钛基金刚石薄壁板的纳秒脉冲激光离散步进多道次扫描策略表面改性

《Journal of Materials Research and Technology》：Nanosecond pulsed laser ablation surface modification of titanium-matrix diamond thin-wall plate using a discrete-stepping multi-pass scanning strategy

　　

激光表面预处理是提高钛基金刚石薄壁材料磨削效率的有效方法。然而，激光诱导的集中热输入极易引发薄壁工件的严重翘曲变形。本文提出了一种针对纳秒脉冲激光表面改性的离散步进多道次策略（Discrete-Stepping Multi-pass Strategy, DSMS）。通过制备预置的离散微孔阵列，并结合离散步进多道次扫描工艺，该策略调控了激光加工过程中的热积累行为和热应力演化。研究人员建立了热力耦合有限元模型以分析温度场和应力场的分布特征，并开展了激光改性与磨削的对比实验，系统地表征了工件的翘曲位移、表面微观形貌及磨削性能。实验结果表明，经DSMS改性后，厚度为0.18 mm的钛基金刚石薄板的最大翘曲量仅为0.348 mm，与传统激光改性工艺相比，翘曲度降低了71.50%。离散微孔结构有效缓解了局部热积累，并通过周围材料的塑性流动释放了热应力；此外，微孔间距对应力场的调控作用强于微孔深度。DSMS预处理不会破坏工件内部的基体结构，且磨削后试样的表面粗糙度与未改性试样相当。材料去除率（Material Removal Rate, MRR）提高至0.83 mm³/min，约为原始未处理试样的3.6倍。该研究为微米级钛基金刚石薄壁构件的高效减薄提供了一种低翘曲的纳秒激光预处理技术方案。

**论文解读**

**1. 研究背景与问题**

钛基金刚石复合材料作为一种高性能金属基复合材料，兼具轻质、高强、耐高温、耐腐蚀及优异的生物相容性等特性，在航空航天、生物医学和海洋能源等领域具有广阔的应用前景。金刚石增强相与钛基体之间形成的原位硬质碳化钛（TiC）界面相，赋予了材料高硬度与强界面结合，但也带来了严峻的加工挑战。对于高精度、轻量化的薄壁构件，精密磨削减薄是必不可少的加工环节，然而，金刚石/TiC增强结构抵抗磨料去除，同时钛基体在磨削过程中易发生粘附和热软化，导致磨削力大、砂轮磨损严重、减薄效率低及表面损伤，成为钛基金刚石薄壁件加工的关键瓶颈。

激光辅助磨削（Laser-Assisted Grinding, LAG）技术是解决难加工材料磨削难题的有效途径。其中，纳秒脉冲激光在成本与热效应之间取得了平衡，但其仍会产生显著的热效应。对于亚毫米级薄壁构件，集中的能量输入和不当的路径规划会引发陡峭的温度梯度和严重的热应力集中，导致宏观翘曲变形。现有研究多通过外部边界控制、热管理或工艺参数优化来抑制变形，但鲜有研究关注于主动中断热应力积累以直接调控热应力场的幅值和空间分布。因此，亟需开发一种工艺层面的翘曲抑制策略，用于纳秒脉冲激光辅助改性超薄钛基金刚石薄板。该论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**2. 主要关键技术方法**

为开展研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，提出了一种离散步进多道次策略（DSMS），通过预置离散微孔阵列并结合多道次扫描工艺来调控热积累。其次，利用COMSOL Multiphysics软件建立了热力耦合有限元模型，用于模拟激光加工过程中的温度场和应力场分布。最后，开展了激光改性与磨削对比实验，使用超景深显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和表面粗糙度仪对工件翘曲位移、表面微观形貌和磨削性能进行了系统表征。

**3. 研究结果分析**

**3.1. DSMS激光改性后薄壁材料的翘曲变形**

通过对比实验，研究人员发现，采用DSMS激光烧蚀改性处理的工件（P_avg=5 W, V_scan=6000 mm/s, δ=20 μm, 20次扫描）较传统连续激光烧蚀改性处理（P_avg=5 W, V_scan=600 mm/s, 20次连续扫描）的工件，其翘曲变形程度显著降低。定量测量表明，DSMS处理试样的翘曲位移较传统方法降低了71.50%。

