马玉平;张遥;魏超;李翔
【摘 要】In this study, the effects of femtosecond laser power, repetitive frequency, and scanning speed on diamond roughness were examined for the purpose of diamond coating surface Ra improvements.The morphology and roughness of fs-laser polished regions were analyzed with white-light interferometry.The experimental results showed that the diamond coating roughness decreased if the laser power decreased, and when the laser power was less than 100 mW, the roughness increased slightly with the reduced power.The laser repetitive frequency did not exhibit deteriorative effects on the roughness.The roughness decreased with decreasing scanning speed;however, a slight increase in the surface roughness was observed when the scanning velocity increased to 1.6 mm/s.Finally, under the conditions of 100 mW laser power, 1 KHz repetition rate, and 1.6 mm/s scanning speed, a minimum surface roughness of approximately 0.14μm was obtained, reaching as low as 100 nm in certain local areas.Furthermore, the polished regi
on had a higher compactness compared to the unpolished areas, and it met the requirements for low friction diamond coatings.%为了实现降低金刚石涂层粗糙度的目的,本文研究了飞秒激光功率,重复频率以及扫描速度对金刚石涂层表面粗糙度的影响,试验之后利用白光干涉仪检测抛光区域形貌以及粗糙度.试验结果表明:粗糙度随着功率的降低而减小,当功率降至100mw以下时抛光后的粗糙度会随着功率的降低而略微的提高;重复频率对抛光后的粗糙度无显著影响;粗糙度随扫描速度的增大而减小,当扫描速度增加到1.6mm/s之后,粗糙度会出现略微的升高.在功率100mw,重复频率1KHz,扫描速度1.6mm/s的条件下,得到的粗糙度最低,约为0.14μm,局部区域粗糙度可降至100nm以下,并且抛光的区域相对于未抛光区域更具有致密性,基本上满足金刚石涂层低摩擦表面的要求. 【期刊名称】快干毛巾《光学精密工程》
【年(卷),期】2019(027)001
【总页数】8页(P164-171)
【关键词】飞秒激光;金刚石涂层;粗糙度;致密性
【作 者】汽车智能防盗系统马玉平;张遥;魏超;李翔
【作者单位】安徽建筑大学 机械与电气工程学院, 安徽 合肥 230601;安徽建筑大学 机械与电气工程学院, 安徽 合肥 230601;安徽建筑大学 机械与电气工程学院, 安徽 合肥 230601;安徽建筑大学 机械与电气工程学院, 安徽 合肥 230601
【正文语种】中 文
【中图分类】TN249
1 引 言
金刚石具有高硬度、低摩擦系数、高耐磨性以及很好的化学稳定性等优良性能，由它加工出的试样表面比较光滑，具有较高的表面质量[1-2]。但是涂层表面一般比较粗糙，颗粒在8 μm以上，对其摩擦学性能产生不利影响，严重制约了硬质合金金刚石涂层刀具在超精密加工领域的应用。因此，获得一个摩擦系数低的表面涂层是尤为必要的。由于金刚石硬度很高，因此传统的机械抛光法并不能实现所要达到的抛光效果。激光抛光相对于传统的机械抛光具有很多的优势，其主要优点为：能对选定的小区域抛光，也可以在选定区域内大面
