納秒脈沖激光對釹鐵硼材料表面清洗試驗研究

仝志宏， 劉國東， 黎相孟， 任 寧， 趙玉田， 劉帥康

(中北大學(xué)先進制造技術(shù)山西省重點實驗室，太原 030051)

釹鐵硼磁性材料憑借其優(yōu)良的磁性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、導(dǎo)彈制導(dǎo)、電子計算機、磁懸浮列車和新能源汽車的電子助力轉(zhuǎn)向(electric power steering, EPS)和醫(yī)療上的磁共振成像(magnetic resonance imaging MRI)等[1]。對于釹鐵硼永磁材料加工方式，人們關(guān)注的重點是切割和打孔，對其表面微加工的研究則相對較少，尤其是材料的表面清洗[2]。釹鐵硼材料由多相組成，尤其是其中的富釹相電位低，容易在晶間發(fā)生氧化腐蝕，極易導(dǎo)致后續(xù)的電鍍工藝的失敗，對釹鐵硼材料的表面起不到保護作用，嚴(yán)重制約了釹鐵硼的應(yīng)用[3-4]。因而在電鍍工藝中，為了保證鍍層與基體的結(jié)合力，除去釹鐵硼表面的污物被認(rèn)為是很關(guān)鍵的步驟。但是，釹鐵硼內(nèi)部的各相電位差較大，如果處理不當(dāng)反而會使富釹相嚴(yán)重腐蝕。傳統(tǒng)的清洗手段是利用化學(xué)清洗和超聲波清洗，化學(xué)清洗存在耗時長、污染大等問題，超聲波清洗存在成本高且對基體有一定的損傷等問題[5-7]。因此在釹鐵硼材料快速發(fā)展的今天，亟待尋求一種新型高效的清洗方式，釹鐵硼材料的激光清洗應(yīng)運而生。

激光清洗技術(shù)是近十年來飛速發(fā)展的一種新型清洗技術(shù)，它以自身的優(yōu)勢和不可替代性在許多領(lǐng)域中逐步取代了傳統(tǒng)清洗工藝[8-9]。與傳統(tǒng)清洗相比，激光清洗具有非接觸、無損傷、清洗效率高、清潔質(zhì)量好、綠色無污染的優(yōu)點，是一種綠色的清洗方法[10-12]。在激光清洗的過程中，激光照射到工件表面，并與物質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)作用，剝離基材表面污染物，其產(chǎn)物可以通過相應(yīng)的凈化裝置吸收，不對加工環(huán)境造成影響，已清洗的表面反射大部分激光，不損傷基材[13]。近年來，中外學(xué)者均對激光清洗材料表面進行了研究。陳國星等[14]利用激光清洗技術(shù)對不銹鋼表面進行清洗試驗，研究不同激光功率對清洗效果的影響,得出了最佳激光清洗參數(shù)。夏佩云等[15]研究激光清洗技術(shù)對鋁合金硫酸陽極氧化膜的清洗試驗，分析了激光清洗的機理和特性，驗證了焊前激光清洗工藝的可行性。Antonopoulou-Athera等[16]使用Nd：YAG激光器對金屬硬幣進行激光清洗，驗證了激光清洗銅、銀和鋁合金是可行的。盡管中外學(xué)者在激光清洗參數(shù)對金屬銹蝕表面的清洗效果、清洗質(zhì)量方面取得一些研究成果，但對于激光清洗材料表面的組成元素及其相對含量研究甚微。

利用光纖脈沖激光器對釹鐵硼材料進行激光清洗試驗，研究激光功率對激光清洗釹鐵硼表面形貌的影響規(guī)律，分析激光清洗后釹鐵硼材料的表面形貌和元素組成的變化，找到激光清洗最優(yōu)的工藝參數(shù)，為光纖脈沖激光清洗的研究以及在釹鐵硼材料上的應(yīng)用提供重要的參考。

1 實驗條件和方法

1.1 樣件材料制備

試驗所使用的釹鐵硼材料的尺寸為50 mm×50 mm×2 mm，其化學(xué)成分如表1所示。試驗釹鐵硼樣品的制備：將50 mm×50 mm的釹鐵硼工件放置在線切割機床上，將其切割成2 mm厚的薄片，然后將其用去離子水沖洗，最后吹干，在空氣中放置10 d，即可獲得帶銹蝕和油污的試驗樣品。

表1 釹鐵硼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 激光清洗試驗

圖1所示為激光清洗系統(tǒng)示意圖，包括光纖激光器、紅外激光專用光學(xué)系統(tǒng)(包括擴束系統(tǒng)、振鏡掃描系統(tǒng)和掃描聚焦系統(tǒng))、計算機控制系統(tǒng)等裝置。激光器具體參數(shù)如表2所示。采用“弓”字形清洗路徑對10 mm×10 mm的區(qū)域進行激光清洗，清洗路徑如圖2所示。

圖1 激光清洗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of fiber laser cleaning syste

工藝參數(shù)數(shù)值激光波長λ/nm1 064功率P/W≤20頻率f/kHz20 ～ 80掃描速度 ν/(mm·s-1)≤10 000光斑半徑R/mm0.05

