飞秒激光制备可调控铝合金表面微沟槽结构研究

刘克，刘子源，陶海岩，林景全

（长春理工大学 物理学院，长春 130022）

近年来，相关研究发现微纳结构表面具有某些特殊的性能，如粘附性、润滑性、耐磨损性、减阻性、超疏水性等，基于仿生学发展起来的微沟槽减阻技术更是成为当今学者研究的热点［1-6］。目前减阻微沟槽的制备方法主要有真空浇铸减阻薄膜［7］、磨削成形［8］、电火花加工［9］、电化学微加工［10］、LIGA 成形［11］、激光微加工（纳秒和皮秒）［12-15］、滚压成形［16］等。以上方法在加工过程中都存在一些弊端，如工艺流程繁杂、加工环境苛刻、加工材料受限、精度低等。且使用以上方法成形后的结构表面各自存在一些缺点，如耐久性差、易损耗等。而飞秒激光具有峰值功率高、脉宽超短的特点。飞秒激光微纳加工的热效应较少，加工精度更高，加工材料不受限，直写加工流程简单，并且对加工环境要求不高［17-23］。将飞秒激光技术与仿生学设计理念相结合，可以直接在材料表面制备微米甚至纳米级的减阻沟槽结构。然而由于飞秒激光微纳加工相关研究起步较晚，目前多为实验室研究对象，未在工业生产中广泛应用。所以如何使用飞秒激光高效率、高精度地制备可控形貌尺寸的仿生微沟槽结构是当今科研领域的一个重要议题。

使用飞秒激光在6061型铝合金表面进行了可控形貌尺寸的微沟槽结构的制备。通过飞秒激光直写实验，首先研究了激光功率、重复频率、扫描次数、扫描速度等激光参数和扫描参数对微沟槽结构表面形貌尺寸的影响和加工质量的影响，并得到了以上参数与加工微沟槽尺寸之间的规律性关系，确定连续沟槽的调控方法。然后选择适合的实验参数，在6061铝合金表面完成了典型的连续V形减阻微沟槽结构制备和调控，为今后飞秒激光制备航空航天材料减阻微纳结构表面的实际应用提供了参考。

1 实验

实验硬件系统主要包括飞秒激光发生系统、扫描振镜系统、样品台和旁轴定标系统。实验光路如图1所示，其中飞秒激光发生系统采用的是天津凯普林激光科技有限公司的20 W红外工业光纤飞秒激光器，其主要产生激光为波长1 030 nm的连续脉冲激光，最大功率为20 W，重复频率10～400 kHz。扫描振镜系统为德国的SCANLAB扫描振镜，XY轴最大工作范围为100×100 mm2，镜组将激光束垂直聚焦于样品台上，焦距为167 mm。通过软件程序控制激光器和振镜工作，扫描系统三轴联动，可以实现各种复杂的二维和三维结构的加工。

图1 飞秒激光加工示意图

实验所选样品为6061铝合金，尺寸规格20×20×2 mm3，购于苏州市瑞之特金属材料有限公司。6061铝合金具有良好的电镀性、抗腐蚀性、和韧性，在航空航天领域被广泛应用于制作飞机蒙皮、机身框架、旋翼和起落架支柱等。

首先用自动精密研磨抛光机（UNIPOL-802，沈阳科晶）对金属表面进行研磨抛光处理，然后利用超声波清洗仪（SK06G，上海科导）分别在酒精和去离子水中对样品进行清洗，确保激光加工前样品表面足够光滑平整，以减小表面粗糙度在随后的激光加工中产生的影响。

利用飞秒激光加工系统对处理过后的铝合金表面以线型扫描的方式进行加工，以沟槽型结构为基础，采用不同激光参数和扫描参数在样品表面制备沟槽结构，来研究激光功率、重复频率、扫描速度和扫描次数对沟槽形貌尺寸的影响。

使用扫描电子显微镜对表面形貌进行表征。通过扫描电子显微镜（JEOL，JSM-IT300LV，Japan）观察激光加工后的微纳米结构形貌，并对其尺寸进行测量分析。通过对实验结果的分析，选择合适的实验参数来制备适用于航空飞机减阻的铝合金沟槽结构表面。

2 结果与讨论

2.1 激光扫描参数对沟槽形貌尺寸的影响

影响沟槽形貌尺寸的两个重要因素为单脉冲能量和有效脉冲数［24］，激光功率的增大意味着单脉冲能量增大，而扫描速度减小、扫描次数增多和重复频率增加也就等效于有效脉冲数增加。故以激光功率、重复频率、扫描速度、扫描次数这四个参数作为变量，分析这四个参数对于微沟槽结构形貌尺寸的影响。

2.1.1 激光功率和重复频率对沟槽形貌尺寸的影响

固定重复频率400 kHz，扫描速度0.2 m/s，扫描次数5次。分别以2 W、6 W、10 W、14 W、18 W这五种不同激光功率进行单线刻划制备沟槽。不同功率下微沟槽的形貌质量和尺寸变化趋势如图2所示。

