前言
鈦合金具有良好的生物相容性、耐腐蝕性和力學(xué)性能，廣泛應用于生物醫學(xué)領(lǐng)域，已成為義齒、骨內種植體、人工關(guān)節、介入性心血管支架、手術(shù)器械等醫用產(chǎn)品的首選材料[1-3]。例如，植入式人體心室輔助裝置（Ventricular assist device）一般采用鈦合金材制，它需要在保證良好生物相容性的同時(shí)，控制其表面粗糙度以減少血細胞的附著(zhù)，防止血管堵塞[4-5]。此外，眾多研究表明對醫用鈦合金植入物進(jìn)行適當的表面光整處理，可以有效減少金屬表面腐蝕和細菌粘附[6]。一項 24 h 的鈦合金表面牙菌斑定植試驗結果表明，良好的鈦合金表面粗糙度能顯著(zhù)降低微生物的附著(zhù)[7]?？梢?jiàn)鈦合金作為一種常見(jiàn)的醫用材料，在臨床醫學(xué)中對其表面粗糙度有很高的要求。因此，實(shí)現醫用鈦合金表面選擇性精密拋光具有重要的意義。
激光拋光是一種新興的材料表面光整技術(shù)，其通過(guò)激光與材料相互作用產(chǎn)生的熱效應使工件表面熔化，在表面張力和重力的多向作用下，熔池內的熔融物在鄰近區域重新分布，隨后在快速凝固后使材料表面的峰-谷高度差減小，從而獲得對粗糙表面的拋光效果[8-10]。激光拋光可解決超硬、超軟、脆性、不導電等特殊材料的拋光問(wèn)題，而且利用掃描振鏡和多軸運動(dòng)控制平臺可實(shí)現對復雜曲面和特定區域的選擇性?huà)伖?。但是，激光拋光帶?lái)的熱效應無(wú)法避免，導致因溫度梯度大而產(chǎn)生較大的熱應力在材料表面產(chǎn)生變形、微裂紋等缺陷，影響拋光質(zhì)量[11-12]。此外，醫用TC4鈦合金在高能激光輻照下，熔融狀態(tài)的鈦會(huì )和空氣中的氧氣和氮氣發(fā)生反應，導致帶來(lái)新的表面雜質(zhì)污染，不符合醫用要求。
化學(xué)拋光是一種特殊情況下的化學(xué)腐蝕，它通過(guò)化學(xué)試劑對材料表面粗糙區域的選擇性腐蝕溶解而使材料表面逐漸達到整平和光亮[13]?；瘜W(xué)拋光的特點(diǎn)是去除材料溫和，沒(méi)有顯著(zhù)的熱效應，但通常需要預置掩膜來(lái)實(shí)現材料表面的區域選擇性?huà)伖狻?/p>
此外，由于鈦合金材料的元素分布不均勻，會(huì )引起局部電位高低不一，產(chǎn)生局部陰陽(yáng)極區，形成局部導通的微電池，使陽(yáng)極發(fā)生局部溶解形成腐蝕坑，難以實(shí)現醫用鈦合金材料表面高精度的拋光[14]。激光-化學(xué)復合加工是一種新型的復合微細加工方法。通過(guò)激光刻蝕和化學(xué)腐蝕的結合，可以揚長(cháng)補短，實(shí)現微細結構的高效高精度的加工。SON等[15]通過(guò)試驗驗證了激光-化學(xué)復合蝕刻方法可以在鈦金屬表面無(wú)掩膜制備高深徑比微通道陣列，并探討了加工過(guò)程中氣泡對加工質(zhì)量和工藝穩定性的影響。ZHANG 等[16]提出了激光-化學(xué)復合加工IN718 鎳基高溫合金小孔的新方法，研究發(fā)現使用鹽酸和硝酸鈉混合溶液可以有效消除激光燒蝕加工小孔所產(chǎn)生的重鑄層和熱影響區。STEPHEN 等[17]通過(guò)對比實(shí)驗研究了激光加工和激光-化學(xué)復合加工鎳鈦合金邊緣質(zhì)量的區別，研究發(fā)現與直接激光刻蝕相比，激光-化學(xué)復合刻蝕的鎳鈦合金邊緣精度更高，毛刺、殘渣碎片更少，獲得的側壁平均表面粗糙度 Ra 為 0.3 μm，是直接激光直接刻蝕的十分之一。袁根福等[18]開(kāi)展了激光-化學(xué)復合刻蝕加工高速鋼盲孔表面質(zhì)量的相關(guān)工藝研究，結果表明激光加工參數和化學(xué)腐蝕液成分和溶度都對試樣表面加工質(zhì)量有重要影響。