积抛光。其抛光本质是利用激光强大的瞬时功率将金刚石颗粒的棱角磨平。 国外学者Hu等研究了微晶金刚石、纳米晶金刚石和聚晶金刚石三种刀具切削铝基复合材料的切削加工试验，发现激光抛光与磨削相比可以使刀具的几何形状具有很高的柔性[3]。飞秒激光的脉冲宽度极其微短，因此飞秒激光加工相对于普通激光加工具有无热影响区、无融化区、无冲击波和裂纹等优点，广泛应用于机械，电子，医疗等很多领域上的精密加工[4]。飞秒激光对金刚石涂层进行抛光可以实现精准的定向抛光且抛光后的效果也是其他方法不可比拟的，所以选择飞秒激光抛光是一个非常有前景的方法[5]。国内外对超短脉冲激光加工也开展了不少的研究，科研人员利用飞秒激光在硅表面诱导微纳米结构[6]，以及通过功率变化发现激光照射下的材料特性发生改变[7]。在粗糙度方面，天津大学的研究团队[8]利用纳秒激光对316L不锈钢进行抛光，成功的将表面粗糙度由123 nm降至80 nm。北航的研究者[9]利用超声波与飞秒激光共同作用也成功的降低了硬质合金表面粗糙度。飞秒激光参数的不同都会对抛光产生一定的影响[10-12]，本文主要以飞秒激光的激光功率、重复频率、光源移动速度3个参数的变化对金刚石涂层表面粗糙度的影响进行了研究，并分析不同参数对粗糙度变化的原因。
2 飞秒激光与材料作用原理及模型
2.1 飞秒激光去除材料的物理过程
飞秒激光去除材料的本质首先是通过雪崩电离或者多光子电离形成自由电子，如图1和图2所示。
图1 雪崩电离示意图Fig.1 Avalanche ionization diagram
图2 多光子电离示意图Fig.2 Multiphoton ionization diagram
其雪崩电离是在激光强度低于1012 w/cm2的情况下部分游离的电子吸收能量进行碰撞产生自由电子，而在激光强度高于1012 w/cm2的情况下原子场内的电子吸收能量直接电离产生自由电子。其次通过产生的自由电子与声子的耦合加热晶格，最后通过强烈的晶格加热导致相爆炸发生，从而导致材料的去除，以上过程发生在极短的时间内，所以其过程的热影响区极小[13]。
2.2 飞秒激光与材料热传导公式模型
激光对材料的刻蚀机理主要是包含多光子吸收诱导的材料晶相结构转变及伴随高温高压产
生的等离子扩散和纳米粒子喷发。当激光在材料表面运动时，其激光与材料的能量传递方程为[14]：
(1)
式中：k为热导率；t为时间变量；w为热源单位时间里加热速率；T为温度；v为激光扫描速度。
当激光作用材料表面时，其激光热源是高斯面热源，高斯面轮廓决定了飞秒激光作用区域的温度与压力分布，作用区域的温度及压力场分布则影响着等离子体扩散和纳米粒子喷发，方程如式(2)所示[15]：
投票箱制作
(2)
式中：J为激光强度；R为材料反射率；tp为飞秒激光脉宽；δ为激光脉冲渗透深度。
将式(2)带入式(1)，便可得到在高斯面热源下飞秒激光与材料作用的温度场分布。由上式也可得出，激光强度与扫描速度是影响飞秒激光加工的主要因素。
3 试验装置与方法
本试验飞秒激光为掺钛蓝宝石飞秒激光系统，其主要固定参数为：波长800 nm，脉宽104 fs，激光焦点直径为30 μm。 通过衰减片和半波片共同作用来调节激光束能量[16]。激光束通过透镜聚焦以0°入射角度垂直照射到三维移动平台上的金刚石涂层试样表面。飞秒激光加工系统工作过程中工作平台保持固定，以光源的移动速度作为试验中激光的扫描速度。选取3个硬质合金(10×10×5 mm)，利用热丝化学气相沉积在试样表面沉积纳米金刚石涂层,其中反应气体丙酮、氢气、氩气的流量分别为50 ml/min、250 ml/min、250 ml/min，反应压力为1.8 KPa，偏流为2.0 A，沉积时间为7 h。之后通过白光干涉仪(White Light Interferometer)检测沉积表面形貌，发现衬底表面沉积了厚度约5～6 μm的金刚石涂层，如图3所示。通过测量得出初始粗糙度为0.568 6 μm。经测验，沉积获得的金刚石涂层摩擦系数低、应力低、附着力强，其硬度、力学性能、光电学性能等完全接近天然金刚石，是一种很好的表面抗磨损的涂层[17]。
图3 白光干涉仪下金刚石涂层初始的表面形貌Fig.3 Initial surface morphology of diamond coatings under white light interferometer
