飛秒激光誘導TC4表面微觀組織研究

2020-09-23 12:02:12路夢柯楊廣峰

激光與紅外 2020年9期

崔靜,張杭,路夢柯,翟巍,楊廣峰

(中國民航大學機場學院,天津 300300)

1 引言

飛秒激光因其加工熱影響區小,精度高,無需后續處理,加工范圍廣,幾乎所有的材料都可以加工等優點,被廣泛應用于精密加工和特種加工領域[1]。飛秒激光誘導表面微納結構技術涉及光學、物理、材料、化學、生物、信息、控制、機械、納米科學等學科,為航空[1]、集成電路制造[2-3]、汽車[4]、生物醫療[5-6]等領域實現跨越式發展提供了重要的制造支撐。

Granados Eduardo等[7]在單晶金剛石中通過高度可控的直接飛秒紫外線激光誘導周期性表面制造光子表面結構,實驗通過改變激發波長,強度,沖擊脈沖數及其偏振態,得到了金剛石光柵結構。Suocheng Wang等[8]通過飛秒激光燒蝕和熱氧化的方法,在銅箔上誘導了原位Cu x O納米結構的生長來增大電容。劉凱軍等[9]利用飛秒激光在空氣和水中誘導鈦合金表面形成不同的周期條紋結構,分析了條紋方向和周期大小隨環境介質和能量密度的變化規律,利用表面等離子體和二次諧波以及Sipe理論進行了解釋。李志明等[10]對硅材料飛秒激光損傷進行了數值模擬,得到激光能量密度和脈沖延遲時間對熱積累效應的影響。許媛等[11]分析了飛秒脈沖激光燒蝕金屬的機理,通過建立一維熱傳導雙溫方程,得到多光子電離所導致的電子發射和熱電子發射對飛秒燒蝕過程的影響過程。張生孔[12]利用飛秒激光制備TiO2納米薄膜,通過激光誘導擊穿光譜(Lanser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技術確定等離子體溫度的時間演變特性和電子密度與能量密度之間的關系,得到等離子的演化特性,最后通過實驗得到最佳的成膜條件。李晨[13]通過有限差分法分析了飛秒激光作用于五種典型固體材料出現激光誘導周期性表面結構(Laser Induced Periodic Surface Structure,LIPSS)的原因,并用實驗得到了驗證,說明LIPSS 形成過程是材料表面微納米結構與電磁場相互作用的反饋過程。Huan Yang等[14]利用飛秒激光紋理化方法首次通過簡單的激光燒蝕制備了可承受應變高達400 %的有機硅彈性體超疏水表面,證明了飛秒激光改性材料表面結構的可行性。Xue Bai等[15]利用飛秒激光直接在熱響應形狀記憶聚合物(shape memory polymer,SMP)的表面上誘導分層的微柱陣列,成功地制備了可以改變其表面形態和潤濕性以響應熱的超疏水性記憶表面,。

TC4因耐熱性、耐蝕性好,強度高,塑性強廣泛應用于飛船機體、發動機風扇殼體、低壓和高壓壓縮機前端的圓盤、動翼、靜翼等關鍵部位[4-5],但是目前對于利用飛秒激光加工TC4后表面形貌的變化規律研究較少。因此本文以TC4為研究對象,利用飛秒脈沖激光對其加工的周期結構和微納凸起等方面進行了研究,通過改變飛秒激光的掃描速度,利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)、白光干涉儀和光學顯微鏡,觀察分析TC4表面形貌和顏色的變化。通過分析高斯光束的分布特點和光斑重疊率隨掃描速度的變化,從激光能量的角度解釋了表面不同形貌的形成原因,并根據燒蝕形貌特點對固定能量密度下激光掃描速度進行了劃分,得到了掃描速度對TC4表面形貌的影響規律。

2 試驗原理

本文所選激光器產生的光束為高斯光束,如圖1所示,各點的能量密度在空間上分布不均勻,在距離光束中心r處的空間能量密度Φ(r)與中心峰值能量密度Φ0的關系如下所示[6]:

圖1 高斯光束在空間上的分布

Φ(r)=Φ0exp(-2r2/ω02)

(1)

式中,ω0為經過透鏡聚焦后的光斑半徑。由此可以看出,光斑中心處強度最大,距離光斑中心越遠,即r越大,能量密度Φ(r)越低,呈遞減趨勢[16]。

在飛秒激光對金屬進行燒蝕過程中,燒蝕形貌和燒蝕出的周期結構陣列尺寸與激光的光斑重疊率和沉積在材料表面單位距離的脈沖數有關。激光的一次脈沖可以在樣品表面形成一個光源,在掃描過程中兩個光斑中間發生重疊。光斑的重疊率和單位面積內的脈沖數量可以通過掃描速度來改變,如圖2所示。

