摘要
采用纳秒激光对铜块进行了激光冲击强化，用光学显微镜、三维形貌仪等测量了激光冲击强化后的表面形貌和变形深度，用非接触光学轮廓仪测量了表面粗糙度，重点分析了铝箔胶带作吸收层时凹坑表面微缺陷的来源，对不同粗糙度表面的试样进行了激光冲击强化。实验结果表明，黑漆作吸收层时表面变化特征主要为宏观凹坑和冲击区域出现微凹凸结构；铝箔胶带作吸收层时表面变化特征主要为宏观凹坑和冲击区域出现微缺陷。最后，通过实验研究分析了微缺陷的形成，发现其与铝箔胶带背面黏胶内气泡有关。当原始粗糙度较大时，激光冲击会使整体粗糙度增加，单降低最大高度粗糙度；原始表面光洁度较高时，激光冲击反而会使得整体粗糙度和最大高度粗糙度都有所增加。
关键词 激光技术; 激光冲击强化; 表面质量; 紫铜; 微缺陷; 表面粗糙度
1 引 言
激光冲击强化(LSP)技术是一项先进的金属材料表面改性技术，其基本原理是利用高功率密度、短脉冲激光在金属表面诱导高压冲击波并作用于金属表面，在表层金属材料内引入高密度位错和有益的残余压应力分布，从而大幅度提高材料表面的抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀等性能[1-2] 。近 20 年来，科研人员对激光诱导冲击波特性[3-5] 、表层金属材料对高压冲击波的动态响应[6-7] 、激光冲击强化工艺规律[8-10] 、激光冲击强化设备[11-12]等都进行了较为系统的研究，取得了丰硕成果。这些成果为激光冲击强化技术的工业化应用奠定了基础。激光冲击能够在金属表面引入有益残余压应力，进而改善材料表面力学性能，已经得到充分认可。但是工件的表面性能优劣，除了与表层材料力学性能有关，还与工件表面质量有关。关于激光冲击对材料表面质量的影响研究则相对比较缺乏。
以铜为冲击对象，选择常用的铝箔胶带和黑漆作为吸收层，水为约束层，通过观察冲击后表面形貌变化、表面粗糙度变化，系统研究了激光冲击对材料表面质量的影响，并分析了铝箔胶带作为吸收层时，表面微缺陷的形成来源。
2 实 验
2.1 实验原理
图 1 所示为激光冲击强化的加工原理图，激光经过聚焦透镜，透过透明约束层照射到金属表面的吸收层上，吸收层一般为黑漆和铝箔胶带，约束层一般为水或 K9 玻璃。激光首先与吸收层相互作用，引起吸收层材料的气化和电离进而形成等离子体，等离子体膨胀之后受到约束层的约束作用，会产生一个反向冲击波作用于靶材，激光诱导冲击波的峰值压强一般在吉帕数量级。当冲击波峰值压力高于金属靶材的动态屈服强度时，金属靶材会发生塑性变形，并在材料表面引入残余压应力，甚至形成宏观变形。
2.2 实验过程
试样为紫铜，牌号 T2，尺寸为 25 mm×25 mm×10 mm。制备了 3 种不同初始表面状态的铜块 a、b、c，其中铜块 a 用 1000 目的 SiC 砂纸打磨(1#试样)，铜块 b 用 1000、2000 和 2500 目的 SiC 砂纸依次打磨(2#试样)；铜块 c 用 1000、2000、2500 和 3000 目的 SiC 砂纸依次打磨，然后抛光(3#试样)。
激光冲击采用 Thales 公司的 Nd∶YAG 激光器，激光脉宽约为 10 ns，波长为 1064 nm，聚焦到金属表面的光斑为 1.2 mm，激光光束为平顶型。实验过程中采用了两类吸收层：黑漆和铝箔胶带，厚度分别约为 50 mm 和 140 mm。黑漆的主要成分为丙烯酸树脂，采用喷涂的方法涂覆于试样表面。约束层为厚度约 3 mm 的水流。分别对黑漆和铝箔胶带作吸收层的铜块进行激光冲击强化，冲击实验完成后，揭去剩余吸收层，用丙酮和酒精清洗试样表面。采用 Keyence VHX-1000 三维形貌仪测量试样表面冲击所致凹坑的三维形貌；
采用非接触光学轮廓仪 VEECO WYKO NT1100 观察冲击凹坑内细微形貌；试样用氯化铁溶液(将 5 g 氯化铁溶于 50 mL 盐酸和 100 mL 水的混合物中配置而成)进行腐蚀，然后用 Leica DM2500M 光学显微镜观察试样表面冲击区金相组织；用 VEECO WYKO NT1100 测量冲击前后的表面粗糙度。
