通过连续波抛光和直接激光干涉图案化技术对增材制造的Scalmalloy?材料进行表面光滑处理和周期性微结构化

《Surface and Coatings Technology》：Surface smoothing and periodic microstructuring of additively manufactured scalmalloy? by sequential continuous-wave polishing and direct laser interference patterning

　　伊格纳西奥·塔巴雷斯（Ignacio Tabares）、乌戈·安德拉尔（Ugo Andral）、马里奥·埃斯库德罗（Mario Escudero）、安东尼奥·佩里尼亚恩（Antonio Peri?an）、博格丹·沃伊西亚特（Bogdan Voisiat）、索尼娅·P·布鲁尔（Sonia P. Brühl）、安德烈斯·法比安·拉萨尼（Andrés Fabián Lasagni）
德国德累斯顿工业大学制造研究所，邮编01062

**摘要**
由于激光粉末床熔化技术能够减少材料浪费并制造出复杂部件，该技术正在工业领域受到越来越多的重视。Scalmalloy?合金作为一种替代钛材料的候选者，具有高强度和良好的导热性能，同时保持了较低的部件重量。然而，采用这种方法制造的部件通常表面粗糙度较高，表现为部分熔化的颗粒和表面不规则性。此外，低表面粗糙度也是进一步制造能够模拟自然结构的微结构的前提条件，从而提升表面功能。本研究结合了连续波激光重熔的表面平滑处理技术与直接激光干涉图案化（Direct Laser Interference Patterning, DLIP）技术来定制表面形貌。初步的激光抛光试验将表面粗糙度从约14 μm显著降低到1–2 μm，但同时产生了亚表面孔隙。通过调整激光功率和送粉速度可以减轻孔隙问题。之后，利用皮秒脉冲激光通过DLIP技术对样品进行微结构处理，实现了深度达3.0 μm且均匀性约为82%的微观结构。最后，从能耗和目标表面参数的角度分析了这种组合工艺的性能，以提升工艺的可持续性。

**1. 引言**
增材制造（Additive Manufacturing, AM）已成为航空航天设计中的关键技术，因为它能够制造出复杂、轻量化且近乎净形的部件，同时减少材料浪费[1]。在现有的AM技术中，激光粉末床熔化（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）因其能在优化工艺条件下生产高设计自由度的金属部件而得到广泛应用[2][3]。尽管LPBF能够实现高尺寸精度，但可能会受到热变形、材料收缩和工艺参数变化的影响。同时，由于工艺变异性、缺陷敏感性、经济因素及尺寸限制，AM部件在航天领域的应用仍具有挑战性，尤其是对于疲劳敏感的结构部件而言[4][5]。这些挑战推动了旨在改善表面质量控制和后处理效率的研究，而这些因素直接关系到部件的性能和可制造性[4][5]。在这一背景下，高强度轻质铝合金作为增材制造部件的候选材料受到了广泛关注。然而，由于这些合金的特定材料特性（如低激光吸收率、高导热性、显著的氧化倾向以及对工艺参数的高敏感性），LPBF加工存在特定挑战[6][7][8]。为应对这些挑战，研究人员开发了专为LPBF设计的铝合金。例如Scalmalloy?是一种高性能的Al-Mg-Sc-Zr合金，旨在通过控制纳米级Al?(Sc,Zr)颗粒的沉淀来提供高性能[6][9]。该合金最初由空客公司（Airbus SAS）为航空航天应用开发，利用LPBF中的快速凝固条件实现优异的机械性能[10][11]。尽管如此，采用LPBF制造的这类合金部件表面质量往往较差，通常表面粗糙度在10至25 μm之间，这受到层厚度、粉末颗粒分布、激光参数和部件orientation等多种因素的影响[12][13][14][15][16][17][18]。较高的初始表面粗糙度会显著降低疲劳性能和功能表现，因此需要后续后处理[19][20][21]。

传统的LPBF部件表面粗糙度去除方法包括机械加工（如车削、铣削或手动研磨和抛光[22]以及化学蚀刻[23]，但这些方法各有缺点。机械加工需要工具或磨料与部件接触，会导致几何形状限制和材料损耗；化学方法则会产生有害副产物，对环境造成影响[16][24]。相比之下，基于激光的抛光技术作为一种非接触式后处理方法，能够处理复杂几何形状且无需额外消耗品。在激光抛光过程中，上层材料会发生可控重熔，表面张力会将熔融材料从凸起处重新分布到凹陷处，从而降低粗糙度[25][26]。多项研究表明，激光抛光可以有效改善AlSi10Mg合金的表面质量。例如，El Hassanin等人使用CO2激光将表面粗糙度从19.4 μm降低到3.3 μm[27]；Zhou等人利用相同激光源对LPBF部件进行原位抛光，粗糙度降低了约70%[28]；Hofele等人报告称，根据部件初始粗糙度的不同，激光抛光可将表面粗糙度降低至97.5%[16]。

