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2020年  第2卷  第3期

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综述
钛合金复杂薄壁构件高效成形技术进展
王克环, 王礼良, 郑凯伦, 何祝斌, Denis J. Politis, 刘钢, 苑世剑
2020, 2(3). doi: 10.1088/2631-7990/ab949b
摘要:

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1.文章导读

钛合金复杂薄壁构件在航空、航天、海洋、国防等领域有着广泛的应用,然而钛合金复杂薄壁构件室温加工制造难度特别大,一般采用热成形工艺。传统的热成形工艺成形温度高、加热时间长,导致生产效率低下、成本高昂,同时难以满足精度和组织性能的严格要求。新型号研发对构件尺寸精度和性能的要求越来越高,如何更加高效地同时实现高精度和高性能成为新的技术难点。哈尔滨工业大学流体高压成形技术研究所联合帝国理工学院材料成形研究团队、大连理工大学高性能精密成形研究所《极端制造》期刊International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《钛合金复杂薄壁构件高效成形技术进展》综述,系统介绍了钛合金复杂薄壁构件高效成形技术的研究背景、最新进展及发展前景。

2.研究背景

钛合金薄壁构件按几何特征可大体分为管材构件和板材构件两类。管材构件传统工艺多采用分半热压再焊接的方法,工序繁多、结构整体性差且精度和性能控制难度大。钛合金高压气胀成形新技术则是在内高压成形工艺基础之上发展起来的,富有潜力,其基本原理是将两端密封的钛合金管材坯料加热至一定温度,向管内通入一定压力气体介质,在气压和端部推力共同作用下使管材成形贴靠模具,获得所需构件;通过对成形工艺参数的优化并结合构件贴模后气冷,可以实现钛合金薄壁管材构件的高效精确成形和组织性能控制。

钛合金板材构件一般采用等温热压成形或者超塑性成形,模具和坯料长时间加热严重影响整体效率,且对模具材料和设备具有很高的要求。钛合金热冲压成形新技术则采用室温模具成形预热的板材,并对构件进行模内淬火,由于模具无需加热,可显著提高总体效率;通过对初始加热温度、加热速率及时间的优化,可实现钛合金薄壁板材构件的高效精确成形和组织性能控制。

目前国内外对这两项技术均进行了一定的研究,本文对该方面的研究进展进行了详细的介绍。

3.最新进展

哈尔滨工业大学流体高压成形技术研究所系统开展了钛合金复杂薄壁构件高压气胀成形工艺研究,基本原理如图1所示。建立了基于应变速率硬化和应变硬化“双硬化”机制的成形工艺窗口,提出了高压气胀-气体冷却复合工艺,研制出具有自主知识产权的高压气胀成形装备(最高气体压力70MPa),通过对成形工艺参数优化和精密控制,成形出了一系列具有代表性的钛合金复杂薄壁管材构件,如图2所示。本文对钛合金高压气胀成形过程中工艺参数的确定、尺寸精度及组织性能协同控制技术进行了综述。

图1 钛合金管件高压气胀成形工艺原理

图2 采用高压气胀成形工艺研制的钛合金复杂薄壁管件

钛合金热冲压成形工艺为非等温过程(如图3所示),这给工艺控制带来了新的挑战:板材温度较低时,材料塑性不足;当板材温度较高时,加热过程会发生相变、氧化及晶粒长大,“组织的恶化”会影响材料后续热冲压成形能力。研究发现通过控制加热速率,可以控制材料组织转变,从而既获得需要的微观组织,又具有优良的热冲压成形能力,研制的典型钛合金复杂薄壁构件如图4所示。本文综述了钛合金热冲压成形工艺参数确定、尺寸精度及组织性能协同控制技术进展。

图3 钛合金热冲压成形和传统的热成形工艺对比

图4 TC4钛合金热冲压成形构件

4.未来展望

钛合金复杂薄壁构件的推广应用,很大程度上取决于成形效率和生产成本,因此在成形中同时保证尺寸精度和性能、实现钛合金构件高效率制造,是钛合金薄壁构件制造技术的主要发展趋势。为了实现该目标,需研发快速加热、快速加压新技术,实现高效成形条件下对温度、压力的精确测量及精确控制;需开发高精度、多尺度材料组织性能预测模型,开展多尺度数值模拟以指导生产工艺优化,从而实现对构件尺寸精度与组织性能的一体化控制;同时,还需发展钛合金薄壁构件高效成形技术智能化装备,为工艺技术提供物化载体。

飞秒激光直写技术制备仿生微纳结构表面及多功能应用研究
张亦元, 焦云龙, 李传宗, 陈超, 李家文, 胡衍雷, 吴东, 褚家如
2020, 2(3). doi: 10.1088/2631-7990/ab95f6
摘要:

综述 ● 开放获取                                                                                                                               阅读更多

1.文章导读    

飞秒激光直写技术相较于传统微纳加工方法(离子刻蚀法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积、模板法和自组装法等),因其精度高、可控性好、适用于不同材料等优势而被广泛应用于仿生微纳结构的可控制造。这些仿生微纳表面因具有多样化的潜在应用(自清洁、油-水分离、雾气收集、液滴/气泡操纵、液体定向运输和液滴/光开关等)而引起了学术界和工业界的广泛兴趣。近期,中国科学技术大学微纳米工程实验室吴东、褚家如教授课题组的焦云龙博士后、张亦元博士生等《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《飞秒激光直写技术制备仿生微纳结构表面及多功能应用研究》的综述 ,系统介绍了“仿生-制备-结构-应用”四者之间的本征联系。随后,作者通过与当前制造策略的对比,突出了飞秒激光在仿生微结构表面制造中的独特优势,并进一步总结了用于多功能微纳结构的典型仿生(荷叶、猪笼草、水稻叶、蝴蝶翅膀等)设计。基于界面化学和几何光学原理,作者讨论这些多功能仿生微纳表面的潜在应用,分析展望了通过飞秒激光直写技术在仿生微纳结构制造领域的机遇与挑战。 

