关于利用喷雾辅助激光蚀刻技术对多晶金刚石表面微结构进行处理的实验研究

《Optics & Laser Technology》：Experimental study on spray assisted laser etching of polycrystalline diamond surface micro-texture

激光微纳加工|PCD材料|热损伤抑制|水雾辅助|工艺参数优化|重铸层控制|材料去除机制|表面形貌分析|纳米秒激光|微结构加工

　　
本文围绕喷束辅助纳秒激光加工技术对聚晶金刚石（PCD）材料表面微结构形貌的影响机制展开研究，重点探索了水雾辅助系统对降低热损伤缺陷的作用原理。研究团队通过系统性实验发现，该技术可在保留纳秒激光高精度优势的同时，有效抑制传统激光加工中普遍存在的晶界石墨化、熔融层增厚等典型问题。

在技术原理方面，研究揭示了水雾辅助系统的双重作用机制：首先通过高速水雾流对加工区域的动态冷却，将激光能量吸收率降低至传统方式的60%以下；其次借助液态水与材料界面间的湍流效应，将材料去除率提升至传统工艺的2.3倍。这种创新工艺通过精准控制水雾流场特性（包括雾化粒径、喷射频率和流体动压），实现了能量传递路径的优化重构。

实验参数体系包含五大核心变量：激光峰值功率（5-30 kW）、脉冲重复频率（10-200 Hz）、扫描速度（50-200 mm/s）、水雾流量（50-150 mL/min）以及冷却水循环压力（0.3-0.8 MPa）。研究采用正交实验法，通过单因素变量控制与多参数协同优化，建立了工艺参数与材料去除特征之间的映射关系。值得注意的是，当水雾流量超过120 mL/min时，表面粗糙度（Ra）可控制在0.8 μm以下，较干式激光加工提升两个数量级。

关键发现包括：1）在20 kW激光功率下，水雾辅助系统使热影响区（HAZ）宽度缩减至传统工艺的1/3；2）石墨化程度降低87%，通过水雾冲刷作用有效清除晶界区域积聚的碳原子；3）熔融层厚度稳定在15 μm以内，较常规处理减少60%。特别在重复频率与扫描速度的耦合优化方面，当脉冲重复频率设定为150 Hz、扫描速度匹配为180 mm/s时，可实现连续加工过程中热累积效应的零增长。

工艺创新性体现在三个维度：首先，开发出双循环水雾供给系统（主雾流+冷却雾流），将加工效率提升至传统方式的1.8倍；其次，建立基于流体动力学特性的雾化粒径分布模型，优化水雾粒径在50-200 μm区间；最后，通过工艺参数的动态匹配算法，实现了从粗加工到精加工的 seamless 转换，表面粗糙度从初始的3.2 μm逐步细化至0.45 μm。

研究团队特别针对PCD材料的特殊结构（0.4 mm金刚石层/1.6 mm硬质合金基体）开发了梯度式冷却策略。在激光作用区外围设置辅助雾化喷嘴，形成半径15 mm的动态冷却环带，使基体温度始终维持在450℃以下。这种结构化冷却方案成功解决了PCD多层材料在激光加工中普遍存在的梯度热应力问题，加工后的试件断裂强度较传统方法提高42%。

实验验证部分采用扫描电子显微镜（SEM）和显微热力学分析系统（MMAS）进行双重验证。SEM图像显示，在最佳工艺参数组合下，PCD表面形成了均匀分布的微沟槽（间距25 μm，深度12 μm），且未出现传统激光加工中的熔蚀坑或裂纹。MMAS的热流密度监测数据显示，水雾辅助系统可将激光峰值能量密度从200 J/cm2有效控制在80 J/cm2，显著降低材料表层的热损伤阈值。

经济性评估表明，该技术使单件PCD刀具加工成本降低35%，同时将设备损耗率从8%降至1.2%。特别在批量生产场景中，水雾系统的循环冷却功能使设备连续工作时长从4小时延长至12小时，设备利用率提升300%。目前该技术已成功应用于汽车刀具模具加工，在精密微槽制造方面达到国际领先水平。

未来研究方向建议聚焦于智能水雾调控系统开发，通过机器学习算法实时优化水雾参数与激光参数的协同关系。同时可拓展至超快激光（飞秒/皮秒）领域，结合水雾的瞬态冷却特性，进一步提升PCD材料的加工极限。该研究成果为超硬材料精密加工开辟了新路径，对高端装备制造领域具有重要应用价值。