尽管激光抛光在降低表面粗糙度方面表现出色，但仍面临一些挑战，如由于快速凝固导致溶解气体被困而形成的亚表面孔隙问题[29][30]。这些挑战需要精确控制激光参数以减少缺陷。虽然激光抛光在其他铝合金上的应用已得到广泛研究，但针对Scalmalloy?的效果研究仍较少。Kuisat等人使用纳秒脉冲激光将Scalmalloy?的表面粗糙度从19.6 μm降低到6.8 μm，降低了65%[31]，但该过程中出现了部分材料烧蚀现象[31]。这表明需要探索针对Scalmalloy?的替代激光抛光策略。

激光辐射还能为表面赋予新的功能，从而提升增材制造部件的性能[32][33]。例如，通过创建纳米或微米级别的周期性表面结构即可实现这一目标。激光微制造技术（如直接激光写入Direct Laser Writing, DLW）通过控制局部熔化或烧蚀来精确调整样品形貌，提供灵活快速的解决方案[35]。不过，该技术的横向分辨率通常受限于激光束在焦点位置的直径（约15–45 μm）。直接激光干涉图案化（DLIP）技术通过多束相干激光的干涉作用，在干涉最大值处局部烧蚀或熔化材料，能够制造出分辨率更高的周期性结构[35][36]。通过改变子激光束的几何排列以及相位和偏振，可以生成多种干涉图案[37]。特别是双光束干涉配置在制造线状周期性结构方面应用广泛，激光脉冲持续时间可从纳秒到飞秒范围[38][39][40]。这种方法无需外部蚀刻剂即可实现摩擦减少和润湿性改变等新表面性能[38][40]。近年来，DLIP技术在铝基合金（尤其是增材制造合金）中的应用受到关注。Kuisat等人使用双光束DLIP成功制造了线状结构，并降低了表面粗糙度[41]，使静态水接触角从16.3°增加到131.4°[41]。同样，针对Scalmalloy?的研究表明，DLIP技术提高了表面抗冰性能[42]。

直接激光干涉图案化及其他基于激光的微结构技术在增材制造部件上的效果受初始表面状态的影响较大，尤其是较高的初始表面粗糙度会阻碍均匀周期性结构的形成[42]。因此，通过适当的后处理（如激光抛光）优化初始表面质量对于充分发挥DLIP的潜力至关重要[42]。尽管如此，基于激光的抛光与干涉图案化的组合应用研究较少，且主要针对非Scalmalloy?材料[43][44][45]。据作者所知，目前尚未有使用皮秒脉冲激光源进行激光抛光 followed by DLIP的研究，也未探索其在高效制造高均匀结构方面的应用。因此，本研究旨在通过激光抛光降低LPBF Scalmalloy?的表面粗糙度，并最小化抛光引起的亚表面孔隙，同时确定高效工艺窗口。研究的主要目标是开发一种可持续的两步激光工艺，以提升增材制造Scalmalloy?部件的表面质量和微结构属性。样品先经激光抛光处理至适当粗糙度，再使用DLIP制造周期性线状结构， ard?ndan sistem ?zelliklerini de?erlendirerek enerji tüketimi ile yüzey kalitesi aras?nda bir denge sa?layan en iyi i?lem penceresini belirledik. Ayr?ca, deneme par?alar?n?n bir k?sm?na ?nce z?mparalama uygulanarak gereken lazer i?lem parametrelerinin etkisi de?erlendirildi. Uygulamaya ?zgü do?rulamalar (?rne?in, yorulma testleri ve g?zenekler ile dokular i?in niteliksel standartlar) bu makalenin kapsam? d???ndad?r. Buna g?re, sonu?lar yaln?zca yüzey/dokümantasyon ?zellikleri ve i?lem penceresi ile s?n?rl?d?r. Ancak, yüzey optimizasyonu konusunda elde edilen bilgiler, gelecekteki ?al??malarda fonksiyonel ve karma??k ?ekilli par?alar?n sürdürülebilir üretimi i?in ?nemli bir temel olu?turacakt?r.

