飛秒激光燒蝕納米孿晶金剛石的研究??

陳俊云 李召陽 王海東

(燕山大學車輛與能源學院，河北秦皇島066004)

單晶金剛石(SCD，single crystal diamond)因具有較高的硬度、優異的抗磨損性能和化學穩定性，是超精密切削領域的理想刀具材料[1]。但是各向異性、高溫穩定性差和易解理等特征使SCD刀具無法滿足光學玻璃、陶瓷、碳化鎢等硬脆材料切削加工的要求[2]。為了解決SCD刀具在硬脆材料超精密加工領域存在的問題，日本學者曾在2003年研制出納米多晶金剛石塊材，它具有各向同性、無解理特征且略高于SCD的最高硬度[3]。研究表明，納米多晶金剛石刀具在硫化鋅和碳化鎢模具切削中表現出比SCD刀具更高的抗磨損性能，但是刀具磨損仍然嚴重，切削精度達不到納米級。

2014年，超硬納米孿晶金剛石塊材(ntD，nanotwinned diamond)在燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室研制成功[4-5]。ntD為致密的多晶結構，每個納米晶粒內部具有平均厚度約5 nm的孿晶組織，其維氏硬度達到了200 GPa，ntD材料的硬度是SCD硬度的兩倍。ntD材料具有各向同性、無解理特征、韌性好等優勢。高溫穩定性是衡量刀具材料抗磨損性能的關鍵指標。ntD在空氣中的起始氧化溫度約1 000℃，比SCD高200℃[6]。因此，ntD有望成為在硬脆材料的超精密加工領域的理想刀具材料。然而超高的硬度和高溫穩定性為ntD材料的應用帶來了巨大的挑戰。前期研究表明將ntD材料研磨至鏡面的周期約為SCD的15～20倍，加工效率太低[7]。為了滿足超精密切削刀具制造需求，目前急需探索一種針對ntD材料的高效率成形加工技術。

超短脈沖激光能夠高效率、無損傷地創成復雜幾何形狀，近年來在超硬刀具制造領域得到了廣泛關注和深入研究[8]。飛秒激光加工以多光子電離和碰撞電離的形式去除材料，無熱損傷，加工精度相對較高[9-10]。因此，本文擬采用飛秒激光加工技術實現ntD材料的成形加工，通過實驗研究ntD材料與飛秒激光束的相互作用過程、激光加工輪廓的仿真預測、高效率成形加工工藝等內容，從而解決ntD材料刀具制造中的高效率成形問題。

1 飛秒激光加工ntD的實驗研究

1.1 實驗設備與樣品

本文中飛秒激光微加工系統由飛秒激光器、光路系統、成像系統、三維工作臺等組成。飛秒激光器為美國Coherent公司的摻鈦藍寶石飛秒激光器，激光模式是TEM11厄米-高斯光束。輸出激光中心波長為800 nm，脈沖寬度為33 fs，重復頻率為1 kHz，最大脈沖能量7 mJ。實驗樣品為直徑2 mm的ntD塊材，激光加工之前表面研磨至表面粗糙度Ra＜20 nm。

1.2 建立等效脈沖模型

飛秒激光對材料的燒蝕閾值與激光光斑有效輻射半徑內的脈沖數有關，而光斑內脈沖數可用等效脈沖數來描述[11]。在直線掃描路徑上，相鄰激光脈沖光斑之間的距離由掃描速度和脈沖的重復頻率確定，相鄰脈沖間距x0由式(1)表示:

式中:v為直線掃描速度。由于激光分布并非理想的圓形，所以燒蝕區域呈橢圓形，為簡化計算，將燒蝕區域簡化為圓形，實驗結果表明燒蝕半徑ω＝25μm。脈沖激光直線掃描模型如圖1所示，以原點(0，0)為起始點，沿著x軸正半軸分布NL個點，y軸正半軸同樣分布NL個點。光斑重復率φ由式(2)表示:

假設在路徑上的任一圓形區域內的等效脈沖數為Neq，所掃描的直線路徑中激光光斑總個數為2 NL，首尾兩點之間的距離為XNL＝x0.2 NL。激光掃描過的直線上局部光斑密度和整體光斑密度一致，可由公式(3)表述:

結合式(1)，等效脈沖數Neq滿足公式(4):

1.3 激光加工實驗中的能流密度分析

由于飛秒激光對材料的燒蝕閾值是關于脈沖數的函數，等效脈沖數公式可用于計算激光直線掃描時對材料的燒蝕閾值。在本實驗常用的激光功率范圍內，燒蝕半徑可近似為一定值；實驗中的激光重復頻率也是定值，根據式(4)，等效脈沖數僅與激光掃描速度呈反比關系。飛秒脈沖激光直線掃描ntD時產生燒蝕的閾值能流密度φth(N)如公式(5)所示:

本實驗中飛秒激光的實際能流密度φ由式(6)表示:

上述式中:P為激光功率；f為激光重復頻率；N為等效脈沖數；S為累積系數；ω0為激光束腰半徑；ω為光斑半徑。飛秒激光直線加工實驗中，激光功率能夠影響激光照射到材料表面的能流密度，而掃描速度可以改變閾值能流密度的大小。如果閾值能流密度大于實際能流密度，則材料不會產生燒蝕現象，因此通過改變激光功率和掃描速度兩個重要參數，可以控制材料的燒蝕現象的發生并且改變材料的去除速率。實驗中所用掃描速度和功率下對應的實際能流密度與燒蝕閾值曲線如圖2所示。

可以看出，激光加工的實際能流密度與掃描速度無關，與激光功率呈正比；飛秒激光對ntD材料產生燒蝕的閾值能流密度與激光功率無關，與掃描速度呈正相關關系。實驗選用的工藝參數與有限元仿真參數相同。從圖2可以看出，最小的實際能流密度均大于閾值能流密度的最大值。根據本文建立的等效脈沖模型以及閾值能流密度、實際能流密度的計算公式，可以從理論上計算實際與閾值能流密度之間的差值，進而估算激光加工的材料去除效率。

1.4 直線微槽加工實驗結果分析

飛秒脈沖激光直線掃描加工后，用掃描電子顯微鏡檢測微槽形貌，如圖3所示。

在相同的激光入射功率下，隨著掃描速度的增加微槽的深度逐漸減小，寬度變化不大，深寬比逐漸減小，形貌特征越來越不明顯，因此等效脈沖數是影響材料燒蝕的主要因素。當使用0.01 mm/s的掃描速度時，激光對材料的燒蝕現象最明顯，微槽邊緣重鑄現象嚴重，重鑄顆粒直徑約5μm，加工質量最差 ，但是加工效率最高，微槽深寬比最大。掃描速度0.1 mm/s時，槽內粗糙度值較大，微槽邊緣無明顯重鑄現象，但邊緣不平整質量稍差，出現明顯的波浪狀結構。掃描速度1 mm/s時，加工質量最好，燒蝕區域與樣本未加工區域形貌基本相同，兩區域無明顯界限，粗糙度無明顯差異，微槽深寬比最小，材料去除量小，加工效率最低。

掃描速度為0.05 mm/s，不同激光功率下加工微槽形貌如圖4所示。由圖可知，隨著激光功率的增加，激光掃描寬度基本不變，微槽的寬度、深度均增加，深寬比增大。在此速度下，激光功率在10 mW至50 mW變化時，微槽邊緣都沒有明顯的重鑄現象，掃描質量都比較理想，其中激光功率為50 mW時，材料去除率最高。

2 實驗結果分析

使用激光共聚焦顯微鏡(Olympus，S-3000)對微槽深度和寬度進行測量。通過對不同激光功率和掃描速度下槽的寬度和深度數據的對比分析，發現在激光加工微槽中，微槽深度、寬度的變化隨掃描速度的變化更加明顯，其中微槽深度隨掃描速度變化更加顯著。通過對激光直線微槽加工實驗的結果分析可知，與激光功率相比，掃描速度為主要影響因素。實驗結果如圖5和圖6所示。

通過圖中曲線對比，掃描速度為0.01 mm/s、0.05 mm/s、0.1 mm/s時，微槽寬度、深度受掃描速度影響較大，特別是當激光功率大于40 mW時微槽深度受激光功率影響較大，槽深隨功率的增加而快速增大，如圖5a、b所示；此外，當掃描速度為0.5 mm/s時，微槽寬度受激光功率影響較大，深度所受影響較小，如圖6a、b所示；最后，當掃描速度為1 mm/s時，微槽很淺，寬度受激光功率影響較小，且深度基本不受激光功率影響。