上述研究表明，激光-化學(xué)復合加工方法結合了激光刻蝕和化學(xué)腐蝕的優(yōu)勢，是一種相對溫和的材料去除方法，既避免了激光刻蝕熱效應產(chǎn)生殘渣和重熔層，又無(wú)需要復雜的掩膜，能實(shí)現材料的選擇性和可控性去除。鑒于此，為克服醫用TC4鈦合金單一拋光方式的缺陷，本文設計并搭建了一套激光-化學(xué)復合拋光試驗平臺，通過(guò)開(kāi)展激光-化學(xué)復合拋
光試驗來(lái)探究醫用TC4鈦合金激光-化學(xué)復合拋光表面形貌演化規律，并進(jìn)一步明確激光-化學(xué)復合拋光機理，為鈦合金或其他自鈍化金屬的精密拋光提供參考。
1、 試驗系統及條件
1.1 試驗系統
激光-化學(xué)復合拋光的試驗裝置主要包括兩部分：激光加工系統和化學(xué)液循環(huán)系統，如圖 1 所示。
激光加工系統中，激光器采用納秒脈沖光纖激光器（IPG 光子，型號：YLPN-1-100-200-R），輸出波長(cháng)為 1 064 nm，脈沖寬度為 100 ns，脈沖重復頻率為20～2 000 kHz 可調，輸出模式為 TEM00 高斯光束。為避免因平臺高速運動(dòng)而引起蝕刻液的劇烈晃動(dòng)，實(shí)驗采用最大掃描速度為 2 m / s 的掃描振鏡（Scanlab, intelliScan III-14）來(lái)實(shí)現不同軌跡的拋光。激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)光束整形后進(jìn)入掃描振鏡的掃描頭，經(jīng)場(chǎng)鏡（LINOS F-theta-Ronar）后聚焦到工件表面。通過(guò)旋轉 z 軸方向的手輪可以調節掃描頭到試樣表面的距離。激光器和主要光學(xué)器件參數如表 1 所示。
激光器輸出的光束為高斯光束，根據式（1）、（2）可以得到激光加工系統聚焦光束的焦深與光斑直徑[19]：
式中，Z 表示聚焦光束焦深，d 為聚焦光束的光斑直徑，λ 表示激光波長(cháng)，M2 表示激光光束質(zhì)量，f 表示聚焦透鏡焦距，ρ 為容差因子（這里 ρ 取 1.05），D為聚焦前的激光束直徑。代入相關(guān)數據可以計算出激光加工系統聚焦光束的理論焦深為 0.72 mm，光斑直徑為 45.3 μm。
化學(xué)液循環(huán)系統中，工件試樣被固定在蝕刻槽中，注入化學(xué)液至完全浸沒(méi)過(guò)工件上表面，化學(xué)液通過(guò)耐腐蝕泵的運行進(jìn)行循環(huán)。通過(guò)調整步進(jìn)電機的轉速，可以控制蝕刻槽中化學(xué)液的流速 / 流量?；瘜W(xué)液的穩定循環(huán)流動(dòng)對激光-化學(xué)復合加工系統至關(guān)重要，它一方面提供了足夠的電解質(zhì)和快速的更新交換，另一方面能將加工過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡快速帶離激光輻照區域。
1.2 試驗條件
試驗采用醫用TC4鈦合金作為拋光試樣，樣品尺寸為 30 mm×30 mm×1.5 mm，其物理性能參數如表 2 所示。鈦合金初始表面 SEM 圖和元素組成如圖 2 所示。鈦合金初始表面能譜分析結果表明，主要成分 Ti、V 和 Al 的平均含量分別為 89.25%、6.05%和 3.97%。 鈦合金表面合金元素分布不均勻，不同區域元素含量略有差異。