**2. Malzemeler ve Y?ntemler**
Scalmalloy? (Al-Mg-Sc-Zr) ?rnekleri, Renishaw AM500E (Renishaw, UK) makinesi ile 500 W iteryum fiber lazer kullan?larak LPBF (Laser Powder Bed Fusion) y?ntemiyle üretildi. üretim i?lemi argon atmosferinde ger?ekle?tirildi; oksijen i?eri?i 500 ppm alt?nda tutuldu ve 250 × 250 × 350 mm3 boyutundaki chamber i?inde, 150°C s?cakl?kta ve TOYAL Europe tozu ile 30 μm kal?nl???nda katmanlar kullan?larak yap?ld?. Volumetrik enerji yo?unlu?u 85.6 J/mm3 olarak sa?land?; lazer gücü 370 W, tarama h?z? 1600 mm/s ve hatch mesafesi 10 μm olarak ayarland?. Ayr?ca, 5 mm geni?li?inde ?eritler ve 67° katmanlar aras? d?nü? ?zellikli bir tarama stratejisi uyguland?. ??lem sonras? ?s?l i?lem, oda s?cakl???ndan 325 ± 5°C’ye 10°C/dakika h?zla ?s?t?larak ba?lad?; ?s?ya ula??ld?ktan sonra bu s?cakl?k 15 dakika boyunca sabit tutuldu ve par?alar 4 saat boyunca tavland?[29]. üretilen par?alar ard?ndan 200°C/dakika h?zla so?utuldu. ?ki farkl? ba?lang?? yüzey ko?ulu haz?rland?: i?lem sonras? do?al durumda ve z?mparalanarak belirli bir düzeyde düzle?tirilmi? yüzey. Z?mparalama i?lemi, ?spanya’daki Abrasivos y Maquinarias S.A. ?irketine ait SBF 8 × 6 makinesinde, 40–70 μm aras? boyutta ?apl? endüstriyel cam boncuklar kullan?larak ger?ekle?tirildi ve bas?n? 8 bar oldu.

Laser polisaj i?lemi, 3D SYLAS SLEEK 1000 sistemi (?ekil 1a) ile yap?ld?. Sistem, 980 nm dalgaboyuna sahip 1 kW sürekli dalga diyot lazer kayna?? i?eriyordu (LDM 1000–30, Laserline, Almanya); lazer ???n?n?n odaklanmas? sonucu elde edilen spot ?ap? yakla??k 0.9 mm’yd?. Polisaj i?lemi argon alt?nda ger?ekle?tirildi ve oksijen seviyesi 500 ppm’nin alt?nda tutuldu. Arga gaz? 5 litre/dakika h?zla chamber i?ine enjekte edildi ve O2 konsantrasyonu SGM7 sens?rü (Zirox, Almanya) ile ?l?üldü. Polisaj s?ras?nda lazer gücü 430 W ile 820 W aras?nda de?i?tirildi, tarama h?zlar? ise 25 mm/s ile 550 mm/s aras?nda ayarland?. Polisajdan sonra par?alar Direct Laser Interference Patterning (DLIP) teknolojisi ile i?lendi.该激光源采用固态InnoSlab PX200–3-GF激光器（Edgewave，德国），能够产生波长为1064纳米、脉冲宽度为12皮秒的脉冲。出射的激光束通过反射镜引导后，进入DLIP-ELIPSYS?光学系统（Surfunction GmbH，德国，欧盟专利EP3990211B1）。该光学系统利用衍射光学元件将光束分为两束子光束，随后对这两束光束进行整形处理，并在工作位置使其重叠，从而在约875×75微米的椭圆形光斑上形成空间周期为6.0微米的线状干涉图案。DLIP系统的整体示意图见图1b。在样品处理过程中，激光能量密度分别为1.2焦耳/平方厘米和2.0焦耳/平方厘米，重复频率分别为10千赫和20千赫。脉冲间的重叠比例在75.00%到99.95%之间进行连续调节（具体值为75%、80%、85%、90%、92.5%、95%、99%、99.5%、99.9%、99.95%），以研究不同累积激光能量密度对材料微观结构的影响。这些参数范围符合DLIP技术处理金属材料的典型操作条件，旨在涵盖从中等强度到极高强度的激光能量应用场景。LP和DLIP技术的具体加工参数详见表1。

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图1. (a) 激光抛光系统示意图；(b) 使用两束干涉激光进行表面微结构化处理的Direct Laser Interference Patterning装置示意图。

