)果：

（1）氣氛壓力影響著盲孔底面形貌、加工的質(zhì)量和效率?？諝庵忻た椎酌娉蚀植诙容^大的珊瑚狀形貌，氣壓越大，盲孔底面越粗糙，材料去除率越低。真空中的底面形貌為同心環(huán)分布的鱗狀結(jié)構(gòu)，底面較為平整，鱗片分布及同心圓位置由掃描路徑、掃描速度和重頻特征決定。

（2）氣氛種類也影響著盲孔底面形貌、加工的質(zhì)量和效率。氣壓相同時，氮氣中盲孔底面為平坦的鱗狀結(jié)構(gòu)，氧氣為有微細龜裂的重凝形貌。與氮氣和空氣相比，氧氣中獲得的表面粗糙度最低，且材料去除率最高。

（3）在一定激光參數(shù)范圍內(nèi)，使用紫外納秒激光加工非晶合金后未發(fā)現(xiàn)材料發(fā)生明顯變性和晶化。紫外納秒激光加工屬于局部表層的極熱極冷的瞬態(tài)過程，在單脈沖持續(xù)時間內(nèi)材料溫度達到最高值，然后迅速冷卻，冷卻速度高于鋯基非晶合金的臨界冷卻速度，重新形成非晶。