飛秒激光加工鎳鈦合金的燒蝕閾值實(shí)驗(yàn)研究

岳端木,孫會來,劉澤林,楊 雪,孫建林

(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300387)

1 引 言

鎳鈦形狀記憶合金(NiTi based shape memory alloy,以下簡稱NiTi合金),作為一種形狀記憶合金以其彈性高,使用壽命長、強(qiáng)度高、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注,在工業(yè)連接器、生物醫(yī)療等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1-2]。目前制備NiTi合金所采用的熱等靜壓法、元素粉末混合燒結(jié)法等方法在加工過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)和應(yīng)力會破壞鎳鈦合金的微觀結(jié)構(gòu),從而影響材料的優(yōu)勢性能。針對傳統(tǒng)方法加工NiTi合金困難的現(xiàn)狀,有必要采用更先進(jìn)的加工方法。飛秒激光的高能脈沖直接作用在靶材上使材料蒸發(fā)和熔化并以等離子體的形式直接去除,是高質(zhì)量、高效率、無污染的加工方式,在微納加工領(lǐng)域中展現(xiàn)出很大的優(yōu)勢[3-4]。與傳統(tǒng)脈沖激光不同,飛秒激光與材料的相互作用是一個(gè)非線性、不平衡的過程,其作用機(jī)理仍在不斷探索之中,閾值理論則是其中得到廣泛認(rèn)可的一項(xiàng)。研究NiTi合金的燒蝕閾值對于飛秒激光與材料作用的機(jī)理有著重要意義,對后續(xù)工藝參數(shù)的優(yōu)化具有重要的作用。

本文以NiTi合金為研究對象,綜合形態(tài)觀察法和數(shù)值計(jì)算法,用SEM(掃描電子顯微鏡)觀測得燒蝕區(qū)域的尺寸和形貌,求得不同掃描速度下飛秒激光燒蝕NiTi合金的燒蝕閾值,探究了多脈沖作用對NiTi合金燒蝕閾值的影響規(guī)律,并分析了不同參數(shù)下熱影響區(qū)域的變化情況,得到一組相對最優(yōu)的工藝參數(shù),對后續(xù)加工提供了幫助。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 計(jì)算原理

燒蝕閾值是激光燒蝕材料的一個(gè)重要參數(shù),代表激光能夠在材料表面產(chǎn)生損傷時(shí)所達(dá)到的能量密度。對于求解NiTi合金的燒蝕閾值,結(jié)合形態(tài)觀察法和數(shù)值計(jì)算法[5-7],以單位面積能量的方式表達(dá)閾值,利用測量儀器觀測得到的燒蝕區(qū)域面積的平方與激光功率之間的對數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。

首先已知飛秒激光脈沖能量是標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布,由MATLAB模擬出的飛秒激光焦點(diǎn)處高斯分布如圖1所示。

激光的能量密度φ(r)與其距焦點(diǎn)處距離r的關(guān)系為:

(1)

式中,φ0為激光的峰值能量密度；ω0為激光焦點(diǎn)的束腰半徑。束腰半徑ω0可由激光波長λ,光斑半徑r,以及出光透鏡的焦距S表達(dá)如下:

(2)

圖1 飛秒激光焦點(diǎn)處光強(qiáng)分布

在實(shí)際出光時(shí),激光束會受到非線性干擾,因此引入品質(zhì)因子M2修正理論聚焦半徑,所用實(shí)驗(yàn)出光透鏡品質(zhì)因子M2為1.3。激光的峰值能量密度為:

(3)

式中,Ep為單脈沖能量,可由激光的平均功率P0出:

(4)

式中,f為激光的重復(fù)頻率。由此可以得到:

(5)

在激光燒蝕金屬的過程中,材料的燒蝕閾值可以表示為[9]:

(6)

式中,D為被燒蝕區(qū)域直徑。其與激光峰值能量密度之間的關(guān)系可以表示為:

(7)

將式(5)和式(6)代入到式(7)中可以得到激光單脈沖能量Ep與燒蝕區(qū)域直徑D2之間的關(guān)系如式(8)所示:

(8)

經(jīng)過數(shù)值計(jì)算,可得:

(9)