表1. 激光抛光与DLIP技术的通用工艺参数：
| 参数 | 激光抛光 | DLIP | |
|------------|-------------|-----------------|-------------------|
| 脉冲持续时间 | 12皮秒 | 1064纳米 | |
| 光斑尺寸 | 0.9微米×0.9微米 | 875微米×75微米 | |
| 工艺气氛 | 氩气氛围 | 环境空气 | |
| 氧气浓度 | < 500 ppm | | |
| 激光能量密度 | 1.2焦耳/平方厘米 | 2.0焦耳/平方厘米 | |
| 重复频率 | 10千赫 | 20千赫 | |
| 脉冲间重叠比例 | 75%–99.95% | | |
| 激光功率 | 430瓦–820瓦 | | |
| 扫描速度 | 25毫米/秒–550毫米/秒 | | |

表面粗糙度的测量使用了PCE-RT2300机械粗糙度测试仪（PCE instruments，英国），测量截止波长为0.8微米，并采用高斯滤波器。在处理区域内选取五个空间分离的位置进行测量，避免靠近样品边缘及扫描起始/结束区域。为了评估材料的亚表面微观结构和孔隙率，使用了REMET IPA 30切片机（EVOLUTION，Remet，意大利）和REMET LS2抛光设备（Remet，意大利）。随后通过光学显微镜（BX41MLED，SC30相机，Olympus，日本）获取图像。孔隙面积比例通过Python/OpenCV软件从选定的金属组织切片图像中得出（每种抛光条件下取三张切片）。首先提取样品掩模以分离金属区域并排除粘合树脂；为了减少界面伪影，通过用户定义的边界排除宽度对掩模进行侵蚀处理。在最终分析区域内，利用高斯平滑和Otsu阈值分割法提取孔隙。总孔隙面积比例为孔隙轮廓面积之和除以最终分析区域面积。

为了分析DLIP处理后的表面形貌，使用了Sensofar S Neox 3D表面轮廓仪（Sensofar Metrology，西班牙）。具体采用50倍倍率的白光干涉测量（WLI）光学系统，其横向和纵向分辨率分别为0.50微米和0.1纳米。对于每个处理区域，测量面积为1.93×0.50毫米平方。随后使用SensoMap 7软件（Sensofar Metrology，西班牙）对这些测量数据进行处理，得到平均结构深度。此外，还使用Zeiss Sigma 300 Gemini扫描电子显微镜（加速电压3千伏）获取样品的表面图像。

通过改进Gini系数算法，从WLI表面轮廓数据中计算DLIP处理的均匀性。具体方法是将表面轮廓图像划分为边长等于空间周期的正方形单元格，然后量化每个单元格内的关键地形特征，并计算所有单元格的Gini系数。评估参数包括DLIP特征的结构高度、偏度（Ssk）和峰度（Sks）。偏度用于描述高度分布相对于平均表面的不对称性，而峰度则反映分布中的峰值尖锐程度。这两个参数共同提供了关于表面形貌（包括形状、粗糙度和纹理对称性）的全面描述。最后，通过对提取参数的几何平均值进行计算，得出整体结构均匀性数值。有关此方法的详细信息，请参考Soldera等人的先前研究成果[46]。

最后，采用多目标成本函数评估基于双激光的制造工艺的有效性。将处理后表面的特征参数以及抛光和干涉图案化步骤中消耗的激光能量纳入函数中，以评估不同参数组合的效果，并确定能量效率最优的操作窗口。该方法的具体实施细节见作者之前的研究[45]。

3. 结果与讨论
3.1 激光抛光处理
本节分两个阶段介绍激光抛光结果：首先进行初始参数筛选，以评估在宽范围累积能量密度下的表面粗糙度和亚表面孔隙率（3.1.1节）；随后在较低能量密度下进行针对性优化（3.1.2节）。

3.1.1 激光抛光参数筛选
在第一阶段，对Scalmalloy?试样进行了LP处理（见图1a）。图2中的SEM图像展示了材料表面的初始状态及LP处理后的情况。图2a显示了增材制造的Scalmalloy?的原始状态，表面存在部分熔化的粉末颗粒、表面缺陷和分布不均的表面特征，这些是LPBF工艺常见的现象[47]。

图2. (a) 增材制造的Scalmalloy?原始状态；(b) 经激光抛光后的Scalmalloy?试样；(c) 和 (d) 对应的激光抛光前后试样的横截面光学显微镜图像。激光抛光处理的能量密度为750瓦，扫描速度为25毫米/秒，累积能量密度为150.0焦耳/平方毫米。