2.研究背景    

自然界经常引领现代工业极端制造的实际应用(雷达、潜艇和飞机等)来获得有用性能(抗磨、抗腐蚀和自清洁等),而这些极端功能特性主要来源于独特的表面微纳米结构。其中最吸引人的现象之一就是荷叶的自清洁特性,正如北宋理学家周敦颐的散文《爱莲说》中的名句“予独爱莲之出淤泥而不染,濯清涟而不妖”,反映的就是荷叶表面独特微纳米结构赋予其极端疏水的特性。另一个典型例子是在极端干燥的沙漠中生存的沙漠甲虫,这种甲虫背部的独特超亲水-超疏水复合结构使得其能从雾气中收集雾水来适应环境。为了获得这些功能微纳表面,发展了了很多微纳制造方法。然而,这些方法都有着诸如精度低、材料范围小、加工环境恶劣、二次加工与环境不友好等本征限制。因此仍需发展一种高效、高精度的简便方法来制备仿生多功能表面结构。飞秒激光直写技术作为一种新颖的加工手段,因其加工精度高、材料适用范围广、简单快捷的优势吸引了广发研究人员的兴趣。已有较多工作报道了飞秒激光直写技术在推动微纳制造领域的进展。然而,一些必要的特性,如极端微纳结构的分类,形成机制与设计范式等没有被系统总结和深入理解。在本文中,作者对飞秒激光直写技术制备微纳结构用于多功能应用做了详细介绍。

3.最新进展    

本文主要分为四个部分:仿生-制备-结构-应用的本征关系,飞秒激光与固体材料的相互作用,飞秒激光直写技术制备的典型微纳结构,微纳结构的多功能应用。首先,各类自然界生物(荷叶、蜻蜓、蝴蝶、壁虎等)进化出了优异性能(自清洁、复眼、结构色、干胶带)的微纳结构表面,这启发人类发展各种微纳加工技术来仿生这些独特结构加工各种功能界面材料。这种微纳米复合结构是重新这些独特功能的关键。另外,很多性能(油水分离、自驱动雾气收集)等都与分层结构表面的超浸润性能相关。但这些独特微纳结构给当前的制造方法提出了新的挑战,而飞秒激光直写技术的出现为微纳制造领域带来了新的策略。

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图1 仿生-制备-结构-应用的相互关系 

其次,作为人类探索微观世界的重要手段之一,微纳制造技术在微电子、微光学等领域具有重要应用。当前的微纳制造技术主要包括平面光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、化学聚合和自组装等。这些技术都有其本征缺点,例如电子束刻蚀和聚焦离子束技术的成本昂贵,平面光刻技术难以制备三维结构等。近些年,飞秒激光直写技术被广泛应用于微纳加工领域。由于其超强、超快、超精密的特性,飞秒激光制造具有显著的优势:热效应小;材料范围广;真三维加工。飞秒激光于材料相互作用的机制一般可分为:烧蚀、诱导和沉积。简而言之,飞秒激光制造技术因其高精度、材料范围广和一步加工的优势在表面工程化领域具有广泛应用。

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图2 不同的微纳制备方法。版权所有(2015)ACS 

在典型微纳结构制备方面,基于飞秒激光与材料的相互作用机制,制备出一系列独特结构(微孔、微柱、多级结构、自生长结构、纳米条纹等)。例如,利用飞秒激光在金属或聚合物薄膜表面加工微孔阵列,微孔的形貌参数可通过激光加工参数精密调节,微孔表面质量相较于纳秒激光和连续激光有着较大提高。另外,受到自然界动态响应性材料的启发,一种基于“自生长”模式的表面结构制备方法被提出。通过飞秒激光与热缩型聚合物的相互作用,可以制备出柱状结构,且通过控制激光扫描路径等参数能够实现微柱的弯曲变形及图案化,这在加密/解密,超敏感探测等领域有着应用前景。近些年,很多研究组重点关注了液体辅助飞秒激光直写技术,与在空气中加工相比,更多不同的微纳米结构被制造出来。例如,在酒精、蔗糖和水溶液的辅助下,不同的硅表面微锥结构被制备出来。结构表面参数和表面粗糙度等可精密控制。因为辅助溶液的特性(密度、年度、沸点)不同,实际加工得到的微纳结构也有显著区别。因此,环境条件是形成不同微纳结构的一个关键。

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图3 微孔阵列结构。(a)飞秒激光微纳加工系统。(b)不同激光功率下微孔直径与激光脉冲数关系。(c)微孔的上视图和下视图SEM。(d)选择性酒钢烧蚀后薄膜的顶部和底部元素成分分析与微孔的内部形貌。(a-b)版权所有(2016)英国皇家化学学会。(c-d)版权所有(2018)美国物理学会

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图4 局部可重构自生长结构。(a)飞秒激光制备形状记忆聚合物薄膜。(b)飞秒激光加工单根弯柱。(c)激光诱导聚合物自生长的四个过程。(d)图案化弯柱阵列的可控制备。(a-d)版权所有(2018)Wiley

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图5 液体辅助飞秒激光直写技术制备多种结构。(a)酒精辅助飞秒激光烧蚀微锥阵列。(b)蔗糖溶液辅助飞秒激光烧蚀的微结构阵列。(c)微锥的放大图。d)微锥高度统计。(e)微锥粗糙度。(a-b)版权所有(2016)RSC。(c-d)版权所有(2015)RSC。(e)版权所有(2008)ACS

在多功能应用方面,随着仿生学和飞秒激光极端制造技术的快速发展,各种各样的功能强大的界面材料被设计和制备出来,这些界面材料与其表面微纳结构密切联系。这些强大的功能包括:油水分离、雾气收集、防冰防雾、结构色、液滴/气泡操纵和抗反射等。例如,通过飞秒激光微钻孔技术在金属箔片上加工出微米级的孔阵列,通过表面化学修饰,赋予材料表面特定的超浸润性能,可以实现油水分离功能。通过在表面上构建各向异性的微纳结构或通过低表面处理,使得在外界刺激(电、磁、光、热等)下,可实现液滴和水下气泡的快速灵活操纵,这对水处理、传感器和微反应技术领域都有着应用前景。

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图6 油水分离。(a)双面神油桶和双面超疏水油桶的比较。(b)油水混合物的自发连续分离。(c)不锈钢网对溢油的收集。(d)30次摩擦测试后的分离效率。(a)版权所有(2017)RSC。(b)版权所有(2016)RSC。(c-d)版权所有(2017)RSC

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图7 液滴和气泡操纵。(a)超低电压驱动不同液滴钉扎与滑移行为的原位可逆转换。(b)近红外光驱动SLIPS表面水下气泡的滑移。(c)单向机械拉伸实现液滴钉扎和滑移行为的原位可逆调谐。(d)莫比乌拉斯带上的水下气泡运输。(e)PET样品上不同液体的滑移。(a)版权所有(2019)ACS。(b)版权所有(2019)Wiley。(c)版权所有(2019)ACS。(d)版权所有(2019)RSC。(e)版权所有(2018)John Wiley

