吸收層對(duì)銅箔飛秒激光沖擊強(qiáng)化的影響

田甜，張景泉，黃婷，肖榮詩(shī)

（北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部 智能光子制造研究中心，北京 100124）

激光沖擊強(qiáng)化是利用高功率密度的脈沖激光產(chǎn)生高溫高壓等離子沖擊波，作用于金屬材料后，提高其硬度、抗疲勞和耐腐蝕等性能[1-6]。目前，采用納秒激光進(jìn)行沖擊強(qiáng)化可以在材料表面實(shí)現(xiàn)數(shù)百微米乃至毫米厚度的塑性變形層。例如，Ni 合金[7]、純Ti[8]、Al 合金[9]在納秒激光沖擊下，表面的塑性變形層分別達(dá)到300、350 μm 和1.5 mm。近年來，利用飛秒激光進(jìn)行沖擊強(qiáng)化提高微小零件的性能引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。飛秒激光沖擊強(qiáng)化具有沖擊光斑小、沖擊深度淺、熱影響小的技術(shù)特點(diǎn)[10-11]，在材料表面可以實(shí)現(xiàn)幾微米厚的沖擊強(qiáng)化層。例如，純Fe在飛秒激光沖擊下，表面的影響深度為4 μm[12]。

激光沖擊強(qiáng)化通常使用黑色油漆、黑色膠帶、金屬箔作為靶材表面的吸收層，吸收層吸收激光能量，產(chǎn)生等離子體，同時(shí)保護(hù)樣品表面不被破壞；使用1～2 mm 的水層作為約束層，約束膨脹的等離子體，增加沖擊力。納秒激光沖擊強(qiáng)化研究表明，吸收層對(duì)沖擊結(jié)果具有顯著影響。在相同的納秒激光能量密度沖擊下，覆有Al 箔的Al 合金[13]比覆有黑色膠帶的Al 合金[14]的顯微硬度高16%。

由于飛秒激光脈寬極短，在很低的能量下也能產(chǎn)生較高的壓力[15]。直接使用飛秒激光照射材料表面，也能誘導(dǎo)高壓沖擊波穿透進(jìn)入材料內(nèi)部，使材料發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)的變化，且材料所受熱影響極小[16]，所以目前大多數(shù)飛秒激光沖擊強(qiáng)化研究不使用吸收層和約束層。但是，飛秒激光直接作用在靶材上，會(huì)在靶材表面誘導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)，隨著激光能量密度的增大，造成靶材表面的破壞和氧化[17]。僅采用約束層進(jìn)行飛秒激光沖擊強(qiáng)化時(shí)，激光作用過程中產(chǎn)生的氣泡會(huì)對(duì)后續(xù)激光脈沖的散射造成聚焦困難[18-20]。Lee 等人[21]的研究中，使用飛秒激光對(duì)吸收層為Zn、約束層為水層的不銹鋼進(jìn)行沖擊，證明了吸收層和約束層同時(shí)存在的情況下，飛秒激光沖擊可以使材料的硬度提升9.3%。因此，在飛秒激光沖擊強(qiáng)化中，使用吸收層和約束層不僅可以保護(hù)靶材表面，也可以提高靶材的性能。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)吸收層對(duì)飛秒激光沖擊強(qiáng)化影響的研究鮮有報(bào)道。本文采用吸收層和約束層的沖擊模式，在兩種厚度的吸收層下對(duì)Cu 箔進(jìn)行飛秒激光沖擊強(qiáng)化，通過顯微組織表征和殘余應(yīng)力、顯微硬度測(cè)試，揭示吸收層對(duì)顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)

選用厚度100 μm、純度99.99%的Cu 箔作為靶材。飛秒激光沖擊強(qiáng)化前，先對(duì)Cu 箔表面進(jìn)行機(jī)械拋光，再使用50%的磷酸溶液電解拋光30 s，超聲清洗5 min 后，吹干待用。采用1 mm 的水層作為約束層。吸收層分別為金屬Pt 和黑色膠帶。其中，黑色膠帶的厚度為 170 μm(樣品標(biāo)記為 Cu-μm)。采用Quorum Q150TS 的離子濺射儀制備金屬Pt 層，厚度為324 nm（樣品標(biāo)記為Cu-nm）。