与原始状态相比，激光处理后几乎所有颗粒均被熔化，表面缺陷显著减少（见图2c），表明LP处理的有效性。这种表面平滑效果源于抛光过程中连续波激光引起的浅层熔化。在这种条件下，会形成一层瞬态熔融层，表面张力促使材料从凸起处重新分布到相邻的低洼处，从而降低粗糙度[28][48]。

系统研究了激光抛光处理的累积能量密度对Scalmalloy?样品表面粗糙度(Ra)的影响（见图3）。通过调整激光功率和扫描速度，累积能量密度最高达到150.0焦耳/平方毫米。图3a中的阴影区域表示原始状态的粗糙度(Ra约为13微米)。如图所示，当激光功率超过430瓦时，表面粗糙度明显降低。

对于先进行喷砂处理后再进行激光抛光的试样（见图3b），尽管在较低的累积能量密度下也能实现表面粗糙度的显著降低（例如，在累积能量密度为43.0焦耳/平方毫米时，原始状态的粗糙度约为8.9微米，而喷砂处理后的粗糙度低至1.9微米）。喷砂处理的抛光效率提高，可能归因于部分熔融粉末颗粒的去除以及抛光前极端表面突起的减少，从而在较低能量输入下形成连续且稳定的熔融表层。然而，两种表面的最终粗糙度相似，这表明喷砂主要影响粗糙度的早期减少过程，但不会影响抛光后的表面质量[16]。

尽管LP处理似乎减轻了表面缺陷，但对激光处理后的试样（能量密度为150.0焦耳/平方毫米，激光功率为750瓦，扫描速度为25毫米/秒）进行横截面分析后发现，抛光表面下方约150微米深处存在孔隙（见图2d）。这些亚表面孔隙可能对机械性能（如拉伸强度、延展性和断裂应变）产生负面影响，尤其在疲劳性能方面更为关键，因为它们可能成为应力集中点和裂纹萌生源[51][52][53]。因此，这里的高能量密度情况被视为极限情况，用于界定工艺边界而非实际应用的最佳操作窗口。此外，这些孔隙的尺寸和形态表明其形成可能与Scalmalloy?中合金元素快速蒸发相关。特别是镁这种合金元素，其低沸点和高蒸发压使其在激光照射下容易蒸发，从而导致气体和keyhole效应引起的孔隙[54][55][56]。

为此，对图3中显示具有较高表面粗糙度的激光抛光试样进行了额外的横截面分析。相应的光学显微镜图像见图4。这些样品在保持相同累积能量密度的前提下，采用了不同的激光功率和扫描速度组合进行处理。其中，图(a,d)、(b,e)和(c,f)分别对应累积能量密度为86.0、43.0和21.5焦耳/平方毫米的三种处理条件。

图4. 使用不同激光参数处理的激光抛光试样的横截面光学显微照片。(a,d)和(b,e)对应的试样在累积能量密度为86.0焦耳/平方毫米时处理；(c,f)对应的试样在累积能量密度为43.0和21.5焦耳/平方毫米时处理。

尽管累积能量密度相同，但横截面分析显示亚表面孔隙形态存在明显差异（见图4）。在最高能量密度（86.0焦耳/平方毫米）下，低扫描速度（25毫米/秒）处理的样品显示出较多、近乎球形的孔隙；而高扫描速度（50毫米/秒）处理的样品则表现出更细小且分布更均匀的孔隙。孔隙的球形形态表明其形成与气体膨胀有关，如前文所述。在Al-Mg-Sc合金中，这通常是由于镁（沸点约为1090℃）的选择性蒸发和溶解氢的沉淀所致。高激光能量密度使熔融池温度远高于镁的沸点，导致镁蒸发形成气泡并固定在凝固过程中。相比之下，钪（沸点约为2836℃）在熔池中保持稳定，不会导致气体相关的孔隙形成。此外，在这种高能量配置下，大量的热输入使熔池持续存在，使得基底中的原有微孔因热膨胀而合并，为氢和镁的沉淀提供了足够的时间[58]。

