飛秒激光制備可調控鋁合金表面微溝槽結構研究

劉克，劉子源，陶海巖，林景全

（長春理工大學 物理學院，長春 130022）

近年來，相關研究發現微納結構表面具有某些特殊的性能，如粘附性、潤滑性、耐磨損性、減阻性、超疏水性等，基于仿生學發展起來的微溝槽減阻技術更是成為當今學者研究的熱點［1-6］。目前減阻微溝槽的制備方法主要有真空澆鑄減阻薄膜［7］、磨削成形［8］、電火花加工［9］、電化學微加工［10］、LIGA 成形［11］、激光微加工（納秒和皮秒）［12-15］、滾壓成形［16］等。以上方法在加工過程中都存在一些弊端，如工藝流程繁雜、加工環境苛刻、加工材料受限、精度低等。且使用以上方法成形后的結構表面各自存在一些缺點，如耐久性差、易損耗等。而飛秒激光具有峰值功率高、脈寬超短的特點。飛秒激光微納加工的熱效應較少，加工精度更高，加工材料不受限，直寫加工流程簡單，并且對加工環境要求不高［17-23］。將飛秒激光技術與仿生學設計理念相結合，可以直接在材料表面制備微米甚至納米級的減阻溝槽結構。然而由于飛秒激光微納加工相關研究起步較晚，目前多為實驗室研究對象，未在工業生產中廣泛應用。所以如何使用飛秒激光高效率、高精度地制備可控形貌尺寸的仿生微溝槽結構是當今科研領域的一個重要議題。

使用飛秒激光在6061型鋁合金表面進行了可控形貌尺寸的微溝槽結構的制備。通過飛秒激光直寫實驗，首先研究了激光功率、重復頻率、掃描次數、掃描速度等激光參數和掃描參數對微溝槽結構表面形貌尺寸的影響和加工質量的影響，并得到了以上參數與加工微溝槽尺寸之間的規律性關系，確定連續溝槽的調控方法。然后選擇適合的實驗參數，在6061鋁合金表面完成了典型的連續V形減阻微溝槽結構制備和調控，為今后飛秒激光制備航空航天材料減阻微納結構表面的實際應用提供了參考。

1 實驗

實驗硬件系統主要包括飛秒激光發生系統、掃描振鏡系統、樣品臺和旁軸定標系統。實驗光路如圖1所示，其中飛秒激光發生系統采用的是天津凱普林激光科技有限公司的20 W紅外工業光纖飛秒激光器，其主要產生激光為波長1 030 nm的連續脈沖激光，最大功率為20 W，重復頻率10～400 kHz。掃描振鏡系統為德國的SCANLAB掃描振鏡，XY軸最大工作范圍為100×100 mm2，鏡組將激光束垂直聚焦于樣品臺上，焦距為167 mm。通過軟件程序控制激光器和振鏡工作，掃描系統三軸聯動，可以實現各種復雜的二維和三維結構的加工。

圖1 飛秒激光加工示意圖

實驗所選樣品為6061鋁合金，尺寸規格20×20×2 mm3，購于蘇州市瑞之特金屬材料有限公司。6061鋁合金具有良好的電鍍性、抗腐蝕性、和韌性，在航空航天領域被廣泛應用于制作飛機蒙皮、機身框架、旋翼和起落架支柱等。

首先用自動精密研磨拋光機（UNIPOL-802，沈陽科晶）對金屬表面進行研磨拋光處理，然后利用超聲波清洗儀（SK06G，上海科導）分別在酒精和去離子水中對樣品進行清洗，確保激光加工前樣品表面足夠光滑平整，以減小表面粗糙度在隨后的激光加工中產生的影響。

利用飛秒激光加工系統對處理過后的鋁合金表面以線型掃描的方式進行加工，以溝槽型結構為基礎，采用不同激光參數和掃描參數在樣品表面制備溝槽結構，來研究激光功率、重復頻率、掃描速度和掃描次數對溝槽形貌尺寸的影響。

