劉克，劉子源，陶海巖，林景全

（長春理工大學(xué) 物理學(xué)院，長春 130022）

近年來，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)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(xué)發(fā)展起來的微溝槽減阻技術(shù)更是成為當(dāng)今學(xué)者研究的熱點(diǎn)［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(xué)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(huán)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(jié)構(gòu)表面各自存在一些缺點(diǎn)，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(diǎn)。飛秒激光微納加工的熱效應(yīng)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(duì)加工環(huán)境要求不高［17-23］。將飛秒激光技術(shù)與仿生學(xué)設(shè)計(jì)理念相結(jié)合，可以直接在材料表面制備微米甚至納米級(jí)的減阻溝槽結(jié)構(gòu)。然而由于飛秒激光微納加工相關(guān)研究起步較晚，目前多為實(shí)驗(yàn)室研究對(duì)象，未在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)是當(dāng)今科研領(lǐng)域的一個(gè)重要議題。

使用飛秒激光在6061型鋁合金表面進(jìn)行了可控形貌尺寸的微溝槽結(jié)構(gòu)的制備。通過飛秒激光直寫實(shí)驗(yàn)，首先研究了激光功率、重復(fù)頻率、掃描次數(shù)、掃描速度等激光參數(shù)和掃描參數(shù)對(duì)微溝槽結(jié)構(gòu)表面形貌尺寸的影響和加工質(zhì)量的影響，并得到了以上參數(shù)與加工微溝槽尺寸之間的規(guī)律性關(guān)系，確定連續(xù)溝槽的調(diào)控方法。然后選擇適合的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在6061鋁合金表面完成了典型的連續(xù)V形減阻微溝槽結(jié)構(gòu)制備和調(diào)控，為今后飛秒激光制備航空航天材料減阻微納結(jié)構(gòu)表面的實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)主要包括飛秒激光發(fā)生系統(tǒng)、掃描振鏡系統(tǒng)、樣品臺(tái)和旁軸定標(biāo)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示，其中飛秒激光發(fā)生系統(tǒng)采用的是天津凱普林激光科技有限公司的20 W紅外工業(yè)光纖飛秒激光器，其主要產(chǎn)生激光為波長1 030 nm的連續(xù)脈沖激光，最大功率為20 W，重復(fù)頻率10～400 kHz。掃描振鏡系統(tǒng)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(tái)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(tǒng)三軸聯(lián)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的二維和三維結(jié)構(gòu)的加工。

圖1 飛秒激光加工示意圖

實(shí)驗(yàn)所選樣品為6061鋁合金，尺寸規(guī)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(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于制作飛機(jī)蒙皮、機(jī)身框架、旋翼和起落架支柱等。

首先用自動(dòng)精密研磨拋光機(jī)（UNIPOL-802，沈陽科晶）對(duì)金屬表面進(jìn)行研磨拋光處理，然后利用超聲波清洗儀（SK06G，上?？茖?dǎo)）分別在酒精和去離子水中對(duì)樣品進(jìn)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(chǎn)生的影響。

利用飛秒激光加工系統(tǒng)對(duì)處理過后的鋁合金表面以線型掃描的方式進(jìn)行加工，以溝槽型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用不同激光參數(shù)和掃描參數(shù)在樣品表面制備溝槽結(jié)構(gòu)，來研究激光功率、重復(fù)頻率、掃描速度和掃描次數(shù)對(duì)溝槽形貌尺寸的影響。

使用掃描電子顯微鏡對(duì)表面形貌進(jìn)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(jié)構(gòu)形貌，并對(duì)其尺寸進(jìn)行測量分析。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，選擇合適的實(shí)驗(yàn)參數(shù)來制備適用于航空飛機(jī)減阻的鋁合金溝槽結(jié)構(gòu)表面。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光掃描參數(shù)對(duì)溝槽形貌尺寸的影響

影響溝槽形貌尺寸的兩個(gè)重要因素為單脈沖能量和有效脈沖數(shù)［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(shù)增多和重復(fù)頻率增加也就等效于有效脈沖數(shù)增加。故以激光功率、重復(fù)頻率、掃描速度、掃描次數(shù)這四個(gè)參數(shù)作為變量，分析這四個(gè)參數(shù)對(duì)于微溝槽結(jié)構(gòu)形貌尺寸的影響。

2.1.1 激光功率和重復(fù)頻率對(duì)溝槽形貌尺寸的影響

固定重復(fù)頻率400 kHz，掃描速度0.2 m/s，掃描次數(shù)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(jìn)行單線刻劃制備溝槽。不同功率下微溝槽的形貌質(zhì)量和尺寸變化趨勢如圖2所示。

