前言
钛(tai)合金具(ju)有良好的生(sheng)物(wu)相(xiang)容性、耐(nai)腐(fu)蚀性(xing)和(he)力(li)学(xue)性(xing)能(neng)，广(guang)泛(fan)应(ying)用(yong)于(yu)生物医学(xue)领(ling)域，已(yi)成为(wei)义齿、骨(gu)内种(zhong)植体、人(ren)工关节、介(jie)入性(xing)心血(xue)管支架(jia)、手(shou)术器械(xie)等(deng)医用产品(pin)的首(shou)选(xuan)材(cai)料(liao)[1-3]。例如，植入式(shi)人体(ti)心(xin)室辅(fu)助装置(zhi)（Ventricular assist device）一般采用钛(tai)合金材制，它需(xu)要在(zai)保(bao)证良(liang)好生物相(xiang)容性(xing)的同时，控(kong)制其(qi)表(biao)面粗(cu)糙(cao)度以(yi)减少血(xue)细(xi)胞(bao)的(de)附着，防止血(xue)管(guan)堵塞[4-5]。此(ci)外，众多(duo)研究(jiu)表(biao)明(ming)对(dui)医用(yong)钛合(he)金(jin)植入(ru)物(wu)进行(xing)适当(dang)的(de)表面(mian)光整(zheng)处理，可以(yi)有(you)效(xiao)减少金属(shu)表面腐(fu)蚀和细菌粘附(fu)[6]。一(yi)项 24 h 的(de)钛(tai)合(he)金表面牙菌(jun)斑定植试验(yan)结果(guo)表(biao)明，良(liang)好(hao)的钛(tai)合(he)金(jin)表面粗糙度能显著降(jiang)低微生(sheng)物(wu)的附(fu)着(zhe)[7]。可(ke)见(jian)钛(tai)合金(jin)作为一(yi)种(zhong)常见的医(yi)用材料，在临床医(yi)学(xue)中(zhong)对其(qi)表面粗(cu)糙(cao)度有(you)很(hen)高(gao)的要(yao)求。因此(ci)，实(shi)现(xian)医(yi)用(yong)钛(tai)合金(jin)表(biao)面选(xuan)择性(xing)精(jing)密抛(pao)光具(ju)有(you)重要(yao)的意(yi)义(yi)。
激光(guang)抛光是(shi)一种新(xin)兴的(de)材(cai)料(liao)表(biao)面光整(zheng)技术，其通(tong)过(guo)激(ji)光与材料相(xiang)互作用(yong)产(chan)生的(de)热效应使(shi)工(gong)件表(biao)面(mian)熔(rong)化(hua)，在表(biao)面张(zhang)力和(he)重力的(de)多(duo)向(xiang)作用(yong)下，熔(rong)池内的熔融物在邻(lin)近区域重新分布(bu)，随后在快速凝固(gu)后使材(cai)料(liao)表(biao)面(mian)的峰-谷高度差减(jian)小(xiao)，从而获得对粗糙(cao)表(biao)面的抛光(guang)效(xiao)果[8-10]。激光抛光可解决超硬(ying)、超(chao)软(ruan)、脆性、不(bu)导(dao)电等特(te)殊(shu)材料(liao)的(de)抛光(guang)问题，而且(qie)利(li)用(yong)扫(sao)描振镜(jing)和多(duo)轴运动(dong)控制(zhi)平台可实现对(dui)复(fu)杂曲(qu)面和(he)特(te)定(ding)区域(yu)的(de)选(xuan)择(ze)性(xing)抛光(guang)。但是，激光(guang)抛(pao)光(guang)带(dai)来(lai)的热效应无法(fa)避(bi)免(mian)，导致(zhi)因(yin)温(wen)度(du)梯(ti)度(du)大(da)而(er)产生较(jiao)大的(de)热应力在(zai)材料(liao)表面(mian)产生变(bian)形、微(wei)裂(lie)纹(wen)等(deng)缺陷，影(ying)响抛(pao)光质(zhi)量[11-12]。此(ci)外(wai)，医(yi)用 TC4 钛合(he)金在(zai)高(gao)能(neng)激光辐(fu)照下(xia)，熔融状态的钛(tai)会和空气(qi)中(zhong)的氧气和(he)氮气发(fa)生反(fan)应(ying)，导致带(dai)来(lai)新的(de)表面(mian)杂(za)质(zhi)污染，不符(fu)合(he)医用要求。
化(hua)学(xue)抛(pao)光(guang)是(shi)一(yi)种(zhong)特(te)殊情况下的(de)化(hua)学腐(fu)蚀(shi)，它通过(guo)化学(xue)试剂对(dui)材料表(biao)面粗糙区域的选择(ze)性腐(fu)蚀(shi)溶(rong)解而(er)使(shi)材料表(biao)面逐渐(jian)达(da)到整平和(he)光亮(liang)[13]。化学(xue)抛光(guang)的(de)特(te)点(dian)是(shi)去除材(cai)料温(wen)和，没有显著(zhu)的热(re)效应，但(dan)通常需要预(yu)置(zhi)掩(yan)膜(mo)来实现材(cai)料表面的区域选择性(xing)抛光(guang)。
此外(wai)，由于钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)的(de)元(yuan)素分(fen)布(bu)不均(jun)匀(yun)，会引(yin)起局部(bu)电(dian)位(wei)高低不一(yi)，产生(sheng)局(ju)部(bu)阴阳(yang)极(ji)区(qu)，形(xing)成(cheng)局部(bu)导通的(de)微(wei)电(dian)池(chi)，使(shi)阳(yang)极发(fa)生局(ju)部溶解(jie)形成(cheng)腐(fu)蚀(shi)坑(keng)，难以实(shi)现医(yi)用(yong)钛合(he)金(jin)材料(liao)表面(mian)高精度的抛(pao)光[14]。激光(guang)-化学复合加(jia)工(gong)是一(yi)种新型(xing)的(de)复(fu)合(he)微(wei)细(xi)加工(gong)方(fang)法。通过激(ji)光(guang)刻蚀和(he)化(hua)学(xue)腐蚀的(de)结(jie)合，可(ke)以扬(yang)长(zhang)补(bu)短，实现(xian)微细(xi)结(jie)构(gou)的(de)高(gao)效高精(jing)度(du)的(de)加工。SON等[15]通(tong)过试验验证(zheng)了激(ji)光-化(hua)学(xue)复(fu)合蚀刻方法(fa)可以在钛金属(shu)表(biao)面(mian)无(wu)掩膜制(zhi)备高(gao)深(shen)径比(bi)微通(tong)道(dao)阵(zhen)列(lie)，并探(tan)讨(tao)了加工过程中气(qi)泡(pao)对(dui)加(jia)工(gong)质量和工艺(yi)稳定(ding)性(xing)的(de)影(ying)响。ZHANG 等(deng)[16]提出了(le)激(ji)光(guang)-化(hua)学复(fu)合(he)加(jia)工IN718 镍(nie)基高温合(he)金小孔(kong)的(de)新方法，研(yan)究(jiu)发现(xian)使用(yong)盐酸(suan)和(he)硝酸(suan)钠(na)混(hun)合溶(rong)液可(ke)以有效消除激光(guang)烧(shao)蚀加工(gong)小(xiao)孔所产生(sheng)的重(zhong)铸层和(he)热(re)影(ying)响(xiang)区。STEPHEN 等(deng)[17]通过对比实(shi)验(yan)研(yan)究了(le)激光加工(gong)和(he)激(ji)光(guang)-化(hua)学(xue)复(fu)合(he)加(jia)工镍钛合金边(bian)缘质(zhi)量(liang)的区别，研(yan)究发现(xian)与直接(jie)激光(guang)刻蚀相(xiang)比，激(ji)光(guang)-化(hua)学(xue)复合(he)刻(ke)蚀的镍钛(tai)合金边缘精度(du)更(geng)高(gao)，毛刺、残(can)渣碎(sui)片(pian)更少，获(huo)得的(de)侧(ce)壁(bi)平(ping)均表面(mian)粗糙(cao)度(du) Ra 为(wei) 0.3 μm，是直(zhi)接(jie)激光(guang)直接刻蚀的(de)十分(fen)之一。袁(yuan)根(gen)福(fu)等[18]开(kai)展了(le)激光-化(hua)学复合(he)刻(ke)蚀(shi)加(jia)工高(gao)速(su)钢盲(mang)孔表面质(zhi)量的(de)相关工艺(yi)研(yan)究(jiu)，结果表(biao)明激(ji)光(guang)加工参(can)数和化学(xue)腐蚀液成(cheng)分和溶(rong)度都对试样(yang)表(biao)面(mian)加(jia)工质量(liang)有(you)重要影响。