4.未来展望    

飞秒激光直写技术制备仿生多尺度微纳结构已经取得了很多成果。然而,飞秒激光直写技术仍然面临着巨大挑战:飞秒激光与不同材料相互作用的机制未被完全理解;飞秒激光加工成本高和加工时间长的缺点;有些复杂微纳结构难以用单一激光加工方法制造;如何选取最佳的表面结构来提高材料性能;另外,尽管在科学研究中取得了巨大的进展,飞秒激光直写技术在实际工业用途中还面临着诸多困难。因此,深入理解飞秒激光与材料相互作用的机制,结合飞秒激光直写技术与传统加工方法的各自优势,发展仿生微纳结构界面材料对推动其工业实际应用具有重要意义。我们相信,飞秒激光制备仿生微纳材料会在不久的将来大放异彩。

综述:选区激光熔化制备的高熵合金的微观结构和性能
张臣, 朱俊凯, 郑怀, 李辉, 刘胜, 程佳瑞
2020, 2(3). doi: 10.1088/2631-7990/ab9ead
摘要:

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1.文章导读                                                               

高熵合金(HEA)具有良好的极端环境力学性能和抗腐蚀、催化、储氢等功能性能,具有广泛的应用前景。这些应用领域多涉及高比表面积的孔隙、薄壁结构,力学拓扑优化的周期结构等复杂结构,因此HEA需要合适的成型技术以满足复杂结构制造需求。传统的机加工技术成型高强高韧性材料非常困难,复杂的空心、周期一体化结构也几乎不能实现。增材制造则可以满足复杂结构制造需求。选区激光熔化(SLM)作为应用最广泛的复杂结构增材制造技术具有同步合成和成型材料的优点,克服了传统加工方法的局限性,图1展示了SLM装置和流程示意图。此外,SLM冷却速率可以达到104-106K/s,远远超过传统工艺,因此,SLM可以产生更细的晶粒和晶粒内部的亚结构,从而提高最终构件的整体力学性能。

现在HEA的SLM研究逐渐增多,正成为HEA与增材制造两大领域研究人员关注的热点。总结现有的研究成果,理清其中的共性科学问题,发掘新的科学问题,将有利于研究人员更好的把握研究重点。近期,武汉大学工业科学研究院张臣副教授和刘胜教授团队在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《选区激光熔化制备高熵合金的微观结构和性能综述》,系统介绍了SLM打印HEA的显微组织特点、机械性能、组织-性能关系与理论模型,并为未来的研究指明新的方向。

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图1(a)SLM工艺的原理图解;(b)SLM的处理过程

2. 高熵合金SLM的粉末原料                                                                

目前,制备HEA粉末的方法主要包括机械混合和预合金化。机械混合方便获得自由比例的HEA粉末,但易导致元素偏析。预合金粉末比机械混合粉末分布更均匀,可防止组分分离,从而使样品结构均匀,性能稳定。因此,预合金粉末被广泛用于目前关于HEA的SLM的研究中。粉末的形态和尺寸也会影响加工质量。由于球形粉末的流动性更好,最稠密的SLM处理样品是从球形颗粒而不是异型颗粒中获得的。使用球形粉末还可减少飞溅,从而减少微观结构缺陷。此外,粒度分布的跨度也对粉末流动性具有显着影响。当跨度较小时,流动性更好,样品的相对密度更高。因此,与其他合金类似,使用球形且尺寸均匀的HEA粉末更有利于提高成型质量。

3. 宏观与微观组织特征                                                                

SLM打印HEA的结构特点主要体现在两方面:宏观缺陷和微观结构。空洞型缺陷是SLM中最常见的缺陷,如未凝固的颗粒和孔洞。作为一种成分复杂的新型材料,HEAs易产生孔隙缺陷,且其是造成密度损失的主要原因。通过改变打印参数提高体积能量密度能够有效的抑制孔洞的产生,如图2所示。裂纹是另一种常发的缺陷,与合金成分有密切联系,如增加AlCrCuFeNi中Ni元素的成分可以有效的抑制裂纹,如图3所示。由于HEA元素种类较多,调控元素成分控制裂纹的研究将会非常丰富。此外,元素偏析、夹渣等典型的增材制造缺陷也会出现在SLM打印的HEA中。

由于SLM工艺具有复杂的热循环和极高的冷却速率(106K/s),其制备的HEA晶粒的尺寸低至几微米,且可以产生很高密度的位错、亚晶界、纳米孪晶等,如图4所示,这将极大提升HEA机械性能。另一个显著特点是SLM打印的HEA更容易产生析出相。传统工艺制造的HEA需要较长时间的热处理来产生析出相,而SLM打印HEA晶格的多界面或多缺陷特征为析出相提供了理想的生长载体,只需较短时间的热处理或不热处理即可得到析出相。合金成分对于性能的影响至关重要。此外,对SLM打印的HEA进行后续热处理,还可以产生孪晶(如图5所示)等微观结构。

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2(a)不同激光能量密度下的样品密度;(b-e)123 J/mm3体积能量密度下的样品中孔隙尺寸形态的XCT图像

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图3 不同Ni元素含量对SLM成型AlCrCuFeNix裂纹的影响: (a) x = 2.0(明显裂纹); (b) x = 2.5; (c) x = 2.75; (d) x = 3.0(几乎无裂纹)

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图4 SLM打印CoCrFeMnNi高熵合金的亚结构、位错和析出物;(a)亚结构的高倍散射电子(BSE)成像;(b-c)位错网络和析出物的电子通道衬度成像(ECC)(b)胞状结构(c)柱状结构

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图5 SLM打印FeCoCrNi高熵合金在(a) 1173K, (b) 1373K, and (c) 1573K下2h退火后的孪晶分布同图,右上角图像为再结晶分布图;(d)SLM打印CoCrFeMnNi高熵合金的纳米孪晶HRTEM图;(e)SLM打印FeMnCoCrC0.5高熵合金在12%应变下纳米纳米双hcp片层复合结构

4.机械性能与强化模型                                                                

文章对SLM打印的不同类型HEA的拉伸压缩数据进行了总结,并对不同加工方法制备的HEA性能进行了对比。由于传统工艺制备的HEA缺乏强化手段,结构简单,晶粒尺寸较大,其屈服强度和极限抗拉强度远低于SLM试样的性能。对打印的HEA进行退火处理,会促进析出相的生成,并使得HEAs软化,对其冲击韧性有所促进。另外,SLM打印的HEA在耐腐蚀和耐磨性上均有所提高。

HEA强化机制不同于其他金属,最突出的特征是晶格的摩擦应力和不寻常的固溶强化。HEAs的多元特性使传统的模型不适用于预测HEAs固溶强化程度,同时,SLM极高的加热和冷却速率,产生大量的位错,位错非常集中,几乎可以看作是晶界,这模糊了晶界强化和位错强化之间的界限。主要强化机制概括为晶格摩擦应力强化、晶界强化、位错强化和沉淀强化几个方面。