3 结果与讨论
3.1 宏观凹坑的三维形貌
选用能量为 4 J 的激光对吸收层分别为黑漆和铝箔的铜块(3#试样)进行单次冲击，并对铜块表面进行抛光处理。当激光诱导冲击波的峰值压强高于靶材的屈服强度时，靶材将发生塑性变形。在已知各实验参数情况下，可由 Fabbro 公式[13] 估算激光诱导冲击波的峰值压强:式中 Pmax为激光诱导冲击波的峰值压强，单位为 GPa；I0为激光功率密度，单位为 GW/cm2 ；α 为激光与金属靶材的作用效率，在入射激光冲击金属靶材的过程中，通常情况下 α =0.1~0.2[13-14] ，这里取 α =0.15；Z为复合声阻抗， Zcu和 Zwater分别为铜和水的声阻抗，单位都为 g/(cm2 ·s)。由于 Zcu=3.83×106 [15] ，Zwater=0.148×106 g/(cm2 ·s)[16] ，根据 (2)式 计 算 可 得 Z=0.285×106 g/(cm2 · s)。 能 量 E=4 J 时 ，I0=35.386 GW/cm2 ，根 据 (1)式 计 算 可 得 Pmax= 6.77 GPa。由计算结果可知，激光诱导冲击波的峰值压强可达几十吉帕，远远高于纯铜的动态屈服强度 (100 MPa 左右[17] ，一般动态屈服强度为静态屈服强度的三倍)，因此会在冲击区域产生塑性变形。
铜块经激光冲击后表面发生塑性变形并形成凹坑，其表面形貌如图 2 所示。图 2(a)为原始试样的表面形貌，图 2(b)为黑漆作吸收层时形成凹坑的表面形貌，图 2(c)和(d)为铝箔作吸收层时形成凹坑的表面形貌。与原始表面形貌相比，经过一次激光冲击后，黑漆作吸收层时凹坑内表面形貌没有明显的变化，说明形成的凹坑表面质量较好；而铝箔作吸收层时可观察到整个激光冲击区域出现大量的微缺陷，微缺陷随机分布于整个凹坑中，形态主要有圆形和长条状，这些微缺陷的出现影响了冲击区域的表面质量，并且从图 2(d) 中可以观察到明显的凹坑边缘，凹坑边缘以外的未冲击区域并没有出现微缺陷。
与图 2 对应的黑漆和铝箔作吸收层时凹坑的三维分布如图 3 所示，黑漆作吸收层时凹坑的变形曲线较平滑；而铝箔作吸收层时凹坑的变形曲线波动较大，这一想象与图 2(c)和(d)中冲击区域出现的高密度微缺陷有关，微缺陷的出现影响了冲击区域的表面质量。对比两种吸收层条件下凹坑的变形深度，可以发现铝箔作吸收层时凹坑变形量较大，这与吸收层对激光的吸收率、吸收层厚度等因素有关[18] ，而本文选择的参数使得铝箔作吸收层时冲击效果比黑漆好。
3.2 凹坑表面的显微组织
对黑漆作吸收层时的凹坑表面形貌进行放大，并使用 Keyence VHX-1000 三维形貌仪观察其细微形貌，如图 4(a)所示。可知，冲击完后，凹坑内出现由一些纹路构成的凹凸微结构，这些纹路类似晶界。为判断表面纹路是否为晶界，对试样进行了腐蚀，用金相显微镜观察了金相组织，如图 4(b)所示。对比腐蚀前后的表面形貌可见，图 4(a)中晶粒区域的尺度与腐蚀后晶粒尺寸相当。由此推断，图 4(a)中的纹路为晶界。出现这种现象主要原因为：当激光诱导冲击波峰值压力远大于材料的动态屈服强度时，金属材料会发生显著的位错滑移，且位错滑移更易于发生在微缺陷密集的晶界处[15,19-20] ，进而形成如图 4(a)所示的晶界凸显的冲击表面。
所示。由图 5 可以看出，微缺陷主要由四部分组成，A 区域为凹陷部分，C 区域为凸起部分，B 区域和 D 区域都接近基准面。由于从凹陷到凸起需要一定的过渡距离(即 A 区域到 C 区域过渡)，从而形成了 B 区域。而 D 区域为凸起到基准面的过渡区域。这 4 个部分组成的微缺陷形貌为火山口形貌，中间凹两边凸，从单个微缺陷的分布曲线可知整个微缺陷的直径约为 225.87 mm，其中 A 区域凹陷深度约为 4.68 mm，直径约为 32.78 mm； C 区域凸起高度约为 2.51 mm。