图2 激光功率对沟槽形貌尺寸的影响

沟槽深度随激光功率的增加而增大，沟槽宽度也呈增长趋势。随着激光功率的增加，单个脉冲能量增加，样品单位面积在单位时间内吸收的激光能量增加，其他参数不变的条件下，较高的脉冲能量被靶材吸收，达到材料烧蚀阈值时会将表面材质去除掉，使烧蚀区域变大，烧蚀程度变深，表现在沟槽上，其宽度和深度明显增加。随着吸收能量的增多，激光烧蚀样品表面会变得更加剧烈，导致沟槽表面粗糙度增加。激光功率增大到一定程度，脉冲能量的改变对沟槽宽度的影响会变小，之所以产生这种结果是由于高斯光束光斑外部的能量较低，而光斑直径不变，所以沟槽宽度到达一定极限后将不再增加。

固定激光功率18 W，扫描速度0.2 m/s，扫描次数 5 次。分别以 50 kHz、100 kHz、200 kHz、400 kHz这四种不同重复频率进行单线刻划制备沟槽。不同重频下微沟槽的形貌质量和尺寸变化趋势如图3所示，微沟槽的宽度和深度会随着重复频率的升高而增大，其中沟槽深度的增长幅度尤为明显。重复频率的升高意味着单位时间内激光脉冲个数的增加，即有效脉冲数增加，这导致了激光扫描轨迹上的总烧蚀量增加，表现在沟槽上，其宽度和深度明显增加。从制备的沟槽扫描电镜图上来看，重复频率对沟槽形貌尺寸的影响趋势类似于激光功率，但由于激光器控制软件可选的重复频率档位数量是有限的且数值是固定的，因此以重复频率作为变量对沟槽形貌尺寸的可调控程度十分有限。

图3 重复频率对沟槽形貌尺寸的影响

由图3（a）可知，当低重频时，沟槽底面较为平坦，随着功率或重频的提高，沟槽底面变得深而尖锐。从能量密度的角度分析，由于飞秒激光为高斯光束，其光斑截面的能量分布为高斯型，飞秒激光直线刻划制备沟槽时，光斑边缘部分能量密度低于中心部分，导致中心区域烧蚀强于边缘区域，所以可以制备出类似U形或V形的沟槽结构。当整体能量密度较低时，制备的沟槽窄而浅，此时光斑中心能量密度与边缘差距不大，相比于光斑的直径方向，深度方向上的能量累积并不显著，所以此时沟槽底面为比较平坦的弧形结构，沟槽整体结构类似U形。随着能量密度的提高，总烧蚀量变大，沟槽变宽变深，光斑中心的强烧蚀区的能量累积与边缘的普通烧蚀区渐渐拉开差距，中心强烧蚀区作用剧烈，烧蚀深度大幅增加，因此沟槽的侧壁角度随着能量密度的增加而显著增加，沟槽底面中部窄且深，整体结构类似V形。

2.1.2 扫描速度和扫描次数对沟槽形貌尺寸的影响

为了让研究更系统并保证加工效率，固定重复频率400 kHz，扫描次数4次。分别在2 W、10 W、18 W这三种不同激光功率下以不同扫描速度进行单线刻划制备沟槽。微沟槽尺寸随扫描速度变化趋势如图4（a）—图4（c）所示，在不同功率下，随着扫描速度的改变，微沟槽形貌尺寸变化趋势基本一致。随着扫描速度的升高，沟槽的宽度和深度都在减小，且扫描速度对于沟槽深度的影响比宽度更明显。当扫描速度升高至一定程度后，沟槽深度将不再有明显的变化。

扫描速度会影响光斑的重叠面积，如图4（d）所示。扫描速度的升高意味着有效脉冲数的减小，且相邻两个脉冲在空间上的重叠面积减少，即扫描激光光斑的重叠率减少，作用相同距离路径的激光脉冲数减少，这会导致扫描轨迹上的总烧蚀量减少。当扫描速度较低时，激光脉冲在单位面积内的停留时间较长，很快达到材料烧蚀阈值，此时扫描速度对于沟槽形貌的影响较为明显；当扫描速度较高时，激光脉冲在单位面积内的停留时间较短，激光提供的能量较少，烧蚀效果则不那么明显。

图4 扫描速度对沟槽尺寸影响规律

扫描速度0.01 m/s和0.05 m/s的微沟槽形貌对比如图5所示。当扫描速度为0.01 m/s时，沟槽的整体质量比较差，熔渣堆积较多，而且侧壁切口也不够光滑平整。这是由于扫描速度过低，激光相邻脉冲重叠率变高，能量积累过多，造成了轻微的过度烧蚀，使材料出现熔融现象，使得加工的沟槽内部质量变差，粗糙度增加，并且激光的利用率降低。因此选择合适的扫描速度对提升加工沟槽整体形貌质量至关重要。