5.总结与展望                                                                

现阶段,SLM打印HEA的研究工作集中于分析微观结构和静态力学性能。大多数样品是简单的块状部件。 SLM加工中快速的熔化-冷却速率改善了HEA的微观结构,包括晶粒细化,位错密度增加,相沉淀和纳米孪晶生成。这些特性增加了SLM处理的HEA的机械强度。与传统合金相似,工艺优化、合金元素的添加以及SLM处理的HEA的热处理仍然是调节微观结构和改善性能的主要方法。未来主要发展方向分析如下:

缺陷抑制。在SLM处理的组件中仍然存在诸如孔洞和裂纹之类的缺陷。这些缺陷对静态强度的影响可能很小,但对动态疲劳性能却是致命的。消除这些缺陷可以进一步提高SLM处理的HEA的机械性能。因此,对缺陷的研究是值得今后研究的方向之一,主要包括:缺陷产生的机理、缺陷抑制的有效方法、冶金过程的理论模型,以及SLM打印HEA过程的传热、流动和应力模拟仿真分析。

极端环境中的机械性能。目前关于机械强度的研究工作集中在抗拉强度、抗压强度和硬度等静态性能上,动态性能还少有涉及。HEA的重要特征是它们在高温和低温强度下均具有出色的稳定性,现有文献中尚未报道过SLM打印HEA在极端环境下的机械性能。SLM打印HEA的疲劳性能、高温强度、低温强度、蠕变等特性是未来性能研究重点。

组织-机械性能关联模型。考虑到HEA多主元成分的特征,SLM打印HEA的组织-性能关联模型具有许多未知的特征。为了增进对SLM打印HEA材料物理冶金机制和机械性能预测的理解,未来的研究应引进各种尺度规模的先进模拟方法,例如密度泛函理论和分子动力学。

在线质量监测。另外控制SLM打印材料的一大发展方向是在线质量监测。实现微观结构、环境气氛、应力/变形演变以及缺陷在线监测,并提出针对性的调控措施,以提高SLM打印HEA的组织性能,也是一大挑战。

功能结构制备。具有复杂几何结构和复合成分的HEA,对于化学催化、储能、功能器件、电磁屏蔽等应用具有重要的研究价值。迄今为止,尚未出现SLM制备复杂结构HEA的报道。考虑到上述领域对新型高性能材料的需求,SLM打印复杂结构和复合成分HEA也将成为未来研究的重点。

新型HEA打印。现有SLM打印HEA研究集中在FeCoNiCrMn和AlFeCoNiCr等系列合金。尚未报告轻合金HEA的SLM。使用轻质合金是减轻重量和减少碳排放的重要方法,因此,轻合金HEA的SLM研究具有重要的工业应用潜力。

基于拉曼光谱的激光辅助极端制造中材料热学特性的表征
王日东, 徐屾, 岳亚楠, 王信伟(美国)
2020, 2(3). doi: 10.1088/2631-7990/aba17c
摘要:

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1.文章导读

激光辅助加工制造方法被广泛应用于材料的切削,增材制造,纳米成型等。在这种加工过程中,材料的温升甚至会达到2000℃以上,因而非常有必要研究材料的热学特性进而明确激光辅助加工的物理机制,为激光辅助加工的优化奠定基础。近期,天津大学精密仪器与光电子工程学院王日东副教授、上海工程技术大学机械与汽车工程学院徐屾副教授、武汉大学动力与机械学院岳亚楠教授和美国爱荷华州立大学王信伟教授《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《基于拉曼光谱的激光辅助极端制造中材料热学特性的表征》的综述,系统介绍了拉曼光谱在研究激光辅助极端制造中材料的热力学特性的潜力及未来展望。 

2.研究背景

拉曼光谱被广泛应用于材料结构的表征,同时也能够用于温度测量。在其他测量条件恒定的情况下,样品温度的变化会影响其对应的拉曼光谱的性质。随着温度的升高,拉曼光谱的位置会发生红移,光谱的强度会减弱,同时光谱也会变宽。根据上述特性,拉曼光谱可以被用来测量激光辅助极限加工中材料的温度,进而推动激光辅助加工中的物理机制的研究。 

3.最新进展

最新进展主要分为两个部分:拉曼测温法在近场激光加工中的应用,拉曼测温法用于激光辅助加工中的瞬时温度测量。在近场激光加工中,激光和被加工材料的距离很小,甚至小于10 nm。如图1所示,基于拉曼信号于材料温度和结构的相关性,近场拉曼测温法能够在此加工环境中实现非接触式的高精度测量。此外,基于拉曼信号的温度场和应力场可以用于研究激光的能量、偏振、波长等的影响。如图2所示,利用拉曼信号可以实现对材料的热学特性、应力特性及近场聚焦情况进行表征,精度可达20 nm。对于空间形貌有变化的材料而言,在利用扫描式拉曼光谱进行温度和应力测量时,需要考虑空间形貌以及扫描方向的不同所引入的非对称特性对测量结果的影响。图3给出了一种数据处理的方式来消除非对称特性的影响。拉曼测温法的另外一个应用是材料的瞬时热响应的表征。图4介绍了一种被称为Energy transport state-resolved Raman(ET-Raman)的拉曼检测方法。通过构建在空间域和时间域上不同的能量传输状态,该方法被用来研究二维材料的热学特性。该方法也为材料在超快激光加热下的热响应的检测提供了一个新的思路。此外,Raman pump-probe spectroscopy, stimulated Raman scattering和coherent anti-Stokes Raman scattering等拉曼检测技术也可以被用来研究在激光辅助加工中材料的瞬态热响应。

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图1. 基于近场拉曼光谱的温度测量系统。经许可使用,版权所有(2011)American Chemical Society

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图2. 纳米颗粒下的近场加热的纳米尺度成像。经许可使用,版权所有(2013)Public Library of Science

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图3. 扫描式拉曼测量系统。经许可使用,版权所有(2017)The Optical Society (OSA)

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图4. 基于拉曼光谱的多状态能量传输差分测量方法。经许可使用,版权所有(2018)Royal Society of Chemistry

4.未来展望

在激光辅助加工中,如果被加工的材料(如金属)没有拉曼信号,可以通过在加工区域中放置有拉曼信号的材料来实现加工环境的温度测量。此外,在很多加工过程中,材料的温度变化非常快,甚至可以达到皮秒量级。在这种情况下,可以利用皮秒或飞秒激光来得到材料的拉曼信号,进而研究材料的热响应以及可能的结构变化。因此,拉曼测温技术在实现材料热响应的高精度空间域和时间域测量方面具有非常好的发展潜力。

