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飞秒绿激光加工镁合金的研究

浏览:155 发表时间:2019-08-27 09:34:19
摘要:采用波长为515nm的飞秒绿激光对AZ31镁合金进行实验研究,计算镁合金激光烧蚀阈值与烧蚀速率,研究镁合金的激光加工机理,对比分析AZ31镁合金有无表面微结构对其腐蚀速率的影响。结果表明:镁合金的激光烧蚀阈值为1.46 J/cm2,在能量密度为8.36 J/cm2时烧蚀速率为0.68 μm/pulse;随着能量密度的增大烧蚀速率增大,在能量密度为8.36 J/cm2,脉冲数为1000时可以加工出高质量的小孔。镁合金的腐蚀速率方面,微槽结构小于微柱结构,微柱结构小于光滑表面,拥有微结构表面的镁合金在24 h内的腐蚀速率约为光滑表面的1/3~1/2。
关键词:飞秒激光;镁合金;微结构;腐蚀速率
1.引言
近年来,镁合金由于具有良好的生物相容性和可降解性,在生物医疗领域得到了广泛应用。比如骨植入领域,由于镁的弹性模量以及密度与人体骨接近,且镁离子还能够诱导成骨[1],并刺激软骨生成[2],是理想的骨植入材料。骨植入中在镁合金表面制备微孔结构储存药物可促进骨板与生命体的结合[3],镁合金表面经过处理后的微纳结构有利于细胞粘附和生长[4]。由于镁的材料性质比较活泼,其单质及合金的熔点低、导热快、热膨胀系数大使得其加工的性能较差,传统的机械加工方法(钻孔、切割)无法满足要求。激光加工拥有非接触式、精度高、绿色加工等优点,有利于加工镁合金材料,可拓展镁合金的应用。
李杰等[4]利用波长1064nm纳秒激光在镁表面制造规则的粗糙结构,经氟化硅烷修饰,得到超疏水表面。Guan等[5-7]利用光纤纳秒及飞秒激光在纯镁表面制备周期性波纹结构,研究激光工艺参数对镁表面烧蚀形貌的影响。Shi等[8]利用波长为800nm的光纤飞秒激光对镁合金表面进行处理,研究了激光功率和脉冲数对镁合金表面结构的影响。Demir等[9]利用纳秒绿激光在不同溶液中加工AZ31镁合金以用于制作血管支架。上述研究者对于镁合金的加工以纳秒激光加工为主,在飞秒激光上大部分使用近红外飞秒激光进行加工,而飞秒绿激光加工镁合金的研究鲜有报道。
超快激光因其具有极短的脉宽和极高的峰值功率,其加工精度高,热影响区小,在微纳结构加工、功能性表面领域有许多应用[10-12]。飞秒绿激光因其波长更短对于镁合金吸收更好,更适合用于镁合金的加工。本文利用波长515nm飞秒激光对镁合金进行实验研究,研究激光加工机理,计算烧蚀阈值,分析激光工艺参数对镁合金表面微观形貌的影响规律。利用飞秒绿激光加工两种不同的微结构,将其放入生理盐水中进行腐蚀实验,通过称重法测量其腐蚀速率,根据实验结果判断拥有不同表面微结构的镁合金对其腐蚀速率的影响。
2.实验材料及加工设备
2.1.实验材料
实验采用35mm×15mm×1mm厚的镁合金,其Mg含量约为95%,材料的具体成份含量及热物理性参数参考表1。加工前利用砂纸对镁合金样品表面进行打磨和抛光,除去表面氧化层和杂质,然后在无水乙醇中超声清洗3min,去除表面的油和灰尘,最后用压缩空气对其进行风干处理。
2.2.激光加工系统
图1为飞秒激光加工系统的光路示意图。激光光源为立陶宛LIGHTCONVERSION公司的PHAROS-15W系列激光器,其输出光束的主要技术参数为:脉宽290fs,波长为515nm,重复频率0~600kHz,最大单脉冲能量200μJ。工作平台为美国AREOTECH公司的ANT130-110/5-XY/V-PLUS型纳米高精密运动平台。扫描振镜为SCANLAB生产的intelliSCANIII14型高速扫描振镜,最大扫描速度为3000mm/s。场镜为德国Lions生产的100mm远心场镜。飞秒激光依次经过衰减器、偏振片、反射镜M1和M2、扩束镜、反射镜M3,然后通过振镜经场镜聚焦到工件表面,通过前期实验测量得到聚焦后的激光光斑直径约为20μm。
图1.飞秒激光加工系统示意图
2.3实验方法
利用波长为515nm的飞秒激光加工镁合金,计算镁合金的激光烧蚀阈值及烧蚀速率,分析不同脉冲数及脉冲能量对加工效果的影响,得出飞秒激光加工镁合金的机理。实验中设计两种微结构,加工前后在酒精中超声清洗3min,去除表面杂质以及加工过程中的残渣及碎屑,随后用压缩空气进行风干,加工样件利用日本奥林巴斯OLS4000型激光共聚焦显微镜以及日立S-3400N(Ⅱ)型扫描电子显微镜观察镁合金表面微观形貌。
......
5.结论
本文利用515nm飞秒激光在镁合金表面加工了不同的微结构,计算飞秒激光加工镁合金的烧蚀阈值及烧蚀速率,研究了激光工艺参数对加工效果的影响以及拥有不同表面结构的镁合金对其在生理盐水中的腐蚀速率的影响,主要结论如下:
1)在脉冲宽度为290fs、波长为515nm时,AZ31镁合金的烧蚀阈值为1.46J/cm2。在能量密度为8.36J/cm2时平均单脉冲烧蚀速率约为0.68μm/pulse,能量密度为15.79J/cm2时平均单脉冲烧蚀速率约为1.37μm/pulse,能量密度为33.98J/cm2时平均单脉冲烧蚀速率约为2.29μm/pulse。
2)在脉冲数为1000,能量密度为8.36J/cm2可以加工孔壁光滑,无熔渣残留的高质量小孔。脉冲数低于100时烧蚀机制以相爆炸为主,脉冲数增加达到500时,烧蚀机制由相爆炸向热蒸发进行转变。

3)腐蚀实验表明镁合金表面微结构能够对其在生理盐水中腐蚀速率产生影响,24h内具有表面微结构的镁合金其腐蚀速率是表面没有微结构的腐蚀速率的1/3~1/2,这是因为生理盐水不流动导致在微结构内部产生了Mg(OH)2沉淀膜,阻止了微结构内的腐蚀,从而导致其腐蚀速率低于光滑表面。

鉴于篇幅问题,本次推送仅为节选(光电工程DOI:10.12086/oee.2019.180672),全文内容请阅读原文下载PDF文档。

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