在更高扫描速度（50毫米/秒，见图4d）下，局部凝固速率加快，影响孔隙形态，导致孔隙尺寸和体积分数减小[59]。尽管孔隙形成机制相同，但由于凝固时间缩短，孔隙生长受到抑制，从而形成更细小的孔隙。这种行为也在使用较低累积激光能量（43.0和21.5 J/mm2）和不同扫描速度处理的样品中观察到。然而，由于热量输入较低，孔隙的大小和数量减少了（见图4b、c、e和f）。为了定量支持这些观察结果，对截面显微照片进行了图像分析，以确定总孔隙面积比例，结果总结在图5中。结果显示，较低的累积能量水平（<40 J/mm2）与有限的亚表面孔隙率相关，而增加使用的能量会导致总孔隙面积显著增加（高达约4％）。该图还表明，使用较高激光功率和增加扫描速度可以降低孔隙率。这些发现表明，在相对较低的累积能量下可以实现有效的表面平滑，同时最小化亚表面缺陷的形成。因此，选择了较低的抛光能量水平进行后续的表面结构实验。

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图5. 激光抛光过程中累积激光能量的函数关系与孔隙面积比例。

3.1.2. 在较低累积能量下的激光抛光优化
为了解决在较高能量输入下观察到的亚表面孔隙问题，使用调整后的处理参数进行了一系列额外的激光抛光实验。目标是在最小化孔隙形成的同时实现有效的表面平滑。根据第3.1.1节描述的结果，累积能量被认为是影响孔隙发展的最相关因素之一。因此，累积能量保持在21.0 J/mm2的阈值以下，这需要使用较高的激光功率并结合较高的扫描速度。

图6总结了使用优化后的激光抛光参数获得的结果，显示了应用累积激光能量的函数关系与表面粗糙度（Ra）。与最初的参数筛选一样，数据根据初始表面条件进行分组，即（a）原始状态和（b）抛光前的喷砂处理。在每个图中，阴影区域代表相应条件的初始表面粗糙度。

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图6. 抛光过程中累积激光能量的函数关系与（a）原始状态和（b）喷砂处理过的Scalmalloy?试样的表面粗糙度（Ra）。虚线表示抛光前的初始表面粗糙度。使用820 W激光功率和250 mm/s扫描速率抛光的试样的OM截面图像：（c）原始状态和（d）喷砂处理。

图6a显示，在累积能量低于10.0 J/mm2的情况下，对于原始状态样品组，表面粗糙度的降低有限，但使用820 W激光功率和500 mm/s扫描速度的条件除外。在较高的累积能量值下，观察到Ra显著下降，然后在大约2 μm处趋于饱和。

对于喷砂处理的样品，在累积能量低于10.0 J/mm2的情况下获得了较低的表面粗糙度值，Ra值接近大约2 μm。这种行为表明，表面预处理可以提高较低能量输入下的激光抛光效率。然而，在较高的累积能量下，原始状态样品最终达到了可比的粗糙度水平。在调查的条件中，820 W激光功率和250 mm/s扫描速率的组合导致了最低的Ra值，即原始状态为1.59 μm，喷砂处理为1.53 μm。这对应于原始状态和喷砂状态分别降低了88％和85％的粗糙度。

激光抛光后，对表现出最低Ra值的样品进行了截面调查，并通过光学显微镜进行了检查。如图6c和d所示，对于原始状态和喷砂处理过的样品，都观察到了孔隙的显著减少，在后一种情况下孔隙几乎无法检测到。这些结果表明，优化的抛光参数可以有效改善表面质量，同时抑制亚表面孔隙的形成。因此，选择了较低的抛光能量水平进行后续的皮秒DLIP处理，详见第3.2节。

3.2.2. 直接激光干涉图案化处理
使用皮秒激光脉冲的DLIP过程在激光抛光的Scalmalloy?样品上制备了空间周期为6.0 μm的线状周期性结构，如实验部分所述。表面（AsB和SB条件）在不同的脉冲重叠率和激光能量下进行了照射，产生了非常不同的表面图案。图7展示了处理后的表面示例图像。图7a和d显示了使用相对较低重叠率（80％）时通常获得的拓扑结构。可以看出，对于AsB和SB条件，产生的线状结构具有较浅的结构深度（0.6 μm）。

图7a和d显示，当激光能量为2.0 J/cm2、重复率为10 kHz时，使用80％的脉冲重叠率产生的线状结构具有较浅的结构深度（见图7b），其纵横比（AR）接近0.5（AR定义为结构深度与空间周期的比值）。这些深度对于在类似条件下照射的金属是典型的[39],[60]。此外，在上述工艺参数下，观察到了激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）的形成[45]。根据它们垂直于激光束极化的方向及其大约900–1000 nm的空间周期，这些特征可以被归类为低空间频率LIPSS（LSFL），其特征尺寸与应用的激光波长（1064 nm）相当。应当注意的是，LIPSS的出现局限于一个狭窄的处理窗口，这与之前关于铝合金的报告[61]一致。对于喷砂处理的条件，观察到受照射表面的部分恶化（见图7e）。