圖2 光斑重疊示意圖

因為光斑極小(50 μm)且脈沖持續時間為飛秒級別(10-15s)遠遠小于相鄰脈沖間隔(10-4s),所以為了方便計算,將光斑近似為正方形,重復頻率的倒數近似為相鄰兩個脈沖的時間間隔,得到光斑重疊率的計算公式[7]:

(2)

式中,φ為光斑重復率;d為光斑直徑,單位為μm;v為掃描速度,單位為mm/s;f為激光重復頻率,單位為kHz;v/f為光斑中心間距。從上式可以看出,激光的光斑重疊率與掃描速度成反比。在飛秒激光與TC4相互作用的過程中,激光的光斑重疊率決定了沿激光掃描方向單位距離的TC4表面沉積的激光能量大小。在激光重復頻率和光斑大小一定時,光斑重疊率僅與掃描速度有關,并且隨著掃描速度的增加,相鄰光斑中心間距增大,光斑的重疊度降低,單位面積內的脈沖數量減少,沉積在TC4表面的激光能量減少,根據多脈沖燒蝕的累積作用,掃描速度會誘導材料表面形成不同的微納結構。

3 實驗設備與方法

實驗材料為10mm×10mm×5mm的Ti-6Al-4V(α+β)型雙相鈦合金。在激光處理前先用熱鑲嵌機將材料鑲嵌,然后在Automet 250型研磨拋光機上依次采用80#、320#、600#、1000#、1500#和2000#砂紙打磨,接著用不同粒度的金剛石拋光液拋光,最后將TC4用去離子水、乙醇、丙酮各超聲清洗10 min,吹干待用。

實驗所選激光器為德國Trumpf公司的TruMicro 5000型飛秒激光器,脈寬800 fs,重復頻率400 kHz,中心波長1030 nm,激光器輸出激光后通過光學器件改變光束的傳播路徑,然后用聚焦透鏡將激光聚焦到待加工的樣品表面,用光學分析儀測得聚焦后的光斑直徑為50 μm。

整個實驗過程均在空氣環境中進行,無保護氣體和其他燒蝕介質,對待加工樣品采用“一”字形掃描路徑,掃描間距50 μm,掃描次數為一次,方向為從左到右。利用ZYGO白光干涉儀、ZeGage光學輪廓儀、徠科CX40M金相顯微鏡和KYKY-EM6900型掃描電子顯微鏡(SEM)對加工前后的樣品表面進行顯微形貌觀察,并通過能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)對加工前后材料微區成分的元素種類和含量進行分析,對白光干涉圖和掃描電鏡圖中的微納結構尺寸進行統計、分析和實驗數據的處理。

4 實驗結果分析

在激光誘導TC4表面微納結構的實驗中,實驗環境、實驗材料、飛秒激光的加工參數和物質的狀態等都會影響實驗的結果。本文通過改變激光的掃描速度來研究表面微納結構的變化規律。實驗中,能量密度恒為8.05 J/cm2,掃描速度從5×103mm/s降低至25 mm/s。根據第2節試驗原理可知,掃描速度會影響光斑重疊率進而改變沉積在材料表面激光能量的大小,表1為掃描速度與光斑重疊率之間的對應關系。

表1 不同掃描速度下的光斑重疊率

4.1 不同掃描速度下TC4樣品的白光干涉圖

圖3為不同掃描速度的飛秒激光加工后,利用白光干涉得到的TC4樣品的表面圖示。從圖3可以看到,在不同的掃描速度下,TC4表面的形貌發生了較大的變化。圖3(a)為掃描速度為5×103mm/s時,樣品表面形成與加工方向一致的條紋,且條紋峰值較低,隨著掃描速度的逐漸降低,條紋峰值逐漸增大,深度逐漸變深,條紋不連續；當掃描速度降低為25 mm/s時,如圖3(d)所示,樣品表面條紋消失,沿條紋方向出現小山峰狀的凸起,表面深度加深。

(a)v=5×103 mm/s

4.2 不同掃描速度下TC4樣品的微尺寸變化

圖4為選擇加工的樣品區域通過白光干涉得到的峰谷值(Peak-to-valley,PV)、均方根(Root Mean Square,RMS)和輪廓算術平均偏差(Roughness Average,Ra )隨掃描速度增大的變化趨勢圖。從圖中可以看出,隨著掃描速度的增大,PV、RMS、Ra均減小。其中掃描速度從25 mm/s增大到1×103mm/s時,PV變化較大,RMS和Ra變化較小；掃描速度從1×103mm/s增大到5×103mm/s時,樣品的PV、RMS和Ra變化較緩。說明當能量密度恒定時,掃描速度越大,單位時間內光斑的重疊率越低,材料表面沉積的激光能量越少,表面粗糙度越小。