上述研(yan)究(jiu)表明(ming)，激(ji)光(guang)-化学复合(he)加工(gong)方法结(jie)合了激光刻(ke)蚀和化(hua)学(xue)腐(fu)蚀的(de)优势(shi)，是一种相对(dui)温(wen)和(he)的(de)材料去(qu)除方法，既避免(mian)了激(ji)光刻蚀热(re)效(xiao)应(ying)产生(sheng)残渣(zha)和(he)重熔(rong)层(ceng)，又无(wu)需(xu)要(yao)复(fu)杂(za)的(de)掩(yan)膜(mo)，能(neng)实(shi)现(xian)材(cai)料(liao)的选择(ze)性(xing)和(he)可(ke)控(kong)性去(qu)除。鉴于此，为(wei)克服医用(yong) TC4 钛(tai)合金单(dan)一抛光方(fang)式的缺陷，本文设计(ji)并搭建(jian)了(le)一(yi)套激(ji)光-化学(xue)复合抛光(guang)试验平台，通(tong)过(guo)开展激光(guang)-化(hua)学(xue)复合抛
光试验(yan)来(lai)探究(jiu)医用(yong) TC4 钛(tai)合(he)金(jin)激(ji)光(guang)-化学复合(he)抛(pao)光(guang)表(biao)面(mian)形貌(mao)演(yan)化(hua)规律，并(bing)进(jin)一(yi)步明(ming)确激光-化学复(fu)合抛(pao)光机理，为钛合(he)金(jin)或其(qi)他自(zi)钝化(hua)金(jin)属的(de)精密抛(pao)光提(ti)供(gong)参考(kao)。
1、 试(shi)验系(xi)统(tong)及(ji)条(tiao)件(jian)
1.1 试(shi)验系(xi)统(tong)
激(ji)光-化学(xue)复(fu)合抛(pao)光(guang)的(de)试验装置主(zhu)要(yao)包(bao)括(kuo)两(liang)部分：激(ji)光加(jia)工系(xi)统(tong)和化(hua)学(xue)液(ye)循(xun)环系统，如(ru)图(tu) 1 所(suo)示(shi)。
激光加工(gong)系统(tong)中(zhong)，激光器(qi)采用纳(na)秒脉冲(chong)光纤(xian)激(ji)光器(qi)（IPG 光子，型(xing)号：YLPN-1-100-200-R），输出波(bo)长(zhang)为(wei) 1 064 nm，脉(mai)冲(chong)宽(kuan)度(du)为 100 ns，脉冲(chong)重复(fu)频(pin)率为20～2 000 kHz 可调(diao)，输出(chu)模(mo)式(shi)为(wei) TEM00 高(gao)斯(si)光(guang)束。为避(bi)免因(yin)平(ping)台(tai)高(gao)速(su)运(yun)动而引(yin)起蚀刻液的(de)剧烈(lie)晃(huang)动(dong)，实验采(cai)用(yong)最大扫(sao)描(miao)速度为 2 m / s 的扫描振(zhen)镜（Scanlab, intelliScan III-14）来实(shi)现(xian)不(bu)同轨(gui)迹(ji)的(de)抛光。激光器(qi)发出的激光束经(jing)过光(guang)束(shu)整(zheng)形(xing)后(hou)进(jin)入(ru)扫(sao)描(miao)振镜的扫(sao)描(miao)头(tou)，经(jing)场镜(jing)（LINOS F-theta-Ronar）后聚(ju)焦到(dao)工(gong)件(jian)表(biao)面。通过(guo)旋(xuan)转 z 轴方(fang)向(xiang)的(de)手轮可(ke)以调(diao)节(jie)扫(sao)描(miao)头(tou)到试样表(biao)面(mian)的距离(li)。激(ji)光(guang)器和(he)主(zhu)要(yao)光(guang)学器件参(can)数如表 1 所(suo)示。
激(ji)光器(qi)输(shu)出的光(guang)束为(wei)高(gao)斯(si)光(guang)束(shu)，根(gen)据式(shi)（1）、（2）可(ke)以(yi)得(de)到激(ji)光(guang)加工系统(tong)聚焦(jiao)光束的(de)焦深(shen)与(yu)光斑(ban)直(zhi)径[19]：
式中(zhong)，Z 表示聚焦(jiao)光(guang)束焦深(shen)，d 为聚(ju)焦光束的(de)光(guang)斑(ban)直径，λ 表(biao)示(shi)激(ji)光波长(zhang)，M2 表(biao)示(shi)激光(guang)光(guang)束质量，f 表示(shi)聚(ju)焦(jiao)透(tou)镜(jing)焦距(ju)，ρ 为容差因子(zi)（这(zhe)里(li) ρ 取(qu) 1.05），D为(wei)聚焦(jiao)前的(de)激光(guang)束(shu)直径(jing)。代入(ru)相(xiang)关数(shu)据(ju)可(ke)以(yi)计算出(chu)激(ji)光加(jia)工(gong)系(xi)统(tong)聚焦(jiao)光(guang)束(shu)的(de)理(li)论(lun)焦深为 0.72 mm，光(guang)斑(ban)直径为(wei) 45.3 μm。
化(hua)学(xue)液循(xun)环(huan)系统(tong)中(zhong)，工件(jian)试样被固(gu)定在(zai)蚀刻槽(cao)中，注(zhu)入化学液至完全浸(jin)没过工件上(shang)表(biao)面(mian)，化学(xue)液(ye)通过耐(nai)腐(fu)蚀(shi)泵(beng)的运行进(jin)行(xing)循(xun)环。通过(guo)调(diao)整步(bu)进(jin)电机的转速(su)，可以控(kong)制蚀刻槽中(zhong)化学液(ye)的流(liu)速(su) / 流(liu)量(liang)。化学(xue)液(ye)的稳定循(xun)环流(liu)动(dong)对激(ji)光(guang)-化学(xue)复(fu)合加工(gong)系(xi)统(tong)至(zhi)关重(zhong)要(yao)，它(ta)一(yi)方(fang)面提供(gong)了(le)足(zu)够(gou)的(de)电(dian)解(jie)质和(he)快速的更(geng)新交换(huan)，另(ling)一方(fang)面(mian)能将(jiang)加工过程(cheng)中(zhong)产(chan)生(sheng)的气(qi)泡(pao)快(kuai)速带离(li)激(ji)光辐(fu)照(zhao)区域(yu)。
1.2 试验条件
试(shi)验(yan)采(cai)用(yong)医(yi)用(yong) TC4 钛(tai)合金作为(wei)抛(pao)光试样，样品(pin)尺寸(cun)为 30 mm×30 mm×1.5 mm，其物(wu)理性能(neng)参数(shu)如表(biao) 2 所示。钛(tai)合金(jin)初始(shi)表(biao)面(mian) SEM 图(tu)和(he)元素组(zu)成(cheng)如(ru)图 2 所示(shi)。钛合(he)金初始(shi)表(biao)面(mian)能谱分析结(jie)果表明(ming)，主(zhu)要(yao)成分(fen) Ti、V 和(he) Al 的平(ping)均含量分别(bie)为 89.25%、6.05%和(he) 3.97%。 钛合金(jin)表面(mian)合金(jin)元(yuan)素分布(bu)不均(jun)匀，不同(tong)区(qu)域元(yuan)素(su)含(han)量略(lve)有差异(yi)。
