飛秒激光在材料微加工中的初步研究

馬 切 馬 杰 劉勇濤 周 霖 樊群超 許 州 陳 楊

（1.西華大學(xué)軍民融合處，四川 成都 610039；2.西華大學(xué)理學(xué)院，四川 成都 610039）

0 引言

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，大深徑比微小孔加工技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中，其顯著特征是孔徑小、深度大、準(zhǔn)確度高和應(yīng)用材料廣泛（如高溫合金、玻璃和晶體等物質(zhì)）。微孔加工技術(shù)主要包括傳統(tǒng)機(jī)械加工、電火花加工以及電液束加工等技術(shù)，這些加工技術(shù)有各自的特點(diǎn)，但對(duì)于高質(zhì)量、高精度的微孔加工需求，傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)無法滿足。近年來隨著飛秒激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，其有加工精度高、無熱熔、材料適用范圍廣的特點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用在高準(zhǔn)確度微結(jié)構(gòu)成型中。為了滿足航發(fā)渦輪葉片對(duì)深微孔的需求，我們進(jìn)行了飛秒激光微加工的初步研究。

1 材料大深徑比微孔加工方法

1.1 傳統(tǒng)加工方法

最傳統(tǒng)的鉆頭鉆孔加工方式是使用鉆頭在機(jī)床上對(duì)板材進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆孔，其加工工藝成熟，對(duì)孔徑較大的圓形孔有較好的加工效果。但對(duì)于如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片氣膜孔、發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴等孔徑非常小的大深徑比異形孔的加工卻具有很大的難度。現(xiàn)有最小鉆頭直徑為0.5 mm，而直徑3.0 mm以下的鉆頭屬于微型小規(guī)格鉆頭，也稱為微鉆，使用鉆頭鉆孔加工時(shí)，加工效率低，鉆頭損耗嚴(yán)重且易斷裂[1]。鉆頭鉆孔對(duì)鉆頭強(qiáng)度要求較高，加工材料種類比較局限。

1.2 電加工

1.2.1 電火花加工

電火花加工（Electrical Discharge Machining，EDM）是一種非常規(guī)的加工工藝，廣泛應(yīng)用于模具制造、航空航天產(chǎn)品和外科設(shè)備等領(lǐng)域。電火花加工方法已成為航發(fā)葉片氣膜冷卻孔加工的主流方法，但其加工材料一般為導(dǎo)電材料，對(duì)于帶熱障陶瓷涂層的葉片難以完成一次性加工，所以一般采用先打孔再涂層的加工方法。但在涂敷涂層的過程中，涂層不可避免地沉積在氣膜孔內(nèi)表面，導(dǎo)致氣膜孔孔徑減小，需要進(jìn)行二次加工[2]。用于氣膜孔加工的電火花打孔技術(shù)還需要進(jìn)一步完善。

1.2.2 電液束加工

電液束鉆孔（electro jet drilling，EJD）是一種先進(jìn)的加工工藝，適合加工孔徑為0.8 mm以下的微細(xì)孔。電液束加工也存在一些缺陷，例如加工效率較低、工作液易對(duì)非加工區(qū)域造成腐蝕等。

1.3 激光加工

激光加工是利用激光器產(chǎn)生的高能量光束與加工件相互作用，使被照射部分瞬間被加熱熔化或者氣化，氣化物帶著熔化物從基體底部向外噴射形成微孔，被廣泛應(yīng)用于金屬（鋼、鋁）、陶瓷（碳化硅、氧化鋁和氮化硅）以及各種高分子（特福龍和聚酞胺）材料的加工。

激光又分為長(zhǎng)脈沖激光、短脈沖激光和超短脈沖激光。長(zhǎng)脈沖激光的脈沖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致加工區(qū)域邊緣不整齊，加工精度有限。超短脈沖激光具有光強(qiáng)超強(qiáng)、作用時(shí)間超短的特性，能實(shí)現(xiàn)材料的 “冷加工”，加工區(qū)域邊緣整齊、光潔度高，適用于高精度的微納加工。

2 飛秒激光加工

2.1 飛秒激光發(fā)展歷程

20世紀(jì)70年代中后期，各種鎖模技術(shù)建立完善，例如主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模等，能產(chǎn)生皮秒量級(jí)脈沖激光。80年代，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室 R. L. Fork 等利用碰撞脈沖鎖模技術(shù)首次獲得90 fs的超短脈沖激光[3]。20世紀(jì)90 年代，由于固體介質(zhì)的克爾透鏡鎖模原理和啁啾放大技術(shù)的提出，使超短脈沖技術(shù)正式進(jìn)入飛秒時(shí)代。