为进一步分析试样表面冲击区微缺陷的产生机理，观察了作为吸收层的铝箔胶带背面的状态，图 6(a) 给出了铝箔胶带背面的表面形貌。可知，铝箔胶带背面有大量圆形和长条状的气泡，这些气泡存在于铝箔胶带背面的黏胶内。对比图 2 和图 6 可知，试样表面微缺陷的轮廓形状和尺寸与铝箔胶带背面上的气泡形状和尺寸一致。因此，判断铝箔胶带背面黏胶内气泡是产生表面缺陷的来源。
为验证微缺陷的出现与铝箔胶带背面黏胶内气泡有关，选择常规铝箔(背面无黏胶)为吸收层。在试样表面首先涂覆耐高温有机硅胶，然后将背面无黏胶铝箔通过耐高温硅胶黏附于试样表面。为了确定耐高温有机硅胶贴附于试样表面时是否会形成气泡，先将无黏胶铝箔通过耐高温有机硅胶贴附于透明载玻片表面，透过载玻片可以观察到耐高温有机硅胶表面，耐高温有机硅胶内并没有气泡[图 7(a)]。图 7(b)为铝箔背面粘胶为耐高温有机硅胶时的冲击凹坑内表面形貌，凹坑表面没有出现类似图 5 中的微缺陷。由此说明，图 5 中冲击区域表面微缺陷与铝箔背面黏胶内气泡密切相关。
3.3 激光冲击强化对表面粗糙度的影响
一般用 Ra、Rq、Rt来评定三维粗糙度，Ra为算术平均偏差，Rq为轮廓方均根偏差，Rt为最大高度。Ra和 Rq 可以说明整体粗糙度的变化情况，而 Rt只能代表检测区域内最高点与最低点之间的距离，对激光冲击后凹坑中心进行粗糙度检测，1#、2#、3#试样在不同能量下的粗糙度值分别如表 1、2、3 所示。
由表 1 和表 2 可知，对于 1#试样和 2#试样，从 Ra和 Rq值来看，冲击区域内粗糙度整体有所增加，且能量为 6J 时粗糙度最大。但是从 Rt值可知，尽管 1#试样整体粗糙度有所增加，但是最大高度粗糙度是下降的；2# 试样最大高度粗糙度基本没变。所以对于原始粗糙度较大的表面来说，一方面，激光冲击有利于削弱粗糙尖端，降低最大高度粗糙度值。另一方面，激光冲击强化也使得整体粗糙度有所增加；对于原始粗糙度处于中等情况下，激光冲击强化会使整体粗糙度有所增加，但对整个区域的最大高度粗糙度的影响很小。
由表 3 可知，与原始粗糙度相比，3 种能量下 Ra和 Rq值都有所增加，说明 3#试样经激光冲击后粗糙度值整体有所增加，且能量为 9J 时粗糙度值最大，从 Rt值可以看出最大高度粗糙度值也有所增加。所以对于原始表面光洁度较高时，激光冲击强化使整体粗糙度和最大高度粗糙度值都有所提高。这可能是因为激光冲击导致的位错滑移、孪晶等微缺陷，会在表面形成非常明显的凹凸微结构，这些凹凸微结构会提高表面粗糙度，进而降低表面质量。
另外随机选取激光冲击后粗糙度曲线与原始粗糙度曲线进行对比，结果如图 8 所示。可知，三种不同原始粗糙度表面经激光冲击后的变化趋势比较符合表 1、2、3 中对应的 Rt值变化情况。因此可以进一步确认激光冲击强化对不同粗糙度表面最大高度粗糙度的影响。
4 结 论
研究了激光冲击对铜表面质量的影响，系统观察了各类形貌变化，并分析了成因。得到如下结论：
1) 黑漆作吸收层时，激光冲击强化后表面变化特征为：出现宏观的塑性变形凹坑；当激光诱导冲击波压力远大于金属材料屈服强度时，在激光冲击区域可以直接观察到晶粒组织
2) 铝箔胶带作吸收层时，激光冲击强化后的表面变化特征为：出现宏观的塑性变形凹坑；与此同时，凹坑内出现圆形和长条状的微缺陷。经分析和实验验证，铝箔胶带背面黏胶内气泡是形成微缺陷的直接原因
3) 激光冲击对试样表面粗糙度影响：当原试样表面粗糙度较大时，激光冲击可以削弱粗糙尖端，降低 Rt，但是激光冲击强化也使得整体粗糙度有所增加，即 Ra和 Rq增加；当表面粗糙度中等时，激光冲击强化会使 Ra和 Rq有所增加，但对 Rt影响很小；而当原试样表面光洁度较高时，激光冲击强化使 Ra、Ra和 Rt都有所提高，这可能是由于激光冲击诱导产生表面微凹凸结构时，降低了表面光洁度。