《Materials Today Communications》：Hybrid approach combining femtosecond laser finishing with ultrasonic assistance to improve surface integrity of picosecond-processed SiC ceramics
编辑推荐：
碳化硅（SiC）陶瓷的皮秒激光加工不可避免地会导致严重的热损伤，包括表面孔隙、微裂纹和厚的重铸层。本研究提出了一种混合修整策略，该策略结合了高效皮秒粗加工与飞秒激光修整，随后辅以超声振动辅助，以进一步改善表面完整性。结果表明，阈值倍增因子为6–12的飞秒激光加
碳化硅（SiC）陶瓷的皮秒激光加工不可避免地会导致严重的热损伤，包括表面孔隙、微裂纹和厚的重铸层。本研究提出了一种混合修整策略，该策略结合了高效皮秒粗加工与飞秒激光修整，随后辅以超声振动辅助，以进一步改善表面完整性。结果表明，阈值倍增因子为6–12的飞秒激光加工在低热损伤机制下运行，能够顺序去除重铸层并逐步消除继承的微裂纹，这种去除行为与库仑爆炸介导的烧蚀一致。与无辅助条件相比，中等振幅的超声辅助通过声流增强碎片清除，并可能促进残余损伤层的机械剥离，从而产生更薄、更连续的重铸层，并显著降低亚表面孔隙率。超过约12的阈值倍增的过高激光功率会引发与相爆炸和再氧化一致的热主导烧蚀，而高超声振幅则会导致机械破坏。该方法为硬脆陶瓷的高质量加工建立了一个加工窗口，并确定了低热损伤修整和超声辅助的最佳参数。
**论文解读：飞秒激光修整与超声辅助结合改善皮秒加工SiC陶瓷表面完整性的混合方法研究**
**一、研究背景与问题**
碳化硅（SiC）陶瓷因其优异的力学性能（硬度>2800 HV）、高温稳定性（>1400°C）和化学惰性，成为超高声速飞行器热防护系统、半导体外延高纯晶圆处理组件、聚变堆第一壁装甲瓦片等极端服役环境中的关键工程材料。然而，这些特性也对其机械加工提出了严峻挑战。传统机械加工（如磨料加工、金刚石切割）不仅会产生深达数十微米的亚表面损伤，还因SiC的极高硬度导致刀具快速磨损。为减少亚表面裂纹，需大幅降低切削深度和进给速度，严重牺牲材料去除效率。因此，非接触式精密加工技术成为迫切需求。
激光加工作为非接触替代方案被广泛研究，但脉冲持续时间对热损伤与效率的平衡起决定性作用。长脉冲（微秒或纳秒）激光加工SiC时，热扩散导致熔化和再凝固循环，产生厚重铸层和沿晶界扩展的微裂纹，严重损害精密SiC部件的承载能力和环境耐受性。超快激光（皮秒或飞秒）虽能通过将能量沉积限制在电子-声子弛豫时间尺度内来减少热扩散，但皮秒激光在高效材料去除的同时，会因热积累和相爆炸引入碳质重铸层、表面孔隙、非晶化和微裂纹等热损伤。飞秒激光则利用库仑爆炸（非热机制）实现冷烧蚀，具有最小热扩散和亚微米精度，但单独使用飞秒激光难以满足大规模工业应用的吞吐量需求。
因此，单一皮秒加工无法满足精密部件的表面完整性要求，而单一飞秒加工缺乏吞吐量。顺序混合策略（皮秒激光粗加工后接飞秒激光修整）提供了一种平衡此权衡的实用方法。然而，针对无压烧结块体SiC的系统研究尚缺乏，且皮秒加工表面因重铸层、孔隙和微裂纹导致光学吸收和热扩散改变，使针对原始SiC优化的飞秒加工参数可能不适用于损伤表面。此外，超声振动辅助激光加工在金属系统中已被探索，可减少孔隙和细化微观结构，但在陶瓷材料中尚未得到实验验证。
本研究旨在解决上述空白，通过实验确定无压烧结块体SiC的多脉冲烧蚀阈值和累积因子，识别皮秒加工表面上的缺陷辅助烧蚀、冷烧蚀主导和热损伤主导烧蚀的经验区间，并量化超声振动辅助对去除深度、表面粗糙度和亚表面完整性的振幅依赖性影响，为硬脆陶瓷的高质量加工建立实用加工窗口。
**二、主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：1）自建混合激光加工平台，集成皮秒激光（1064 nm，<10 ps，100–200 kHz，光斑直径~30 μm）、飞秒激光（1030 nm，<700 fs，10–2000 kHz，光斑直径~17 μm）、二维振镜扫描器、超声振动模块（19.8 kHz，振幅0–5 μm）和高精度三轴运动台，实现同轴对准和顺序操作；2）利用直径法和多脉冲烧蚀实验，在无压烧结块体SiC原样表面测定单脉冲烧蚀阈值（Fth(1) ≈ 1.72 J/cm2）和累积因子（S ≈ 0.637）；3）通过激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和微拉曼光谱对加工后表面进行表征，测量表面粗糙度、沟槽深度、孔隙密度和Feret直径，以及残余应力；4）对皮秒加工后的表面进行飞秒激光修整参数优化（功率、扫描速度、扫描次数），并选择性施加超声振动（振幅3 μm和5 μm），评估其影响。
