利用脉冲群优化不锈钢的激光烧蚀工艺，以实现体积去除和表面质量的提升

《Advanced Engineering Materials》：Optimizing Laser Ablation of Stainless Steels for Volume Removal and Surface Quality Using Burst of Pulses

不锈钢合金在超快激光加工中的去除效率与表面质量研究，通过对比MHz、GHz和Bi-burst脉冲模式，发现MHz提升去除率至3.2 mm3/min，GHz实现表面粗糙度<1 μm，Bi-burst平衡两者。材料热导率、晶体结构影响去除机制和缺陷形成。

　　不锈钢合金因其优异的耐腐蚀性和机械强度，广泛应用于工业领域，如医疗、食品和工具制造。为了满足精密加工的需求，激光处理技术，尤其是基于超短脉冲激光（USP）的方法，逐渐成为一种重要手段。USP激光具有无工具磨损、高精度和极低热影响等优势，这使得它在许多需要精细表面处理的应用中成为首选。然而，激光处理的效果受到合金化学成分、热扩散率和微观结构等多方面因素的影响，因此，研究不同激光脉冲模式对材料去除效率和表面质量的影响显得尤为重要。

本研究通过比较三种不锈钢合金——AISI 304、AISI 420 和 AISI 316Ti——在不同脉冲模式（MHz、GHz 和 Bi-burst）下的去除效率和表面质量，揭示了脉冲模式与材料性能之间的关系。实验中，采用250飞秒的超短脉冲激光，通过光学、共聚焦和扫描电子显微镜等手段，评估了去除率、表面粗糙度（Sa）、结构各向同性和表面形貌等关键性能参数。研究结果表明，MHz脉冲模式在提高去除率和去除效率方面表现出显著优势，例如在9 J/cm2的激光能量下，去除率可从1.5 mm3/min提升至3.2 mm3/min，去除效率则从约1.4 μm3/μJ提升至2.75 μm3/μJ。相比之下，GHz脉冲模式虽然能实现更高质量的表面处理（如Sa值约为0.5 μm），但去除率较低，仅为0.7 mm3/min。而Bi-burst模式则在去除率和表面粗糙度之间实现了较好的平衡，达到了中等去除率（约3.2 mm3/min）和中间的粗糙度（Sa ≈ 2 μm）。

实验结果在所有合金中表现出相似的趋势，但AISI 316Ti合金由于其特定的脉冲能量分布特性，更容易出现微孔缺陷。这表明，在不同脉冲模式下，合金的化学成分和微观结构对激光处理效果具有重要影响。例如，不同的热传导率和热扩散率会影响激光能量在材料中的分布和积累，从而改变熔化和去除过程的动力学行为。此外，材料的微观结构，如晶粒大小、相分布和晶体取向，也会影响热传导效率，进而影响热积累和熔化行为。这些因素共同作用，导致不同合金在激光处理过程中表现出不同的去除效率和表面质量。

为了进一步理解这些现象，研究还分析了不同脉冲模式对表面形貌的具体影响。通过扫描电子显微镜（SEM）图像，观察到不同脉冲模式下表面形貌的显著差异。在标准脉冲模式下，表面呈现出均匀分布的锥形突起，而在MHz脉冲模式下，表面更加平滑，Sa值显著降低。GHz脉冲模式则能够实现更加均匀的表面，但其去除效率相对较低。Bi-burst模式结合了MHz和GHz的优点，能够在去除率和表面质量之间取得平衡，但其具体效果取决于脉冲模式的组合比例。

此外，研究还发现，不同脉冲模式对微孔缺陷的形成有显著影响。例如，在GHz脉冲模式下，随着脉冲数量的增加，微孔的数量和分布呈现出特定的规律。对于AISI 316Ti合金，由于其较高的钼和钛含量，更容易在高温下发生挥发，从而导致微孔的形成。相比之下，AISI 304和AISI 420合金在GHz脉冲模式下表现出较低的微孔形成倾向。这些结果表明，合金的化学成分和脉冲能量分布是影响微孔形成的重要因素。

本研究的结果为不锈钢合金的激光处理提供了重要的指导。在需要高去除率的应用中，MHz脉冲模式是最佳选择；而在对表面质量要求较高的场合，GHz脉冲模式则能提供更光滑的表面。Bi-burst模式则提供了一种灵活的选择，能够根据具体应用需求调整去除率和表面质量之间的平衡。这些发现不仅有助于优化激光处理参数，也为不同材料的加工提供了理论依据。此外，研究还指出，未来的工作应进一步探讨脉冲能量分布对材料去除过程的具体影响，以期在不同合金中实现更精确的控制。