飞秒激光诱导TC4表面微观组织研究
发布时间：2021-02-03 17:47
为探究超快激光对金属材料的烧蚀特性,利用飞秒脉冲激光加工TC4,研究加工后TC4表面的形貌特点,分析飞秒激光加工金属的作用机理。当激光能量密度为8.05 J/cm2时,用白光干涉和扫描电镜观察不同扫描速度下材料表面的形貌变化。随着扫描速度的降低,表面条纹变深,条纹上方的二级微纳凸起尺寸增大,粗糙度增加,条纹侧面出现经典低空间频率条纹。从高斯光束特点和光斑重叠率角度对各种形貌的形成机理进行分析,高斯光束光斑中心处能量密度高,条纹上方形成凸起,侧面形成经典条纹;当光斑重叠率越大,单位面积内能量密度就越大,表面微结构尺寸也随之增大。
【文章来源】：激光与红外. 2020,50(09)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
高斯光束在空间上的分布
在飞秒激光对金属进行烧蚀过程中,烧蚀形貌和烧蚀出的周期结构阵列尺寸与激光的光斑重叠率和沉积在材料表面单位距离的脉冲数有关。激光的一次脉冲可以在样品表面形成一个光源,在扫描过程中两个光斑中间发生重叠。光斑的重叠率和单位面积内的脉冲数量可以通过扫描速度来改变,如图2所示。因为光斑极小(50 μm)且脉冲持续时间为飞秒级别(10-15 s)远远小于相邻脉冲间隔(10-4 s),所以为了方便计算,将光斑近似为正方形,重复频率的倒数近似为相邻两个脉冲的时间间隔,得到光斑重叠率的计算公式[7]:
图4为选择加工的样品区域通过白光干涉得到的峰谷值(Peak-to-valley,PV)、均方根(Root Mean Square,RMS)和轮廓算术平均偏差(Roughness Average,Ra )随扫描速度增大的变化趋势图。从图中可以看出,随着扫描速度的增大,PV、RMS、Ra均减小。其中扫描速度从25 mm/s增大到1×103 mm/s时,PV变化较大,RMS和Ra变化较小;扫描速度从1×103 mm/s增大到5×103 mm/s时,样品的PV、RMS和Ra变化较缓。说明当能量密度恒定时,扫描速度越大,单位时间内光斑的重叠率越低,材料表面沉积的激光能量越少,表面粗糙度越小。图5为加工前后样品表面的算术平均高度Sa、根均方高度Sq随扫描速度变化的关系图。从图中可以看出,随着扫描速度的增大,Sa、Sq由快速下降变化到缓慢下降,因为随着扫描速度的增大,光斑重叠率降低,单位面积上的能量减小,激光的烧蚀情况减弱。当扫描速度小于1×103 mm/s时,光斑重叠率大于95 %,Sa和Sq变化较大,说明在能量密度为8.05 J/cm2时,扫描速度变化引起的光斑重叠率对材料影响越来越大;当扫描速度大于1×103 mm/s,光斑重叠率小于95 %,Sa和Sq均变化较小,说明扫描速度变化引起的光斑重叠率对材料影响越来越小。
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理分析[J]. 许媛,宁仁霞,鲍婕,侯丽. 激光与红外. 2019(04)
[2]高频飞秒激光对硅材料烧蚀的热积累效应[J]. 李志明,聂劲松,胡瑜泽,王磊. 激光与红外. 2017(04)
[3]飞秒激光诱导钛表面形成高空间频率周期条纹结构[J]. 刘凯军,李晓红,王凯,周强,杨永佳,邱荣. 强激光与粒子束. 2017(04)
[4]飞秒激光金属着色颜色差分析[J]. 李阳博,柏锋,范文中,赵全忠. 光学学报. 2016(07)
[5]光斑重叠率对飞秒激光硅材料表面着色的影响[J]. 柏锋,范文中,李阳博,泮怀海,李虹瑾,赵全忠. 中国激光. 2016(07)
[6]航空用钛合金研究进展[J]. 金和喜,魏克湘,李建明,周建宇,彭文静. 中国有色金属学报. 2015(02)
[7]超快脉冲激光对钛合金的烧蚀特性与作用机理[J]. 郑卜祥,姜歌东,王文君,梅雪松. 西安交通大学学报. 2014(12)
博士论文
[1]飞秒激光诱导固体表面微纳米周期性结构的研究[D]. 李晨.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2016
硕士论文