图5 扫描速度0.01 m/s和0.05 m/s的微沟槽形貌对比

关于扫描次数的研究，在2 W、10 W、18 W这三种不同激光功率下以不同扫描次数进行单线刻划制备沟槽。微沟槽尺寸随扫描次数变化趋势如图6（a）—图6（c）所示，随着扫描次数的增多，沟槽的宽度和深度在增大，其中沟槽深度的增长幅度尤为明显，当扫描次数增加至一定程度后，沟槽的宽度和深度将达到极限，增幅缓慢甚至不再增大。

扫描次数的增多意味着单位面积内作用脉冲数的增加，脉冲数越多，能量累积越多，而能量的累加势必导致总烧蚀量增加。但是激光总烧蚀量存在一个极限值，因为扫描速度和重复频率固定时，有效脉冲数始终保持不变，相邻两个脉冲在空间上的重叠率不变。扫描次数的累加等效于在原有脉冲位置逐层叠加由于激光焦点位置不变，随着扫描次数的增加，沟槽底部的光束逐渐离焦，如图6（d）所示，到达沟槽底部位置的光束能量不足以对材料继续烧蚀，且随着扫描次数的增加，沟槽中沉积的熔屑也会遮蔽一部分光束，对离焦的光束强度进一步削弱，导致烧蚀效果不那么显著。当底部光斑的能量小于材料的烧蚀阈值时，激光能量不足以继续去除材料，深度便会达到了一定极限。

图6 扫描次数对沟槽尺寸影响规律

扫描速度0.1 m/s扫描次数4次和扫描速度0.4 m/s扫描次数10次的微沟槽形貌对比如图7所示。通过对比可知，相似形貌尺寸的沟槽，以较高速度多次扫描的沟槽要比低速少次数的沟槽形貌更加光滑规整，产生这种现象的原因是高速多次扫描时，每次扫描累积能量较少，烧蚀不会过于激烈。随着扫描次数累加，逐层去除表面材质，由浅入深。而低速少次数的扫描策略，单次扫描累积能量较高，烧蚀剧烈，导致沟槽形貌粗糙。

图7 0.01 m/s、4次和0.4 m/s、10次扫描的微沟槽形貌对比

通过以上实验分析可知，激光功率、重复频率、扫描速度、扫描次数都对加工微沟槽的形貌尺寸有着重要影响。激光功率的改变对于沟槽的深度和宽度都有较大程度的影响，而扫描速度和扫描次数对沟槽深度的影响要大于沟槽宽度。因此可以制定出精确调控微沟槽尺寸的策略：当需要制备某一尺寸的沟槽时，可以先固定高重复频率和较快的扫描速度来保证加工效率，然后确定合适的激光功率来匹配沟槽宽度的大概范围，最后以较快的扫描速度多次扫描出目标深度的沟槽。

2.2 典型连续微沟槽表面结构制备

通过前面系统的实验，已经基本掌握激光扫描各项参数对于微沟槽结构形貌尺寸的影响，选择适当的加工参数，调整刻划之间的间距，即扫描间距，以控制扫描次数的方式多线刻划便可制备出理想尺寸的完整的连续沟槽结构表面。首先以激光功率18 W，重复频率400 kHz，扫描速度0.8 m/s，扫描间距0.05 mm，依次改变扫描次数为 5、10、15、20，来制备出的连续对称V形沟槽表面。图8为沟槽表面的扫描电镜图，随着扫描次数的增加，微沟槽的深度逐渐增大，对比扫描次数为15次和20次的沟槽形貌，沟槽深度和宽度尺寸几乎没有变化。

图8 扫描次数调控连续V形沟槽表面SEM图

根据Walsh的研究，沟槽无量纲宽高小于30时才有减阻效果，沟槽无量纲宽（s+）和高（h+）满足s+＝15，h+＝12时，减阻效果最好。已知普通民用航天飞机的时速一般为900公里/小时，若想在特征长度为L＝4 m的机翼上实现减阻，沟槽无量纲尺寸s+应小于30。当沟槽无量纲尺寸s+为15左右，实际尺寸为0.05 mm左右时，减阻效果最佳。根据上文的激光参数与扫描参数探索，确定加工参数，激光扫描参数组合设置为：激光功率18 W，重复频率400 kHz，扫描速度0.4 m/s，扫描次数10次，扫描间距0.05 mm。在标准的6061铝合金试样上制备V形沟槽结构，其形貌如图9所示，沟槽宽度为50µm，深度为43.3µm，该沟槽为标准的顶角为60°的对称V形沟槽。

图9 典型对称V形沟槽表面SEM图

3 结论

通过飞秒激光直写沟槽实验，系统研究了激光功率、重复频率、扫描速度、扫描次数对微沟槽结构表面形貌尺寸的影响和加工质量的影响，分析认为单脉冲能量和有效脉冲数对沟槽宽度和深度都有不同程度的影响，并得到了激光各项参数与加工尺寸之间的规律性关系。最终确定最优方案，以激光功率和扫描间距确定沟槽整体宽度，通过扫描次数的累加来调控沟槽深度，可以制备出各种可调控尺寸的V形沟槽。根据航空航天的减阻需求，用合适的激光参数在铝合金平板表面制备出了适用于民用客机机翼的对称V形沟槽结构。