由式(9)可以看出,燒蝕區(qū)域直徑的平方與激光平均功率的對數(shù)呈一次線性關(guān)系,直線斜率k=2ω2。當(dāng)給定一組激光的入射功率,通過觀察測量與之對應(yīng)的燒蝕區(qū)域的直徑,運(yùn)用MATLAB將這些有規(guī)律的點(diǎn)耦合成一維系數(shù)方程,直線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)即為閾值功率的對數(shù),進(jìn)而求得NiTi合金的燒蝕閾值。

2.2 試驗(yàn)平臺和材料

本實(shí)驗(yàn)所采用的飛秒激光微加工系統(tǒng)是由美國Up-Tek Solution公司生產(chǎn)的Sabray-Phidia型號。該平臺主要由激光種子源,高能量綠光泵浦,光路傳輸系統(tǒng)諧振腔,五軸可移動(dòng)加工臺和控制器、水冷機(jī)組成,其最大輸出功率可以達(dá)到2 W,重復(fù)頻率為10 kHz(可調(diào)),常用脈寬為120 fs(可調(diào)),波長800 nm(可調(diào)),光斑半徑為3 mm,具有水平和線偏振兩種偏振方式,通過透鏡內(nèi)的兩塊反射鏡相對運(yùn)動(dòng)來改變出光角度來改變輸出激光的路徑,加工臺的運(yùn)動(dòng)精度可以達(dá)到1 nm,實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖如圖2所示。由種子源發(fā)出的飛秒激光與綠光泵浦射出的高能綠光在Z型諧振腔內(nèi)往返震蕩耦合成高能量的激光,再經(jīng)由可移動(dòng)的加工平臺內(nèi)的鏡頭射出對工件進(jìn)行加工,加工期間可用CCD顯微鏡觀測記錄加工過程。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

實(shí)驗(yàn)選用1 mm厚的NiTi合金板,其物理性能參數(shù)如表1所示。為方便實(shí)驗(yàn)和后續(xù)觀察計(jì)算,先用線切割將材料分為成10 mm×10 mm×1 mm的薄板進(jìn)行編號,利用無水乙醇清洗材料表面附著的雜質(zhì)以便于實(shí)驗(yàn)和觀測,最后進(jìn)行干燥處理。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用脈沖寬度為120 fs的激光,將激光的脈沖重復(fù)頻率固定為10 kHz,波長設(shè)置為800 nm,出光透鏡的焦距為100 mm。在激光路徑中引入一個(gè)連續(xù)可變的光衰減器來將激光的平均功率P0由0.4 W增加到2 W；通過改變激光掃描速度來控制脈沖的數(shù)量,切割速度越低,作用于一點(diǎn)的脈沖越多,切割速度較高時(shí)則與之相反,選取掃描速度分別為0.1 mm/s、0.5 mm/s、1 mm/s、1.5 mm/s、2.0 mm/s,實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。把NiTi合金塊固定在3D加工平臺上,依次改變激光的功率和掃描速度,用功率計(jì)測量照射在靶材上的激光功率,按照預(yù)設(shè)的路徑進(jìn)行掃描劃線燒蝕試驗(yàn),然后觀測燒蝕程度和形貌。

表1 NiTi形狀記憶合金物理性能

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 燒蝕閾值的計(jì)算

圖3為SEM拍攝的部分不同激光功率和掃描速度下的燒蝕微槽效果圖。由圖3中(a)～(e)可以看出,當(dāng)激光的脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度和波長一定時(shí),隨著激光掃描速度的降低,加工區(qū)域注入的有效脈沖個(gè)數(shù)增加,NiTi合金被燒蝕出的微槽寬度和深度逐漸增加。當(dāng)掃描速度為0.1 mm/s時(shí),如圖3中(a)所示,在材料表面燒蝕出了較為明顯的微槽；當(dāng)掃描速度為2.0 mm/s時(shí),如圖3中(e)所示,材料表面僅僅燒蝕掉很淺的一層。由圖3中(c)、(h)和(k)可知,當(dāng)掃描速度一定時(shí),隨著激光平均功率的增加,燒蝕出的微槽直徑逐漸變大,NiTi合金表面的燒蝕程度也逐漸增加。通過對比分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率P0=0.8 W,掃描速度V=1.5 mm/s時(shí),NiTi合金既能得到充分的燒蝕又能保證熱影響區(qū)較小。