**三、研究结果**
**3.1. 能量依赖的材料去除机制**
通过实验，研究人员在皮秒加工后的SiC表面上，基于阈值倍增因子F/Fth（以原始材料单脉冲阈值为参考）识别出三种烧蚀区间：当F/Fth低于约6时，缺陷辅助烧蚀仅使预存孔隙扩大和连接；当F/Fth在6–12之间时，冷烧蚀主导机制（库仑爆炸介导）实现低热损伤逐层去除，有效剥除重铸层和消除继承微裂纹；当F/Fth超过12时，热主导烧蚀（相爆炸和局部熔化）导致再氧化和新的热损伤。XPS和拉曼光谱证实，冷烧蚀条件下SiC信号增强、残余应力最小，而热烧蚀条件下氧含量和残余应力增加。
**3.2. 飞秒修整的参数优化**
**3.2.1. 扫描速度的影响**：在固定功率下，降低扫描速度增加脉冲重叠，降低多脉冲烧蚀阈值，导致沟槽深度单调增加。表面粗糙度在3.32 W功率下于800 mm/s处达到最小值，此时脉冲重叠优化实现了有效损伤去除和均匀周期结构，无过度热积累。过高或过低速度均导致粗糙度增加或残留缺陷。
**3.2.2. 扫描次数的影响**：增加扫描次数降低多脉冲烧蚀阈值，沟槽深度拟线性增加。在3.32 W功率下，5次扫描（F/Fth≈9.0）实现最佳表面质量，有效去除重铸层并生成均匀周期结构；1次扫描残留大孔隙，10次扫描则因热积累产生新微孔。高热功率下，过度扫描导致热累积恶化表面质量。
**3.2.3. 最佳参数选择与效率评估**：综合权衡，研究人员确定最佳飞秒修整参数为3.32 W、800 mm/s、5次扫描（F/Fth≈9.0），此条件将过程限制在冷烧蚀主导区间，兼顾了加工效率、表面质量和亚表面完整性。混合策略（皮秒粗加工+飞秒修整）的材料去除率（MRR）为6.38×10?3 mm3/s，远高于等效深度飞秒单独加工的0.93×10?3 mm3/s，保留了皮秒粗加工的高效优势。
**4. 超声振动辅助在飞秒激光修整中的作用**
**4.1. 超声振动对去除深度和表面质量的影响**：在最佳飞秒参数下，引入超声振动（3 μm振幅）使沟槽深度从12.3 μm增至20.1 μm（MRR提升64%），表面粗糙度降低。声流增强了碎片清除和去除，减少了再沉积。然而，过高振幅（5 μm）在热烧蚀区间导致散射衰减和机械破坏，降低去除深度或增加微裂纹。在冷烧蚀区间，3 μm振幅实现最佳平衡。
**4.2. 超声振动对亚表面损伤的抑制**：横截面分析显示，皮秒加工后损伤层厚度为22.6 μm，表面孔隙密度为4.58×103 pores/mm2。飞秒修整后（无超声）损伤层降至11.1 μm，孔隙密度降至3.99×103 pores/mm2。施加3 μm超声后，损伤层进一步减至9.8 μm，孔隙密度骤降至1.00×103 pores/mm2（减少75%），且孔隙更浅、底部可见，表明超声辅助有效抑制了亚表面损伤。
**4.3. 超声辅助激光混合加工机制**：通过示意图总结，皮秒加工留下热缺陷（重铸层、微裂纹、孔隙）。飞秒冷烧蚀通过库仑爆炸介导逐层去除重铸层和损伤材料。引入超声后，声流增强碎片清除，机械扰动促进弱附着残余层的剥离，产生更薄、更连续的重铸层和更少的亚表面孔隙。
**四、讨论与结论**
讨论部分指出，本研究提出的混合策略解决了单一超快激光加工中效率与表面完整性的权衡问题。通过实验确定了经验性烧蚀区间，并验证了超声辅助在陶瓷材料中的独特作用（如碎片清除和机械剥离），而非简单复制金属系统行为。研究结论总结如下：
1) 飞秒激光修整皮秒加工SiC表现出三种烧蚀区间，由阈值倍增因子F/Fth经验确定：低于约6时缺陷辅助烧蚀；6–12时低热损伤冷烧蚀（库仑爆炸机制）；超过12时热主导烧蚀（相爆炸和局部熔化）导致再氧化和热损伤。
2) 最佳修整参数为3.32 W、800 mm/s、5次扫描（F/Fth≈9.0），将过程限制在冷烧蚀主导区间，实现了加工效率、表面质量和亚表面完整性的平衡，并避免了高功率热烧蚀带来的残余应力升高。
3) 最优振幅3 μm的超声辅助通过声流增强碎片清除和机械扰动弱附着残余层，改善了表面和亚表面质量，产生更薄、更连续的损伤层并减少亚表面孔隙。过高振幅（5 μm）则导致机械破坏或降低去除深度。
4) 所提出的混合策略通过结合高效皮秒粗加工和精密飞秒冷烧蚀修整，解决了单一超快激光加工中的效率-质量权衡问题，适度超声辅助进一步改善了亚表面质量，为硬脆陶瓷的高质量加工提供了一条可行路径。
该研究发表在《Materials Today Communications》。