基于杯芳烃类抗蚀剂和场发射扫描探针光刻的单纳米制造技术
Marcus Kaestner, Ivo W Rangelow
2020, 2(3). doi: 10.1088/2631-7990/aba2d8
摘要:

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1.文章导读

光刻(Lithography)是目前纳米图形化最主要的加工方法,能够实现高精度、大产量的微纳器件制造,但其高精度的实现需要极高精度的掩模版。扫描针尖光刻 (Scanning Probe Lithography)是实现高精度、低成本纳米的图形化技术之一,不仅可实现单分子尺度加工分辨率,而且能够运用同一探针图形化及结构表征,这是通过具有自我感知和自我驱动的“有源微悬臂”实现的。因此,在纳米电子、纳米光学器件制造及其它纳米技术应用方面有着巨大的潜能。场发射电子扫描探针光刻技术(Field-Emission Scanning Probe Lithography, FE-SPL),作为针尖光刻系列中一项极具潜力的技术,不仅通过低能量针尖场发射电子(大约100 eV)大幅度提高了图形化效率,而且实现了单纳米分辨率的图形加工。近期,德国伊梅瑙工业大学(Ilmenau University of Technology)Ivo Rangelow教授,FE-SPL技术的发明人,在《极端制造》国际期刊(International Journal of Extreme Manufacturing)以《基于杯芳烃类抗蚀剂和场发射扫描探针光刻的单纳米制造技术》为题发表长篇综述。该综述从加工原理、设备硬件、工艺条件、机理分析、环境扰动等方面系统地展示了场发射电子扫描针尖光刻技术,同时,也进一步分析该技术的瓶颈与挑战,以及未来发展方向。

2.文章内容

1. FE-SPL加工原理

在电子束光刻加工中,主要是产生的低能量二次电子对光刻胶进行曝光。由于低能量电子更倾向于发生非弹性散射,减小散射在空间上分布,大幅降低了邻近效应,因此,能够将曝光所需的能量分布局域在更小范围。然而,现有电子束光刻机的电子光学系统难以发射如此低能量的电子束,而利用可场发射扫描探针光刻悬臂能够实现低能电子束发射,如图1所示。

FE-SPL特征如下:(1)其基本原理与早期的扫描隧道显微镜类似,在针尖与衬底两端施加电压,由于针尖的电场局域效应,当针尖与衬底距离足够近时,仅需施加很低的电压,即可实现Fowler-Nordheim场发射。(2)对于曝光单像素线条图形结构,FE-SPL的曝光剂量可通过束流和扫描速度调控,而对于单像素点状图形,则由驻留时间(dwell time)控制。光刻系统通过反馈装置,控制悬臂Z向移动以保持发射电流恒定,得到稳定的曝光剂量。(3)电压与针尖-衬底间距离呈线性关系。为保证电子隧穿的发生,需要控制最小电压以避免针尖与光刻胶存在直接接触。(4)由于在大气环境下针尖到表面的距离小于电子平均自由程,因此FE-SPL无需真空环境,在大气环境下即可工作。(5)相比高能量发射电子,在FE-SPL中,尽管低能量发射电子的德布罗意波长有所增大,但并不影响FE-SPL的光刻分辨率。(6)在EBL中,降低电压会降低电子在光刻胶中的穿透深度,而在FE-SPL中由于电场的存在,电子能够从电场中重新获得加速,继续对深层光刻胶进行曝光。(7)在此,低能量电子束曝光的热效应可忽略不计。

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图1. 典型电子束光刻系统和场发射扫描探针光刻(FE-SPL)系统悬臂结构。悬臂集成了压阻式应变传感器、热驱动器和针尖,具备光刻和成像功能。 

2. FE-SPL系统 

扫描探针光刻系统的工作环境需稳定在相对湿度35%,温度25℃条件下。有源微悬臂集成了驱动机构和挠度计数器,可实现非接触式原子力显微成像及低能量场发射电子束光刻功能。在光刻模式下,利用包覆了金属钛/铂或钨的导电金刚石针尖作为低能量电子的发射源,并在非接触原子力显微成像模式下对光刻结构进行成像(整体搭建系统如图2所示)。在光刻模式下,最小点剂量可低至1.9fC,最小线剂量为2nC/cm。利用杯芳烃衍生物(CMC4R, C32H32O6)作为抗蚀剂进行曝光,甲基异丁基酮(MIBK)溶剂作为显影液,最终在硅衬底上得到最高光刻分辨率的光刻图形。

图2. 左图为FE-SPL系统,右图为150mm晶圆样品上的悬臂和场发射针尖的放大视图(图片来自德国nanoanalytik公司)。 

3. 低能电子束曝光机理

如图3所示,在利用FE-SPL曝光CMC4R抗蚀剂时,存在一个剂量范围,在使用低剂量曝光时,CMC4R会发生交联。在使用高剂量,曝光区域中部则会发生烧蚀,而两侧发生交联。交联表示光刻胶材料发生了改性,而烧蚀则表示杯芳烃材料从不可挥发到可挥发的转变。

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图3. 两种曝光现象示意:a)负性光刻及显影工艺,b)正性光刻和显影工艺。最右侧为两种类型的曝光显影后结构的AFM形貌

对上述两种类型的FE-SPL光刻工艺进行了进一步机理分析。首先,分别探究点和线图形中曝光剂量与关键尺寸的关系,均得到呈近似对数函数关系的发生交联和烧蚀现象的剂量分布曲线。对于相同关键尺寸,烧蚀剂量大于交联剂量。随着曝光剂量的增大,交联和消融关键尺寸也相应增大。利用最小点剂量曝光CMC4R(偏置电压30 V),得到最小点直径约为10 nm,对应单点电子数目1.2 × 104,远低于加速电压为50kV的EBL得到最小点直径约12nm所需的剂量,对应单点电子数目1 × 105。如图4所示,运用高斯束模型定性地描述剂量的空间分布,并设置两个独立的抗蚀剂曝光阈值来体现交联与烧蚀现象。这一模型很好地解释了运用烧蚀现象产生结构的机理。对比EBL(10 keV)与FE-SPL(40 eV)的归一化显影对比度曲线,EBL在达到最低曝光剂量(onset dose)后,显影后抗蚀剂保留厚度随剂量线性增加,对FE-SPL而言,当剂量超过10 nC/cm后,显影抗蚀剂保留厚度逐渐减小。对于线条图形的曝光,最小曝光剂量低于设备最低剂量2nC/cm(40 eV),是EBL灵敏度的80倍以上(10 keV)。