圖4 PV、RMS、Ra隨掃描速度的變化曲線

圖5為加工前后樣品表面的算術平均高度Sa、根均方高度Sq隨掃描速度變化的關系圖。從圖中可以看出,隨著掃描速度的增大,Sa、Sq由快速下降變化到緩慢下降,因為隨著掃描速度的增大,光斑重疊率降低,單位面積上的能量減小,激光的燒蝕情況減弱。當掃描速度小于1×103mm/s時,光斑重疊率大于95 %,Sa和Sq變化較大,說明在能量密度為8.05 J/cm2時,掃描速度變化引起的光斑重疊率對材料影響越來越大；當掃描速度大于1×103mm/s,光斑重疊率小于95 %,Sa和Sq均變化較小,說明掃描速度變化引起的光斑重疊率對材料影響越來越小。

圖5 TC4表面Sa、Sq隨掃描速度的變化曲線

4.3 不同掃描速度下TC4樣品的SEM圖

圖6為不同掃描速度下的SEM圖,其中E為激光電場方向。根據4.2節研究表明,當光斑重疊率小于95 %,掃描速度大于1×103mm/s時,激光掃描速度對表面粗糙度的影響較小,表面形貌變化不明顯,對研究掃描速度對TC4表面形貌的影響意義不大,因此本文主要分析掃描速度由1×103mm/s降低到50 mm/s時TC4表面形貌的變化規律。

圖6(a1)為掃描速度2×103mm/s、放大1 k倍時,激光加工后TC4表面形貌的SEM圖。從圖中可以看出,沿激光掃描軌跡形成了間距為50 μm的條紋結構清晰,波峰頂部有微小凸起,根據高斯光束的特點,表明當掃描速度較大時,飛秒激光聚集的能量對掃描路徑上的材料燒蝕嚴重,對兩側材料燒蝕較輕；對所選區域放大10 k倍,如圖6(a2)所示,條紋頂端波峰處的圓形凸起均勻分布,單個凸起的尺寸在0.1 μm左右,在波峰側面向底部延伸的部位出現了經典的周期性條紋,方向與飛秒激光電場方向垂直,根據高斯光束在空間分布的特點,其側面未形成凸起。這種經典條紋的形成是由于激光照射到材料表面產生了表面等離子體,這些表面等離子體與入射激光相互作用發生干涉效應,在材料表面形成周期性能量場,在這種周期性能量場的作用下,材料表面形成了經典條紋。

當掃描速度為1×103mm/s時,TC4表面形貌如圖6(b)所示,根據圖(b1),沿激光掃描方向形成結構明顯的條紋,波峰與波峰之間連接,條紋間距變大。因為掃描速率降低,光斑重疊率增大,單位面積內激光與材料作用的面積增加,條紋間發生了熱影響；并且在條紋波谷處形成了很多微小的凸起,這些微小凸起排列成如圖6(b2)所示的規則圓環(白色虛線邊框中的形貌),從圖6(b2)可以看到,在靠近波峰處,圓形凸起的尺寸越來越大,這是因為越接近激光中心位置激光能量越大,中間小凸起整齊排列成圓環,在靠近波谷的位置有周期性條紋的產生,條紋方向與激光的電場方向垂直,同6(a2)。

當速度達到400 mm/s時,TC4表面形貌規律發生了變化,如圖6(c1),條紋結構不明顯,大片凸起連接成片,這是因為隨著速度的降低,激光光斑重疊率增大,激光能量的積累使燒蝕加深,經典條紋消失,形成凸起。將凸起放大到10 k倍下如圖6(c2),凸起尺寸平均在4 μm左右,凸起表面存在非經典條紋,條紋方向與激光電場方向一致,并且非經典條紋紋路加深,在微米凸起上形成二次納米凸起。

當掃描速度繼續降低到200 mm/s時,TC4表面形貌繼續發生變化,如圖6(d1)所示,經典或非經典周期性條紋結構和微納凸起不明顯,沿激光掃描方向直接被燒蝕,燒蝕區域增大,將其放大10 k倍如圖6(d2)所示,形成燒蝕坑,燒蝕坑側壁呈階梯狀分布,并且隨機分布著納米結構。

當掃描速度為100 mm/s時,如圖6(e1)所示,TC4表面形成脊柱狀燒蝕形貌,兩溝槽相鄰的部位存在著微納米級的皸裂狀結構,說明隨著掃描速度的減小,光斑的重疊率達到99 %以上,TC4表面溫度升高,達到燒蝕閾值,去除材料表面,同時發生熱容性損傷,材料表面先變成熔融狀,而后溫度降低又凝固成型。皸裂處放大如圖6(e2)所示,從圖中可以看到,皸裂處兩側如6(d2)相似,呈階梯狀結構,表面有微納米凸起。