**3.2. 抑制翘曲的DSMS烧蚀温度-应力机制**

通过有限元模拟提取AB路径上的温度与应力变化，研究人员发现，与无微孔模型相比，具有离散分布微孔的模型在AB路径上温度下降更陡峭，且激光影响区域温度水平更低，表明微孔的存在减少了局部热积累。相应地，在微孔模型中，应力从A点的1.01 GPa降至B点的0.89 GPa，而在无微孔模型中应力保持在约1.0 GPa，表明微孔结构有助于缓解工件中的热应力集中。此外，模拟结果显示，在热应力作用下，微孔周围发生了塑性流动，进一步促进了局部应力降低。

**3.3. 影响DSMS激光烧蚀改性工件翘曲变形的因素分析**

**3.3.1. 离散微孔间距的影响分析**

模拟结果显示，离散微孔间距显著影响热力耦合行为。随着微孔间距减小、密度增大，相邻激光烧蚀点之间的热相互作用增强。在0.2 mm间距下，形成了连续高温区，热场叠加效应显著，削弱了微孔界面的散热效果。增加微孔间距可改善预置微孔的应力消散性能，防止局部温度和热应力的急剧升高。然而，当间距为0.3 mm时，局部热应力在0.01–0.012 mm区域内出现尖峰，超过1.0 GPa，这可能是由于过大的间距减少了单位面积微孔数量，削弱了其打断连续应力传播路径的能力。

**3.3.2. 离散微孔深度的影响分析**

基于不同微孔深度的热力耦合云图及AB路径的温度与应力曲线，研究人员发现，预置微孔深度对热力耦合行为有一定影响，但其影响程度远低于微孔间距。随着微孔深度增加，AB路径上的温度初始下降更快，但下降速率逐渐减缓。其机理在于，深度增加延长了热传导路径，增强微孔壁的散热效果，从而削弱烧蚀界面与基体之间的温度梯度，有助于缓解热应力。但总体而言，微孔深度对工件翘曲变形的影响相对较小。

**3.4. DSMS激光烧蚀改性后的形貌**

通过截面与表面形貌观察，研究人员发现，经DSMS改性后，各组试样的上下表面保持近乎平行，未观察到显著的宏观翘曲变形。改性区域呈现出规则分布的孔状结构，其尺寸与预设参数基本一致。在微孔边缘，观察到明显的热力诱导塑性流动特征，孔壁材料轻微向两侧隆起，过渡区域出现流动状纹理，这与模拟结果中微孔周围的塑性流动行为相符。

**3.5. DSMS激光烧蚀改性后的磨削性能**

通过对比磨削后表面形貌，研究人员发现，DSMS改性工件的磨削表面缺陷远少于未改性工件，未观察到穿透性裂纹、大面积材料剥落或连续重熔层。基于公式计算，DSMS改性工件的平均材料去除率（MRR）为0.83 mm³/min，是未改性工件（0.23 mm³/min）的约3.6倍。同时，DSMS改性磨削工件的表面粗糙度（Ra）为0.412 μm，与未改性工件（0.418 μm）相当。因此，DSMS激光改性可在保持良好表面状态的同时，显著提高磨削效率。

**4. 总结与讨论**

研究人员总结讨论了DSMS策略的翘曲抑制机理及其对磨削性能的影响。研究结论如下：
(1) 本文提出的DSMS激光烧蚀改性方法可有效抑制0.18 mm厚钛基金刚石薄壁试样的翘曲变形，与传统激光改性相比，最大翘曲位移降至0.348 mm，降幅达71.50%。
(2) DSMS激光改性抑制工件翘曲的主要机理在于：微孔结构减少了局部热积累，同时微孔周围材料在热应力作用下发生塑性流动，进一步促进了局部热应力的降低。增加微孔间距和微孔深度均可降低热应力，其中微孔间距的影响更为显著。
(3) 形貌观察表明，DSMS激光改性未对内部基体造成明显损伤，也未恶化最终磨削表面质量。在此基础上，DSMS预处理将材料去除率提高至0.83 mm³/min，约为未改性试样的3.6倍。
(4) 未来工作将优化不同壁厚与微孔参数的匹配方案，并将实验研究扩展到其他基体金刚石薄壁材料，如铝基和铜基复合材料。