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，但對于高質(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，被越來越多地應(yīng)用在高準確度微結(jié)構(gòu)成型中。為了滿足航發(fā)渦輪葉片對深微孔的需求，我們進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床上對板材進行旋轉(zhuǎn)鉆孔，其加工工藝成熟，對孔徑較大的圓形孔有較好的加工效果。但對于如航空發(fā)動機葉片氣膜孔、發(fā)動機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，加工效率低，鉆頭損耗嚴重且易斷裂[1]。鉆頭鉆孔對鉆頭強度要求較高，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）是一種先進的加工工藝，適合加工孔徑為0.8 mm以下的微細孔。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。

激光又分為長脈沖激光、短脈沖激光和超短脈沖激光。長脈沖激光的脈沖持續(xù)時間較長，會導(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超強、作用時間超短的特性，能實現(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70年代中后期，各種鎖模技術(shù)建立完善，例如主動鎖模、被動鎖模等，能產(chǎn)生皮秒量級脈沖激光。80年代，美國貝爾實驗室 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)正式進入飛秒時代。

2.2 飛秒激光與物質(zhì)作用機理

飛秒激光是典型的超快激光，具有超強（峰值功率密度達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會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力學(xué)模型一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。

1975年，蘇聯(lián)學(xué)者S. I.Anisimov.根據(jù)激光與物質(zhì)的作用機理提出雙溫模型（TTM模型），對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)材料中能量的擴散情況，得到普遍認同和發(fā)展。基于一維熱傳導(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。1）不同材料的物理學(xué)性質(zhì)差別較大，往往會出現(xiàn)一個模型只適用于一種材料的情況。2）由于該過程是一個超快作用的過程，材料燒蝕的機理較為模糊，在實驗上很難對出現(xiàn)的一系列復(fù)雜的非平衡物理現(xiàn)象進行準確的觀察和檢測，從而導(dǎo)致不能對已建立模型提供足夠高分辨率的反饋數(shù)據(jù)，模型改進困難。

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間和超高峰值特性使其能量快速、準確地集中在限定的作用區(qū)域，實現(xiàn)對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。

由于鈦合金、高溫合金等難加工材料具有熱穩(wěn)定性好、熱強度高、耐腐蝕和抗磨損性能好等特點， 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)境下運轉(zhuǎn)，所以為延長材料使用壽命，降低維護成本，對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)動機渦輪葉片的高溫承受能力，不僅需要在葉片上進行熱障涂層，而且還要進行亞毫米量級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，還須進一步發(fā)展。專門針對航發(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)有望在這方面實現(xiàn)突破。

圖1 航空發(fā)動機渦輪葉片

對于一些晶體材料如金剛石、藍寶石晶體等，由于具有很高的硬度和耐腐蝕性，很難進行機械和化學(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、擴束鏡和三軸掃描振鏡組成，如圖3所示。激光器中心波長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束鏡頭、反射鏡和聚焦鏡頭對輸入激光進行控制，可將激光焦點精確控制在一個平面內(nèi)進行打標、加工，焦斑直徑30μm。

3.2 加工測試

圖2 利用飛秒激光在（a）藍寶石和（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)加工測試

利用激光加工系統(tǒng)對渦輪葉片、DD406高溫合金材料以及藍寶石等進行了微加工測試，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，須對不同材料，針對不同要求進行正交實驗，優(yōu)化加工工藝。

對航發(fā)渦輪葉片進行了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)，在對其進行微孔加工時容易出現(xiàn)背部損傷（如圖5所示），該情況可以通過降低激光功率、上移焦點位置等方法進行避免。但是這樣會降低加工效率，并且由于葉片各點厚度不一，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)測系統(tǒng)對加工過程進行實時檢測、控制。

表1 飛秒激光渦輪葉片加工參數(shù)

4 結(jié)論

圖5 渦輪葉片打孔測試CT圖樣

當前能對材料進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)作用機理較為復(fù)雜，很難得到一個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)手段對超快激光加工過程進行理論模擬。同時，這也對檢測手段提出了更高的要求，在時間和空間上都需要較高的分辨率，以指導(dǎo)和驗證激光燒蝕理論模型。在利用飛秒激光進行渦輪葉片氣膜孔加工時出現(xiàn)了背部損傷，為避免該情況的發(fā)生須設(shè)計一套動態(tài)測量系統(tǒng)，實現(xiàn)在加工的同時對孔深進行實時監(jiān)測，當達到預(yù)設(shè)孔深時系統(tǒng)能及時關(guān)閉激光，避免過度加工。