圖2 激光清洗路徑示意圖Fig.2 Schematic of laser cleaning path

激光清洗的工藝參數(shù)直接影響清洗釹鐵硼材料的效果，其中清洗效果的因素有激光功率、激光重復(fù)頻率、掃描速度、掃描間距等。為了完全均勻地去除釹鐵硼材料上的污染物提高清洗效率，利用光斑重疊率和掃描軌跡重疊率來確定實驗參數(shù)的選取。

光斑重疊率UP和掃描軌跡重疊率UL的關(guān)系表達式為

(1)

(2)

式中:ν為激光掃描速度，mm/s；D為激光光斑直徑，mm；f為激光重復(fù)頻率，kHz;L為激光掃描間距,mm。

已有實驗證明在光斑重疊率和掃描軌跡重疊率為30% ～ 40%時，能夠保證清洗質(zhì)量的前提下獲得最大的清洗效率[17]。因本實驗預(yù)探究激光功率對激光清洗效果的影響，故本實驗選取的光斑重疊率和掃描軌跡重疊率為UP=UL=40%,激光重復(fù)頻率選取40 kHz,可得到其他工藝參數(shù)：掃描速度為1 200 mm/s,激光掃描間距為0.03 mm。激光清洗實驗選取以激光功率3 W為間隔，從3～18 W設(shè)計實驗進行進行激光清洗。

激光清洗釹鐵硼材料試驗完成后，利用白光干涉儀觀察清洗后的釹鐵硼材料表面三維形貌并測量表面粗糙度；采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)和X射線能譜儀(energy dispersive spectroscopy, EDS)對清洗后表面形貌和元素組成及其含量變化進行檢測。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 激光清洗對釹鐵硼材料表面形貌及元素成份的影響

釹鐵硼表面的氧含量是影響電鍍效果的一個重要參數(shù)，故在激光清洗實驗后，對釹鐵硼材料表面晶格氧原子含量進行檢測，得到其氧含量的變化趨勢，進而判定激光對釹鐵硼材料的清洗效果。

圖3所示為激光清洗前釹鐵硼的表面形貌及成分分析。由圖3(a)可知，釹鐵硼表面附著大量的污染物，膜層結(jié)構(gòu)疏松多孔，無法阻止空氣和水分的侵入，會加速釹鐵硼內(nèi)部基體的腐蝕。根據(jù)圖3(b)的能譜分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)釹鐵硼材料激光清洗前表面含C元素和O元素，分別占到4.76%和15.83%的比例，這是因為表面附著大量的油污和銹蝕層原因?qū)е碌摹?/p>

隨著激光功率的增大，釹鐵硼材料表面污物開始有效去除，當(dāng)激光功率較小時，樣件清洗前后沒有明顯變化，因為激光功率較小，單位脈沖能量密度較低，使得激光束掃在樣件材料表面的溫度太低，不能對污染物造成影響。當(dāng)激光功率繼續(xù)增大到6 W時，如圖4(a)所示，樣件表面開始出現(xiàn)融化痕跡，污染物開始有效去除，在基體表面留下微細(xì)的激光劃痕以及深度較淺的腐蝕坑。根據(jù)圖4(b)的能譜分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)釹鐵硼材料表面經(jīng)過激光清洗后，F(xiàn)e、Nd元素相比激光清洗前有所增加，不過表面仍有少量的O元素，百分比為8.31%，與清洗前O元素含量相比降低了7.52%，說明此時的釹鐵硼表面經(jīng)過激光清洗后仍有少量的污染物和氧化層，清洗效果不佳。

圖3 激光清洗前釹鐵硼材料表面形貌及成分分析Fig.3 Morphology and composition analysis of NdFeB material surface before laser cleaning

圖4 6 W激光清洗后釹鐵硼材料表面形貌及成分分析Fig.4 Morphology and composition analysis of NdFeB material surface after laser cleaning at 6 W

在激光功率超過6 W時，釹鐵硼材料表面污染物的去除機理主要依賴于激光清洗的振動去除，脈沖激光作用在釹鐵硼材料表面后，釹鐵硼材料吸熱，表面污染物受熱迅速膨脹，膨脹過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于污染物的附著力，從而使得污染物振動剝離。隨著激光功率的繼續(xù)增加，激光去除材料深度增加，更多較淺的銹蝕坑被有效去除，較深的坑洞被清洗后熔融物填充。如圖5(a)所示，此時的激光的功率為12 W，由圖可以看出，表面的凹坑消失，樣件表面變得平整，無殘余的銹蝕氧化物區(qū)域，對其進行放大觀察，可以明顯看到釹鐵硼材料基體表面的晶界，微觀組織表面存在一些凹坑及灰白色組織，并呈不均勻分布，且主晶相Nd2Fe14B致密均勻，圖中灰白色組織為富Nd相包圍在主晶相附近，對主晶粒起到去磁耦合作用，這也另說明激光清洗對釹鐵硼材料表面組織無顯著影響，利用激光對釹鐵硼材料進行清洗是可行的。由圖5(b)可以看出，基材在激光功率為12 W清洗后，材料表面的C和O元素消失，與此同時首次在基材表面出現(xiàn)B元素，含量為0.84%，接近清潔釹鐵硼材料中B元素的成分含量。這說明釹鐵硼材料表面的污染層已經(jīng)被完全去除，此時的激光清洗效果最佳。