此外,针尖和样品间距离与偏置电压的关系,烧蚀剂量与烧蚀深度、线宽的关系,设定点和针尖移动速度与线剂量特征的关系都是FE-SPL的主要工艺参数。

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图4. 用高斯束模型定性描述剂量的空间分布,并设置两个独立抗蚀剂曝光阈值分别表示发生交联和烧蚀临界剂量。(a)针尖和样品系统的电场和电流密度分布模拟(针尖与抗蚀剂距离15 nm,偏置电压40 V,胶厚20 nm,针尖曲率半径15 nm)(b)电子曝光剂量的横向分布,横坐标0为电子束中心位置。(c)为与(b)图中相对应的曝光现象的示意图。 

4. 环境因素对FE-SPL的影响

随着环境湿度的增加,抗蚀剂的表面降解速率增加,一系列结果表明OH基团的增加会放大烧蚀现象。高活性的羟基自由基(-OH基团是一种强氧化剂)和离子可以看作是光刻反应的化学增强/放大源。在这种情况下,Ivo W. Rangelow教授经研究,认为抗蚀剂材料从非挥发性物质氧化降解为挥发性物质是导致曝光中心区域抗蚀剂材料发生烧蚀现象的原因。同时,通过无官能团分子硅氧基抗蚀剂的对比实验表明,在所有曝光剂量下,无羟基杯芳烃衍生物均不能产生交联,这说明-OH在杯芳烃类分子交联过程中起着决定性作用。此外,通过一系列对比实验和引证,再次证明杯芳烃官能团(-OH,氧甲基等)主导了抗蚀剂的交联反应,还证明了羟基虽然促进消融,但并不是消融的必要条件。

环境条件作为反应化学基团的来源对光刻结果有重要的影响。增加羟基的数量(如增加相对湿度)会促进烧蚀过程。烧蚀曝光阈值与曝光环境中的水含量有关。可利用湿润环境促进烧蚀,利用干燥环境实现全交联过程。抗蚀剂表面和内部的水分调节在光刻过程中会产生滞后效应,因此,在曝光时,保持稳定的环境湿度对FE-SPL高精度和可重复性加工至关重要。如前所述,水分子增强了烧蚀过程,因此,实验结果验证了基于抗蚀剂的氧化降解是杯芳烃类抗蚀剂发生烧蚀的根本原因。 

5. 场发射扫描探针光刻的优势

场发射扫描探针光刻与杯芳烃类抗蚀剂的结合展现了极佳的光刻性能。利用场发射低能量电子束,能够有效避免邻近效应,增强交联灵敏度,并开拓了纳米尺度抗蚀剂烧蚀加工的新方法。结合烧蚀和交联反应,实现了自对准双线的加工。相对于高压EBL,FE-SPL在大气环境下即可实现图形化,大大提升加工效率,其中,点阵加工提升10倍达以上、线加工效率提升更是超过80倍。如图5所示,采用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对曝光阵列进行成像,抗蚀剂曝光区域中间被烧蚀,周围形成交联结构。FE-SPL可在大气环境下进行图形化,开拓了崭新的光刻思路,这恰是需要真空环境的EBL所无法实现的。有源式扫描探针能够同时实现光刻和原子力显微成像功能,可执行闭环反馈控制的图案化。利用原子力显微成像功能,可以直接检测图形特征。成像和光刻循环是按顺序进行的,这意味着每一个单独的图形特征都能够实现最高的精度套刻,并在曝光后直接进行表征。

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图5. 在湿法显影后测量中间烧蚀,周围交联的环状抗蚀剂。并对曝光阵列进行SEM(a)和AFM(b)成像。

扫描探针光刻展现了在制造高分辨率结构(< 10nm)的有效性,可应用于纳米电子学、光子学、等离激元光学和磁学的研究中。此外,还具备亚5nm的套刻精度。在实现高分辨率的同时,FE-SPL的曝光速度可与EBL相比拟。

综上所述,相比于EBL,对高灵敏度的抗蚀剂,低能量FE-SPL是最具潜力的解决方案。对于EBL在低灵敏度抗蚀剂高分辨率加工,FE-SPL同样能够实现。在这种背景下,FE-SPL是未来高效率纳米尺度制造和高分辨率纳米压印模板制造的有力工具。同时,FE-SPL相对于传统EBL有以下优点:

(a)可实现闭环反馈;(b)提高横向分辨率;(c)降低加工成本;(d)无需真空工作环境;(e)无需进行邻近效应校正;(f)套刻和拼接精度高;(g)无需对电子光学系统参数调节;(h) 拥有可同时 “读”、“写”能力的一体化探针。

基于嵌段共聚物导向自组装的亚10纳米光刻工艺
Yu Chen, Shisheng Xiong
2020, 2(3). doi: 10.1088/2631-7990/aba3ae
摘要:

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1.文章导读

基于嵌段共聚物的导向自组装(Directed Self Assembly, DSA)是一种极具潜力的图形化工艺,通过分子自组装实现高分辨率图案化,可打破传统光刻的衍射极限,有望在下一代光刻技术(Next-Generation Lithography)中得到应用。该技术基于嵌段共聚物(BCPs)内部组成不同聚合物链段之间的热力学不相容产生的微相分离现象,使得BCPs能够一定条件下进行可控自组装,得到特定排列的BCPs薄膜。将导向自组装与其他光刻技术相结合,如极紫外光刻(Extreme Ultraviolet, EUV)和浸没式光刻,能够极大地提高加工结构的分辨率和器件密度。导向自组装技术目前已应用于场效应晶体管(Field-Effect Transistor, FET)、存储器件、数字图案化介质、光电子器件等的加工中,实现高密度集成和高效率低成本制造。最近,复旦大学信息科学与技术学院的熊诗圣课题组在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表以《基于嵌段共聚物导向自组装的亚10纳米光刻工艺》为题的综述文章,系统地阐述了DSA技术的研究背景、影响因素及相关应用。

2.研究背景

在芯片制程度愈发接近物理极限的今天,国际半导体技术路线图(International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)和国际器件与系统路线图(International Roadmap for Devices and Systems, IRDS)将基于BCPs的导向自组装技术与EUV和多重曝光技术共同列为实现下一代光刻技术突破的潜在技术,如图1所示。然而,EUV光刻的最高分辨率约15纳米左右,且设备、维护以及运作成本极高;多重曝光技术虽然位列下一代光刻的潜在技术中,但其也存在成本和多掩膜对准问题;此外,电子束光刻(EBL)虽然也能实现亚10 nm分辨率加工,但其效率问题制约了其在产业界的应用。而DSA技术能够实现低成本高效率的图案化加工,且其分辨率甚至超出了逻辑器件制造的需求。该技术基于BCPs分子内部不同聚合物链段部分之间在退火过程中的热力学不兼容,通过模版诱导自组装得到各种图案化结构,并由于每个BCP分子组成链段之间用共价键相连接使得该微相分离现象被限域在纳米尺度。通过对中性衬底进行化学修饰或预置引导图案模版,可控制BCPs组装成特定取向排列的结构,后续去除BCPs其中一种链段并保留另一种,即可完成BCPs的图案化加工(DSA中BCPs组成块体一般为两种)。熊诗圣研究员对影响DSA的因素以及DSA技术的应用进行了详细的论述。

