飛秒激光燒蝕加工恒彈性合金的規(guī)律研究

王豪放，鄧圭玲，岳浩銘，蘇文毅，魯云鵬，羅 志，胡友旺

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410083;2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083)

1 引言

恒彈性合金，是一種具有高彈性模量和強(qiáng)度、低彈性模量溫度系數(shù)、良好的波速一致性的合金材料。由于其出色的性能，被廣泛應(yīng)用于各類精密電子設(shè)備、微機(jī)電系統(tǒng)、儀器儀表工業(yè)當(dāng)中［1］。由于其應(yīng)用環(huán)境的精密性，因此對(duì)于恒彈性合金的加工也需要很高的精度。然而，隨著其應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，傳統(tǒng)的機(jī)械加工手段已經(jīng)呈現(xiàn)出工序復(fù)雜，加工類型單一，精度不夠等缺陷。

飛秒激光作為一種近年來新興的加工手段，具有脈寬超短、峰值功率極高、精確的燒蝕閾值等特點(diǎn)，并且能夠有效地加工各種材料［2－4］。并且飛秒激光具有突破衍射極限加工、加工熱影響區(qū)極小等特點(diǎn)，這使其能夠完成對(duì)各種材料的超精密加工［5－8］。目前對(duì)于飛秒激光加工的研究多集中在光纖、光波導(dǎo)等半導(dǎo)體器件的加工上，對(duì)于金屬材料加工的研究也僅局限在一些純金屬或常見不銹鋼材料上，對(duì)于諸如恒彈性合金此類的特種合金加工的研究較少［9］。

本文對(duì)恒彈性合金進(jìn)行了飛秒激光燒蝕實(shí)驗(yàn)研究。首先，通過分析飛秒激光燒蝕金屬的機(jī)理和燒蝕坑徑的測(cè)量，計(jì)算出了恒彈性合金的單脈沖燒蝕閾值以及本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的燒蝕坑直徑的上限。然后，利用飛秒激光在恒彈性合金樣品上進(jìn)行脈沖燒蝕實(shí)驗(yàn)，對(duì)加工完成后的燒蝕坑進(jìn)行了形貌觀測(cè)，研究了不同激光參數(shù)對(duì)燒蝕坑的直徑與深度的影響。最后，為得到直徑大于燒蝕直徑上限的孔，在恒彈性合金上進(jìn)行了飛秒激光旋切加工。本研究可為飛秒激光加工恒彈性合金的應(yīng)用提供指導(dǎo)性的工藝方法和參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)加工系統(tǒng)主要由飛秒激光光源及其放大系統(tǒng)、傳輸光路系統(tǒng)、精密定位與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中采用的飛秒激光器是中心波長(zhǎng)為800 nm的美國(guó)光譜物理公司提供的摻鈦藍(lán)寶石固體飛秒激光器，最大輸出功率為3 W，重復(fù)頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間分別為1 kHz，120 fs。傳輸光路系統(tǒng)中，使用一個(gè)光學(xué)快門來控制燒蝕的脈沖數(shù)，利用衰減片來調(diào)節(jié)飛秒激光的能量，50 mm焦距的透鏡對(duì)激光完成聚焦。精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為NEWPORT公司生產(chǎn)的高精密三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并通過計(jì)算機(jī)對(duì)其完成精密運(yùn)動(dòng)控制。

實(shí)驗(yàn)采用一種恒彈性合金(主要成分為鐵鎳)，在實(shí)驗(yàn)前被切成20 mm×20 mm×2 mm大小的樣品，經(jīng)過精密磨削，拋光等工序，使其表面粗糙度降至0.1 μm左右。將加工完成的樣品安裝在三維精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。通過對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，將樣品需加工位置移動(dòng)到光斑聚焦處，完成燒蝕加工。

在實(shí)驗(yàn)研究中，首先通過分析單脈沖燒蝕閾值理論，結(jié)合燒蝕實(shí)驗(yàn)，測(cè)定恒彈性合金的燒蝕閾值。其次，控制不同脈沖數(shù)、脈沖能量的飛秒激光對(duì)恒彈性合金進(jìn)行脈沖燒蝕實(shí)驗(yàn)。將燒蝕后的樣品放入高濃度酒精溶液中進(jìn)行超聲清洗，洗去樣品表面的殘?jiān)退樾己?，利用激光共聚焦顯微鏡，掃描電鏡(SEM)等設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)。分析觀測(cè)結(jié)果得到脈沖燒蝕方法加工出的小孔的表面形貌，以及飛秒激光脈沖數(shù)和脈沖能量與燒蝕坑直徑和深度之間的關(guān)系。