使用掃描電子顯微鏡對表面形貌進行表征。通過掃描電子顯微鏡（JEOL，JSM-IT300LV，Japan）觀察激光加工后的微納米結構形貌，并對其尺寸進行測量分析。通過對實驗結果的分析，選擇合適的實驗參數來制備適用于航空飛機減阻的鋁合金溝槽結構表面。

2 結果與討論

2.1 激光掃描參數對溝槽形貌尺寸的影響

影響溝槽形貌尺寸的兩個重要因素為單脈沖能量和有效脈沖數［24］，激光功率的增大意味著單脈沖能量增大，而掃描速度減小、掃描次數增多和重復頻率增加也就等效于有效脈沖數增加。故以激光功率、重復頻率、掃描速度、掃描次數這四個參數作為變量，分析這四個參數對于微溝槽結構形貌尺寸的影響。

2.1.1 激光功率和重復頻率對溝槽形貌尺寸的影響

固定重復頻率400 kHz，掃描速度0.2 m/s，掃描次數5次。分別以2 W、6 W、10 W、14 W、18 W這五種不同激光功率進行單線刻劃制備溝槽。不同功率下微溝槽的形貌質量和尺寸變化趨勢如圖2所示。

圖2 激光功率對溝槽形貌尺寸的影響

溝槽深度隨激光功率的增加而增大，溝槽寬度也呈增長趨勢。隨著激光功率的增加，單個脈沖能量增加，樣品單位面積在單位時間內吸收的激光能量增加，其他參數不變的條件下，較高的脈沖能量被靶材吸收，達到材料燒蝕閾值時會將表面材質去除掉，使燒蝕區域變大，燒蝕程度變深，表現在溝槽上，其寬度和深度明顯增加。隨著吸收能量的增多，激光燒蝕樣品表面會變得更加劇烈，導致溝槽表面粗糙度增加。激光功率增大到一定程度，脈沖能量的改變對溝槽寬度的影響會變小，之所以產生這種結果是由于高斯光束光斑外部的能量較低，而光斑直徑不變，所以溝槽寬度到達一定極限后將不再增加。

固定激光功率18 W，掃描速度0.2 m/s，掃描次數 5 次。分別以 50 kHz、100 kHz、200 kHz、400 kHz這四種不同重復頻率進行單線刻劃制備溝槽。不同重頻下微溝槽的形貌質量和尺寸變化趨勢如圖3所示，微溝槽的寬度和深度會隨著重復頻率的升高而增大，其中溝槽深度的增長幅度尤為明顯。重復頻率的升高意味著單位時間內激光脈沖個數的增加，即有效脈沖數增加，這導致了激光掃描軌跡上的總燒蝕量增加，表現在溝槽上，其寬度和深度明顯增加。從制備的溝槽掃描電鏡圖上來看，重復頻率對溝槽形貌尺寸的影響趨勢類似于激光功率，但由于激光器控制軟件可選的重復頻率檔位數量是有限的且數值是固定的，因此以重復頻率作為變量對溝槽形貌尺寸的可調控程度十分有限。

圖3 重復頻率對溝槽形貌尺寸的影響

由圖3（a）可知，當低重頻時，溝槽底面較為平坦，隨著功率或重頻的提高，溝槽底面變得深而尖銳。從能量密度的角度分析，由于飛秒激光為高斯光束，其光斑截面的能量分布為高斯型，飛秒激光直線刻劃制備溝槽時，光斑邊緣部分能量密度低于中心部分，導致中心區域燒蝕強于邊緣區域，所以可以制備出類似U形或V形的溝槽結構。當整體能量密度較低時，制備的溝槽窄而淺，此時光斑中心能量密度與邊緣差距不大，相比于光斑的直徑方向，深度方向上的能量累積并不顯著，所以此時溝槽底面為比較平坦的弧形結構，溝槽整體結構類似U形。隨著能量密度的提高，總燒蝕量變大，溝槽變寬變深，光斑中心的強燒蝕區的能量累積與邊緣的普通燒蝕區漸漸拉開差距，中心強燒蝕區作用劇烈，燒蝕深度大幅增加，因此溝槽的側壁角度隨著能量密度的增加而顯著增加，溝槽底面中部窄且深，整體結構類似V形。

