激光加工过程中材料晶体取向的影响因素分析

何 清，张景泉，黄 婷，肖荣诗

（北京工业大学激光工程研究院，高功率及超快激光先进制造实验室，北京100124）

自1960年激光问世以来，激光材料加工就受到了高度重视。激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性、高可调谐性等特性，通过调Q、锁模技术可将脉冲宽度压缩至纳秒（10-9s）、皮秒（10-12s）、飞秒（10-15s）甚至阿秒（10-18s）量级，因此激光在能量、波长、时间等方面可选择范围宽，与材料相互作用产生相应效应，实现各种加工目的。

激光加工方法众多，如激光熔覆、增材制造、激光焊接、脉冲激光沉积、激光诱导周期性结构等，已广泛应用于各个领域。激光熔覆是一种涂层与基体冶金结合的先进表面改性与修复技术，具有稀释率低、结构致密、组织细小等特点[1-2]；激光增材制造以激光为能量源，以材料逐层累加的方式制造各种结构复杂、性能优异的零件[3-6]；激光焊接通过激光加热实现材料永久连接，具有热输入小、焊接速度快、接头性能好、焊接变形小等优点[7-8]；脉冲激光沉积是一种先进的薄膜制备技术，具有反应迅速、沉积效率高、定向性强、薄膜沉积分辨率高等特点[9-11]；激光诱导周期性结构是一种具有纳米尺度特征结构和自重复微观尺度结构的表面组织结构制造方法，可以改变材料表面浸润性、光学特性等[12-18]。

材料的不同晶面具有不同的力学、电学、光学和化学特性[19]，如Cu的不同晶面对CO2的C-C耦合能显示出不同的电化学还原能力[20]。激光加工是一个复杂的物理、化学过程，当与材料相互作用时，材料的不同晶面会产生不同的热、机械响应，对激光加工过程和效果产生显著影响[21-22]。本文对激光熔覆、增材制造、焊接、脉冲激光沉积、超短脉冲激光加工过程中材料晶体取向对加工过程中的影响研究进行了概述。

1 激光熔覆

激光熔覆热输入集中，熔池中正温度梯度高，因此激光熔池中一般不产生形核和等轴晶的生长，固液界面以外延方式推进，熔覆层组织受到基底材料与晶体取向的显著影响。镍基高温合金因其良好的材料性能成为工业领域的重要材料，因此研究者们对这类合金做了大量研究工作。在定向凝固DZ22基体上熔覆镍基合金，基体择优取向（100）晶面可以实现熔覆层晶粒的定向生长[23]。在镍基高温合金基底上多层熔覆同类合金时，基材表层的晶体取向与合金择优取向相近或一致，可得到与基材晶体取向一致、组织结构规整且与基材组织连续的定向柱状枝晶[24-25]。在单晶高温合金 DD3上熔覆FGH95合金时，在基体的（001）晶面上可得到从基体外延生长的组织细小、力学性能良好的单晶熔覆层[26]。Nishimoto等[27]在镍基单晶高温合金CMSX-4表面熔覆高温合金René142，在低热量输入条件下，表面熔化区域生成具有沿着基体取向外延生长的单晶枝晶（图1）。Vilar等[28]在SRR99镍基高温合金的（100）单晶基体上熔覆NiCrAlY，发现熔覆层形成的枝晶遗传了基体的单晶性质和（100）取向。上述研究表明，当镍基高温合金作为熔覆层基体时，择优晶向为（100），该取向和热流方向夹角很小，可以实现熔覆层沿原择优晶向连续生长。

图1 René142熔化区域生成单晶枝晶

除了镍基高温合金外，其他的基体材料也存在类似现象。Ocelík等[29-30]在42CrMo4钢基体上熔覆钴基合金时，发现熔覆层外延生长的晶体取决于基体的取向（图2），Venkatesh等[31]在碳钢表面熔覆碳化铬-镍基涂层时，发现在较低的激光功率下，显微组织Cr7C3晶粒选择性生长为柱状（0001）取向的结构（图 3）。