圖1 飛秒激光加工系統(tǒng)Fig.1 Femtosecond laser processing system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 恒彈性合金的飛秒激光單脈沖燒蝕閾值測(cè)定

閾值是當(dāng)激光加工某材料時(shí)，在其他參數(shù)一定的情況下，激光達(dá)到燒蝕條件的最低能量密度。激光燒蝕固體靶材時(shí)，只有當(dāng)能量密度大于某一定值時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，這就是激光加工的閾值效應(yīng)［10］。在飛秒激光加工過程中，閾值效應(yīng)同樣存在。對(duì)于某種材料的燒蝕閾值的測(cè)定是研究飛秒激光燒蝕該材料的基礎(chǔ)。

對(duì)于材料燒蝕閾值的計(jì)算有以下公式［11］:

其中，D為激光燒蝕坑的直徑;ω0為聚焦光斑半徑;Φ0為激光峰值能量密度;Φth為材料的燒蝕閾值。其中燒蝕坑直徑可以直接測(cè)得，能量密度可以通過以下公式計(jì)算得到:

式中，E0為激光單脈沖能量;P為激光功率;fn為激光重復(fù)頻率;ω0需要通過實(shí)際的測(cè)量方式得到。實(shí)驗(yàn)測(cè)得光斑半徑為23.42 μm。最終計(jì)算得到恒彈性合金的燒蝕閾值為0.167 J/cm2。分析閾值理論可知，燒蝕坑直徑的平方與能量密度之間存在對(duì)數(shù)關(guān)系，即在脈沖燒蝕的其他條件不變的情況下，隨著能量密度的增大，燒蝕坑直徑會(huì)逐漸增大。但是由于加工系統(tǒng)的能量是有上限的，因此飛秒激光脈沖燒蝕的直徑也會(huì)有一個(gè)上限值。飛秒激光系統(tǒng)輸出的最大能量為3 W，則脈沖能量的上限為3 mJ，因此將此能量值代入式(1)，得到此脈沖燒蝕直徑的上限值為 150.64 μm。

3.2 恒彈性合金的飛秒激光燒蝕實(shí)驗(yàn)

在其他實(shí)驗(yàn)條件一定的情況下，使用3、5、10、20、50、100、200 μJ的脈沖能量，1、5、10、20、50、100、200、500、1000的脈沖數(shù)的組合作為激光參數(shù)進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn)研究。本實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均使用德國(guó)蔡司公司的LSM700激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)得到，表面形貌則由掃描電鏡拍攝得到。

圖2為不同參數(shù)的飛秒激光脈沖燒蝕恒彈性合金樣品得到的微坑表面形貌圖?？梢钥闯觯?dāng)所用脈沖數(shù)和脈沖能量均較小時(shí)，激光作用輪廓有些不明顯;隨著脈沖能量和脈沖數(shù)的逐步增加，坑內(nèi)部凹凸不平的形貌逐漸清晰;而當(dāng)脈沖能量和脈沖數(shù)均較大時(shí)，燒蝕坑較深并且其中殘留物質(zhì)較多，形狀極為不規(guī)則。因此當(dāng)利用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量燒蝕坑直徑時(shí)，選取能掃描到的激光作用區(qū)域最大輪廓直徑為燒蝕坑直徑值;當(dāng)測(cè)量燒蝕坑深度時(shí)，選取坑中最深位置與表面的垂直距離作為其深度值。

圖2 不同參數(shù)的飛秒激光脈沖燒蝕恒彈性合金樣品得到的燒蝕坑表面形貌圖Fig.2 Surface morphology of craters ablated by femtosecond laser with different parameters of constant elasticity alloy

不同脈沖能量和不同脈沖數(shù)對(duì)恒彈性合金的飛秒激光脈沖燒蝕直徑的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 脈沖能量與燒蝕坑直徑之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between pulse energy and ablation diameter

圖4 脈沖數(shù)與燒蝕坑直徑之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between pulse number and ablation diameter

