飞秒激光烧蚀下的钛合金与铝合金深层探秘

文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

«——【·前言 ·】——»

飞秒激光烧蚀阈值和烧蚀速率是激光微加工的重要参数，激光参数和激光处理方法对表面织构形态和润湿性、反射率、摩擦学应用等性能影响很大。激光烧的效率和质量不仅取决于激光参数波长，脉冲持续时间，注量，和重复率，以及烧蚀环境(真空、气体或液体)，而且还与材料有关。

目前，人们已经对超快脉冲激光烧蚀金属材料进行了许多研究，如纯金属和合金 。材料的光学性能更受关注，而热性能和力学性能的影响研究较少。但是，合金的性能与纯金属的性能有很大的不同。基于TI和AI合金在航空航天、生物医学、日常生活等领域的广泛应用，其光学、热学和力学性能对激光微加工的综合影响，还有待进一步研究。

在这项工作中，烧蚀闻值和烧速率的合金(T1-6AL-4V)和铝合金A7075)在相同的激光参数下，在环境空气中进行了研究由烧蚀速率曲线推导出有效光学穿透深度，研究了激光诱导周期性表面结构(LIPSS)的坑形貌和周期。

«——【·实验 ·】——»

甲:蓝宝石脉冲再生放大激光系统的中心波长为800 nm，脉冲宽度为30s用于实验。实验采用了110 H的重复频率，垂直偏振的激光束被聚焦由200毫米焦距透镜和入射垂直于样品表面。测定了Ti合金(Ti-6AL-4V)和铝合金(A 7075)的平均表面粗糙度分别为97和160 RM。

激光烧蚀前，样品用酒精处理，样品被放置在一个机动x和y转换阶段，实验在环境空气中进行，冲击表面的脉冲数由快门的大小控制。采用中性密度滤波器作为能量衰减器对激光能量进行调节。

图1.不同脉冲数下的烧蚀陨石坑面积与激光脉冲能量的关系

在样品表面制作了不同脉冲数和脉冲能量的凹坑，直径和深度烧蚀坑的特点是使用尼康Eclipse LV100偏振光学显微镜。坑的深度是在坑的最深处测量的。消融率是通过测量陨石坑的深度，然后除以脉冲数，即两百次脉冲，利用扫描电子显微镜(SEM)对烧蚀坑的形貌进行了研究。

«——【·结果及讨论 ·】——»

（一）激光损伤闻值

通过对不同脉冲能量下烧蚀坑面积的测量，得到激光诱导损伤朗值(LIDT)，图1显示了在同一点[6，11，15]不同冲数照射下，测量的弹坑面积S与脉冲能量的对数E之间的线性关系：

方程1

如果我们假设激光束具有高斯强度分布，并且当闽值能量(En)超过一定值时发生烧蚀，则该表达式是有效的。N可以通过将回归线外推到S=0而得到，根据平均值(Fa(N)=EaN)(ra6))，可以计算出LIDT。

计算结果表明，激光等离子体检测的相对误差约为10%，这可能与弹坑面积的测量和激光能量的波动有关。高斯光束半径(1/e“)，或者集中在简的表面上，与图中拟合线的斜率有关。1样品表面的平均值为36+3um。

方程2

如图2所示，LIDT随着脉冲数的增加而减小，这表现出一种潜伏效应。孵化系数y可根据方程进行拟合。

图2.激光诱导损伤阈值（LIDT）对脉冲数(a)的依赖关系，图(b)中的线根据Eq表示拟合

根据图2(b)和表1，合金和铝合金的孕育系数分别为0.90+0.08和0.84+0.03，根据Eq(2)，推导出合金和铝合金的单脉冲LIDT (Fa(1))分别为029+0.03和0.61+0.06焦耳/平方厘米。

表1也列出了其他报告金属的一些孵化系数y，以供比较。对于META，人们认为孕育行为是由于激光诱导的热应力场引起的塑性变形的积累，此处列出的金属的孕育系数在一个标准差内彼此相似。

表1

（二）激光烧蚀率

图3显示了钦和铝合金在环境空气中的烧蚀速率与激光能量密度的关系。在低通量制度，烧蚀率，h，线性增加的对数的激光通量，在高通量区，烧蚀速率缓慢地增加到平板。因此将数据拟合为如下表达式：

方程3

其中a-1是材料的有效光学穿透深度，穿透深度与缓蚀闻值影响(F)表1中也列出了这两种材料的烧蚀阙值。合金和铝合金的烧蚀闯值分别为0.11和0.21J/m2。F的值相当于200脉冲的Lidt(图2A)，它是通过测量激光诱导的弹坑直径来确定的。

在高通量区(>2J/cm2)，由于强烧蚀的发生a均匀率与激光流量的关系可能偏离低通量区的规律，如表1和图1所示。3,Ti合金和AI合金的有效光学穿透深度分别为63.4 nm和78.9 nm。有效光学穿透深度高于铜、钨、316 L不锈钢，304不锈钢，且低于铝钱合金。

图3.烧蚀率与空气中激光通量的依赖性（N = 200脉冲）。

研究人员实验了130 fs脉冲宽度，27.8um光束光斑半径，和1KHz)不同重复率等。导致合金的有效光学穿透深度值不同。有效的光学穿透深度也可能受到激光脉冲持续时间，聚焦激光束半径，以及激光的重复频率，这可能会影响样品表面的局部激光强度分布，以及能量输入的进展。