2.2 飛秒激光與物質(zhì)作用機(jī)理

飛秒激光是典型的超快激光，具有超強(qiáng)（峰值功率密度達(dá)1 022 W/cm2）、超快（脈沖寬度：10 s～15 s）的物理特性。

在飛秒激光與物質(zhì)作用過程中，激光脈沖能在極短的時(shí)間內(nèi)以極高的功率密度將激光能量傳遞給靶材，發(fā)生自由電子吸收光子能量和儲(chǔ)能的過程。緊接著大部分電子能量通過電聲耦合的形式傳遞給晶格。由于能量沉積很快，在極小的空間范圍內(nèi)已經(jīng)達(dá)到了材料的損傷閾值，在焦斑面積內(nèi)形成超高溫、超高壓的等離子體，最終材料以相爆炸形式被去除。由于該過程作用時(shí)間極短，電子熱量還來不及向周圍材料傳遞，材料的熱影響區(qū)非常小，實(shí)現(xiàn)了激光的非熱熔加工，所以飛秒激光加工屬于“冷加工”過程。

2.3 飛秒激光與物質(zhì)作用理論模型

飛秒激光與靶材作用時(shí)會(huì)伴隨一系列非平衡物理過程。經(jīng)過將近50年的研究，研究人員先后提出了一些理論模型，例如雙溫模型（Two Temperature Model，TTM）、分子動(dòng)力學(xué)模型（Molecular Dynamics， MD）[4]、熱電子爆炸模型等，以及各理論模型之間的結(jié)合模型[5-6]。其中雙溫模型和分子動(dòng)力學(xué)模型一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

1975年，蘇聯(lián)學(xué)者S. I.Anisimov.根據(jù)激光與物質(zhì)的作用機(jī)理提出雙溫模型（TTM模型），對(duì)受飛秒激光輻照的金屬物質(zhì)的電子系統(tǒng)和晶格系統(tǒng)分別建立了傳熱方程。方程中能量耦合系數(shù)G反應(yīng)了電子與晶格之間的能量弛豫過程。TTM模型能較好地反應(yīng)材料中能量的擴(kuò)散情況，得到普遍認(rèn)同和發(fā)展?；谝痪S熱傳導(dǎo)方程，雙溫方程可表示為：

式中：Te、Tl分別為電子與晶格系統(tǒng)的溫度，Ce、Cl分別為電子與晶格系統(tǒng)的熱容，ke、kl分別為電子與晶格系統(tǒng)的熱導(dǎo)率，S（x，t）表示材料中沉積的激光能量隨空間和時(shí)間的分布，G表示材料的電-聲耦合系數(shù)。

2018年，Abdelmalek A等，基于典雙溫方程TTM，提出新的電聲耦合系數(shù)Gc，模擬了金屬薄膜在低激光通量下，由于電子-離子碰撞過程中產(chǎn)生的非熱爆炸過程（NTE）和在高激光通量情況下出現(xiàn)的熱爆炸（TE）過程。

近年來，對(duì)飛秒激光與物質(zhì)作用的理論模型研究主要集中在雙溫模型和分子動(dòng)力學(xué)模型上，雖然這些模型能基本反應(yīng)激光與物質(zhì)的作用過程，但準(zhǔn)確度有限，同一形式很難在不同材料之間推廣。造成該結(jié)果的原因可能有2個(gè)。1）不同材料的物理學(xué)性質(zhì)差別較大，往往會(huì)出現(xiàn)一個(gè)模型只適用于一種材料的情況。2）由于該過程是一個(gè)超快作用的過程，材料燒蝕的機(jī)理較為模糊，在實(shí)驗(yàn)上很難對(duì)出現(xiàn)的一系列復(fù)雜的非平衡物理現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確的觀察和檢測(cè)，從而導(dǎo)致不能對(duì)已建立模型提供足夠高分辨率的反饋數(shù)據(jù)，模型改進(jìn)困難。

2.4 飛秒激光在材料加工中的應(yīng)用

飛秒激光的超快速時(shí)間和超高峰值特性使其能量快速、準(zhǔn)確地集中在限定的作用區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)幾乎所有材料的非熱熔性冷處理，具有傳統(tǒng)激光加工和其他加工方法無法比擬的高精度、低損傷加工優(yōu)勢(shì)。

由于鈦合金、高溫合金等難加工材料具有熱穩(wěn)定性好、熱強(qiáng)度高、耐腐蝕和抗磨損性能好等特點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于航空、航天以及兵器等工業(yè)部門。這些材料往往需要在高溫、高載荷的惡劣工作環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，所以為延長(zhǎng)材料使用壽命，降低維護(hù)成本，對(duì)材料的加工精度和加工質(zhì)量提出了極高的要求。例如，要提高圖1中航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的高溫承受能力，不僅需要在葉片上進(jìn)行熱障涂層，而且還要進(jìn)行亞毫米量級(jí)的大深徑比冷卻氣膜孔加工。目前，要求在帶涂層葉片上完成一次性、無重融層、無微裂紋和無熱影響區(qū)的高效率加工。傳統(tǒng)加工技術(shù)很難完成該類加工，所以發(fā)展出一系列特種加工技術(shù)，例如電火花加工、電液束加工、長(zhǎng)脈沖激光加工、水導(dǎo)激光加工以及飛秒激光加工等。但各種加工技術(shù)都存在缺陷，例如電加工難以加工陶瓷涂層，長(zhǎng)脈沖激光無法避免重融層、微裂紋等，水導(dǎo)激光加工技術(shù)國內(nèi)少有，還須進(jìn)一步發(fā)展。專門針對(duì)航發(fā)葉片氣膜孔的飛秒激光加工技術(shù)雖然還不成熟，但該技術(shù)有望在這方面實(shí)現(xiàn)突破。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片