综上，激光熔覆时基体的晶粒取向决定了熔覆层-基体界面处的晶粒取向。熔覆层晶粒延续了基体晶粒的择优取向，实现定向、规整、连续的生长。

图2 钴基合金涂层晶体在钢基底上生长

图3 碳钢表面的碳化铬-镍涂层熔覆层中枝晶的择优生长]

2 激光增材制造

增材制造是一种改变传统制造理念和模式的先进制造技术。激光选区熔化和激光沉积成形是增材制造技术的重要组成部分。Al-6.2Mg-0.36Sc-0.09 Zr合金激光选区熔化时在垂直于熔接线的方向形成呈柱状且具有（200）择优取向的织构[32]（图4）。Li和Liu等[33]在钛铝基合金上发现随着激光能量密度增加，晶体从（0001）取向变为（0001）、（101¯1）和（112¯1）取向的组合。同样的，激光沉积 α＋β 钛合金（TC21）时材料相变的演化与材料的晶面取向有关[34]。 Zhang等[35]在 Ti6Al2Sn2Zr3Mo1.5Cr2Nb合金基底上激光沉积成形α+β钛合金时，生长晶体遗传了基底的结晶学取向，倾向于在择优取向（100）向生长（图 5）。与该结果类似，Zhu 等[36]在 Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金（TC11）样品上发现沿沉积方向存在β（001）择优取向的组织。

图4 Al-6.2Mg-0.36Sc-0.09Zr合金形成具有（200）择优取向织构

图5 钛合金基底上晶体（100）择优取向生长

可见，在激光增材制造中，基底的取向决定晶体生长，且合金晶体取向对合金相变的演化有决定性作用，不同取向导致相变过程中产生各向异性，从而影响合金相变的演化。

3 激光焊接

在太阳能电池产业中，通常采用激光将几个单独的薄硅片焊接形成硅的基底片材。Hessmann等[37]在对（111）和（100）两个取向薄硅片焊接时，发现（111）面上引起的应力较强（图 6）。

图6 硅（111）和（100）晶面焊缝处不同取向应力差异

不锈钢激光焊接结构的破坏大多起源于焊缝熔合区，而晶面取向对焊缝的机械性能有着重要影响[38-39]。Li等[40]采用激光焊接304不锈钢时焊缝择优取向均为（200）和（220）方向，这种取向与是否采用表面活性剂硫无关。Rong等[41]发现在磁场作用下，降低择优取向（100）面的强度能改善对塑性变形的抵抗力。通过第二层沉积再加热奥氏体不锈钢焊接区（100）取向的柱状晶粒，发现该择优取向保持不变[42]。由此可见，不锈钢在凝固时晶粒最易沿（100）取向成核和生长。

焊接的快速冷却期间，相变取决于取向，熔池边界的母材晶粒表面可作为凝固组织的基底。因此，熔合区凝固晶粒的形成与固态母材晶粒取向有关，结构相似性可以减小母材与焊缝之间的晶粒取向差。

4 脉冲激光沉积

研究表明，脉冲激光沉积的基材取向决定了薄膜的性能。Verma等[43]系统地研究了在钇稳定氧化锆-YSZ（111）、Al2O3（0001）、Si（100）三种衬底上脉冲激光沉积ZnO薄膜的生长情况，YSZ（111）衬底上观察到最大晶粒，可作为C轴取向膜生长的较好衬底，而Al2O3（0001）衬底为分离的纳米柱提供了更好的生长条件（图7）。同样的，Han等[44]发现ZnO薄膜在硅衬底上沉积的取向随机，而在蓝宝石衬底上取向具有六方对称性，表现出较高的结晶质量。在La0.5Sr0.5CoO3层涂覆的MgO衬底上可成功生长具有良好物理性能（001）取向的 K3Li2Nb5O15薄膜[45]；在Pt/Ta/玻璃衬底上可制备择优取向为 （117）的Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）薄膜，该取向薄膜具有良好的铁电性能[46]。在Pt（111）涂覆的Si衬底上可获得具有（220）择优晶体取向的 NBT 膜，NBT 薄膜沿（220）取向的铁电畴图表现出可变的面内压电响应[47]。Zhang等[48]在IN718合金板上沉积镍基高温合金，研究结果表明大部分晶粒的生长方向倾向于 （001）取向（图8），晶粒的取向生长形成了组织结构，并且产生了各向异性。