试验之前用丙酮溶液对样品清洗2 min。本次实验主要是通过变换激光光源移动速度(0.1～2 mm/s)，激光功率(50～150 mW)以及重复频率(100 Hz～100 KHz)3种激光基本参数来对金刚石涂层进行抛光试验，试验后利用白光干涉仪对槽体的抛光深度以及粗糙度进行检测。白光干涉仪的基本原理是利用光在不同的平面反射形成干涉条纹来进行分析，高度的测量范围为1 nm～200 μm，其精度之高是其它测量方法不可比拟的。本次实验系统主要包括飞秒激光光源、光学平台及光学元件、三维移动平台以及金刚石涂层试样，实验系统示意图如图4所示[18]。
图4 飞秒激光加工平台示意图Fig.4 Femtosecond laser processing platform diagram
4 试验结果分析
4.1 激光输出功率对试验的影响
选择150 mW、120 mW、100 mW、80 mW、70 mW、50 mW 6种不同的激光输出功率作为本次试验的输出功率。在光源移动速度1 mm/s，重复频率1 KHz，波长800 nm，脉宽104 fs的条件下，试验结果的三维形貌如下图5所示：
图5 不同功率下的三维形貌图Fig.5 Three-dimensional shape at different power
通过观察得出不同功率下抛光槽的深度和粗糙度如表1所示。从表1可以看出抛光槽体深度随着功率的减小而减小，当功率为80 mW时抛光深度为1.36 μm，继续减小功率时抛光的深度逐渐趋于稳定。这是因为当激光功率减小到一定程度时，由于能量比较低导致金刚石颗粒凸起的棱角没有被完全的烧蚀。所以抛光的槽体深度在功率低于80 mW之后将保持稳定。当激光能量为150 mW时，抛光后槽体粗糙度会增高达到0.862 2 μm，这是因为当激光能量较大时，由于激光束能量呈高斯分布焦点中心温度最高所以会产生烧蚀不均匀的现象，这种烧蚀不均匀导致抛光区域的表面微观不平整度升高。当依次减小功率时，这种烧蚀不均匀现象也随之消失，所以粗糙度会不断减小。当功率减小至100 mW以下时激光在单位面积聚集的能量低于材料的烧蚀阈值，金刚石颗粒的棱角没有被激光去除，因此粗糙度反而会随着功率的减小而升高。通过数值拟合的方法对以上粗糙度与功率的关系进行数值的二次拟合。
表1 抛光深度和粗糙度测量的结果
Tab.1 Effect of laser power on polishing depth and roughness results(μm)激光功率/mW抛
光深度粗糙度1504.530.862 21203.730.381 91002.70.352 3801.360.421 3701.420.420 6501.150.443 10/0.568 69
设：
y=C+Bx+Ax2，b型钢
(3)
温泉浴片其中：y代表粗糙度，x代表激光的输出功率，A,B,C为常数:
ATAX=ATY,
(4)
其中：AT为拟合矩阵转置, A为拟合矩阵，X为拟合函数的常数，Y为粗糙度。
其中AT=
通过MATLAB软件计算得出：
所以式(3)拟合的二次函数解析式如下所示：
y=0.610 2-0.007 522x+0.000 057 1x2.
(5)
通过式(5)推出在x=65.8时，y取最小值约为0.37。即当激光功率为65.8 mW时，抛光的粗糙度最小约为0.37 μm。但试验发现激光功率为100 mW时抛光的粗糙度比拟合出来的曲线最低值更低，所以选择100 mW的激光功率作为最佳抛光功率。
4.2 重复频率对试验的影响
选择100 Hz、500 Hz、1 KHz、10 KHz、100 KHz 5种不同重复频率作为本次试验中变化参数，在光源扫描速度为1 mm/s，波长800 nm，脉宽104 fs，功率100 mW的条件下，试验结果的三维形貌如图6所示。
压脉带
图6 不同重复频率下的三维形貌图Fig.6 Three-dimensional shape at different repetition rates
通过白光干涉仪观察得出重复频率对抛光深度和粗糙度变化的结果如表2所示。
表2 抛光深度和粗糙度测量的结果
Tab.2 Effect of repetition frequency on polishing depth and roughness results (μm)重复频率/Hz抛光深度粗糙度1002.10.400 75002.320.3971K2.70.352 310K2.390.462100K2.340.357
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