圖1 飛秒激光沖擊強(qiáng)化和激光掃描路徑Fig.1 Schematic diagram of femtosecond laser shock peening and laser scanning path

采用HITACHI S300 掃描電鏡（SEM）觀測(cè)飛秒激光沖擊后Cu 箔表面的變化。采用電子背散射衍射（EBSD, TSL OIMTM）對(duì)激光沖擊后的Cu 箔表面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，掃描區(qū)域?yàn)?50 μm×250 μm，步長(zhǎng)為0.5 μm。采用X 射線衍射儀（XRD, BRUKER D8 DISCOVER，Co 靶，CuKα）進(jìn)行殘余應(yīng)力的檢測(cè)，選擇(311)面作為衍射晶面，其衍射峰對(duì)應(yīng)的2θ為108°，本實(shí)驗(yàn)中2θ掃描范圍選為104°～112°。應(yīng)力測(cè)試采用側(cè)傾固定ψ法，ψ角分別取0°、25°、35°、45°，掃描步距為0.1°，單點(diǎn)測(cè)試時(shí)間為100 s，管電壓為40 kV，管電流為30 mA。采用顯微硬度計(jì)（FUTURETECH）在10 g 載荷下對(duì)激光沖擊后的Cu 箔表面進(jìn)行硬度測(cè)量，保載時(shí)間為15 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

在不破壞樣品表面的前提下，本文首先研究了Cu-nm、Cu-μm 兩個(gè)樣品可以承受的飛秒激光最大沖擊遍數(shù)。經(jīng)飛秒激光沖擊1 遍后，Cu-nm 的表面形貌如圖2a 所示，激光沖擊區(qū)域呈現(xiàn)白色痕跡。去除激光作用區(qū)域的吸收層，并用丙酮清洗后，Cu 箔表面無損傷，如圖2b 所示。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)飛秒激光沖擊2 遍后，Cu-nm 表面被破壞，激光沖擊區(qū)域呈現(xiàn)不規(guī)則的作用痕跡，如圖2c 所示。Cu-μm 經(jīng)飛秒激光沖擊后的表面形貌如圖3 所示。結(jié)果表明，Cu-μm 可以承受的最大激光沖擊遍數(shù)為470 遍。因此，Cu-nm、Cu-μm 的顯微組織和力學(xué)性能均采用最大沖擊遍數(shù)進(jìn)行研究，此時(shí)激光作用區(qū)域達(dá)到最大沖擊效果。

圖2 飛秒激光沖擊Cu-nm 表面形貌Fig.2 Surface morphologies after femtosecond laser shock on Cu-nm: a) macro morphology after femtosecond laser shock; b)undamaged morphology; c) damage morphology

圖3 飛秒激光沖擊Cu-μm 表面形貌Fig.3 Surface morphologies after femtosecond laser shock on Cu-μm: a) macro morphology after femtosecond laser shock; b)undamaged morphology; c) damage morphology

Cu-nm、Cu-μm 經(jīng)飛秒激光沖擊后，Cu 箔的晶界分布和局部取向差（Kernel Average Misorientations,KAM）分布分別如圖4 和圖5 所示。圖4 中紅色線代表小角度晶界（2°～15°），藍(lán)色線代表大角度晶界（15°～65°），黑色線代表孿晶界。未經(jīng)飛秒激光沖擊的Cu 箔母材具有軋制退火后的退火孿晶（見圖4a箭頭），孿晶片較厚，有的貫穿了整個(gè)晶粒。經(jīng)飛秒激光沖擊后，Cu-nm、Cu-μm 兩個(gè)樣品的晶粒都發(fā)生了畸變（見圖4b、c）。其中，Cu-nm 產(chǎn)生了形變孿晶（見圖4b 箭頭），孿晶片較薄，呈現(xiàn)透鏡狀或片狀，孿晶比例增加了0.14，相對(duì)于Cu 箔母材（孿晶比例為0.23）提高了60.9%。Cu-μm 的孿晶類型無變化，仍為退火孿晶（見圖4c），相比于母材，孿晶比例有所減少。

圖4 EBSD 晶界圖Fig.4 EBSD grain boundary maps: a) Cu foil base metal; b) Cu-nm; c) Cu-μm