钛合金的(de)化学抛(pao)光所(suo)采(cai)用的化学(xue)介(jie)质(zhi)一(yi)般(ban)为(wei)氢(qing)氟(fu)酸(suan)与硝酸（HF-HNO3）的(de)混(hun)合液(ye)或含氟(fu)离子(zi)的(de)酸性溶(rong)液，但是氢(qing)氟(fu)酸(suan)是(shi)一种(zhong)剧毒性物(wu)质，极(ji)易挥(hui)发到(dao)空气(qi)中，对(dui)环(huan)境和人(ren)体(ti)产(chan)生巨大危害(hai)，而(er)且(qie)在(zai)高(gao)能(neng)激(ji)光(guang)辐照(zhao)下(xia)可能(neng)会(hui)产(chan)生(sheng)爆炸(zha)[20]。磷(lin)酸(suan)是一种(zhong)常见的(de)化学抛光腐蚀基(ji)液(ye)，室温(wen)下其(qi)与钛合(he)金(jin)不(bu)发(fa)生(sheng)反应。此外(wai)，稀磷酸(suan)属(shu)于氧(yang)化性(xing)弱酸，既能(neng)在激(ji)光(guang)辐照下与(yu)钛合金(jin)发(fa)生(sheng)化(hua)学反应(ying)，又(you)能迅速(su)形(xing)成氧化膜避免对基体(ti)造(zao)成(cheng)过(guo)度腐(fu)蚀(shi)。因此，本试(shi)验(yan)采(cai)用 21.25wt.%（3.68 mol / L）的(de)稀(xi)磷(lin)酸(suan)溶液(ye)作为(wei)激光(guang)-化(hua)学复(fu)合(he) 抛(pao) 光(guang) 的(de) 腐 蚀(shi) 液(ye) 。 采 用(yong) 激 光 共 聚(ju) 焦(jiao) 显 微 镜(jing)（OLYMPUS LEXT OLS-4100）进行钛(tai)合金表面(mian)形(xing)貌的(de)观(guan)察和(he)表(biao)面粗糙(cao)度的测量。
2、 激(ji)光-化学(xue)复合加(jia)工(gong)材料去(qu)除机(ji)理(li)分(fen)析(xi)
2.1 激光热(re)效应与(yu)力(li)效(xiao)应(ying)去(qu)除(chu)材料(liao)
激光与溶(rong)液中金属(shu)靶材的相(xiang)互作(zuo)用主要表(biao)现为热(re)效(xiao)应(ying)和力效应(ying)[21]。高斯激光束辐照(zhao)溶液中金(jin)属(shu)靶(ba)材的结(jie)构(gou)模型(xing)如图(tu) 3 所(suo)示。
当(dang)激光(guang)束(shu)穿过(guo)化学溶(rong)液薄(bao)层(ceng)并(bing)聚焦(jiao)到(dao)溶(rong)液(ye)与(yu)金(jin)属(shu)靶材的(de)交界(jie)面上(shang)时，激光(guang)能量会(hui)被(bei)金(jin)属(shu)靶材(cai)和(he)溶液吸(xi)收，造成交界(jie)面处金属靶材和溶(rong)液温度的(de)迅(xun)速升(sheng)高(gao)。在求(qiu)解(jie)高能脉冲(chong)激(ji)光(guang)辐(fu)照(zhao)下溶(rong)液-靶材界面的瞬(shun)态(tai)温(wen)度(du)分布时(shi)，可(ke)以作(zuo)以下假(jia)设(she)：①脉冲(chong)激光作(zuo)用时(shi)间(jian)非常短（ns 量(liang)级），辐(fu)照在靶材(cai)表面上热渗透深度很(hen)浅(qian)，因(yin)此(ci)激光光(guang)斑中(zhong)心(xin)处(chu)的热传导(dao)规律可(ke)按(an)一维(wei)傅里叶(ye)热(re)传导模(mo)型(xing)进行分析；②由于覆(fu)盖在(zai)靶材表(biao)面的溶液厚度(du)只(zhi)有1～3 mm，激光(guang)在溶(rong)液(ye)薄层(ceng)中传(chuan)输时(shi)的(de)能量损失可(ke)忽略不计；③激(ji)光传输过程中(zhong)方(fang)向(xiang)不发生(sheng)变(bian)化，聚焦(jiao)激(ji)光(guang)光斑形状不发生变化(hua)；④固-液交界面(mian)处，溶(rong)液和金属靶材的(de)温度(du)相同(tong)。因(yin)此脉冲激(ji)光辐(fu)照下金(jin)属(shu)靶(ba)材和(he)溶(rong)液(ye)温(wen)度(du)分(fen)布(bu)的一(yi)维(wei)傅(fu)立(li)叶(ye)热传(chuan)导方(fang)程分别为(wei)[22]：
式中，Im(r，t)、Il(r，t)分别为激(ji)光辐(fu)照在(zai)金(jin)属(shu)靶材(cai)和溶液(ye)上的(de)激光功(gong)率(lv)密度(du)， r 为轴对(dui)称(cheng)坐标系(xi)中距光斑中心的(de)径向(xiang)距(ju)离，t 为时(shi)间，am 、al 分别表(biao)示(shi)靶(ba)材和(he)溶(rong)液的热(re)扩(kuo)散率(lv)，Tm(z，t)、Tl(z，t)分别表(biao)示(shi)靶(ba)材和溶(rong)液(ye)分别(bie)在(zai)时(shi)刻(ke)t 、深度(du) z 处(chu)的温度。由(you)于(yu)激光能(neng)量空(kong)间分(fen)布(bu)为高(gao)斯分布，激光的(de)脉宽只(zhi)有 100 ns,且(qie)在时(shi)间(jian)上(shang)近(jin)似(shi)为矩形，因此(ci)其(qi)激光(guang)辐(fu)照(zhao)中(zhong)心的处(chu)温(wen)升(sheng)方(fang)程(cheng)可用式（5）、（6）来描述[23]：
式(shi)中，
αA 为(wei)靶材(cai)表面(mian)吸(xi)收率； Im 为靶材(cai)表面(mian)的(de)激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)密(mi)度；αm 表(biao)示靶材(cai)的(de)热扩(kuo)散(san)率；λm 表(biao)示靶(ba)材(cai)的热(re)导率(lv)；tp 表示激(ji)光(guang)脉(mai)冲(chong)宽(kuan)度。由式（5）、（6）可(ke)知靶(ba)材表(biao)面(mian)温(wen)度(du)随时间(jian)的变(bian)化规律。在(zai)脉(mai)冲(chong)宽(kuan)度(du)时(shi)间(jian)内(nei)，靶(ba)材在(zai)极短(duan)时间内(nei)吸(xi)收(shou)强烈(lie)的激(ji)光(guang)脉(mai)冲能(neng)量，并转化成热量，使(shi)得激(ji)光辐(fu)照区(qu)内靶(ba)材(cai)-溶(rong)液界面(mian)处温(wen)度急剧(ju)上(shang)升至(zhi)最高(gao)温(wen)度；脉(mai)冲时间(jian)过(guo)后，激光辐(fu)照(zhao)结(jie)束，温度(du)在(zai)较短的(de)时(shi)间(jian)内迅(xun)速(su)下(xia)降(jiang)，剧烈(lie)的升降温(wen)在纳(na)秒(miao)量级时间(jian)内(nei)完(wan)成。由(you)于(yu)短脉冲(chong)激(ji)光(guang)的(de)这种高(gao)能量(liang)密(mi)度、高温(wen)升的(de)特点(dian)(其(qi)热流密(mi)度高(gao)达(da)MW / m2 量级，温(wen)度变化率(lv)达 107 K / s 以上(shang))，以致(zhi)温(wen)度(du)迅(xun)速达到超(chao)高过(guo)热(re)，不(bu)仅(jin)会(hui)使(shi)材料(liao)瞬间发(fa)生熔(rong)化(hua)、汽(qi)化，也(ye)会导(dao)致局(ju)部(bu)出(chu)现(xian)爆(bao)发式(shi)的(de)沸(fei)腾现(xian)象，大(da)量气(qi)泡群(qun)的产生。