當掃描速度降到50 mm/s時,如圖6(f1)所示,燒蝕的溝槽形狀變化極大,沿激光掃描方向形成珊瑚狀,將表面枝狀結構放大10 k倍如圖6(f2)所示,可以清楚地觀察到在枝狀側面和頂部形成了400 nm左右凸起。這種珊瑚狀結構是一種典型的二級結構,與荷葉表面的微凸起類似。

圖6 不同掃描速度下TC4樣品的SEM圖

圖7為低掃描速度下TC4裂紋處表面的SEM圖。從圖7(a)中可以看到當掃描速度為100 mm/s時放大10 k,皸裂處有較細微的裂紋,比較圖7(b),在掃描速度50 mm/s時200倍下裂紋清晰可見；當掃描速度為25 mm/s,如圖7(c)所示；比較圖7(b)(c)兩圖發現,掃描速度較大時,裂紋方向與激光的電場方向呈30°～40°。當掃描速度繼續降低,圖7(c)除了主線上的裂紋之外又出現了垂直與主線方向的裂紋,較之前裂紋數量增加。分析裂紋產生的主要原因是在激光的作用下,TC4材料表面溫度瞬時升高,但是飛秒激光的作用時間非常短,在TC4表面溫度還未均勻擴散到周圍時,激光的作用消失,表面溫度急劇下降,這就導致TC4表面突然冷卻出現了殘余應力,周圍的鑲嵌粉使得TC4沒有辦法自由的收縮和舒張,在TC4升溫膨脹冷卻收縮時出現了裂紋。并且裂紋的數量增多是因為隨著掃描速度的降低,光斑的重疊率增加,作用在TC4表面的溫度逐漸積累升高,導致裂紋數量增加。

圖7 TC4樣品裂紋處的SEM圖

4.4 不同掃描速度下TC4樣品的光鏡圖

圖8為不同掃描速度下放大500倍的TC4樣品表面形貌的光鏡圖。從圖中可以看出,隨著掃描速度的不同,TC4表面出現了不同的顏色。在掃描速度較高時,如圖8(a)～8(d),TC4表面顏色一致表現為黃色；當掃描速度降低至400 mm/s時,如圖8(e)所示,在樣品表面波谷處首次出現藍色,而波峰處依然呈現黃色；掃描速度繼續降低至200 mm/s時,樣品表面出現多種顏色,從波峰處黃色開始像波谷處逐漸為綠色、紫色、藍色,與文獻[8]的研究結果一致。隨著掃描速度的繼續降低(如圖8(g)和8(h)),材料表面彩色區域迅速減少,裂紋明顯且方向一致。

圖8 不同掃描速度下TC4樣品的光鏡圖

圖8激光誘導鈦合金表面呈現出了不同的顏色,主要是因為實驗過程中,激光能量和空氣中的氧氣作用在材料表面使表面發生了物質和結構的改變,從而呈現出不同的顏色。散射、干涉、衍射以及色散的折射和偏振作用涉及幾何光學和物理光學的顏色來源,過渡金屬化合物、過渡金屬雜質涉及配位場效應的躍遷的顏色來源[9]。

鈦的氧化物中一氧化鈦為金黃色,二氧化錠為純白色,三氧化二鈦為紫色,但是經過激光輻照作用后如圖8(f)所示,除了這些氧化物本身的顏色外,在這些顏色之間還出現了橙色、藍色等其他豐富的過渡顏色,這些顏色色譜幾乎涵蓋了整個可見光譜,因此可以推斷出這些顏色主要是過渡金屬化合物的內屬顏色以及金屬表面產生的納米級的周期性結構發生的散射、干涉等幾何和物理光學作用。

表2給出了TC4加工前后各元素的含量,從表中可以看到,加工前后,氧元素的含量出現了明顯的變化,加工前氧元素的含量只占0.2 %,加工后,氧元素的含量達到了39.59 %,據此分析,加工后TC4表面出現不同顏色是因為表面生成了氧化物,包括Ti+O2→TiO2和Ti+O2→Ti2O3等,這些氧化物本身的顏色是該實驗結果的一個呈現,另外在光的干涉作用下,不同厚度的氧化膜形成了中間過渡顏色。

表2 TC4加工前后各元素含量的百分比

在圖8(f)中,從波峰到波谷處,顏色逐漸從黃色變化到紫色和藍色。因為在激光的作用軌跡上,高斯光束的中心能量密度大,四周能量密度小,TC4的溫度分布不均勻,在能量密度大的波谷處,激光對材料表面的氧化程度大,使得金屬表面呈現藍色,而波峰處能量密度小,激光對材料表面的氧化程度小,金屬表面呈現黃色,所以從波峰到波谷處呈現出各種顏色過渡的結果。