2.1.2 掃描速度和掃描次數對溝槽形貌尺寸的影響

為了讓研究更系統并保證加工效率，固定重復頻率400 kHz，掃描次數4次。分別在2 W、10 W、18 W這三種不同激光功率下以不同掃描速度進行單線刻劃制備溝槽。微溝槽尺寸隨掃描速度變化趨勢如圖4（a）—圖4（c）所示，在不同功率下，隨著掃描速度的改變，微溝槽形貌尺寸變化趨勢基本一致。隨著掃描速度的升高，溝槽的寬度和深度都在減小，且掃描速度對于溝槽深度的影響比寬度更明顯。當掃描速度升高至一定程度后，溝槽深度將不再有明顯的變化。

掃描速度會影響光斑的重疊面積，如圖4（d）所示。掃描速度的升高意味著有效脈沖數的減小，且相鄰兩個脈沖在空間上的重疊面積減少，即掃描激光光斑的重疊率減少，作用相同距離路徑的激光脈沖數減少，這會導致掃描軌跡上的總燒蝕量減少。當掃描速度較低時，激光脈沖在單位面積內的停留時間較長，很快達到材料燒蝕閾值，此時掃描速度對于溝槽形貌的影響較為明顯；當掃描速度較高時，激光脈沖在單位面積內的停留時間較短，激光提供的能量較少，燒蝕效果則不那么明顯。

圖4 掃描速度對溝槽尺寸影響規律

掃描速度0.01 m/s和0.05 m/s的微溝槽形貌對比如圖5所示。當掃描速度為0.01 m/s時，溝槽的整體質量比較差，熔渣堆積較多，而且側壁切口也不夠光滑平整。這是由于掃描速度過低，激光相鄰脈沖重疊率變高，能量積累過多，造成了輕微的過度燒蝕，使材料出現熔融現象，使得加工的溝槽內部質量變差，粗糙度增加，并且激光的利用率降低。因此選擇合適的掃描速度對提升加工溝槽整體形貌質量至關重要。

圖5 掃描速度0.01 m/s和0.05 m/s的微溝槽形貌對比

關于掃描次數的研究，在2 W、10 W、18 W這三種不同激光功率下以不同掃描次數進行單線刻劃制備溝槽。微溝槽尺寸隨掃描次數變化趨勢如圖6（a）—圖6（c）所示，隨著掃描次數的增多，溝槽的寬度和深度在增大，其中溝槽深度的增長幅度尤為明顯，當掃描次數增加至一定程度后，溝槽的寬度和深度將達到極限，增幅緩慢甚至不再增大。

掃描次數的增多意味著單位面積內作用脈沖數的增加，脈沖數越多，能量累積越多，而能量的累加勢必導致總燒蝕量增加。但是激光總燒蝕量存在一個極限值，因為掃描速度和重復頻率固定時，有效脈沖數始終保持不變，相鄰兩個脈沖在空間上的重疊率不變。掃描次數的累加等效于在原有脈沖位置逐層疊加由于激光焦點位置不變，隨著掃描次數的增加，溝槽底部的光束逐漸離焦，如圖6（d）所示，到達溝槽底部位置的光束能量不足以對材料繼續燒蝕，且隨著掃描次數的增加，溝槽中沉積的熔屑也會遮蔽一部分光束，對離焦的光束強度進一步削弱，導致燒蝕效果不那么顯著。當底部光斑的能量小于材料的燒蝕閾值時，激光能量不足以繼續去除材料，深度便會達到了一定極限。