这些气泡在(zai)溃灭后会(hui)产生强烈(lie)的冲击(ji)波，冲击波(bo)反作(zuo)用于(yu)金(jin)属靶(ba)材，使(shi)激光(guang)烧(shao)蚀(shi)熔融(rong)金(jin)属(shu)瞬间迸(beng)发(fa)，达到(dao)刻(ke)蚀材(cai)料(liao)的(de)目(mu)的。此(ci)外，当(dang)脉冲(chong)激光的(de)能(neng)量(liang)密度足够(gou)强(qiang)（超过 109 W / cm2）时，会使得金属(shu)靶(ba)材(cai) / 溶液界(jie)面(mian)发(fa)生光学(xue)击穿，在聚焦(jiao)区(qu)域(yu)内生(sheng)成(cheng)高(gao)温(wen)高(gao)压的(de)等(deng)离子体(ti)，并(bing)同时(shi)向外急剧膨胀扩张。由于(yu)受(shou)到(dao)周围(wei)溶液和(he)靶(ba)材(cai)基体的约(yue)束(shu)，会对金属靶(ba)材(cai)产生明(ming)显(xian)的(de)冲击效应，加(jia)大了激光(guang)刻蚀过(guo)程(cheng)中(zhong)产生的冲(chong)击(ji)力(li)，进(jin)一步(bu)增(zeng)强(qiang)了(le)激(ji)光(guang)脉冲(chong)对材(cai)料(liao)的(de)刻(ke)蚀(shi)作(zuo)用(yong)。
2.2 激光(guang)诱(you)导(dao)化(hua)学溶解去除(chu)材料(liao)
钛(tai)及钛合(he)金(jin)在空(kong)气中(zhong)会(hui)与氧(yang)气反(fan)应生(sheng)成(cheng)一(yi)层致密(mi)的(de)钝化膜(mo)（厚(hou)度为 3～10 nm），室温(wen)下(xia)几(ji)乎(hu)不与(yu)稀(xi)盐酸、稀硫酸、稀磷(lin)酸(suan)等(deng)发生化(hua)学(xue)反应(ying)。利(li)用激(ji)光(guang)与靶(ba)材(cai)相互作用的热效应与力(li)效(xiao)应能(neng)去除靶(ba)材表(biao)面钝(dun)化层(ceng)，即(ji)当(dang)激(ji)光(guang)聚焦(jiao)后(hou)透过溶(rong)液(ye)照射(she)在靶(ba)材(cai)表(biao)面(mian)时，在(zai)激(ji)光辐照区(qu)域(yu)，金属(shu)表(biao)面(mian)的(de)钝(dun)化膜在(zai)物(wu)理(li)和化学作用下(xia)被剥离或溶(rong)解(jie)，暴露(lu)出的(de)基体材料和(he)化(hua)学液(ye)发生化学(xue)反(fan)应(ying)，生(sheng)成金属离(li)子溶解(jie)到溶液(ye)中，或生成沉(chen)淀产物被水(shui)流(liu)带(dai)走，使得(de)化(hua)学(xue)溶(rong)解(jie)持续发生(sheng)下去(qu)。而(er)靶(ba)材表面(mian)其(qi)他(ta)未(wei)被(bei)激光(guang)辐(fu)照的(de)区(qu)域有钝化(hua)膜(mo)的保护(hu)，则(ze)不(bu)会(hui)发(fa)生(sheng)化(hua)学(xue)反(fan)应(ying)。这(zhe)样(yang)，激光(guang)辐照(zhao)区域(yu)与(yu)非辐照区刻蚀(shi)速率(lv)明(ming)显(xian)不(bu)同(tong)，从而可(ke)以实现对自(zi)钝化(hua)金(jin)属靶(ba)材的(de)选择(ze)性刻(ke)蚀。
2.3 耦(ou)合(he)效(xiao)应去(qu)除材(cai)料(liao)
激(ji)光(guang)热-力(li)效(xiao)应与(yu)化学腐蚀去除材(cai)料(liao)之间也会产(chan)生(sheng)耦合作用(yong)，彼此相互(hu)促进，共(gong)同(tong)提(ti)高材料去(qu)除效(xiao)率。首(shou)先，激光(guang)热-力效(xiao)应去(qu)除材(cai)料难免会产生(sheng)很(hen)多(duo)细小的残渣颗粒(li)、凝(ning)固的(de)熔融物(wu)等，而化学(xue)腐蚀作(zuo)用能大(da)量(liang)溶解加(jia)工(gong)区(qu)域的(de)微(wei)小颗(ke)粒残渣或(huo)熔(rong)融物(wu)质(zhi)，避(bi)免了因这些物质对(dui)激光吸收(shou)和(he)反射，从而(er)减(jian)少激光能(neng)量损失，提高材(cai)料(liao)去除效(xiao)率。其(qi)次(ci)，激(ji)光(guang)热(re)效(xiao)应(ying)和力(li)效(xiao)应(ying)也会(hui)对(dui)材(cai)料(liao)化(hua)学(xue)溶(rong)解(jie)产(chan)生促(cu)进作用(yong)。高能激(ji)光(guang)辐(fu)照(zhao)在溶液(ye)中金(jin)属靶(ba)材表(biao)面，造成热(re)量(liang)的(de)不(bu)断累积(ji)，使激光(guang)辐(fu)照(zhao)区(qu)域溶(rong)液的(de)温度(du)急剧(ju)升(sheng)高，化学(xue)液温度的升高(gao)会(hui)使得(de)溶(rong)液(ye)的(de)粘(zhan)度下(xia)降(jiang)、离子(zi)的(de)迁移运动速率增(zeng)大(da)，从而使得化(hua)学(xue)反应速(su)率加(jia)快(kuai)。化学(xue)反(fan)应速(su)率常数(shu)与温度(du)间(jian)的关系(xi)可(ke)以由阿(a)伦(lun)尼乌斯公(gong)式(shi)（Arrhenius equation）表示(shi)[21]：
式中(zhong)，K 为化学反应(ying)速(su)率(lv)常(chang)数，Ea 为反应活化能，R 为摩尔气(qi)体常(chang)数(shu)，T 为(wei)热力(li)学温(wen)度，A 为(wei)频率(lv)因子(zi)。根(gen)据(ju)式(shi)（7）可以(yi)得(de)出，温度升(sheng)高，反应(ying)速率常数(shu)增大(da)，化学(xue)反应速(su)率(lv)加(jia)快。同时，激(ji)光(guang)辐(fu)照(zhao)固(gu)-液交(jiao)界面附近的化(hua)学液(ye)温(wen)度(du)瞬(shun)时升(sheng)高(gao)，导(dao)致微(wei)小区域溶(rong)液(ye)爆(bao)发(fa)性沸腾，产(chan)生较强(qiang)的(de)微对流，加(jia)快溶(rong)液传(chuan)质(zhi)速(su)率，使激光(guang)辐照区域的化(hua)学(xue)溶解速(su)率进(jin)一步加快(kuai)。因此，耦合作用有(you)利于(yu)提(ti)高(gao)复(fu)合(he)加工效率，改善工(gong)件的加(jia)工(gong)质量。
3、 试验结果(guo)与分(fen)析(xi)
3.1 TC4 钛(tai)合金激光-化学(xue)复(fu)合抛光(guang)表面(mian)形(xing)貌(mao)演(yan)化
研究(jiu)TC4钛合金(jin)表(biao)面形貌演(yan)化过(guo)程有助于(yu)进(jin)一(yi)步(bu)明(ming)确(que)激(ji)光(guang)-化(hua)学(xue)复合(he)加(jia)工(gong)材(cai)料去除(chu)机理。根(gen)据 TC4钛合金的初(chu)始(shi)表(biao)面粗(cu)糙(cao)度、单次加工(gong)刻(ke)蚀(shi)深(shen)度(du)、刻蚀加(jia)工质量，包(bao)括微沟槽(cao)内的残渣(zha)情况(kuang)以(yi)及微沟槽(cao)的(de)整体(ti)形貌(mao)，选择最佳(jia)刻蚀参(can)数(shu)。为(wei)兼(jian)顾抛光效(xiao)率和(he)抛(pao)光精度，整个(ge)抛光过程分为(wei)粗抛(pao)光(guang)（No.1-2）、半(ban)精抛(pao)光（No.3-6）和精(jing)抛光(guang)（No.7-15），具体抛(pao)光参(can)数(shu)如(ru)表(biao) 3。