再远一点，钦合金与纯钦具有几乎相同的激光损伤闯值和平缓烧蚀闻值，不过合金的有效光学穿透深度a (63.4 nm)高于纯(29.8 nm)。因此，在相同能量密度下，合金的激光烧蚀率高于纯钵。

图4.不同熔融（30 fs、N = 10）下Ti合金烧蚀位点的扫描电镜图像。(c)中的双头箭头表示偏振方向

（三）Cruter形貌分析

图4和图5分别显示了钦合金在空气中不同激光能量密度和脉冲数下的典型凹坑形貌，损伤随激光注量的增加而增加。限石坑的特征是一些溅起并重新沉积的高通量物质，熔坑烧蚀深度随激光脉冲的增加而增加。

激光脉冲数增加到n=200时，在撞击坑中心边界可观察到明显的障碍物，这是强烈的再沉积作用的结果烧蚀的材料(图5)。此外烧蚀坑中心被一些波纹所包围(LIPSS分布在周边区域)。

合金的LIPSS周期不仅与激光流量有关，而且与脉冲数有关，在激光脉冲照射下，观察到两种不同类型的LIPSS.包括低频LIPSS(1 SFL)和高空间频率LIPSS(HSPL)，其空间周期大于辐照波长(>)/2的一半而HSFL的空间周期小于辐照波长()/2半IIPSS的取向，包括LSFL和HSFL，与飞秒激光束的偏振方向垂直。

图5.不同数量激光脉冲（30 fs、1.6 J/cm2）下钛合金烧蚀部位的扫描电镜图像

图6(a)示出了周期与空气中激光强度的关系。在N=10时观察到600nm和700m之间的周期从0.63J/cm2增加到2.9 J/cm2。图所示6(b)，在空气中以30 fs16 J/m脉冲照射。LIPSS的周期在717 nm (N=5)和344nmN=200)之间的平均空间周期随脉冲数的增加而单调下降。

这种单调的下降也被发现在空气中与2.9 J/cm2脉冲辐照这种LIPSS周期随脉冲数增加而减少的现象也在其他金属 、半导体和介质中观察到。

在fs激光照射下，人们普遍认为，入射激光脉冲与表面等离子体(SPPs)之间的干涉在ISFL的形成中起着至关重要的作用。LSFL周期随着脉冲数的增加而减小，并且总是小于激光波长。脉冲数和能量度影响表面等离子体激元的产生，进而影响LSFL的周期和形貌。

并且光栅辅助的表面等离子体-激光合还可以减小后续激光辐照的LSFL周期。HSFL的形成机制，在文献中有还有很多争论。

图6.钛合金(a)的LIPSS周期与激光通量的关系，以及(b)与脉冲数的关系

在铝合金表面上，图7和图8分别显示了在空气中不同激光能量密度和脉冲数下铝合金表面烧蚀坑的典型形貌。

在中央区域的形态改变所示的1.6，11和0.63 J/cm的不同的激光能量密度“(图7)，以及不同的脉冲数图。烧坑的特征可概括为: 升物质在中心区域的演化以及内部形成的迷你陨石坑， (i)水动力效应的出现，以及(i)纳米粒子的形成。通过多次脉冲消融(图8C))，在弹坑中心的边界也可以形成屏障。

图7.不同熔融（30 fs、N = 10）下铝合金烧蚀位点的扫描电镜图像

激光烧蚀金属可以用双温度模型来描述。首先、金属中丰富的自由电子吸收了激光能量，在冷品格中产生了热十项然后，非平衡激发电子被电子散射，电子温度确定后，电子子系统和晶格子系统通过电子-声子耦合达到热平衡。

在达至热平衡之前，由温度梯度驱动的热化dectrons扩散到材料中，最后，材料从表面去除(烧)发生蒸发，正常沸腾，或爆炸性沸(阶段爆炸)等。

图8.不同数量激光脉冲（30 fs、0.63 J/cm2）下铝合金烧蚀部位的扫描电镜图像

铝合金的初始激光吸收率低于合金，这是因为铝合金的光吸收率较低。

更进一步来说，铝合金具有比合金更高的热导率。然而它们的蒸发率相差不大，基于汽化损伤机理，铝合金的激光损伤强度高于合金。

平缓烧蚀主要是由于汽化过程，形成光滑的烧蚀形态，即LIPSS。平缓消融率较低，且受有效穿透深度的控制，较粗糙的形貌可归因于“强”烧蚀的相爆炸。$o，正常的汽化和相爆炸是最有可能的物理机制以及期间的物质损失。

«——【·结论 ·】——»

Li合金(Ti-6AL-4V)和A合金的激光损伤值(LIDT)和烧率在脉冲宽度为30，重复频率为110 H波长为900 nm的激光照下，研究了在大气环境中对(A17075)的影响。

首先，合金和铝合金的体积膨胀系数分别为0.890分别为0.08和0.84+0.03，合金和铝合金的单脉冲激光原位杂交。

ALLOY分别为0.29+0.03和0.61+0.06J/cm2，TiaLLOY和Al合金的有效光学穿透深度分别为63.4 nm和78.9nm。

在合金表面烧蚀坑周边区域获得的LSFL和HSFL的激光诱导周期性表面结构(LIPSS)均向激光线型极性方向倾余化方向。合金表面LIPSS的周期在717~344 nm之间，这与激光脉冲注量和脉冲数有关。

最后在铝合金表面上的烧蚀坑的形态显示与激光能量密度和脉冲数的改变，特别是在中央区域。