飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法

摘要

本发明提供了一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法，该方法利用飞秒激光对非晶合金进行打孔、刻线、切割，打孔时飞秒激光的脉冲能量密度为50～100J/cm2，脉冲宽度45～100fs；刻线时飞秒激光的脉冲能量密度为3～15J/cm2、脉冲宽度45～100fs、扫描速度为100～200μm/s；切割时飞秒激光的脉冲能量密度为75～110J/cm2、脉冲宽度45～100fs、扫描速度为100～200μm/s。本发明的加工精度可以达亚微米级，在刻线区域无晶化现象发生。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超短脉冲激光对非晶合金材料微细加工方法，具体涉及利用飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法。

背景技术

非晶合金的发展：自1960年采用熔体急冷法首次由液态金属制备出Au₇₅Si₂₅非晶合金薄片以来，非晶合金以其特异、优良的机械、电学、磁学以及理化性能而广受关注。经过四十多年的研究发展，在非晶态合金的形成、结构、性能、晶化、制备及应用等方面的研究已取得很大进展，发展了Fe基、Ni基、Co基、Zr基、Ti基、Al基、Mg基、Ln基、Cu基、Pd基、Ca基等多种系列的非晶态合金，并实现了厘米级尺寸的块体非晶合金的制备技术，为非晶合金材料的应用拓展提供了可能。由于非晶合金的独特性能，特别是这种材料在制备为小零件的应用中无尺寸效应，因而在MEMS及微传感系统中的应用前景巨大。而材料的应用均涉及加工技术，在非晶合金的加工中，实现加工区域及周围无晶化现象，从而保持其固有优良性能，对这种材料的应用极为关键。而对非晶合金在微小零件的应用中，无晶化微细加工技术显得尤为重要。

非晶合金加工的方法通常有如下几种：

(1)机械加工

刀具切割

刀具切割是一种常规便捷的加工方法，该加工方法的缺点是：加工精度不高，只能保证在百微米量级，难以用于微米级加工；存在一个速度阈值，在高于阈值速度切割时，易导致割口产生热效应，温度过高而发生氧化现象与晶化现象。

线切割

线切割是机械加工中很重要的一种加工方法，以铜线作为工具电极，在铜线与被加工物材料之间施加60～300V的脉冲电压，并保持5～50μm间隙，间隙中充满煤油、纯水等绝缘介质，使电极与被加工物之间发生火花放电，并彼此被消耗、腐蚀。该加工方法的缺点是：切割表面质量粗糙，有明显的切割纹路；加工精度也只能保证在100μm以上，难以用于微加工。

(2)CO₂激光和YAG激光加工

由于非晶合金尺寸有限，传统激光用于非晶态合金的加工更多集中在焊接加工上。CO₂激光和YAG激光加工的缺点是：加工精度较低为毫米级；加工过程热效应高，会产生材料的溅污、重铸残渣和热影响区；加工区域容易发生材料晶化，并且需要氩气保护。

(3)电子束加工

目前电子束用于非晶合金加工也主要集中在焊接加工中，控制电子加速电压、电子束电流和扫描速度对大块非晶板可以成功焊接，并且没有发现热影响区和焊接的晶化，焊接试样的抗拉强度也几乎无变化。目前，电子束用于微细切割加工非晶合金的研究还很少，且电子束加工一般要求在真空环境下进行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述CO₂激光和YAG激光加工的不足之处，提供一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法，该方法可对非晶合金进行微细加工的结构尺寸可达到几个微米，加工精度可小于1微米，并且加工区域不发生晶化。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是，一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法，其特征在于：对非晶合金进行线切割；利用飞秒激光对非晶合金打孔，飞秒激光的脉冲能量密度为50～100J/cm²，脉冲宽度45～100fs。

为实现本发明的目的，本发明采用的另一个技术方案是，一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法，其特征在于：对非晶合金进行线切割；利用飞秒激光对非晶合金样品刻线，飞秒激光的脉冲能量密度为3～15J/cm²、脉冲宽度45～100fs、扫描速度为100～200μm/s。

为实现本发明的目的，本发明采用的又一个技术方案是，一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法，其特征在于：对非晶合金进行线切割；利用飞秒激光对非晶合金样品切割，飞秒激光的脉冲能量密度为75～110J/cm²、脉冲宽度45～100fs、扫描速度为100～200μm/s。

在上述三种技术方案中，非晶合金线切割后的厚度小于1mm。

本发明相比现有技术的优点在于：

(1)TEM测试分析和电子衍射分析的结果证明：在飞秒脉冲激光微细加工非晶合金的加工区域未发现晶化现象，非晶结构保持完好；加工区的表面质量也优于传统加工。

(2)飞秒脉冲激光脉冲持续时间极短、峰值功率极高，少量多脉冲与非晶合金材料相互作用时，没有氧化现象产生；多脉冲连续烧蚀材料时，通过扫描速度和脉冲能量等参数的选择，可以很好地避免CO₂激光和YAG激光加工金属时氧化现象的产生。