图 4 显示了(le)不同加工阶(jie)段(duan)过程(cheng)中的(de)钛合(he)金表(biao)面(mian)形(xing)貌和(he)截面轮(lun)廓。TC4 钛(tai)合(he)金初始表面(mian)有一(yi)层(ceng)热成(cheng)型过程中(zhong)产(chan)生(sheng)的氧化皮，显(xian)微镜下(xia)主要(yao)呈(cheng)乌(wu)黑(hei)色，表面(mian)凹(ao)凸(tu)不(bu)平明显，如图 4a 所示。图(tu) 4b 为(wei)粗加(jia)工(gong)阶段(duan)的(de)典型(xing)表面形(xing)貌(mao)，经过(guo)两(liang)次激(ji)光扫(sao)描(miao)后，黑(hei)色氧(yang)化皮层(ceng)被完(wan)全(quan)去(qu)除(chu)，表面(mian)突(tu)起已(yi)经(jing)明显(xian)减(jian)少(shao)，但表面(mian)依(yi)然(ran)存(cun)在(zai)众(zhong)多(duo)凹坑(keng)，截(jie)面(mian)轮(lun)廓(kuo)显(xian)示其(qi)表(biao)面(mian)粗(cu)糙度已得(de)到明显改善(shan)。TC4 钛合金(jin)激光-化学复(fu)合抛光粗(cu)加工阶段(duan)，为了提(ti)高抛光(guang)效率(lv)，此时激光(guang)能量(liang)较(jiao)大，工(gong)件(jian)表(biao)面的(de)氧化皮及表面污(wu)垢主(zhu)要(yao)是(shi)通(tong)过激光的热-力效应去除(chu)，剥(bo)离(li)下(xia)来的(de)氧化皮(pi)、残(can)渣(zha)被循(xun)环(huan)化学(xue)液溶(rong)解(jie)、带(dai)离(li)。图 4c 为(wei)半(ban)精(jing)加(jia)工(gong)阶段(duan)的(de)典型(xing)表(biao)面(mian)形(xing)貌，表面凹(ao)坑已(yi)明显(xian)减(jian)少(shao)，但(dan)表面有部分激光烧蚀后(hou)的(de)熔(rong)融物残留，由截(jie)面(mian)轮廓可(ke)知其(qi)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)得(de)到(dao)进一步(bu)改(gai)善(shan)。半精加工阶段，激光(guang)刻蚀(shi)和(he)化学(xue)腐蚀共(gong)同作(zuo)用(yong)去(qu)除(chu)材料(liao)，但此(ci)时(shi)化(hua)学(xue)溶解并(bing)不能及(ji)时(shi)完(wan)全(quan)去(qu)除(chu)激光烧蚀产生的熔融(rong)物，因(yin)此其(qi)表(biao)面残存(cun)着少(shao)量(liang)微(wei)小(xiao)的颗(ke)粒(li)、附(fu)着(zhe)的重熔物、凝(ning)结的熔(rong)渣等。图(tu) 4d 为进一步降(jiang)低(di)激(ji)光(guang)能(neng)量密(mi)度(du)并(bing)提(ti)高扫描速度后的精(jing)加工阶(jie)段(duan)典型(xing)表(biao)面(mian)形(xing)貌，此时(shi)钛合金表面(mian)主要(yao)呈(cheng)灰白(bai)色(se)，熔融物(wu)基本去(qu)除(chu)，表(biao)面更加平(ping)坦光滑，截面轮廓(kuo)显示此(ci)时粗糙度已得(de)到显(xian)著降(jiang)低。精(jing)加工(gong)阶(jie)段需要进(jin)一(yi)步(bu)降低激(ji)光(guang)能(neng)量密度(du)，减少(shao)激光热(re)效应，此(ci)时材(cai)料去(qu)除以化学(xue)溶(rong)解为主(zhu)，化(hua)学(xue)液不仅与工件材料发(fa)生(sheng)化学反(fan)应，达(da)到(dao)蚀除材(cai)料的(de)目(mu)的(de)，也(ye)与激(ji)光(guang)刻蚀(shi)产(chan)生的(de)熔渣(zha)、细(xi)小的颗粒等发(fa)生(sheng)化(hua)学反(fan)应，将其(qi)溶(rong)解，消(xiao)除(chu)工件(jian)表(biao)面(mian)残(can)存(cun)的的熔(rong)渣或(huo)附着(zhe)在(zai)工(gong)件表面的熔融物，获得(de)平整、光滑(hua)和(he)光(guang)泽(ze)化的(de)表(biao)面(mian)。
根(gen)据 ISO 25178 标(biao)准，在(zai)激光共(gong)聚(ju)焦(jiao)显微(wei)镜软件中使(shi)用相(xiang)位校(xiao)正(zheng)高斯(si)滤波(bo)器对测(ce)得(de)数据(ju)进(jin)行分(fen)析(xi)和(he)处理(li)，测(ce)定不同(tong)加工(gong)阶(jie)段的表面(mian)粗(cu)糙度(du) Ra 和(he) Sa。
图(tu) 5 为(wei) TC4 钛合金(jin)激(ji)光(guang)-化学复(fu)合(he)抛(pao)光不(bu)同激(ji)光(guang)扫(sao)描(miao)次数(shu)对(dui)应(ying)的(de)表面粗糙(cao)度(du)值。图(tu)中可(ke)以看(kan)出(chu)，粗加(jia)工（第 1、2 次(ci)扫描(miao)）阶(jie)段(duan)表(biao)面(mian)粗糙度 Ra 和 Sa 均(jun)快速下(xia)降（Ra: 5.230→2.651 μm, Sa: 8.630→3.761μm）；半(ban)精(jing)加(jia)工阶(jie)段（第(di) 3～6 次扫描(miao)）粗(cu)糙(cao)度(du)下(xia)降速(su)度(du)趋缓(huan)，加工(gong)结(jie)束后(hou)的(de)表面粗糙(cao)度(du) Ra 为 1.108μm，Sa 为(wei) 1.662 μm；精加(jia)工(gong)阶(jie)段（第(di) 7～15 次扫描(miao)）粗(cu)糙(cao)度(du)下(xia)降速度(du)进一步趋缓(huan)，其中(zhong)第 12～15次(ci)扫(sao)描粗糙度(du)已(yi)经(jing)几乎无变化(hua)，说(shuo)明(ming)此(ci)时已达到(dao)钛合金表(biao)面抛(pao)光饱和状态。TC4 钛(tai)合金(jin)激光(guang)-化学复合抛光(guang)最(zui)终的抛光(guang)粗(cu)糙(cao)度 Ra 为 0.225 μm，Sa 为0.571 μm，较(jiao)初始表面(mian)粗糙(cao)度(du)分别下降 95.7%和(he)93.4%。
化学(xue)抛光机理(li)是(shi)基(ji)于(yu)原子(zi)尺(chi)度(du)的材(cai)料(liao)溶解(jie)，因(yin)此(ci)它(ta)比激光热(re)-力(li)效应(ying)刻(ke)蚀具有更(geng)高(gao)的(de)抛光精度。激光热-力效应去除与(yu)化学溶解去除材料的比(bi)值(zhi)决(jue)定了钛(tai)合(he)金(jin)表面的最(zui)终粗糙度极限(xian)，化学溶解比(bi)例(li)越(yue)高(gao)，最终(zhong)表面光洁(jie)度越好(hao)，但抛光(guang)效率越低(di)。因此(ci)，在最后的(de)精抛(pao)光阶段，可(ke)以适(shi)当降低(di)激(ji)光辐照在(zai)工(gong)件表面的(de)能(neng)量(liang)，以(yi)减少激光(guang)蚀刻的(de)比例，提高最(zui)终