圖5 EBSD 局部取向差分布圖Fig.5 EBSD KAM maps: a) Cu foil base metal; b) Cu-nm; c) Cu-μm

KAM 圖可以反映塑性變形的程度，數(shù)值較高處表示塑性變形程度較大。Cu 箔母材存在輕微的塑性變形（見圖5a），經(jīng)飛秒激光沖擊后，兩種樣品的塑性變形均呈現(xiàn)不均勻的特點(diǎn)。其中，Cu-nm 的塑性變形程度減小（見圖5b），而Cu-μm 的塑性變形程度增大（見圖5c）。本文采用KAM 方法[22]，通過EBSD定位數(shù)據(jù)得到局部取向差，采用局部取向差角小于2o的數(shù)據(jù)，通過81 個(gè)周圍點(diǎn)標(biāo)定一個(gè)點(diǎn)（500 nm×500 nm）的局部取向差為：

式中：θi表示點(diǎn)i的局部取向差；surjθ表示點(diǎn)j相鄰的取向差。

位錯(cuò)密度計(jì)算方法為：

式中：u為點(diǎn)的單位長(zhǎng)度（500 nm）；b為伯格斯矢量（0.25 nm）。

由式(1)和(2)可知，Cu 箔母材的幾何位錯(cuò)密度為6.88×1015/m2，Cu-μm 的幾何位錯(cuò)密度為8.00× 1015/m2，位錯(cuò)密度增加了16%。

飛秒激光沖擊后，兩個(gè)樣品的取向分布函數(shù)（Orientation Distribution Function, ODF）和織構(gòu)極圖見圖6。本文選取?=0°、?=45°、?=65°的ODF 圖來觀測(cè)Cu 箔在飛秒激光沖擊前后的織構(gòu)變化。面心立方金屬在變形過程中所形成的織構(gòu)主要有Brass 織構(gòu)、copper 織構(gòu)、高斯織構(gòu)。在退火再結(jié)晶過程中，主要產(chǎn)生立方織構(gòu)、R 織構(gòu)[23]。Cu 箔母材通過軋制退火制成，?=0°的ODF 圖中呈現(xiàn)出立方織構(gòu)和Brass織構(gòu)，?=65°的ODF 圖中呈現(xiàn)R 織構(gòu)（見圖6a）。經(jīng)飛秒激光沖擊后，兩個(gè)樣品?=0°、?=45°、?=65°的ODF 圖中，織構(gòu)類型均沒有發(fā)生改變。Cu-nm 的織構(gòu)強(qiáng)度和母材相當(dāng)（見圖6b），而Cu-μm 樣品的織構(gòu)強(qiáng)度增大（見圖6c）。圖6 中的織構(gòu)極圖進(jìn)一步證明了飛秒激光沖擊前后Cu 箔的織構(gòu)類型沒有發(fā)生改變，其111 極圖為軋制極圖[24]。

圖6 EBSD 取向分布函數(shù)圖和織構(gòu)極圖Fig.6 EBSD ODFs and texture pole figures: a) Cu foil base metal; b) Cu-nm; c) Cu-μm

飛秒激光沖擊后，兩個(gè)樣品的晶粒尺寸分布和晶粒間取向差角度分布如圖7 所示。Cu-nm、Cu-μm 和母材的晶粒尺寸基本一致，沒有發(fā)生明顯的晶粒細(xì)化。相比于Cu 箔母材（大角度晶界比例為0.664），Cu-nm 的小角度晶界比例減少，大角度晶界比例增加了0.085，提高了12.8%。相對(duì)于Cu 箔母材（小角度晶界比例為0.092），Cu-μm 的小角度晶界比例增加了0.009，提高了9.8%，大角度晶界比例減少。

圖7 吸收層對(duì)晶粒尺寸和晶粒間取向差角度的影響Fig.7 Influence of absorption layer on (a) grain size and (b) misorientation angle

上述結(jié)果顯示，飛秒激光沖擊后，兩個(gè)樣品的微觀結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化。Cu-nm 和Cu-μm 的晶粒都發(fā)生了畸變，Cu-nm 晶粒的畸變更明顯，且產(chǎn)生了形變孿晶。雖然晶粒尺寸分布和織構(gòu)的結(jié)果顯示兩個(gè)樣品未發(fā)生完全的塑性變形，但是仍可看出，選用納米級(jí)厚度的Pt 層作為吸收層時(shí)，沖擊效果更好。