鈦合金的化學(xué)拋光所采用的化學(xué)介質(zhì)一般為氫氟酸與硝酸（HF-HNO3）的混合液或含氟離子的酸性溶液，但是氫氟酸是一種劇毒性物質(zhì)，極易揮發(fā)到空氣中，對環(huán)境和人體產(chǎn)生巨大危害，而且在高能激光輻照下可能會(huì )產(chǎn)生爆炸[20]。磷酸是一種常見(jiàn)的化學(xué)拋光腐蝕基液，室溫下其與鈦合金不發(fā)生反應。此外，稀磷酸屬于氧化性弱酸，既能在激光輻照下與鈦合金發(fā)生化學(xué)反應，又能迅速形成氧化膜避免對基體造成過(guò)度腐蝕。因此，本試驗采用 21.25wt.%（3.68 mol / L）的稀磷酸溶液作為激光-化學(xué)復合 拋 光 的 腐 蝕 液 。 采 用 激 光 共 聚 焦 顯 微 鏡（OLYMPUS LEXT OLS-4100）進(jìn)行鈦合金表面形貌的觀(guān)察和表面粗糙度的測量。
2、 激光-化學(xué)復合加工材料去除機理分析
2.1 激光熱效應與力效應去除材料
激光與溶液中金屬靶材的相互作用主要表現為熱效應和力效應[21]。高斯激光束輻照溶液中金屬靶材的結構模型如圖 3 所示。
當激光束穿過(guò)化學(xué)溶液薄層并聚焦到溶液與金屬靶材的交界面上時(shí)，激光能量會(huì )被金屬靶材和溶液吸收，造成交界面處金屬靶材和溶液溫度的迅速升高。在求解高能脈沖激光輻照下溶液-靶材界面的瞬態(tài)溫度分布時(shí)，可以作以下假設：①脈沖激光作用時(shí)間非常短（ns 量級），輻照在靶材表面上熱滲透深度很淺，因此激光光斑中心處的熱傳導規律可按一維傅里葉熱傳導模型進(jìn)行分析；②由于覆蓋在靶材表面的溶液厚度只有1～3 mm，激光在溶液薄層中傳輸時(shí)的能量損失可忽略不計；③激光傳輸過(guò)程中方向不發(fā)生變化，聚焦激光光斑形狀不發(fā)生變化；④固-液交界面處，溶液和金屬靶材的溫度相同。因此脈沖激光輻照下金屬靶材和溶液溫度分布的一維傅立葉熱傳導方程分別為[22]：
式中，Im(r，t)、Il(r，t)分別為激光輻照在金屬靶材和溶液上的激光功率密度， r 為軸對稱(chēng)坐標系中距光斑中心的徑向距離，t 為時(shí)間，am 、al 分別表示靶材和溶液的熱擴散率，Tm(z，t)、Tl(z，t)分別表示靶材和溶液分別在時(shí)刻t 、深度 z 處的溫度。由于激光能量空間分布為高斯分布，激光的脈寬只有 100 ns,且在時(shí)間上近似為矩形，因此其激光輻照中心的處溫升方程可用式（5）、（6）來(lái)描述[23]：
式中，
αA 為靶材表面吸收率； Im 為靶材表面的激光功率密度；αm 表示靶材的熱擴散率；λm 表示靶材的熱導率；tp 表示激光脈沖寬度。由式（5）、（6）可知靶材表面溫度隨時(shí)間的變化規律。在脈沖寬度時(shí)間內，靶材在極短時(shí)間內吸收強烈的激光脈沖能量，并轉化成熱量，使得激光輻照區內靶材-溶液界面處溫度急劇上升至最高溫度；脈沖時(shí)間過(guò)后，激光輻照結束，溫度在較短的時(shí)間內迅速下降，劇烈的升降溫在納秒量級時(shí)間內完成。由于短脈沖激光的這種高能量密度、高溫升的特點(diǎn)(其熱流密度高達MW / m2 量級，溫度變化率達 107 K / s 以上)，以致溫度迅速達到超高過(guò)熱，不僅會(huì )使材料瞬間發(fā)生熔化、汽化，也會(huì )導致局部出現爆發(fā)式的沸騰現象，大量氣泡群的產(chǎn)生。