圖5 12 W激光清洗后釹鐵硼材料表面形貌及成份分析Fig.5 Morphology and composition analysis of NdFeB material surface after laser cleaning at 12 W

圖6 不同激光清洗后釹鐵硼材料表面形貌(15 W、18 W) 以及對應(yīng)的成分分析Fig.6 Morphology of NdFeB material surface after laser cleaning at with different laser powers 15 W、18 W and corresponding composition analysis

隨著激光功率的增加，當(dāng)激光束聚焦后溫度高于材料氣化溫度，使得污染物迅速氣化去除，這種條件的清洗效果明顯但容易造成基體材料損傷。如圖6(a)所示，當(dāng)激光功率達到15 W時，樣件釹鐵硼材料表面開始出現(xiàn)輕微的損傷，并有細(xì)小的微裂紋，表面出現(xiàn)殘留的微小凹坑，且伴有輕微的爆破聲音，說明此時的激光功率已經(jīng)對釹鐵硼基體材料造成一定的損傷，由圖6(c)能譜分析可知，與前激光功率為12 W時的能譜相比，此時的激光清洗后的表面組成元素中多了O元素，且含量占到4.96%，且此時的鐵元素含量也增加到72.34%，說明此時的激光清洗以及使基體中部分元素氧化產(chǎn)生了氧化物產(chǎn)物，使得激光清洗效果較差。隨著激光功率的增加，清洗過程中的爆破聲音越來越大，而且基底材料出現(xiàn)了很嚴(yán)重的燒蝕裂紋，同時基體材料出現(xiàn)融化、汽化后的細(xì)小孔洞，且表面發(fā)生了嚴(yán)重的重熔現(xiàn)象，如圖6(b)所示，說明此時的激光清洗機理主要為燒蝕效應(yīng)和振動效應(yīng)，此時的激光功率為18 W，已經(jīng)嚴(yán)重對釹鐵硼基體材料造成損傷，由圖6(d)能譜可以看出，O元素與前面相比增大到12.96%，說明此時釹鐵硼基體材料已經(jīng)氧化嚴(yán)重，圖6(b)中黑色小孔附近的物質(zhì)即為對應(yīng)的氧化產(chǎn)物，此時激光對釹鐵硼材料過度清洗，清洗效果極差。

2.2 激光清洗對釹鐵硼材料表面粗糙度的影響

對前面激光清洗釹鐵硼材料的區(qū)域進行粗糙度的測試，為提高準(zhǔn)確性，每個區(qū)域的樣品測試3次后求取平均值進行比較。激光清洗后釹鐵硼材料表面的粗糙度變化趨勢如圖7所示?？梢娫诩す馇逑催^程中，隨著激光功率的增加，激光清洗后釹鐵硼材料表面的粗糙度先增大后減小隨后又增大。結(jié)合前面的電鏡照片可以看出，在激光功率較低時，釹鐵硼樣件表面部分污垢被去除，在材料表面留下激光燒蝕的劃痕，未被清洗的腐蝕坑露出材料表面，導(dǎo)致樣件表面凹凸不平，粗糙度增大；當(dāng)激光功率較高時，剩余的污垢和銹蝕層被去掉后，基體發(fā)生重熔，熔融的材料有效填充了腐蝕產(chǎn)生的微坑，使得樣件表面平整，粗糙度減小；當(dāng)激光功率更高時，樣件表面吸收較高的激光能量，使得產(chǎn)生的熱應(yīng)力太大，對基體材料表面產(chǎn)生損傷，在樣件表面出現(xiàn)細(xì)小的微裂紋，甚至過高的激光能量會在基體材料表面燒蝕出許多孔洞，并且會溢出部分熔融物固結(jié)在材料表面，使得材料表面的粗糙度增大。

圖7 激光清洗后釹鐵硼材料表面粗糙度的變化Fig.7 Surface roughness change of NdFeB after laser cleaning

3 結(jié)論

利用納秒脈沖激光對釹鐵硼材料表面進行激光清洗，研究了激光功率對清洗后表面形貌、表面元素組成和粗糙度的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1)隨著激光功率的增加，釹鐵硼材料表面開始出現(xiàn)熔融，污染物被有效去除，且在樣件表面留下腐蝕坑，使得材料表面粗糙度增大，清洗效果較差。

(2)當(dāng)激光功率達到12 W時，樣件表面光潔平整，粗糙度減小，表面沒有C元素和O元素，污染物和銹蝕層被有效去除，激光清洗效率最佳。

(3)當(dāng)激光功率過高時，釹鐵硼材料表面因燒蝕過度出現(xiàn)微裂紋、細(xì)小孔洞以及殘留的氧化物雜質(zhì)，使得清洗后釹鐵硼材料表面的粗糙度又增大。