圖3中，選取脈沖數(shù)N分別為5、20、100的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，當(dāng)飛秒激光能量較小時(shí)，隨著脈沖能量的增加，燒蝕坑直徑迅速增大，增大到約50 mW之后，孔徑大小的變化隨脈沖能量的增大逐漸趨于平穩(wěn)。將三組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合，得到三條類似對(duì)數(shù)的曲線，這與閾值理論是相互印證的。圖4中，選取脈沖能量分別為 5、20、100 μJ的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，各組數(shù)據(jù)中，在燒蝕脈沖數(shù)較少的情況下，隨著脈沖數(shù)的增加燒蝕坑直徑先急劇增大，到大約100個(gè)脈沖之后，燒蝕坑直徑基本趨于穩(wěn)定，不再隨脈沖數(shù)的增加而增大。因此，在一定范圍內(nèi)可以通過增大脈沖能量得到更大直徑的燒蝕坑。并且通過閾值理論的計(jì)算，可以得到一定范圍內(nèi)，燒蝕坑直徑和脈沖能量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這能夠完成對(duì)一定范圍內(nèi)對(duì)燒蝕坑直徑的精確控制。

分析不同脈沖能量和不同脈沖數(shù)對(duì)恒彈性合金的飛秒激光脈沖燒蝕坑深度的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 脈沖能量與燒蝕坑深度之間的關(guān)系Fig.5 The relationship between pulse energy and ablation depth

圖6 脈沖數(shù)與燒蝕坑深度之間的關(guān)系Fig.6 The relationship between pulse number and ablation depth

圖5中，選取脈沖數(shù)N分別為5、20、100的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，各組數(shù)據(jù)中，燒蝕坑深度都會(huì)隨著脈沖能量的增加而增大。圖6中，選取選取脈沖能量分別為5、20、100 μJ的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出在各組數(shù)據(jù)中，脈沖數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致燒蝕坑深度的增大。并且隨著脈沖能量越大時(shí)，燒蝕坑深度隨脈沖數(shù)增大而增大的速度也越大。對(duì)比兩圖，可以看出當(dāng)脈沖能量增大的時(shí)候，坑深的增大速度要遠(yuǎn)大于當(dāng)脈沖數(shù)增大的時(shí)候，坑深的增大速度。因此，在需要增大燒蝕坑深度的時(shí)候，脈沖數(shù)的增大是一個(gè)相對(duì)更有效率的選擇。

由本文閾值理論中的計(jì)算可知，飛秒激光脈沖燒蝕坑直徑是有一個(gè)上限值的，所以當(dāng)需要加工直徑大于此值的小孔時(shí)，單單采用飛秒激光脈沖燒蝕的方法已不能滿足要求。此時(shí)，對(duì)恒彈性合金進(jìn)行飛秒激光旋切加工。圖7為在脈沖能量為50 μJ時(shí)，恒彈性合金的飛秒激光旋切加工小孔的SEM表面形貌圖?？梢钥闯?，圖中的加工孔徑約為500 μm，遠(yuǎn)大于恒彈性合金的脈沖燒蝕直徑的上限150.64 μm。飛秒激光旋切加工可以有效地完善脈沖燒蝕的不足，突破了脈沖燒蝕在燒蝕直徑上的限制。

圖7 在脈沖能量為50μJ時(shí)，恒彈性合金的飛秒激光旋切加工小孔的SEM表面形貌圖Fig.7 The SEM surface morphology of constant elasticity alloy crater machined by femtosecond laser trepanning(pulse energy is 50μJ)

4 結(jié)論

本文對(duì)恒彈性合金的飛秒激光燒蝕加工進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。首先，基于飛秒激光燒蝕的閾值理論，通過一系列測(cè)量實(shí)驗(yàn)測(cè)量計(jì)算出了恒彈性合金的飛秒激光燒蝕閾值為0.167 J/cm2，同時(shí)計(jì)算出了脈沖燒蝕坑直徑的上限值為150.64 μm。通過燒蝕實(shí)驗(yàn)分析，得到結(jié)論:當(dāng)對(duì)恒彈性合金進(jìn)行飛秒激光燒蝕燒蝕時(shí)，可以通過增大脈沖能量來增大燒蝕坑直徑，同時(shí)可以增大脈沖數(shù)來增大燒蝕坑深度。并且提出在需要得到直徑大于飛秒激光燒蝕直徑上限的孔時(shí)，可以采用旋切加工方法。

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