的(de)抛(pao)光效果(guo)。此(ci)外(wai)，TC4 钛合(he)金表面合(he)金(jin)元素(su)分(fen)布不(bu)均衡(heng)，也会影响最终(zhong)的表面光洁(jie)度(du)。这是(shi)因(yin)为(wei) TC4钛(tai)合金中 Al 和(he) Fe 较 V 和 Ti 在酸(suan)性(xing)环境(jing)下的化学(xue)活性(xing)更(geng)好(hao)，化(hua)学腐(fu)蚀(shi)加工(gong)过程中(zhong)存在微观(guan)原(yuan)电(dian)池现象(xiang)，会(hui)导(dao)致(zhi)阳极(ji)优先溶解。因此，由(you)化(hua)学(xue)抛光机理(li)可(ke)知最(zui)终(zhong)的(de)抛(pao)光极限(xian)还与材(cai)料的纯度(du)和(he)微观组(zu)织(zhi)结构(gou)有(you)关(guan)，材料(liao)成分(fen)越纯，微(wei)观(guan)组织(zhi)结构越(yue)小，最终抛光(guang)效果会(hui)越好。
3.2 TC4 钛合金激(ji)光(guang)-化(hua)学选(xuan)择性(xing)抛(pao)光(guang)及(ji)机理(li)分析(xi)
图 6 为(wei) TC4 钛(tai)合金(jin)激(ji)光(guang)-化(hua)学(xue)选择(ze)性抛光后的表(biao)面形貌和(he)线轮廓(kuo)对比(bi)图。图 6 左侧为 220 目(mu)砂(sha)纸(zhi)打磨(mo)后(hou)的(de)钛合(he)金初(chu)始表面，右侧(ce)为激(ji)光(guang)-化学复合抛(pao)光(guang)后的表(biao)面(mian)形貌(mao)。
如图(tu) 6 所示(shi)，左(zuo)侧(ce)粗(cu)抛光后(hou)的(de)区(qu)域(yu)去(qu)除了图 4a 中的表(biao)层(ceng)氧化(hua)皮，显(xian)微(wei)镜下(xia)呈(cheng)暗(an)黑(hei)色，表面有(you)明(ming)显砂(sha)纸(zhi)打磨过(guo)的划痕，右侧(ce)经(jing)激(ji)光(guang)-化学(xue)复(fu)合精(jing)抛(pao)光后(hou)的区(qu)域(yu)表(biao)面(mian)平(ping)坦光亮。线(xian)轮廓(kuo)图(tu)显示，抛光后的(de)表面(mian)明显比初始表面平(ping)坦光(guang)滑(hua)，且两者分(fen)界线明(ming)显(xian)。经表(biao)面粗糙(cao)度(du)测(ce)量(liang)显(xian)示(shi)，TC4 钛合金(jin)激(ji)光(guang)-化学(xue)复合(he)抛(pao)光(guang)后表面粗糙(cao)度 Ra 从最(zui)初(chu)的1.681 μm 显(xian)著(zhu)降低到 0.256 μm。激光(guang)-化学复合抛(pao)光(guang)材(cai)料的(de)选(xuan)择(ze)性去(qu)除是基于(yu)激(ji)光蚀(shi)刻和激(ji)光(guang)活(huo)化(hua)的热化学(xue)溶解(jie)。在激光-化学复合(he)抛光过程(cheng)中，激(ji)光辐(fu)照(zhao)作(zuo)为一种局(ju)部的和(he)选(xuan)择性的热源(yuan)，可(ke)以(yi)诱(you)导(dao)产生(sheng)适当(dang)的热(re)冲(chong)击(ji)，激(ji)活(huo)化(hua)学液与金(jin)属(shu)表面(mian)的(de)非均(jun)匀化(hua)学反(fan)应，从而产(chan)生(sheng)温(wen)度诱导(dao)的(de)化学(xue)腐蚀(shi)。利(li)用激光的热(re)化学(xue)效(xiao)应对金(jin)属(shu)材料进(jin)行(xing)刻(ke)蚀(shi)，即在(zai)激光(guang)辐照(zhao)区域，金属(shu)表(biao)面(mian)的钝(dun)化膜在(zai)物(wu)理和化(hua)学双重作(zuo)用下被(bei)剥(bo)离(li)和溶解(jie)，使暴(bao)露(lu)的(de)金(jin)属基体(ti)与(yu)化(hua)学液直接接(jie)触(chu)，金(jin)属溶(rong)解(jie)产(chan)生(sheng)可溶性金属盐化合物和(he)氢气，其(qi)化学反(fan)应(ying)方(fang)程(cheng)式如(ru)式(shi)（8）所(suo)示：
同(tong)时，当(dang)激光(guang)照射(she)在(zai)溶(rong)液(ye)中金属表面(mian)时(shi)，使激(ji)光作(zuo)用附(fu)近(jin)区(qu)域的(de)腐(fu)蚀液温(wen)度升(sheng)高(gao) ，使激光焦(jiao)点处腐(fu)蚀(shi)液(ye)形成(cheng)温(wen)度(du)梯(ti)度(du)，产(chan)生(sheng)强烈的微电(dian)流(liu)，从而(er)把(ba)光(guang)照(zhao)区。激(ji)光的(de)热-力(li)效应主(zhu)要(yao)去(qu)除(chu)激光(guang)聚焦部位的(de)材料(liao)及(ji)钝化膜，而其余部位的工(gong)件材(cai)料(liao)受(shou)到(dao)钝(dun)化(hua)膜(mo)的保(bao)护几乎(hu)不(bu)发生(sheng)溶(rong)解腐(fu)蚀(shi)。在激光刻(ke)蚀和化(hua)学溶(rong)解(jie)的(de)不断(duan)作(zuo)用(yong)下(xia)，辐照区和(he)非(fei)辐照(zhao)区(qu)刻蚀(shi)速(su)率(lv)明(ming)显(xian)不(bu)同，从(cong)而可以(yi)实(shi)现对金属材(cai)料(liao)的(de)选(xuan)择(ze)性刻蚀。图 7 为 TC4 钛(tai)合金激(ji)光(guang)-化(hua)学(xue)复合(he)抛光(guang)机理。
如图(tu)所示(shi)，在(zai)激(ji)光辐照(zhao)下，工(gong)件表(biao)面的凸(tu)起(qi)“山(shan)峰”比(bi)凹坑(keng)“山(shan)谷(gu)”能吸(xi)收更多(duo)的(de)激光能量。此(ci)外，“山谷”区域的(de)吸(xi)收激光(guang)能量(liang)产(chan)生的热量可(ke)以(yi)朝四面(mian)八方(fang)散(san)热，而(er)“山(shan)峰(feng)”区域(yu)产生(sheng)的(de)热量(liang)只(zhi)能朝下(xia)方散热(re)，散热(re)效(xiao)率(lv)明显低(di)于(yu)“山谷(gu)”，因(yin)此(ci)“山(shan)峰”区域(yu)较“山谷”热(re)累积更大(da)，温(wen)度(du)会(hui)更(geng)高(gao)。根据阿伦(lun)尼(ni)乌(wu)斯(si)公式，温(wen)度(du)越(yue)高，分(fen)子(zi)活(huo)性(xing)和(he)化(hua)学反(fan)应(ying)速(su)率(lv)越(yue)快，故(gu)“山(shan)峰”区域较(jiao)“山谷”区域(yu)化(hua)学腐(fu)蚀(shi)速(su)度(du)更(geng)快(kuai)。
此外(wai)，在(zai)激光-化学复(fu)合(he)抛光(guang)过(guo)程中，工件(jian)表面(mian)始终(zhong)与磷(lin)酸溶(rong)液(ye)直接接触(chu)。在(zai)激光(guang)辐(fu)照(zhao)下，工件表(biao)面的(de)激(ji)光辐照区(qu)温(wen)度(du)迅(xun)速(su)升(sheng)高。由于(yu)热传导的(de)作用，金(jin)属(shu)内部形成了温(wen)度梯(ti)度(du)，会(hui)导(dao)致金(jin)属(shu)内(nei)部自由(you)电子(zi)从高温(wen)区(qu)向低温区(qu)迁(qian)移(yi)，由此产(chan)生(sheng)了(le)自(zi)由(you)电(dian)子的浓度梯(ti)度，最(zui)终(zhong)形成热(re)电(dian)动(dong)势。尽(jin)管产生(sheng)的热(re)电(dian)动势很低(100 K 的(de)温差(cha)产(chan)生(sheng)约(yue) 0.1 V)，但(dan)由(you)于(yu)电池(chi)尺(chi)