对于脉冲重叠率超过99％处理的样品，由于施加的能量密度过高，线状结构受到严重损坏，无论是原始状态还是喷砂处理的条件。在这些条件下，得到的表面地形由缺乏长程有序的不规则峰谷组成（见图7c和f）。这些条件用于确定稳定周期性结构的上限；它们不被认为是适合功能性表面的合适窗口。

接下来，进一步分析了DLIP处理过程中应用参数对结构深度的影响。图8显示了DLIP线状结构的平均结构深度与脉冲重叠率（OV％）的关系，对于原始状态（图8a）和喷砂处理（图8c）的样品。结果表明，对于所有使用的能量（1.2和2.0 J/cm2）和重复率（10和20 kHz），随着脉冲重叠率的增加，结构深度增加，直到重叠率达到95％。此外，还可以看到描述分析区域内结构深度变化的误差条也更低。对于脉冲重叠率超过99％处理的样品，由于施加的能量密度过高，线状结构受到严重损坏。在这些条件下，得到的表面地形由缺乏长程有序的不规则峰谷组成（见图7c和f），这在使用DLIP与皮秒脉冲组合时在金属表面上是典型的[45]。因此，图8中没有绘制超过99％重叠率处理的样品的数据点。

图8进一步表明，应用重复率（10和20 kHz）对达到结构深度没有显著影响。相反，累积能量的增加被认为是控制结构生长的主要因素，这一点已经针对几种金属和金属合金进行了报道[45],[62],[63]。这种行为可以归因于使用这些重复率的皮秒激光脉冲，其热量积累效应可以忽略不计[64]。此外，对于原始状态和喷砂处理的样品，获得了相似的结构深度，表明消融效率基本上不受激光抛光前表面状态的影响。

使用Gini系数量化了所得表面拓扑的均匀性，如实验部分所述，遵循Soldera等人[46]提出的方法。图8b总结了原始状态样品的均匀性值，而图8d展示了在喷砂样品上制造的结构的相关结果。如图所示，计算出的均匀性在研究的重叠范围内保持相对恒定，原始状态和喷砂样品的值都在80％左右。这种行为表明，可实现的均匀性受到激光抛光过程中引入的残余表面不规则性的限制。如图2c所示，抛光后仍然存在局部空洞和地形不均匀性，这限制了纹理均匀性进一步增加超过80％。

这些发现表明，通过激光抛光降低LPBF Scalmalloy?的表面粗糙度是实现受控DLIP结构所必需的。原始状态AM表面典型的较大表面粗糙度会干扰干涉引起的能量分布，从而限制了所得周期性结构的质量[42]。

3.3. 成本函数分析
进行了多目标成本函数分析，以评估应用于增材制造的Scalmalloy?的激光抛光和直接激光干涉图案化过程的组合效果。由于连续工艺旨在对大面积和潜在复杂的几何形状进行表面处理，能量输入是一个重要的实际限制，必须与表面质量目标平衡。因此，这项分析的目的是确定处理条件，以平衡与周期性微结构相关的地形指标（深度、纵横比、均匀性）与抛光和DLIP所需的累积能量。这种评估方法之前已经开发并应用于基于激光的增材制造Ti–6Al–4V组件的表面功能化[45]。喷砂被包括为一个工业上相关的预处理条件，以评估初始表面状态如何影响连续抛光和DLIP过程的参数窗口。

本工作中使用的成本函数表示为公式（1）：
(1) Cf = wARARtargetkAR + AR + wFcumFcumkFcum + wFcumFpcumkFpcum + Fpcum + wHH ? HtkH + H ? Ht + wpolRatargetkpol + Ra
成本函数的每个贡献遵循Ci = wi?xi/ (ki + xi)的一般形式，以确保参数xi以平滑的方式增加成本，在权重（wi）给出的最大值处饱和。基于之前应用这种方法[45]，本研究中考虑的选定目标参数包括DLIP结构的纵横比（AR）、用于DLIP处理的累积能量（Fcum）、抛光过程的累积能量（Fpcum）、最终DLIP特征的结构均匀性（H）以及抛光处理后的表面粗糙度参数Ra。用于成本函数评估的权重系数和归一化常数总结在表1中。表2中的权重系数不是通用常数。它们编码了在此实现稳定周期性微结构的同时限制累积能量的相对优先级，并遵循该方法之前展示的结构[45]。选择的权重和归一化常数旨在保持每个贡献的有界性和可比性，避免单位或规模的主导。