圖6 掃描次數對溝槽尺寸影響規律

掃描速度0.1 m/s掃描次數4次和掃描速度0.4 m/s掃描次數10次的微溝槽形貌對比如圖7所示。通過對比可知，相似形貌尺寸的溝槽，以較高速度多次掃描的溝槽要比低速少次數的溝槽形貌更加光滑規整，產生這種現象的原因是高速多次掃描時，每次掃描累積能量較少，燒蝕不會過于激烈。隨著掃描次數累加，逐層去除表面材質，由淺入深。而低速少次數的掃描策略，單次掃描累積能量較高，燒蝕劇烈，導致溝槽形貌粗糙。

圖7 0.01 m/s、4次和0.4 m/s、10次掃描的微溝槽形貌對比

通過以上實驗分析可知，激光功率、重復頻率、掃描速度、掃描次數都對加工微溝槽的形貌尺寸有著重要影響。激光功率的改變對于溝槽的深度和寬度都有較大程度的影響，而掃描速度和掃描次數對溝槽深度的影響要大于溝槽寬度。因此可以制定出精確調控微溝槽尺寸的策略：當需要制備某一尺寸的溝槽時，可以先固定高重復頻率和較快的掃描速度來保證加工效率，然后確定合適的激光功率來匹配溝槽寬度的大概范圍，最后以較快的掃描速度多次掃描出目標深度的溝槽。

2.2 典型連續微溝槽表面結構制備

通過前面系統的實驗，已經基本掌握激光掃描各項參數對于微溝槽結構形貌尺寸的影響，選擇適當的加工參數，調整刻劃之間的間距，即掃描間距，以控制掃描次數的方式多線刻劃便可制備出理想尺寸的完整的連續溝槽結構表面。首先以激光功率18 W，重復頻率400 kHz，掃描速度0.8 m/s，掃描間距0.05 mm，依次改變掃描次數為 5、10、15、20，來制備出的連續對稱V形溝槽表面。圖8為溝槽表面的掃描電鏡圖，隨著掃描次數的增加，微溝槽的深度逐漸增大，對比掃描次數為15次和20次的溝槽形貌，溝槽深度和寬度尺寸幾乎沒有變化。

圖8 掃描次數調控連續V形溝槽表面SEM圖

根據Walsh的研究，溝槽無量綱寬高小于30時才有減阻效果，溝槽無量綱寬（s+）和高（h+）滿足s+＝15，h+＝12時，減阻效果最好。已知普通民用航天飛機的時速一般為900公里/小時，若想在特征長度為L＝4 m的機翼上實現減阻，溝槽無量綱尺寸s+應小于30。當溝槽無量綱尺寸s+為15左右，實際尺寸為0.05 mm左右時，減阻效果最佳。根據上文的激光參數與掃描參數探索，確定加工參數，激光掃描參數組合設置為：激光功率18 W，重復頻率400 kHz，掃描速度0.4 m/s，掃描次數10次，掃描間距0.05 mm。在標準的6061鋁合金試樣上制備V形溝槽結構，其形貌如圖9所示，溝槽寬度為50μm，深度為43.3μm，該溝槽為標準的頂角為60°的對稱V形溝槽。

圖9 典型對稱V形溝槽表面SEM圖

3 結論

通過飛秒激光直寫溝槽實驗，系統研究了激光功率、重復頻率、掃描速度、掃描次數對微溝槽結構表面形貌尺寸的影響和加工質量的影響，分析認為單脈沖能量和有效脈沖數對溝槽寬度和深度都有不同程度的影響，并得到了激光各項參數與加工尺寸之間的規律性關系。最終確定最優方案，以激光功率和掃描間距確定溝槽整體寬度，通過掃描次數的累加來調控溝槽深度，可以制備出各種可調控尺寸的V形溝槽。根據航空航天的減阻需求，用合適的激光參數在鋁合金平板表面制備出了適用于民用客機機翼的對稱V形溝槽結構。