寸(cun)较(jiao)小(xiao)，因(yin)此(ci)电场强(qiang)度(du)非(fei)常高(gao)[24]。一(yi)般(ban)情况(kuang)下(xia)，温(wen)度较(jiao)高区域(yu)的电(dian)势为正，为(wei)电(dian)化(hua)学(xue)腐蚀的(de)阳极(ji)，优(you)先发生(sheng)腐蚀(shi)。低(di)温区域的(de)电势(shi)为(wei)负，为(wei)电(dian)化(hua)学腐蚀(shi)的(de)阴(yin)极(ji)，受到保护。热电动势的存在会导致电(dian)化(hua)学(xue)腐蚀(shi)，极(ji)大(da)地提高(gao)了钛(tai)合(he)金(jin)表(biao)面(mian)凸(tu)起“山峰(feng)”和(he)凹(ao)坑“山(shan)谷”的(de)溶(rong)解(jie)速(su)率(lv)差。工(gong)件(jian)表面(mian)激光辐(fu)照区(qu)域(yu)粗糙度的(de)降低(di)就(jiu)是通过(guo)材(cai)料峰(feng)-谷之间的溶(rong)解速(su)率(lv)
差(cha)异(yi)来(lai)实现的(de)。
3.3 气(qi)泡(pao)扰动分(fen)析
激(ji)光(guang)-化(hua)学复合抛光过(guo)程(cheng)中(zhong)产(chan)生(sheng)的气泡会对(dui)抛(pao)光(guang)质(zhi)量(liang)产生(sheng)重大的影响，抛(pao)光过(guo)程(cheng)中应尽(jin)量避(bi)免或(huo)减少(shao)气(qi)泡(pao)产(chan)生。气泡(pao)容(rong)易附着(zhe)在(zai)工件表(biao)面隔绝(jue)了化(hua)学液(ye)与工件表面的接(jie)触，同(tong)时(shi)附着(zhe)在材料表面(mian)的(de)气(qi)泡会(hui)产生(sheng)类(lei)似(shi)微反射镜的(de)作用，改变(bian)光的传播方(fang)向(xiang)和(he)分(fen)布，最(zui)终会导致(zhi)刻(ke)蚀速(su)率下(xia)降(jiang)和抛(pao)光不均匀。
图 8 为(wei)附着在 TC4 钛(tai)合(he)金(jin)表面(mian)的(de)气(qi)泡(pao)对激(ji)光-化学(xue)复合(he)抛光(guang)表面(mian)形(xing)貌(mao)的影响 3D 图(tu)。图(tu)中(zhong)可见工件(jian)表(biao)面气(qi)泡(pao)附(fu)着(zhe)区域(yu)形(xing)成(cheng)明(ming)显突(tu)起(qi)，表(biao)面的(de)熔(rong)融(rong)物无法被化(hua)学(xue)溶(rong)解(jie)去除。
经分析，气(qi)泡的(de)形成(cheng)或产(chan)生的原因(yin)主(zhu)要(yao)有以下(xia)三(san)种(zhong)：① 激光辐(fu)照使(shi)化学液(ye)升(sheng)温(wen)从(cong)而导致(zhi)溶解(jie)的(de)空气溢(yi)出；② 过高温(wen)度(du)使(shi)溶液(ye)沸腾产(chan)生气(qi)泡(pao)；③ 金属(shu)靶(ba)材(cai)与化(hua)学(xue)液发生(sheng)化学反应(ying)产(chan)生氢(qing)气(qi)。因(yin)此(ci)，为(wei)了(le)减(jian)少(shao)加工(gong)过(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)气泡(pao)扰(rao)动(dong)影响(xiang)，可(ke)以适当降低激光(guang)功(gong)率(lv)，避(bi)免(mian)溶(rong)液(ye)温度过高(gao)；适当(dang)加快化学(xue)液循(xun)环(huan)流(liu)速(su)将产生的(de)气泡尽快(kuai)带走(zou)，避免(mian)对后(hou)续(xu)加(jia)工(gong)产(chan)生(sheng)影(ying)响(xiang)；合(he)理(li)规划激(ji)光(guang)扫描路径(jing)，使(shi)之(zhi)与化学(xue)液(ye)流动(dong)方(fang)向(xiang)相(xiang)反(fan)。实验(yan)证明(ming)，采取上述(shu)综(zong)合(he)措(cuo)施后，可(ke)以(yi)有效避(bi)免或减少气(qi)泡对激光-化学复合抛光(guang)结(jie)果(guo)的影响。
4、 结(jie)论(lun)
（1）激光-化(hua)学复合(he)加(jia)工材(cai)料去除是激光(guang)热-力(li)效(xiao)应与(yu)化(hua)学(xue)溶解腐蚀共(gong)同(tong)作(zuo)用的结(jie)果(guo)，而且(qie)两(liang)者具(ju)有(you)协(xie)同效(xiao)应(ying)，在(zai)一(yi)定条(tiao)件(jian)下(xia)能相互促(cu)进(jin)，共同(tong)提升(sheng)材(cai)料去除(chu)效(xiao)率和(he)加工(gong)质(zhi)量(liang)。
（2）激(ji)光辐(fu)照(zhao)会造成(cheng)材料表(biao)面(mian)“峰(feng)-谷(gu)”区域(yu)温(wen)度差(cha)异(yi)，进而(er)导(dao)致(zhi)化学溶(rong)解速(su)率(lv)不同(tong)。工(gong)件表(biao)面激光辐(fu)照(zhao)区(qu)域(yu)粗糙度的降低就(jiu)是通过工(gong)件(jian)表(biao)面(mian)“峰(feng)-谷(gu)”之间(jian)的溶(rong)解(jie)速率(lv)差(cha)异(yi)来(lai)实(shi)现的。
（3）气(qi)泡扰动(dong)对激光化(hua)学复(fu)合抛光(guang)结果有明显(xian)的影(ying)响，通过采(cai)取适(shi)当(dang)措施(shi)可(ke)以有效(xiao)减(jian)少气泡扰(rao)动(dong)的影响(xiang)。
（4）激光(guang)-化学复合抛光在自(zi)钝化金属选(xuan)择(ze)性精密(mi)抛光上有很好(hao)的应用前(qian)景(jing)，但(dan)化学液的(de)配方(fang)、浓(nong)度(du)、流(liu)速及(ji)如(ru)何(he)进一(yi)步提高(gao)抛(pao)光(guang)质(zhi)量和(he)效(xiao)率(lv)还须进(jin)一步研(yan)究。
参(can) 考 文 献
[1] ORKUN O E, AYSE E, SELIN O, et al. An investigation of the effect of surface characterization on Saos-2 cell proliferation after coating of titanium alloy surfaces by a selective laser melting process[J]. Surface and Coatings Technology, 2021, 422:127540.
[2] 虞宙，张(zhang)文(wen)杰(jie)，胡(hu)俊. 皮(pi)秒激(ji)光(guang)对医(yi)用(yong)钛(tai)合(he)金植入(ru)物(wu)表(biao)面微加(jia)工及生物(wu)相(xiang)容性的(de)研(yan)究(jiu)[J]. 中(zhong)国激(ji)光，2017，44(1)：129-134.