這些氣泡在潰滅后會(huì )產(chǎn)生強烈的沖擊波，沖擊波反作用于金屬靶材，使激光燒蝕熔融金屬瞬間迸發(fā)，達到刻蝕材料的目的。此外，當脈沖激光的能量密度足夠強（超過(guò) 109 W / cm2）時(shí)，會(huì )使得金屬靶材 / 溶液界面發(fā)生光學(xué)擊穿，在聚焦區域內生成高溫高壓的等離子體，并同時(shí)向外急劇膨脹擴張。由于受到周?chē)芤汉桶胁幕w的約束，會(huì )對金屬靶材產(chǎn)生明顯的沖擊效應，加大了激光刻蝕過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力，進(jìn)一步增強了激光脈沖對材料的刻蝕作用。
2.2 激光誘導化學(xué)溶解去除材料
鈦及鈦合金在空氣中會(huì )與氧氣反應生成一層致密的鈍化膜（厚度為 3～10 nm），室溫下幾乎不與稀鹽酸、稀硫酸、稀磷酸等發(fā)生化學(xué)反應。利用激光與靶材相互作用的熱效應與力效應能去除靶材表面鈍化層，即當激光聚焦后透過(guò)溶液照射在靶材表面時(shí)，在激光輻照區域，金屬表面的鈍化膜在物理和化學(xué)作用下被剝離或溶解，暴露出的基體材料和化學(xué)液發(fā)生化學(xué)反應，生成金屬離子溶解到溶液中，或生成沉淀產(chǎn)物被水流帶走，使得化學(xué)溶解持續發(fā)生下去。而靶材表面其他未被激光輻照的區域有鈍化膜的保護，則不會(huì )發(fā)生化學(xué)反應。這樣，激光輻照區域與非輻照區刻蝕速率明顯不同，從而可以實(shí)現對自鈍化金屬靶材的選擇性刻蝕。
2.3 耦合效應去除材料
激光熱-力效應與化學(xué)腐蝕去除材料之間也會(huì )產(chǎn)生耦合作用，彼此相互促進(jìn)，共同提高材料去除效率。首先，激光熱-力效應去除材料難免會(huì )產(chǎn)生很多細小的殘渣顆粒、凝固的熔融物等，而化學(xué)腐蝕作用能大量溶解加工區域的微小顆粒殘渣或熔融物質(zhì)，避免了因這些物質(zhì)對激光吸收和反射，從而減少激光能量損失，提高材料去除效率。其次，激光熱效應和力效應也會(huì )對材料化學(xué)溶解產(chǎn)生促進(jìn)作用。高能激光輻照在溶液中金屬靶材表面，造成熱量的不斷累積，使激光輻照區域溶液的溫度急劇升高，化學(xué)液溫度的升高會(huì )使得溶液的粘度下降、離子的遷移運動(dòng)速率增大，從而使得化學(xué)反應速率加快?；瘜W(xué)反應速率常數與溫度間的關(guān)系可以由阿倫尼烏斯公式（Arrhenius equation）表示[21]：
式中，K 為化學(xué)反應速率常數，Ea 為反應活化能，R 為摩爾氣體常數，T 為熱力學(xué)溫度，A 為頻率因子。根據式（7）可以得出，溫度升高，反應速率常數增大，化學(xué)反應速率加快。同時(shí)，激光輻照固-液交界面附近的化學(xué)液溫度瞬時(shí)升高，導致微小區域溶液爆發(fā)性沸騰，產(chǎn)生較強的微對流，加快溶液傳質(zhì)速率，使激光輻照區域的化學(xué)溶解速率進(jìn)一步加快。因此，耦合作用有利于提高復合加工效率，改善工件的加工質(zhì)量。
3、 試驗結果與分析
3.1TC4鈦合金激光-化學(xué)復合拋光表面形貌演化
研究TC4鈦合金表面形貌演化過(guò)程有助于進(jìn)一步明確激光-化學(xué)復合加工材料去除機理。根據TC4鈦合金的初始表面粗糙度、單次加工刻蝕深度、刻蝕加工質(zhì)量，包括微溝槽內的殘渣情況以及微溝槽的整體形貌，選擇最佳刻蝕參數。為兼顧拋光效率和拋光精度，整個(gè)拋光過(guò)程分為粗拋光（No.1-2）、半精拋光（No.3-6）和精拋光（No.7-15），具體拋光參數如表 3。