图7 ZnO薄膜在不同衬底上的生长情况

脉冲激光沉积制备的薄膜以非晶或多晶为主，其表面状态、负电子亲和性、压电应力系数均依赖于晶面取向。衬底材料的晶体取向会对沉积后晶体取向产生决定性影响，一般在与薄膜晶格失配小、热膨胀系数匹配的衬底材料上制备具有择优取向的薄膜的成功率最高、微观晶体结构最好。

图8 IN718合金表面脉冲激光沉积后晶粒的（001）向生长

5 超短脉冲激光加工

超短脉冲激光可以在材料表面制备具有不同功能的微纳结构，同时也赋予了材料不同的功能，如爬墙机器人的超强黏附、脱附功能[49-50]，防水材料表面自清洁、超疏水功能[51-52]，游泳运动员泳衣的“鲨鱼皮”性能[53-55]等。超短脉冲激光制备的表面结构对基材的晶体取向具有选择性。

超短脉冲激光作用于材料时，往往伴随着周期性表面结构 （laser-induced periodic surface structures，LIPSS）的生成。 杨宏道等[56]发现，硅（111）面LIPSS呈网状结构且折线交角为120°或60°，排列较凌乱；（100）面则呈正交折线格子状结构，形成的微结构排列整齐。在SiO2基底上制备多晶硅薄膜时发现膜表面生成的LIPSS对（100）面取向有着强烈的依赖性，满足晶面内四重对称条件才能形成LIPSS[57]。 Jiang 等[58]观察到，飞秒激光作用硅（100）面、（111）面时，LIPSS对晶体取向产生强烈的依赖性，线偏振飞秒激光在某些偏振方向作用硅（100）晶面上不生成LIPSS，而（111）晶面更易生成LIPSS（图 9a）。 与该结果类似，Tsu 等[59]发现硅（111）比（100）取向更易诱导形成表面结构，在飞秒激光多脉冲照射下，硅和锗的（111）晶面比（110）表现出更明显的锥形结构[60]（图9b）。张欣等[61]对于飞秒激光刻蚀不同晶面单晶硅的行为特性进行研究，发现（111）晶面在飞秒激光能量密度低于和高于破坏阈值时分别形成非晶区和刻蚀区，而（100）面单晶硅在不同能量飞秒激光的作用下只形成刻蚀区。由此可见，激光作用在硅表面时，具有近似对称、密排结构的（111）面比（100）面更易形成微结构，更易产生作用。

除半导体硅和锗外，金属表面LIPSS也与晶面取向有关。Huis和Römer等[62-63]用三组不同激光参数作用高温合金（800H）表面时发现，优先在立方晶面上形成涟漪结构（图10）。飞秒激光脉冲作用在多晶镍表面时，其（213）和（215）晶面会形成LIPSS，而（111）面易形成晶格缺陷[64-65]（图 11）。 Nürnberger等也发现不锈钢表面的LIPSS形貌的排列方式取决于晶粒取向[66]（图 12）。

图9 硅（111）面受激光偏振作用与在微观下形成的状态

图10 高温合金不同取向晶粒上激光作用结果

图11 单脉冲作用下的镍表面不同晶面取向结果

图12 不同晶体取向的不锈钢表面下的激光作用

材料不同的晶面取向具有不同的表面能和表面原子密度，形成不同的键合位置，导致不同晶向的光学损伤阈值、自由电子密度、面与面之间作用力不同，使多晶材料不同取向对激光能量吸收不同、烧蚀速率不同，因此在激光照射在材料表面时表现出不同的生长或去除行为，因此以晶面取向的差异决定了LIPSS的产生及形态。

6 结束语

激光加工技术推动了诸多领域的快速发展。作为一种先进的材料加工手段，激光加工过程中材料的影响一直是关注的重点，随着激光加工技术的不断进步及工业需求的扩大，材料的晶体取向对于激光加工的影响将越来越明显。因此，深入理解材料晶体取向的影响，充分利用材料性能优势，对于材料的选择及工艺参数的调整具有重要的应用意义。