图1. 国际半导体技术发展路线图(2015年版)

3.DSA的影响因素

Flory-Huggins参数 χ:BCP中最重要的性质是其组成嵌段之间的热力学不兼容,该性质用Flory-Huggins参数χ表示。BCP之间的微畴间距用全周期尺寸L0描述,L0为χ与聚合度 N 的相应正指数幂(指数小于1)的乘积,其中N直接决定了最终所得结构特征尺寸的大小。BCP的微相分离需要满足χN的值大于10.5,因此,为将特征尺寸缩小至亚10 nm尺度,则需要更小的N值,进而需要高χ值的BCPs,这是以往常用低χ值的PS-b-PMMA所难以达到的(层状PS-b-PMMA自组装形成的最小线宽约11纳米左右)。

熊诗圣研究员总结了近年来多种用作10 nm图案化的高χ值的BCPs合成及组装方法,包括有机(PS-b-PTMC、PS-b-PPC、PS-b-PLGA、PS-b-PTFEAs、PVBD-b-PDSS、PS-b-PMA)和无机(POSS、PFS、PTMSS、PDMS)BCPs,图2为利用PS-b-PLGA的导向自组装技术在不同温度下制备的不同周期光栅结构。

新型的高χ值的BCPs具备较大的热力学不兼容性,使得其更难发生自组装进而形成微畴方向与衬底垂直的结构,且高χ值的BCPs大多对高温敏感,传统热退火步骤难以兼容此类BCPs的自组装。针对此问题,开发了溶剂蒸汽退火技术(Solvent Vapor Annealing, SVA)。SVA能够使DSA在较低的温度条件下进行,避免了BCPs的高温热分解。在SVA过程中,由于BCPs的溶胀和收缩都会导致χ值发生一定变化;再而,SVA能够减小BCP中链段之间的表面能差,更容易形成垂直于衬底的微畴;利用溶液作为退火剂还可以提高分子的扩散率,使得BCPs更容易达到平衡态,最终降低结构的缺陷率;此外利用SVA还可以通过改变溶剂种类以及溶剂配比来实现BCP形貌的控制。

图2. (a)利用PS-b-PLGA嵌段共聚物的DSA技术制备光栅结构示意图及(b)在不同周期的引导模版和不同退火温度下的DSA结果的SEM图

图3. 溶剂退火工作腔体示意图。氮气作为丙酮溶液喷雾器的载体气体,并通过另外的氮气通道稀释丙酮蒸汽,在溶剂退火腔体内配置了光谱反射计监测BCP膜厚

除SVA方法外,通过顶部覆盖层热退火和其他退火方式:如激光退火、微波退火也能实现BCP薄膜的组装。

图案转移技术:BCP在完成微相分离形成特定表面形貌后,需要后续对BCP中的某一种相进行选择性刻蚀,保留另一种相的图形结构作为抗蚀掩模。随着DSA光刻的精度需求提高到亚10 nm尺度,对BCP的刻蚀对比度提出了更高的要求,熊诗圣研究员着重介绍了在该尺度下常用的BCP刻蚀方式。

反应离子束刻蚀(RIE)是刻蚀无机-有机组合BCP的有效方法,具有极高的刻蚀对比度,但由于无机元素的引入会带来器件的污染和后续去除困难等问题,因此,运用RIE刻蚀有机-有机链段组合的BCP仍是一项艰巨的挑战。在顺序渗透合成技术(Sequential Infiltration Synthesis, SIS)中,要求BCP中的一种链段能够选择性进行原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)生长金属氧化物,另一块体作为反应限制物,刻蚀聚合物后得到抗刻蚀能力极强的金属氧化物掩模。利用SIS技术极大地提高了全有机组合高χ值的BCPs的可加工性。溶脱(Lift-off)工艺在BCP刻蚀中也得以应用,在完成选择性刻蚀后,通过金属沉积再进行lift-off得到互补图案,但相对于其他两种方法,lift-off需要引入更多的工序使得可靠性不如RIE和SIS,其更多应用在功能材料的纳米点或纳米线的制备上。

图4. SIS提高图案转移效果。(a)为在硅衬底上经过两次循环沉积后的指纹状结构SEM图,(b)为氧等离子刻蚀聚合物后的SEM图,(c)为其对应的截面图,(d)为硅衬底上通过SIS制备的光栅结构

4.DSA技术的应用

在数年前,比利时微电子研究中心(IMEC)就开发了12英寸晶圆尺寸的DSA工业生产线。在开发过程中IMEC发现控制DSA的缺陷是极具挑战性的,其中主要的缺陷在于相邻线条间的位错和桥接,经过系统的动力学研究,最终可以实现每平方厘米的缺陷数量在10个以下,使得DSA能够真正应用到批量生产中。

图5. 利用BCP-DSA技术制备Fin-FET中的Fin结构原理示意

DSA作为高分辨率高效率低成本的纳米图案化技术,在制备高密度Cross-bar阵列(用于神经形态计算)和集成电路后段连线工艺(Back End of Line, BEOL)方面具备极大潜力。到目前为止,基于BCPs的DSA技术已经应用到各种半导体器件的生产中,如鳍式场效应晶体管(Fin-FET)(如图5所示)、存储器件(如图6所示)、分立式图形化存储媒介以及光电子器件。总而言之,运用DSA技术得到各种复杂的结构,在器件制备、化学和生物等领域(溶剂过滤和药物传输)都将得到重要应用。

图6. BCPs-DSA技术制备的SiOx纳米点阵结构的NiO忆阻存储器件结构示意图。(a)忆阻器器件示意图。(b)制备的忆阻器阵列的光学显微镜图。(c)器件的截面图。

研究论文
基于拉曼和布里渊光谱的超短脉冲激光熔融石英改性冷却速率校准与测绘
Michael Bergler, Kristian Cvecek, Ferdinand Werr, Martin Brehl, Dominique de Ligny, Michael Schmidt
2020, 2(3). doi: 10.1088/2631-7990/ab9583
摘要:

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过去二十年,超短脉冲(USP)激光技术在玻璃零件表面及内部加工方面的重要性稳定提升,包括切割、烧蚀、焊接和改性等。认识光与物质相互作用过程中的物理过程是提升现有超短脉冲激光玻璃加工工艺和新应用拓展的关键。本文研究工作由Schmidt教授团队(先进超短脉冲激光工艺研究)和de Ligny教授团队(玻璃及其结构的研究和理论拓展)合作完成,旨在确定超短脉冲激光诱导改性过程中玻璃内部和周围的冷却速率和残余应力空间分布。该项研究中,利用激光与玻璃的相互作用致使玻璃网络结构变化与激光诱导改性同步发生,通过非弹性光散射技术(拉曼光谱和布里渊光谱)监测玻璃结构的变化,并通过对大块玻璃材料的校准实验将其与冷却速率和应力相关联。该方法(据作者所知)首次实现局部冷却速率及相应局部残余应力三维分布的高空间分辨率测量。

双低功率连续波激光抛光的影响因素研究
Wenxuan Zhang, Kiwan Wong, Miguel Morales, Carlos Molpeceres, Craig B Arnold
2020, 2(3). doi: 10.1088/2631-7990/ab94c6
摘要:

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1.文章导读

激光抛光常用于复杂几何体的表面平滑加工,是一种非接触式的抛光技术。传统激光抛光的激光光源为单点高功率高斯束,这种高功率激光在实现表面抛光时带来了材料蒸发和高成本等问题。而双低功率激光束经过空间偏移后耦合得到椭圆束斑,能够有效降低对单一激光功率的要求,同时在同等激光功率下,双低功率激光束的抛光效果比单高斯激光束提升20%以上,在低功率激光抛光加工领域具有极大的应用潜力。近期,美国普林斯顿大学机械与航空航天工程系Craig B. Arnold教授,在《极端制造》国际期刊(International Journal of Extreme Manufacturing)以《双低功率连续波激光抛光的影响因素》为题发表论文,详细介绍了双低功率连续波激光抛光技术的研究背景、实验参数和机理分析,同时对该技术的应用和未来发展方向进行了展望。

2.研究背景

目前激光抛光的一个主要挑战是抛光过程中激光能量密度的优化。在传统的的高斯束激光抛光中,激光功率、扫描速度和光斑直径都会影响能量密度进而影响抛光效果。小束斑高功率能产生高能量密度,但会带来局部高温、蒸发表面材料以及增大热熔区域温度梯度引起热毛细流动而影响抛光效果;而利用离焦以扩大束斑直径进而降低能量峰值又需要极高的激光功率(100 W以上)。针对这种现象,Craig B. Arnold教授创新提出双低功率连续波激光抛光技术以产生更长的熔池和更加平缓的温度梯度,在实现与单高斯束激光抛光效果的同时,又降低最低激光功率需求。在较低总功率条件下,该方法可以实现20%以上的抛光性能提升。

3.实验参数

利用两个Nd:YAG(1070 nm)高斯连续激光束作为激光光源。利用脉冲发生器控制两束激光的发射延迟以得到具有空间偏移的两束激光,在特定空间偏移范围内两者会形成椭圆束斑激光,实验设备构造如图1所示,两激光光斑截面如图2所示。用单高斯束激光作为对比实验组。功率密度和能量密度描述激光的能量分布,其中功率密度定性描述为激光功率与束斑面积之比,能量密度为激光功率与单位时间扫描的面积之比。其中,椭圆束斑用长轴a和短轴b描述,长轴a方向与扫描方向相同。在实验中主要围绕功率密度进行分析和讨论。最后,抛光效果采用粗糙度降低比例进行评估。

仿真采用COMSOL软件,在非等热流多物理场模型中对相变流体的传热和层流进行耦合以模拟激光抛光过程,并利用热毛细流动效应多物理场模块模拟表面张力随温度的变化。

图1 双连续激光抛光实验系统

图2 单高斯束圆形和双高斯束耦合椭圆激光光斑截面能量分布图

4.机理分析

通过不同的功率、束斑大小(单激光为直径,双激光为长轴尺寸)、功率密度与粗糙度降低比例的关系曲线对双低功率连续波激光抛光的机理进行分析。

粗糙度降低比例随激光功率的增加先增加至最高点后保持不变,对于单激光该阈值为18 W,对于双激光该阈值为22 W。这是由于在阈值前,激光功率的增大增加了平均功率密度,使得熔池面积增大;而当超过阈值后,功率密度超过材料的蒸发阈值,从而不会继续增强抛光效果。

在束斑尺寸方面,当束斑尺寸增大时,粗糙度降低比例呈现先增加后减少的趋势,该粗糙度降低比例最大值对应尺寸阈值随激光功率的增加而增大。对于单激光,这是由于束斑尺寸的增大使得熔池面积增大,通过流动重新分布的材料更多;而当功率不变时,束斑增大会使功率密度下降,当功率密度低于1 kW/mm2时不能熔化表面材料,导致抛光效果下降,因此,更高的激光功率会延迟尺寸增大导致的抛光效果降低。对于双激光,更大的长轴尺寸使得熔池更长,从而延长熔化时间让材料流动更为充分;但当长轴过长时,束斑会出现双热点,且有可能产生两个小的熔池,使得抛光效果下降。此外,在功率密度充足的情况下,更高的功率密度意味着束斑尺寸的减小,这限制了材料的流动分配进而使抛光效果下降。

对比单激光,双激光的优势在于在低激光功率(12 W)时,其粗糙度降低比例峰值(80%)明显高于单激光(65%)。增大了激光束斑的可用尺寸范围。而当激光功率超过15 W时,高功率使激光的能量密度分布优化影响大大降低,使得单双激光的抛光效果差异不大,甚至由于存在双热点问题,在22 W功率下,双激光抛光效果略逊于单激光。作者认为,在12 W时,双激光方式的粗糙度降低比例提高应归因于长的熔池。因此,作者对材料表面形貌特征进行快速傅里叶变换(FFT),发现在85 μm和40 μm空间波长处有两个明显的峰值。之后,作者追踪这两个特征空间波长抛光前后的峰值以对抛光效果进一步量化。结果证明在40 μm波长处,单双激光抛光前后峰值相似,但在85 μm波长处,双激光抛光有更大的峰值差,这证明双激光抛光有更长的熔池使得间距为85 μm的粗糙表面的材料得以熔化并重新分布。通过仿真软件得到的熔池长度结果与实验数据很好地吻合,再次证明了机理解释的合理性。

图3 被抛光线和高度剖面的共聚焦显微镜图像