2.2 殘余應(yīng)力和顯微硬度分析

飛秒激光沖擊后，兩個(gè)樣品的殘余應(yīng)力和顯微硬度分布如圖8 所示。Cu 箔母材本身內(nèi)部存在殘余拉應(yīng)力，為16.51 MPa。飛秒激光沖擊Cu 箔，誘導(dǎo)形成等離子體沖擊波，使Cu 箔的被沖擊區(qū)域發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。Cu-nm 產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力中和母材的殘余拉應(yīng)力后，表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力（–28.80 MPa）；Cu-μm 產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力不足以中和母材自身的拉應(yīng)力，所以仍顯示為殘余拉應(yīng)力，為13.38 MPa（見圖8a）。Cu箔母材的顯微硬度為58.30HV，經(jīng)飛秒激光沖擊后，Cu-nm 和Cu-μm 的顯微硬度相比母材均有所提高，Cu-nm（64.60HV）提高了10.8%，Cu-μm（59.6HV）提高了2.2%（見圖8b）。從而使Cu-nm 硬度提高。Cu-μm 主要發(fā)生位錯(cuò)的變化，位錯(cuò)密度增加到一定值后，會(huì)有效地提高金屬的硬度，位錯(cuò)間的彈性交互作用也可提高金屬的硬度。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示，位錯(cuò)增強(qiáng)硬度的效果比孿晶增強(qiáng)弱。因此，為了獲得更好的沖擊效果，應(yīng)選用更薄的吸收層。

圖8 力學(xué)性能對(duì)比Fig.8 Comparison of mechanical properties: a) residual stress; b) microhardness

表1 吸收層對(duì)飛秒激光沖擊Cu 箔的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響Tab.1 Effect of absorption layers on microstructure and mechanical properties of Cu foil shocked by different frmtosecond laser

銅作為中等層錯(cuò)能的面心立方金屬，一般較難產(chǎn)生形變孿晶。Cu-nm 經(jīng)飛秒激光沖擊后，觀察到形變孿晶，說明其在沖擊過程中可能發(fā)生了較低的應(yīng)變，應(yīng)變速率和壓力很大。Ye 等[26]采用脈寬350 fs 的激光沖擊厚度20 μm 的退火Cu 箔時(shí)，也觀察到了形變孿晶，同時(shí)該作者采用脈寬20 ns 的激光進(jìn)行了對(duì)比研究，估算出納秒激光沖擊產(chǎn)生的應(yīng)變是飛秒激光的10 倍，而應(yīng)變速率和峰值壓力均比飛秒激光低2 個(gè)數(shù)量級(jí)。Ye 等的試驗(yàn)結(jié)果說明，飛秒激光沖擊的高應(yīng)變速率和峰值壓力分別抑制了位錯(cuò)的滑移和提供了形成孿晶所需的能量。隨著吸收層厚度的增加，飛秒激光沖擊強(qiáng)化減弱，此時(shí)僅發(fā)生位錯(cuò)的變化。

3 結(jié)論

本文研究了不同吸收層對(duì)飛秒激光沖擊Cu 箔的影響，分析了Cu 箔的微觀組織，測(cè)試了其力學(xué)性能，具體結(jié)論如下：

1）飛秒激光沖擊后，相比母材，Cu-nm 主要產(chǎn)生形變孿晶，孿晶比例提高了60.9%，大角度晶界比例提高了12.8%；Cu-μm 僅發(fā)生位錯(cuò)變化，位錯(cuò)密度增加了16%，小角度晶界比例提高了9.8%。

2）飛秒激光沖擊后，Cu-nm 的殘余壓應(yīng)力為–28.80 MPa，顯微硬度提高了10.8%；Cu-μm 的殘余拉應(yīng)力為13.38 MPa，顯微硬度提高了2.2%。采用Pt 層作為飛秒激光沖擊強(qiáng)化的吸收層，更有利于提高Cu 箔的力學(xué)性能，強(qiáng)化效果更好。