YU Zhou, ZHANG Wenjie, HU Jun. Study on surface micromachining and biocompatibility of medical titanium alloy implants by picosecond laser[J]. Chinese Journal of laser, 2017, 44(1): 129-134. (in Chinese)
[3] ZHOU Y, SHI Y, ZHANG W J, et al. Picosecond laser texturing on titanium alloy for biomedical implants in cell proliferation and vascularization[J]. Journal of Biomedical Materials Research. Part B: Applied Biomaterials, 2020,108(4):1494-1504.
[4] OZDEMIR Z, OZDEMIR A, BASIM G B. Application of chemical mechanical polishing process on titanium based implants[J]. Materials Science & Engineering: C, 2016, 68:383-396.
[5] 毕永(yong)琛. TC4 钛合(he)金离(li)子(zi)抛光(guang)工(gong)艺(yi)及(ji)机(ji)理(li)研(yan)究(jiu)[D]. 哈尔滨(bin)：哈(ha)尔滨(bin)工业大(da)学(xue)，2018.
BI Yongchen. Study on ion polishing technology and mechanism of TC4 titanium alloy[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2018. (in Chinese)
[6] 李倩(qian)，武(wu)峰(feng)，李(li)金(jin)陆(lu)，等. 金(jin)合金(jin)和钛合(he)金(jin)表(biao)面(mian)粗糙度(du)与(yu)细菌(jun)黏附(fu)的(de)比(bi)较[J]. 中(zhong)国(guo)医药导(dao)报(bao)，2010，7(3)：22-23.
LI Qing, WU Feng, LI Jinlu, et al. Comparison of surface roughness and bacterial adhesion of gold and titanium alloys[J]. China Medical Herald, 2010, 7(3): 22-23. (in
Chinese)[7] RIMONDINI L, FARE S, BRAMBILLA E, et al. The effect of surface roughness on early in vivo plaque colonization on titanium[J]. Journal of Periodontology,1997, 68(6): 556-562.
[8] CHEN Y D, TSAI W J , LIU S H , et al. Picosecond laser pulse polishing of ASP23 steel[J]. Optics & Laser Technology, 2018, 107:180-185.
[9] BORDATCHEV E V, HAFIZ A M K, TUTUNEA-FATAN O R. Performance of laser polishing in finishing of metallic surfaces[J]. International Journal of Advanced
Manufacturing Technology, 2014, 73(1-4): 35-52.
[10] 陈(chen)博文(wen)，孙(sun)树峰(feng)，王茜(qian)，等(deng). 材(cai)料表面(mian)激(ji)光抛光技(ji)术(shu)研究(jiu)进展(zhan)[J]. 中国表(biao)面工程(cheng), 2021，34(6)：74-89.
CHEN Bowen, SUN Shufeng, WANG Xi, et al. Research progress of laser polishing technology for material surface[J]. China Surface Engineering, 2021, 34(6): 74-89.
(in Chinese)
[11] KRISHNAN A, FANG Fengzhou. Review on mechanism and process of surface polishing using lasers[J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2019, 14(3): 299-319.
[12] PERRY T L, WERSCHMOELLER D, LI X, et al. Pulsed laser polishing of micro-milled Ti6Al4V samples[J].Journal of Manufacturing Processes, 2009, 11(2): 74-81.
[13] 王(wang)良辉，蒋小(xiao)松，刘恒全(quan)，等(deng). 钛合(he)金(jin)(TC4)化学(xue)光(guang)整的工艺研究(jiu)[J]. 材(cai)料(liao)导报，2012，26(S2)：364-366，391.
WANG Lianghui, JIANG Xiaosong, LIU Hengquan, et al.Study on chemical finishing process of TC4 titanium alloy[J]. Materials Review, 2012, 26(S2): 364-366, 391.
(in Chinese)
[14] 张(zhang)军伟，周超，侯文(wen)博，等(deng). 金(jin)属(shu)医疗(liao)器械化(hua)学抛光研究(jiu)进展[J]. 电(dian)镀与涂(tu)饰(shi)，2018，37(11)：514-518.
ZHANG Junwei, ZHOU Chao, HOU Wenbo, et al.Research progress in chemical polishing of metal medical instruments[J]. Electroplating & Finishing, 2018, 37(11):
514-518. (in Chinese)
[15] SON S W, LEE M K, OH K H, et al. Fabrication of titanium microchannels using laser-assisted thermochemical wet etching[J]. Journal of Laser Applications, 2006, 18(2): 131-137.
[16] ZHANG Q, SUN S F, ZHANG F Y, et al. A study on film hole drilling of IN718 superalloy via laser machining combined with high temperature chemical etching[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 106(1-2): 155-162.
[17] STEPHEN A. Mechanisms and applications of laser chemical machining[J]. Physics Procedia, 2011, 12:261-267.
[18] 袁根福(fu)，姚燕(yan)生(sheng)，陈雪(xue)辉，等. 激光(guang)和化学(xue)复(fu)合刻蚀(shi)加工(gong)表面质(zhi)量的(de)实(shi)验研(yan)究(jiu)[J]. 中国(guo)激(ji)光，2010，37(1)：281-283.
YUAN Genfu, YAO Yansheng, CHEN Xuehui, et al.Experimental study on surface quality of laser and chemical compound etching[J]. Chinese Journal of laser,
2010, 37(1): 281-283. (in Chinese)
[19] STEEN W M. Laser material processing[M]. 4th ed. New York: Springer, 2010.
[20] 李晓(xiao)丹，李(li)建(jian)中，倪家强，等(deng). 激光(guang)增材(cai)制造钛合金构件(jian)的(de)化学抛光(guang)工(gong)艺研究[J]. 航(hang)空制造(zao)技术，2020，63(10)：66-71.
LI Xiaodan, LI Jianzhong, NI Jiaqiang, et al. Chemical polishing of titanium alloy shape by laser additive Manufacturing[J].Aeronautical Manufacturing
Technology, 2020, 63(10): 66-71. (in Chinese)
[21] 张朝(chao)阳(yang)，冯钦玉，周(zhou)建(jian)忠，等(deng). 激(ji)光(guang)热(re)力(li)效应对不同材(cai)料(liao)电(dian)化(hua)学刻(ke)蚀形(xing)貌的(de)作用(yong)研究[J]. 中国激(ji)光(guang)，2015，42(5)：502002.
ZHANG Chaoyang, FENG Qinyu, ZHOU Jianzhong, et al.Analysis of laser thermal-mechanical effect on morphology of electrochemical etching on various
materials[J]. Chinese Journal of laser, 2015, 42(5): 502002.(in Chinese)
[22] UENO I, SHOJI M. Thermal-fluid phenomena induced by nanosecond-pulse heating of materials in water[J]. Journal of Heat Transfer, 2001, 123(6): 1123-1132.
[23] LONG Y H, SHI T L, XIONG L C. Excimer laser electrochemical etching n-Si in the KOH solution[J].Optics and Lasers in Engineering, 2010, 48(5): 570-574.
[24] BUERLE D. Laser processing and chemistry[M]. 4th. ed.New York: Springer, 2011.
作(zuo)者(zhe)简介：邵勇(yong)，男(nan)，1990 年出生，博士(shi)。主(zhu)要(yao)研(yan)究方向(xiang)为激光(guang)精(jing)密微(wei)纳加工(gong)。
E-mail: wzujdsh@http://www.gzhwkf.com
孙(sun)树(shu)峰（通(tong)信作者(zhe)），男，1968 年(nian)出(chu)生，博(bo)士，教授，博士(shi)研(yan)究(jiu)生(sheng)导师(shi)。
主要研究(jiu)方向为(wei)激光精(jing)密(mi)微纳加工(gong)。
E-mail: shufeng2001@http://www.gzhwkf.com
相(xiang)关链(lian)接