圖2 激光功率對(duì)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(gè)脈沖能量增加，樣品單位面積在單位時(shí)間內(nèi)吸收的激光能量增加，其他參數(shù)不變的條件下，較高的脈沖能量被靶材吸收，達(dá)到材料燒蝕閾值時(shí)會(huì)將表面材質(zhì)去除掉，使燒蝕區(qū)域變大，燒蝕程度變深，表現(xiàn)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(huì)變得更加劇烈，導(dǎo)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(duì)溝槽寬度的影響會(huì)變小，之所以產(chǎn)生這種結(jié)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(dá)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(shù) 5 次。分別以 50 kHz、100 kHz、200 kHz、400 kHz這四種不同重復(fù)頻率進(jìn)行單線刻劃制備溝槽。不同重頻下微溝槽的形貌質(zhì)量和尺寸變化趨勢如圖3所示，微溝槽的寬度和深度會(huì)隨著重復(fù)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(fù)頻率的升高意味著單位時(shí)間內(nèi)激光脈沖個(gè)數(shù)的增加，即有效脈沖數(shù)增加，這導(dǎo)致了激光掃描軌跡上的總燒蝕量增加，表現(xiàn)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(fù)頻率對(duì)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(fù)頻率檔位數(shù)量是有限的且數(shù)值是固定的，因此以重復(fù)頻率作為變量對(duì)溝槽形貌尺寸的可調(diào)控程度十分有限。

圖3 重復(fù)頻率對(duì)溝槽形貌尺寸的影響

由圖3（a）可知，當(dāng)?shù)椭仡l時(shí)，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(shí)，光斑邊緣部分能量密度低于中心部分，導(dǎo)致中心區(qū)域燒蝕強(qiáng)于邊緣區(qū)域，所以可以制備出類似U形或V形的溝槽結(jié)構(gòu)。當(dāng)整體能量密度較低時(shí)，制備的溝槽窄而淺，此時(shí)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(shí)溝槽底面為比較平坦的弧形結(jié)構(gòu)，溝槽整體結(jié)構(gòu)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(qiáng)燒蝕區(qū)的能量累積與邊緣的普通燒蝕區(qū)漸漸拉開差距，中心強(qiáng)燒蝕區(qū)作用劇烈，燒蝕深度大幅增加，因此溝槽的側(cè)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(jié)構(gòu)類似V形。

2.1.2 掃描速度和掃描次數(shù)對(duì)溝槽形貌尺寸的影響

為了讓研究更系統(tǒng)并保證加工效率，固定重復(fù)頻率400 kHz，掃描次數(shù)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(jìn)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(duì)于溝槽深度的影響比寬度更明顯。當(dāng)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(huì)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(shù)的減小，且相鄰兩個(gè)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(shù)減少，這會(huì)導(dǎo)致掃描軌跡上的總燒蝕量減少。當(dāng)掃描速度較低時(shí)，激光脈沖在單位面積內(nèi)的停留時(shí)間較長，很快達(dá)到材料燒蝕閾值，此時(shí)掃描速度對(duì)于溝槽形貌的影響較為明顯；當(dāng)掃描速度較高時(shí)，激光脈沖在單位面積內(nèi)的停留時(shí)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(duì)溝槽尺寸影響規(guī)律

掃描速度0.01 m/s和0.05 m/s的微溝槽形貌對(duì)比如圖5所示。當(dāng)掃描速度為0.01 m/s時(shí)，溝槽的整體質(zhì)量比較差，熔渣堆積較多，而且側(cè)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(xiàn)熔融現(xiàn)象，使得加工的溝槽內(nèi)部質(zhì)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(duì)提升加工溝槽整體形貌質(zhì)量至關(guān)重要。

圖5 掃描速度0.01 m/s和0.05 m/s的微溝槽形貌對(duì)比

關(guān)于掃描次數(shù)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(shù)進(jìn)行單線刻劃制備溝槽。微溝槽尺寸隨掃描次數(shù)變化趨勢如圖6（a）—圖6（c）所示，隨著掃描次數(shù)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(dāng)掃描次數(shù)增加至一定程度后，溝槽的寬度和深度將達(dá)到極限，增幅緩慢甚至不再增大。

掃描次數(shù)的增多意味著單位面積內(nèi)作用脈沖數(shù)的增加，脈沖數(shù)越多，能量累積越多，而能量的累加勢必導(dǎo)致總燒蝕量增加。但是激光總燒蝕量存在一個(gè)極限值，因?yàn)閽呙杷俣群椭貜?fù)頻率固定時(shí)，有效脈沖數(shù)始終保持不變，相鄰兩個(gè)脈沖在空間上的重疊率不變。掃描次數(shù)的累加等效于在原有脈沖位置逐層疊加由于激光焦點(diǎn)位置不變，隨著掃描次數(shù)的增加，溝槽底部的光束逐漸離焦，如圖6（d）所示，到達(dá)溝槽底部位置的光束能量不足以對(duì)材料繼續(xù)燒蝕，且隨著掃描次數(shù)的增加，溝槽中沉積的熔屑也會(huì)遮蔽一部分光束，對(duì)離焦的光束強(qiáng)度進(jìn)一步削弱，導(dǎo)致燒蝕效果不那么顯著。當(dāng)?shù)撞抗獍叩哪芰啃∮诓牧系臒g閾值時(shí)，激光能量不足以繼續(xù)去除材料，深度便會(huì)達(dá)到了一定極限。