(a)v=0.1 mm/s,P=0.4 W (b)v=0.5 mm/s,P=0.4 W (c)v=1.0 mm/s,P=0.4 W

(d)v=1.5 mm/s,P=0.4 W (e)v=2.0 mm/s,P=0.4 W (f)v=0.1 mm/s,P=0.8 W

(g)v=0.5 mm/s,P=0.8 W (h)v=1.0 mm/s,P=0.8 W (i)v=1.5 mm/s,P=0.8 W

(j)v=0.5 mm/s,P=1.2 W (k)v=1.0 mm/s,P=1.2 W (l)v=1.5 mm/s,P=1.2 W

代入激光參數(shù),求得激光的理論束腰半徑ω0=11.0 μm,整合通過掃描電鏡測量所得多條燒蝕微槽的寬度數(shù)據(jù),利用Matlab擬合出的不同掃描速度下燒蝕微槽直徑的平方D2與激光平均功率InP0的對數(shù)關(guān)系關(guān)系曲線如圖4所示,直線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)即為閾值功率的對數(shù),即可求得此時(shí)的閾值功率。通過計(jì)算,當(dāng)掃描速度為2 mm/s時(shí),求得直線斜率k=250.64,推算出ω0=11.2 μm,與理論值相差不大,說明擬合直線趨勢準(zhǔn)確。當(dāng)D=0時(shí)求得閾值功率P0=0.29 W,可求得NiTi合金燒蝕閾值φth=15.44 J/cm2。

圖4 不同掃描速度下D2與InP0的關(guān)系

3.2 多脈沖作用對燒蝕閾值的影響

在實(shí)際加工中,要想在材料表面加工出連續(xù)的結(jié)構(gòu),激光的掃描速度必須限制在脈沖分離速度以內(nèi)。當(dāng)脈沖激光在工件表面作用時(shí),激光的作用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于飛秒激光的脈沖寬度,在某一極小區(qū)域內(nèi)上會出現(xiàn)多個(gè)激光光斑的重疊現(xiàn)象,激光掃描路徑上的任意一點(diǎn)都會被重復(fù)掃描,此時(shí)加工區(qū)域由于多脈沖的累積效應(yīng)產(chǎn)生刻蝕。在本實(shí)驗(yàn)中采用控制激光掃描速度的方式來改變有效激光脈沖個(gè)數(shù)。為了更好地描述脈沖累積效應(yīng)下的燒蝕閾值變化規(guī)律,將掃描速度換算成有效脈沖數(shù)。假設(shè)飛秒激光線性掃描的脈沖累積效應(yīng)與脈沖對打孔的作用效果一致,則其加工區(qū)域有效脈沖數(shù)N可由下式計(jì)算:

(10)

其中,k為掃描次數(shù),本實(shí)驗(yàn)采取單次掃描取k=1。由于本實(shí)驗(yàn)中束腰半徑ω0和重復(fù)頻率f保持不變,則有效脈沖數(shù)取決于掃描速度v。整合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分別求得不同有效脈沖下的燒蝕閾值如表3所示。

表3 不同有效脈沖數(shù)下的燒蝕閾值

由表3可知,閾值功率和燒蝕閾值隨著有效脈沖數(shù)的增加而逐漸減小,但擬合出的直線斜率是逐漸增大的,說明燒蝕閾值的變化幅度越來越小,有效脈沖數(shù)對燒蝕閾值的影響是逐漸減弱的。進(jìn)一步擬和出NiTi記憶合金燒蝕閾值隨有效脈沖數(shù)的變化規(guī)律曲線如圖5所示。

圖5 燒蝕閾值與有效脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系

由圖5可以看出,當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)小于220時(shí),隨著有效脈沖數(shù)的增加,NiTi合金的燒蝕閾值快速減小；但當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)大于220時(shí),材料的燒蝕閾值變化趨于平緩,沒有無限降低,這說明激光脈沖的累積效應(yīng)作用是有限的。可以根據(jù)有效脈沖個(gè)數(shù)的不同將飛秒激光燒蝕NiTi合金的過程分為弱燒蝕階段和強(qiáng)燒蝕階段。在弱燒蝕階段,飛秒激光作用在NiTi合金表面的脈沖能量不斷增加,脈沖的累計(jì)效應(yīng)明顯,激光更容易燒蝕材料表面,燒蝕閾值隨著有效脈沖數(shù)的增加快速降低；在強(qiáng)燒蝕階段,隨著脈沖能量的逐漸變大,材料吸收的能量趨近于飽和,脈沖累積效應(yīng)的作用不再明顯,燒蝕閾值降低的速度明顯變緩,最終趨于穩(wěn)定。