圖 4 顯示了不同加工階段過(guò)程中的鈦合金表面形貌和截面輪廓。TC4鈦合金初始表面有一層熱成型過(guò)程中產(chǎn)生的氧化皮，顯微鏡下主要呈烏黑色，表面凹凸不平明顯，如圖 4a 所示。圖 4b 為粗加工階段的典型表面形貌，經(jīng)過(guò)兩次激光掃描后，黑色氧化皮層被完全去除，表面突起已經(jīng)明顯減少，但表面依然存在眾多凹坑，截面輪廓顯示其表面粗糙度已得到明顯改善。TC4鈦合金激光-化學(xué)復合拋光粗加工階段，為了提高拋光效率，此時(shí)激光能量較大，工件表面的氧化皮及表面污垢主要是通過(guò)激光的熱-力效應去除，剝離下來(lái)的氧化皮、殘渣被循環(huán)化學(xué)液溶解、帶離。圖 4c 為半精加工階段的典型表面形貌，表面凹坑已明顯減少，但表面有部分激光燒蝕后的熔融物殘留，由截面輪廓可知其表面粗糙度得到進(jìn)一步改善。半精加工階段，激光刻蝕和化學(xué)腐蝕共同作用去除材料，但此時(shí)化學(xué)溶解并不能及時(shí)完全去除激光燒蝕產(chǎn)生的熔融物，因此其表面殘存著(zhù)少量微小的顆粒、附著(zhù)的重熔物、凝結的熔渣等。圖 4d 為進(jìn)一步降低激光能量密度并提高掃描速度后的精加工階段典型表面形貌，此時(shí)鈦合金表面主要呈灰白色，熔融物基本去除，表面更加平坦光滑，截面輪廓顯示此時(shí)粗糙度已得到顯著(zhù)降低。精加工階段需要進(jìn)一步降低激光能量密度，減少激光熱效應，此時(shí)材料去除以化學(xué)溶解為主，化學(xué)液不僅與工件材料發(fā)生化學(xué)反應，達到蝕除材料的目的，也與激光刻蝕產(chǎn)生的熔渣、細小的顆粒等發(fā)生化學(xué)反應，將其溶解，消除工件表面殘存的的熔渣或附著(zhù)在工件表面的熔融物，獲得平整、光滑和光澤化的表面。
根據 ISO 25178 標準，在激光共聚焦顯微鏡軟件中使用相位校正高斯濾波器對測得數據進(jìn)行分析和處理，測定不同加工階段的表面粗糙度 Ra 和 Sa。
圖 5 為T(mén)C4鈦合金激光-化學(xué)復合拋光不同激光掃描次數對應的表面粗糙度值。圖中可以看出，粗加工（第 1、2 次掃描）階段表面粗糙度 Ra 和 Sa 均快速下降（Ra: 5.230→2.651 μm, Sa: 8.630→3.761μm）；半精加工階段（第 3～6 次掃描）粗糙度下降速度趨緩，加工結束后的表面粗糙度 Ra 為 1.108μm，Sa 為 1.662 μm；精加工階段（第 7～15 次掃描）粗糙度下降速度進(jìn)一步趨緩，其中第 12～15次掃描粗糙度已經(jīng)幾乎無(wú)變化，說(shuō)明此時(shí)已達到鈦合金表面拋光飽和狀態(tài)。TC4鈦合金激光-化學(xué)復合拋光最終的拋光粗糙度 Ra 為 0.225 μm，Sa 為0.571 μm，較初始表面粗糙度分別下降 95.7%和93.4%。
化學(xué)拋光機理是基于原子尺度的材料溶解，因此它比激光熱-力效應刻蝕具有更高的拋光精度。激光熱-力效應去除與化學(xué)溶解去除材料的比值決定了鈦合金表面的最終粗糙度極限，化學(xué)溶解比例越高，最終表面光潔度越好，但拋光效率越低。因此，在最后的精拋光階段，可以適當降低激光輻照在工件表面的能量，以減少激光蝕刻的比例，提高最終