3 ntD刀具的飛秒激光輪廓加工

根據ntD材料的機械物理性能，面向硬脆材料的超精密切削刀具為其主要應用領域。為了驗證飛秒激光加工在ntD刀具高效率輪廓成形中的有效性，本文將ntD塊材用飛秒激光加工成刀尖圓弧半徑650 μm，前角為0°，后角為7°的圓弧刃切削刀具。根據激光加工的實驗研究結果，選取0.05 mm/s的掃描速度和50 mW的激光功率對后刀面進行切割。前刀面對粗糙度要求高于后刀面，因此采用1 mm/s的切削速度和10 mW的激光功率，蛇形掃描加工前刀面，如圖7所示。

飛秒激光加工后的ntD微刀具全貌如圖8所示，前后刀面及刃口形貌如圖9所示，整個加工過程僅用16 h，遠遠高于機械研磨的效率。采用激光共聚焦顯微鏡(LSCM)測量刀面的表面粗糙度和刃口鈍圓半徑，對20個不同區域進行測量，平均粗糙度Ra＝0.23 μm。切削刃鈍圓的半徑值為1.9μm。綜上，本文利用光斑束腰半徑為5.8μm的飛秒激光制備出了平均切削刃鈍圓半徑為1.9μm的ntD微切削刀具，且刃口形貌比較規則，切削刃鈍圓區域平滑完整，能夠滿足ntD刀具高效率輪廓加工的要求。

4 結語

針對維氏硬度遠高于單晶金剛石硬度的新型納米孿晶金剛石(ntD)材料，本文研究ntD材料在飛秒激光束下的蝕除過程、激光加工輪廓、高效率成形加工工藝等內容，得出了如下結論:

(1)根據直線微槽加工特點，本文建立了等效脈沖數模型，可以從理論上計算不同工藝參數對應的閾值能流密度和實際能流密度，通過比較實際與閾值能流密度之間的差值估算激光加工的材料去除效率。

(2)微槽深度和寬度均會隨著激光功率的增大、掃描速度的降低而增大；在相同掃描速度條件下激光功率對槽的寬度影響較小，并且深度基本不受激光功率影響；掃描速度為微槽表面質量和表面輪廓的主要影響因素。

(3)ntD刀具的輪廓加工結果，驗證了飛秒激光在ntD塊材的高效率成形加工中的可行性和有效性，但是針對ntD刀具的飛秒激光掃描策略及工藝參數仍需進一步研究。

.知識窗.

全熔透焊接(full penetration weld)整個接頭斷面上，從表面到背面焊縫金屬熔為體的焊縫設計稱之。為此，當單面或雙面焊接時不能保證透熔時，則必須借助各種坡口型式來得到保證。

全啟式安全閥(full opening type safetyvalve)指開啟高度等于或大于閥座喉徑的1/4的閥門。做成急開式(閥瓣在開啟的某瞬間突然跳起，達到全開高度)，主要用于氣體或蒸汽介質的場合。

全面生產維修(total productive maintenance)以使總的設備效率達到最高水平為目標，樹立以設備一生為對象的生產維修的全面體制。它是全員參加一不僅設備的計劃部門、使用部門、維修部門等所有部門，而且上自企業最高領導下至第一線作業人員悉數全面參加，并通過小組自主的活動來推行的生產維修。

全盤自動化系統(fully-automatic system；un-manned system)從顧客的訂貨分析到產品發送出廠，整個工廠的全部生產活動包括設計管理，加工裝配、檢測、物料搬運以及存庫等各項工作，都由計算機進行控制，由相應的自動化機構及機器執行。這種生產系統稱為全盤自動化系統。又稱無人化工廠。

自動焊機頭(automatie welding head)簡稱機頭，是指自動電弧焊機的操作組件中，將焊絲從焊絲盤中引出、直到熔化端的各種機構的組合總稱。通常包括送絲、矯直、位置與角度的調整、導電、輸送焊劑或保護氣體，冷卻等機構。