3.3 NiTi合金不同燒蝕階段的形貌

如圖6為NiTi合金在不同燒蝕階段的燒蝕效果。在弱燒蝕階段,單位區(qū)域內(nèi)的有效脈沖個(gè)數(shù)較少,燒蝕出的微槽深度和寬度都比較小,微槽邊緣較整齊,熱影響區(qū)的裂紋不是很明顯,顏色相比較暗,如圖6(a)所示。這時(shí)由于燒蝕過程中電子晶格產(chǎn)生的溫度梯度能量累積,熱影響區(qū)域的材料組織發(fā)生改變,形成了較淺的變質(zhì)層。此時(shí)激光的能量密度較低,自由電子吸收激光能量不斷運(yùn)動(dòng)碰撞形成雪崩電離,去除機(jī)制主要以熱蒸發(fā)為主[8-9]。

圖6 NiTi合金在不同燒蝕階段的效果

隨著有效脈沖數(shù)的增加,作用于NiTi合金表面的脈沖能量逐漸增大,由弱燒蝕轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)燒蝕,微槽深度和寬度明顯增加,激光燒蝕區(qū)域熱擴(kuò)散造成應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋以及燒蝕殘余材料堆砌的現(xiàn)象,使得微槽表面粗糙,邊緣的完整性較差。飽和的能量溢散到加工區(qū)域周圍形成較大的熱影響,燒蝕區(qū)域材料發(fā)生明顯改性,出現(xiàn)大量的裂紋和不規(guī)則的破損,如圖6(b)所示。這是因?yàn)楫?dāng)激光的功率密度過大時(shí),燒蝕區(qū)域內(nèi)電子晶格溫度的不斷沉積以及內(nèi)部熱應(yīng)力不斷增強(qiáng)會使燒蝕區(qū)域內(nèi)金屬組織的反應(yīng)加快,導(dǎo)致燒蝕區(qū)域發(fā)生相爆炸和機(jī)械破碎,使材料表面出現(xiàn)選擇性去除,并產(chǎn)生嚴(yán)重的燒蝕損傷[10-11]。通過對比不同加工參數(shù)下NiTi合金的熱影響區(qū)以及加工質(zhì)量,選擇P0=0.8 W、V=1.5 mm/s為相對最優(yōu)的加工參數(shù),此時(shí)該飛秒激光器加工NiTi合金的質(zhì)量良好,可以有效避免在加工過程中出現(xiàn)裂紋、變質(zhì)和燒蝕損傷等缺陷。

4 結(jié) 論

通過分析燒蝕面積與燒蝕閾值之間的理論關(guān)系,設(shè)計(jì)了不同掃描速度和功率下的多脈沖飛秒激光NiTi合金燒蝕實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用掃描電子顯微鏡觀測并分析試件燒蝕區(qū)域的形貌特征,計(jì)算得出在脈寬為120 fs,波長為800 nm,重復(fù)頻率為10 kHz的飛秒激光下,NiTi合金在不同有效脈沖數(shù)的燒蝕閾值分別為2.02、2.40、3.04、5.46、15.44 J/cm2。然后分析了脈沖的累積效應(yīng)對燒蝕閾值的影響規(guī)律:當(dāng)有效脈沖數(shù)小于220時(shí),燒蝕閾值會隨著有效脈沖個(gè)數(shù)的增加而快速減小；當(dāng)有效脈沖數(shù)大于220時(shí),脈沖能量開始飽和,燒蝕閾值減小的趨勢趨于平緩,最終趨于穩(wěn)定。最后通過觀察不同加工參數(shù)下的燒蝕形貌并分析了飛秒激光燒蝕NiTi合金產(chǎn)生熱影響區(qū)域的原因,在能量密度過大時(shí)加工區(qū)域產(chǎn)生相爆炸。對比得出在激光功率為0.8 W、掃描速度為1.5 mm/s時(shí),既能燒蝕出較深的微槽又能減小熱影響區(qū),對于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際加工提供了幫助,具有一定的參考意義。