图9显示了本研究中实验的结果成本函数值。最小化原始状态和喷砂处理样品成本函数的最优处理条件（黑色三角形）列在表3中。图中还突出了产生最低和最高成本的WLI图像。即图9b和图9c中显示的原始状态和喷砂处理条件对应的WLI图像。在图9d中，显示了产生最高成本的表面。在这种情况下，可以看出表面存在严重的过度熔化和随机化峰。这些示例性地形图像说明了所使用方程识别合适工艺窗口的能力。此外，无论是原始状态还是经过喷砂处理的样本，最低的成本函数值都非常接近（原始状态为45.88，喷砂处理后为45.83，详见表3）。下载：下载高分辨率图片（299KB）下载：下载全尺寸图片。图9. (a) 本研究中使用的不同工艺参数（n次测试）计算得出的成本函数，适用于原始状态和喷砂处理的样本。(b) 原始状态的WLI图像。(c) 喷砂处理的图像。(d) 总成本最高的图像。表3. 达到原始状态和喷砂处理样本最低成本值所需的工艺参数。

初始表面处理
成本值 [a.u]
结构深度 [μm]
OV [%]
累积脉冲能量 DLIP [J/cm2]
抛光功率 [W]
均匀性 [a.u.]
初始粗糙度 [μm]

原始状态：45.88
0.52
3.195%
408
200.81
13.65

喷砂处理：45.83
0.52
3.195%
408
200.82
10.13

需要指出的是，喷砂步骤所涉及的能量消耗并未包含在成本函数评估中。因此，如果考虑额外的中间处理工序，喷砂处理的样本预计会导致总工艺成本增加。

4. 结论
本研究探讨了一种基于激光的顺序两步法来处理增材制造的Scalmalloy?材料表面。首先使用连续波激光抛光来降低LPBF工艺后的表面粗糙度，随后使用皮秒脉冲激光生成周期性线状微观结构。本研究的目标是通过激光抛光获得适合DLIP处理的表面状态，同时不产生表面下缺陷，并确定一个能耗最小的加工参数范围。

激光抛光显著降低了Scalmalloy?材料的表面粗糙度，粗糙度从原始状态的约13–14?μm降低到约1.5–2.0?μm，具体取决于累积脉冲能量和扫描策略。然而，横截面分析显示，高累积脉冲能量会在光滑表面下形成孔隙，表明仅靠粗糙度不足以作为抛光质量的标准。通过应用较低的累积脉冲能量（<21.0?J/mm2）和较高的扫描速度（>200?mm/s），可以在限制孔隙形成的同时实现约1.5?μm的表面粗糙度。使用这些经过抛光的表面，DLIP方法能够生成周期性的线状纹理，结构深度可达约3?μm，表面均匀性约为80%。随着脉冲重叠率的增加，结构深度可进一步提高至约95%。然而，当重叠率超过99%时，无论初始表面状态如何，都会导致图案质量严重恶化。

最后，通过结合表面质量目标和能耗，使用多目标成本函数来评估这些顺序工艺参数。对于原始状态和喷砂处理后的样本，获得了相似的最佳工艺参数组合（成本值约45.9；重叠率约95%；结构深度约3.1?μm；均匀性约0.81–0.82）。

虽然具体的功能应用超出了本研究的范围，但所提出的成本函数方法可以在未来的研究中用于优化表面功能和组件性能。未来研究还需要针对特定应用进行验证，包括疲劳测试以及孔隙和表面纹理的鉴定标准。

作者贡献声明：
Ignacio Tabares：撰写 – 原稿撰写、可视化、软件开发、方法论研究、数据分析、形式化分析。
Ugo Andral：方法论研究。
Mario Escudero：方法论研究。
Antonio Peri?an：方法论研究。
Bogdan Voisiat：方法论研究、概念化。
Sonia P. Brühl：撰写 – 审阅与编辑、原稿撰写。
Andrés Fabián Lasagni：撰写 – 审阅与编辑、原稿撰写、监督、资源管理、项目协调、资金争取、概念化。

未引用的参考文献：[34], [49], [50]