(3)在高的功率密度下，非晶靶材被激光束剥离，主要以等离子体的形式喷出，从而避免CO²激光和YAG激光加工金属时产生的材料的溅污、重铸残渣和热影响区。

(4)飞秒脉冲激光对非晶合金可进行微米级尺寸的结构与零件加工，加工精度可以达亚微米级。

具体实施方式

打孔实施例1

一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法：对非晶合金试样进行线切割，切割成厚度为0.5mm的靶材，可再进行表面抛光，抛光后非晶合金靶材厚度为0.2mm；利用飞秒激光对非晶合金样品打孔，飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为1KHz，脉冲能量密度为50J/cm²，脉冲宽度为45fs。打孔完成后可进行超声清洗，除掉飞秒激光加工中的污染。

清洗完成后，通过扫描电镜观察打孔的形貌，打孔的孔直径仅为23μm；通过透射电镜和电子衍射观察到非晶合金靶材打孔区域无晶化现象发生。

打孔实施例2

一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法：对非晶合金试样进行线切割，切割成厚度为1mm的靶材；利用飞秒激光对非晶合金靶材打孔，飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为1KHz，脉冲能量密度为75J/cm²，脉冲宽度为70fs。打孔完成后可进行超声清洗，除掉飞秒激光加工中的污染。

打孔的孔直径仅为28μm，样品打孔区域无晶化现象发生。

打孔实施例3

一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法：对非晶合金试样进行线切割，切割成厚度为0.5mm的靶材，可再进行表面抛光，抛光后非晶合金样品厚度为0.2mm；利用飞秒激光对非晶合金样品打孔，飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为1KHz，脉冲能量密度为100J/cm²，脉冲宽度为100fs。

打孔的孔直径仅为30μm，样品打孔区域无晶化现象发生。

刻线实施例1

一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法：对非晶合金靶材进行线切割，切割成厚度为1mm的样品；利用飞秒激光对非晶合金样品刻线，飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为1KHz，脉冲能量密度为3J/cm²，脉冲宽度为45fs，扫描速度为100μm/s。刻线完成后可进行超声清洗，除掉飞秒激光加工中的污染。

刻线的线宽仅为10μm，样品刻线区域无晶化现象发生。

刻线实施例2

一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法：对非晶合金靶材进行线切割，切割成厚度为0.5mm的样品，可再进行表面抛光；利用飞秒激光对非晶合金靶材刻线，飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为1KHz，脉冲能量密度为8J/cm²，脉冲宽度为70fs，扫描速度为150μm/s。刻线完成后可进行超声清洗，除掉飞秒激光加工中的污染。

刻线的线宽仅为15μm，样品刻线区域无晶化现象发生。

刻线实施例3

一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法：对非晶合金靶材进行线切割，切割成厚度为0.5mm的样品，可再进行表面抛光；利用飞秒激光对非晶合金样品刻线，飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为1KHz，脉冲能量密度为15J/cm²，脉冲宽度为100fs，扫描速度为200μm/s。

刻线的线宽仅为18μm，样品刻线区域无晶化现象发生。

切割实施例1

一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法：对非晶合金靶材进行线切割，切割成厚度为0.5mm的样品，可再进行表面抛光，抛光后的样品厚度为0.2mm；利用飞秒激光对非晶合金样品切割，飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为1KHz，脉冲能量密度为75J/cm²，脉冲宽度为45fs，扫描速度为100μm/s。切割完成后可进行超声清洗，除掉飞秒激光加工中的污染。

切割的缝宽仅为27μm，样品割缝区域无晶化现象发生。

切割实施例2

一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法：对非晶合金靶材进行线切割，切割成厚度为1mm的样品；利用飞秒激光对非晶合金靶材切割，飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为1KHz，脉冲能量密度为100J/cm²，脉冲宽度为70fs，扫描速度为150μm/s。切割完成后可进行超声清洗，除掉飞秒激光加工中的污染。

割缝的缝宽仅为30μm，样品割缝区域无晶化现象发生。

切割实施例3

一种飞秒激光对非晶合金的无晶化微细加工方法：对非晶合金靶材进行线切割，切割成厚度为0.5mm的靶材，可再进行表面抛光，抛光后的靶材厚度为0.2mm；利用飞秒激光对非晶合金靶材切割，飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为1KHz，脉冲能量密度为110J/cm²，脉冲宽度为100fs，扫描速度为200μm/s。

切割的缝宽仅为33μm，样品割缝区域无晶化现象发生。