[1]飞秒激光加工TC4钛合金的热积累模型及实验研究[D]. 张寒墨.辽宁科技大学 2018
[2]飞秒激光等离子体光谱及沉积技术研究[D]. 张生孔.福州大学 2017
[3]纳秒激光诱导钛合金表面着色机理及其质量评价研究[D]. 李云龙.山东大学 2017
本文编号：3016916
【文章来源】：激光与红外. 2020,50(09)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
高斯光束在空间上的分布
在飞秒激光对金属进行烧蚀过程中,烧蚀形貌和烧蚀出的周期结构阵列尺寸与激光的光斑重叠率和沉积在材料表面单位距离的脉冲数有关。激光的一次脉冲可以在样品表面形成一个光源,在扫描过程中两个光斑中间发生重叠。光斑的重叠率和单位面积内的脉冲数量可以通过扫描速度来改变,如图2所示。因为光斑极小(50 μm)且脉冲持续时间为飞秒级别(10-15 s)远远小于相邻脉冲间隔(10-4 s),所以为了方便计算,将光斑近似为正方形,重复频率的倒数近似为相邻两个脉冲的时间间隔,得到光斑重叠率的计算公式[7]:
图4为选择加工的样品区域通过白光干涉得到的峰谷值(Peak-to-valley,PV)、均方根(Root Mean Square,RMS)和轮廓算术平均偏差(Roughness Average,Ra )随扫描速度增大的变化趋势图。从图中可以看出,随着扫描速度的增大,PV、RMS、Ra均减小。其中扫描速度从25 mm/s增大到1×103 mm/s时,PV变化较大,RMS和Ra变化较小;扫描速度从1×103 mm/s增大到5×103 mm/s时,样品的PV、RMS和Ra变化较缓。说明当能量密度恒定时,扫描速度越大,单位时间内光斑的重叠率越低,材料表面沉积的激光能量越少,表面粗糙度越小。图5为加工前后样品表面的算术平均高度Sa、根均方高度Sq随扫描速度变化的关系图。从图中可以看出,随着扫描速度的增大,Sa、Sq由快速下降变化到缓慢下降,因为随着扫描速度的增大,光斑重叠率降低,单位面积上的能量减小,激光的烧蚀情况减弱。当扫描速度小于1×103 mm/s时,光斑重叠率大于95 %,Sa和Sq变化较大,说明在能量密度为8.05 J/cm2时,扫描速度变化引起的光斑重叠率对材料影响越来越大;当扫描速度大于1×103 mm/s,光斑重叠率小于95 %,Sa和Sq均变化较小,说明扫描速度变化引起的光斑重叠率对材料影响越来越小。
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理分析[J]. 许媛,宁仁霞,鲍婕,侯丽. 激光与红外. 2019(04)
[2]高频飞秒激光对硅材料烧蚀的热积累效应[J]. 李志明,聂劲松,胡瑜泽,王磊. 激光与红外. 2017(04)
[3]飞秒激光诱导钛表面形成高空间频率周期条纹结构[J]. 刘凯军,李晓红,王凯,周强,杨永佳,邱荣. 强激光与粒子束. 2017(04)
[4]飞秒激光金属着色颜色差分析[J]. 李阳博,柏锋,范文中,赵全忠. 光学学报. 2016(07)
[5]光斑重叠率对飞秒激光硅材料表面着色的影响[J]. 柏锋,范文中,李阳博,泮怀海,李虹瑾,赵全忠. 中国激光. 2016(07)
[6]航空用钛合金研究进展[J]. 金和喜,魏克湘,李建明,周建宇,彭文静. 中国有色金属学报. 2015(02)
[7]超快脉冲激光对钛合金的烧蚀特性与作用机理[J]. 郑卜祥,姜歌东,王文君,梅雪松. 西安交通大学学报. 2014(12)
博士论文
[1]飞秒激光诱导固体表面微纳米周期性结构的研究[D]. 李晨.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2016
硕士论文
[1]飞秒激光加工TC4钛合金的热积累模型及实验研究[D]. 张寒墨.辽宁科技大学 2018
[2]飞秒激光等离子体光谱及沉积技术研究[D]. 张生孔.福州大学 2017
[3]纳秒激光诱导钛合金表面着色机理及其质量评价研究[D]. 李云龙.山东大学 2017
本文编号：3016916
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