對(duì)于一些晶體材料如金剛石、藍(lán)寶石晶體等，由于具有很高的硬度和耐腐蝕性，很難進(jìn)行機(jī)械和化學(xué)加工。而飛秒激光由于熱損傷小、加工分辨率高，所以被廣泛應(yīng)用于晶體材料微納加工，如圖2所示。

3 飛秒激光加工測(cè)試

3.1 現(xiàn)有飛秒激光加工系統(tǒng)

飛秒激光加工系統(tǒng)由飛秒激光器、擴(kuò)束鏡和三軸掃描振鏡組成，如圖3所示。激光器中心波長(zhǎng)1 031 nm、脈沖寬度400 fs、最大輸出功率17.5 W、最大單脈沖能量87μJ、有效光斑直徑2.5 mm、重復(fù)頻率50 k～1 000 kHz。三軸掃描振鏡通過控制擴(kuò)束鏡頭、反射鏡和聚焦鏡頭對(duì)輸入激光進(jìn)行控制，可將激光焦點(diǎn)精確控制在一個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行打標(biāo)、加工，焦斑直徑30μm。

3.2 加工測(cè)試

圖2 利用飛秒激光在（a）藍(lán)寶石和（b）金剛石材料上制備微納圖案

圖3 飛秒激光加工系統(tǒng)示意圖

圖4 飛秒激光加工系統(tǒng)加工測(cè)試

利用激光加工系統(tǒng)對(duì)渦輪葉片、DD406高溫合金材料以及藍(lán)寶石等進(jìn)行了微加工測(cè)試，如圖4所示。從圖中可以看出該加工系統(tǒng)具有微加工能力，但加工精度有待提高，在加工DD406高溫合金時(shí)邊緣出現(xiàn)了明顯熱效應(yīng)區(qū)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)飛秒激光加工質(zhì)量會(huì)受激光脈沖能量、激光重復(fù)頻率、掃描速度和離焦深度等因素影響，須對(duì)不同材料，針對(duì)不同要求進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化加工工藝。

對(duì)航發(fā)渦輪葉片進(jìn)行了0.1 mm和0.5 mm直徑的微孔加工，加工參數(shù)見表1。由于航發(fā)渦輪葉片是一種中空的雙層結(jié)構(gòu)，在對(duì)其進(jìn)行微孔加工時(shí)容易出現(xiàn)背部損傷（如圖5所示），該情況可以通過降低激光功率、上移焦點(diǎn)位置等方法進(jìn)行避免。但是這樣會(huì)降低加工效率，并且由于葉片各點(diǎn)厚度不一，孔形、孔徑不一致，無法統(tǒng)一加工參數(shù)，在較薄的區(qū)域容易出現(xiàn)過度加工，造成背部損傷。所以為避免該情況的發(fā)生，需要設(shè)置一套孔深在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制。

表1 飛秒激光渦輪葉片加工參數(shù)

4 結(jié)論

圖5 渦輪葉片打孔測(cè)試CT圖樣

當(dāng)前能對(duì)材料進(jìn)行高精度微加工的方法有電火花加工、電液束加工、超快激光加工等。通過分析，飛秒激光加工方法有望實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的大深徑比微孔加工。飛秒激光與物質(zhì)作用機(jī)理較為復(fù)雜，很難得到一個(gè)類似于傅里葉定律一樣能普遍反應(yīng)能量傳導(dǎo)過程的普適方程，所以還需要考慮更多因素，結(jié)合更多的數(shù)學(xué)手段對(duì)超快激光加工過程進(jìn)行理論模擬。同時(shí)，這也對(duì)檢測(cè)手段提出了更高的要求，在時(shí)間和空間上都需要較高的分辨率，以指導(dǎo)和驗(yàn)證激光燒蝕理論模型。在利用飛秒激光進(jìn)行渦輪葉片氣膜孔加工時(shí)出現(xiàn)了背部損傷，為避免該情況的發(fā)生須設(shè)計(jì)一套動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在加工的同時(shí)對(duì)孔深進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)孔深時(shí)系統(tǒng)能及時(shí)關(guān)閉激光，避免過度加工。