圖6 掃描次數(shù)對(duì)溝槽尺寸影響規(guī)律

掃描速度0.1 m/s掃描次數(shù)4次和掃描速度0.4 m/s掃描次數(shù)10次的微溝槽形貌對(duì)比如圖7所示。通過對(duì)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(shù)的溝槽形貌更加光滑規(guī)整，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是高速多次掃描時(shí)，每次掃描累積能量較少，燒蝕不會(huì)過于激烈。隨著掃描次數(shù)累加，逐層去除表面材質(zhì)，由淺入深。而低速少次數(shù)的掃描策略，單次掃描累積能量較高，燒蝕劇烈，導(dǎo)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(duì)比

通過以上實(shí)驗(yàn)分析可知，激光功率、重復(fù)頻率、掃描速度、掃描次數(shù)都對(duì)加工微溝槽的形貌尺寸有著重要影響。激光功率的改變對(duì)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(shù)對(duì)溝槽深度的影響要大于溝槽寬度。因此可以制定出精確調(diào)控微溝槽尺寸的策略：當(dāng)需要制備某一尺寸的溝槽時(shí)，可以先固定高重復(fù)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(biāo)深度的溝槽。

2.2 典型連續(xù)微溝槽表面結(jié)構(gòu)制備

通過前面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)基本掌握激光掃描各項(xiàng)參數(shù)對(duì)于微溝槽結(jié)構(gòu)形貌尺寸的影響，選擇適當(dāng)?shù)募庸?shù)，調(diào)整刻劃之間的間距，即掃描間距，以控制掃描次數(shù)的方式多線刻劃便可制備出理想尺寸的完整的連續(xù)溝槽結(jié)構(gòu)表面。首先以激光功率18 W，重復(fù)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(shù)為 5、10、15、20，來制備出的連續(xù)對(duì)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(shù)的增加，微溝槽的深度逐漸增大，對(duì)比掃描次數(shù)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(shù)調(diào)控連續(xù)V形溝槽表面SEM圖

根據(jù)Walsh的研究，溝槽無量綱寬高小于30時(shí)才有減阻效果，溝槽無量綱寬（s+）和高（h+）滿足s+＝15，h+＝12時(shí)，減阻效果最好。已知普通民用航天飛機(jī)的時(shí)速一般為900公里/小時(shí)，若想在特征長度為L＝4 m的機(jī)翼上實(shí)現(xiàn)減阻，溝槽無量綱尺寸s+應(yīng)小于30。當(dāng)溝槽無量綱尺寸s+為15左右，實(shí)際尺寸為0.05 mm左右時(shí)，減阻效果最佳。根據(jù)上文的激光參數(shù)與掃描參數(shù)探索，確定加工參數(shù)，激光掃描參數(shù)組合設(shè)置為：激光功率18 W，重復(fù)頻率400 kHz，掃描速度0.4 m/s，掃描次數(shù)10次，掃描間距0.05 mm。在標(biāo)準(zhǔn)的6061鋁合金試樣上制備V形溝槽結(jié)構(gòu)，其形貌如圖9所示，溝槽寬度為50μm，深度為43.3μm，該溝槽為標(biāo)準(zhǔn)的頂角為60°的對(duì)稱V形溝槽。

圖9 典型對(duì)稱V形溝槽表面SEM圖

3 結(jié)論

通過飛秒激光直寫溝槽實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了激光功率、重復(fù)頻率、掃描速度、掃描次數(shù)對(duì)微溝槽結(jié)構(gòu)表面形貌尺寸的影響和加工質(zhì)量的影響，分析認(rèn)為單脈沖能量和有效脈沖數(shù)對(duì)溝槽寬度和深度都有不同程度的影響，并得到了激光各項(xiàng)參數(shù)與加工尺寸之間的規(guī)律性關(guān)系。最終確定最優(yōu)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(shù)的累加來調(diào)控溝槽深度，可以制備出各種可調(diào)控尺寸的V形溝槽。根據(jù)航空航天的減阻需求，用合適的激光參數(shù)在鋁合金平板表面制備出了適用于民用客機(jī)機(jī)翼的對(duì)稱V形溝槽結(jié)構(gòu)。