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纳米秒激光去除硼钢表面Al-Si涂层的机理研究
1. 研究作者与发表信息
本研究由Fang Li（上海交通大学材料激光加工与改性重点实验室）、Xiaoguan Chen（上海交通大学）、Wenhu Lin（上海交通大学）、Hua Pan（宝钢汽车用钢研究所）、Xin Jin（上海交通大学）和Xueming Hua（通讯作者，上海交通大学）共同完成，发表于Surface & Coatings Technology期刊2017年第319卷（129-135页）。
2. 研究背景
科学领域：本研究属于激光加工与材料表面工程领域，聚焦于热冲压成型钢（Hot-Press-Forming, HPF）的表面涂层处理问题。
研究动机：
- HPF钢（如22MnB5）在汽车轻量化中广泛应用，但其表面Al-Si涂层（88% Al, 9% Si, 3% Fe）在高温成型过程中可防止氧化和脱碳，却会干扰后续激光焊接，形成脆性Fe-Al金属间化合物，降低焊接强度。
- 现有涂层去除方法（如机械研磨、化学腐蚀）存在精度低、成本高或损伤基材等问题，而激光烧蚀（Laser Ablation）因其高精度和可控性成为潜在解决方案。
- 纳米秒激光（Nanosecond Pulsed Laser）相比飞秒/皮秒激光更具成本效益和工业适用性，但其对Al-Si涂层的烧蚀机理尚不明确。
研究目标：
- 探究纳米秒激光参数（脉冲能量、重复频率、脉冲数）对Al-Si涂层烧蚀效果的影响；
- 测定涂层的烧蚀阈值（Ablation Threshold）及累积效应（Accumulation Effects）；
- 建立烧蚀深度演化模型，优化激光参数以实现高效涂层去除。
3. 研究流程与方法
实验材料与设备
- 样品：Arcelor公司的Usibor 1500P钢板（1.5 mm厚），双面涂覆Al-Si层（顶层20–30 μm，中间层为10 μm的Al-Fe金属间化合物）。
- 激光系统：YLP-V2-1-100-100-100纳秒激光器（波长1064 nm，脉宽100 ns，重复频率5–200 kHz，最大功率100 W），聚焦光斑直径40–45 μm。
实验设计
单脉冲烧蚀实验：
- 固定重复频率（25 kHz），变化脉冲能量（0.05–0.5 mJ）和脉冲数（1–50,000次），测定烧蚀坑直径（d）与深度（h）。
- 通过激光共聚焦显微镜（LSCM）和扫描电镜（SEM）表征形貌。
多脉冲累积效应研究：
- 固定脉冲数（2000次），变化重复频率（5–100 kHz），分析烧蚀阈值与频率的关系。
烧蚀机理分析：
- 基于高斯光束模型计算烧蚀阈值（公式：( \phi_{th} = \phi_0 e^{-d^2⁄2\omega_0^2} )）；
- 采用Hirschegg模型模拟烧蚀深度演化，划分四个阶段（I：高速烧蚀；II：速率骤降；III：缓慢增长；IV：深度饱和）。
数据分析方法
- 烧蚀阈值通过直径-能量对数拟合（( d^2 \propto \ln(E_p) )）外推获得；
- 累积系数（s）通过多脉冲阈值下降模型（( \phi{th}(n) = \phi{th}(1) \cdot n^{s-1} )）拟合。
4. 主要研究结果
烧蚀阈值与累积效应
- 单脉冲阈值：完全去除Al-Si涂层需激光能量密度≥4.4 J/cm²（相对误差~10%）；
- 多脉冲累积：脉冲数增加导致阈值下降，累积系数s=0.62（图5）。例如，2000次脉冲下，阈值从5 kHz时的2.55 J/cm²降至100 kHz时的1.61 J/cm²（表1）。
激光参数对烧蚀形貌的影响
- 低频率（<50 kHz）：烧蚀坑规则，表面残留少（“温和烧蚀”模式，以蒸发为主）；
- 高频率（≥50 kHz）：熔融物喷溅增多（“剧烈烧蚀”模式，伴随相爆炸（Phase Explosion））。
烧蚀深度演化
- 深度随脉冲数增加呈三阶段增长（图9）：初期快速上升（I）、速率骤降（II）、缓慢饱和（III）；
- 高重复频率（100 kHz）可加速涂层去除，50,000次脉冲后深度达91.13 μm（图9a），远超涂层总厚度（40 μm）。
5. 研究结论与价值
科学意义
- 首次量化了Al-Si涂层在纳秒激光下的烧蚀阈值及累积效应，填补了该领域数据空白；
- 揭示了频率对烧蚀模式的调控机制（蒸发→相爆炸），为工业参数优化提供理论依据。
应用价值
- 明确25 kHz以上重复频率和≥4.4 J/cm²能量密度为完全去除涂层的临界条件；
- 高频率（如100 kHz）可减少所需脉冲数，提升加工效率，适用于汽车HPF钢焊接前处理。
6. 研究亮点
- 创新方法：结合实验与Hirschegg模型，解析烧蚀深度动态演化；
- 关键发现：累积效应显著降低阈值，高频率可抑制基材损伤；
- 工业适用性：提出的参数窗口可直接指导产线激光清洗工艺开发。
7. 其他有价值内容
- 研究对比了飞秒/皮秒/纳秒激光的效率差异，指出纳秒激光在成本与效率上的平衡优势；
- 讨论了等离子体屏蔽（Plasma Shielding）和材料喷溅对烧蚀速率的影响机制（图11-12）。
（注：全文约2000字，涵盖研究全貌，重点突出实验设计、结果与工业应用关联。）