的拋光效果。此外，TC4鈦合金表面合金元素分布不均衡，也會(huì )影響最終的表面光潔度。這是因為T(mén)C4鈦合金中 Al 和 Fe 較 V 和 Ti 在酸性環(huán)境下的化學(xué)活性更好，化學(xué)腐蝕加工過(guò)程中存在微觀(guān)原電池現象，會(huì )導致陽(yáng)極優(yōu)先溶解。因此，由化學(xué)拋光機理可知最終的拋光極限還與材料的純度和微觀(guān)組織結構有關(guān)，材料成分越純，微觀(guān)組織結構越小，最終拋光效果會(huì )越好。
3.2TC4鈦合金激光-化學(xué)選擇性?huà)伖饧皺C理分析
圖 6 為T(mén)C4鈦合金激光-化學(xué)選擇性?huà)伖夂蟮谋砻嫘蚊埠途€(xiàn)輪廓對比圖。圖 6 左側為 220 目砂紙打磨后的鈦合金初始表面，右側為激光-化學(xué)復合拋光后的表面形貌。
如圖 6 所示，左側粗拋光后的區域去除了圖 4a 中的表層氧化皮，顯微鏡下呈暗黑色，表面有明顯砂紙打磨過(guò)的劃痕，右側經(jīng)激光-化學(xué)復合精拋光后的區域表面平坦光亮。線(xiàn)輪廓圖顯示，拋光后的表面明顯比初始表面平坦光滑，且兩者分界線(xiàn)明顯。經(jīng)表面粗糙度測量顯示，TC4鈦合金激光-化學(xué)復合拋光后表面粗糙度 Ra 從最初的1.681 μm 顯著(zhù)降低到 0.256 μm。激光-化學(xué)復合拋光材料的選擇性去除是基于激光蝕刻和激光活化的熱化學(xué)溶解。在激光-化學(xué)復合拋光過(guò)程中，激光輻照作為一種局部的和選擇性的熱源，可以誘導產(chǎn)生適當的熱沖擊，激活化學(xué)液與金屬表面的非均勻化學(xué)反應，從而產(chǎn)生溫度誘導的化學(xué)腐蝕。利用激光的熱化學(xué)效應對金屬材料進(jìn)行刻蝕，即在激光輻照區域，金屬表面的鈍化膜在物理和化學(xué)雙重作用下被剝離和溶解，使暴露的金屬基體與化學(xué)液直接接觸，金屬溶解產(chǎn)生可溶性金屬鹽化合物和氫氣，其化學(xué)反應方程式如式（8）所示：
同時(shí)，當激光照射在溶液中金屬表面時(shí)，使激光作用附近區域的腐蝕液溫度升高 ，使激光焦點(diǎn)處腐蝕液形成溫度梯度，產(chǎn)生強烈的微電流，從而把光照區。激光的熱-力效應主要去除激光聚焦部位的材料及鈍化膜，而其余部位的工件材料受到鈍化膜的保護幾乎不發(fā)生溶解腐蝕。在激光刻蝕和化學(xué)溶解的不斷作用下，輻照區和非輻照區刻蝕速率明顯不同，從而可以實(shí)現對金屬材料的選擇性刻蝕。圖 7 為T(mén)C4鈦合金激光-化學(xué)復合拋光機理。
如圖所示，在激光輻照下，工件表面的凸起“山峰”比凹坑“山谷”能吸收更多的激光能量。此外，“山谷”區域的吸收激光能量產(chǎn)生的熱量可以朝四面八方散熱，而“山峰”區域產(chǎn)生的熱量只能朝下方散熱，散熱效率明顯低于“山谷”，因此“山峰”區域較“山谷”熱累積更大，溫度會(huì )更高。根據阿倫尼烏斯公式，溫度越高，分子活性和化學(xué)反應速率越快，故“山峰”區域較“山谷”區域化學(xué)腐蝕速度更快。
此外，在激光-化學(xué)復合拋光過(guò)程中，工件表面始終與磷酸溶液直接接觸。在激光輻照下，工件表面的激光輻照區溫度迅速升高。由于熱傳導的作用，金屬內部形成了溫度梯度，會(huì )導致金屬內部自由電子從高溫區向低溫區遷移，由此產(chǎn)生了自由電子的濃度梯度，最終形成熱電動(dòng)勢。盡管產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢很低(100 K 的溫差產(chǎn)生約 0.1 V)，但由于電池尺
寸較小，因此電場(chǎng)強度非常高[24]。一般情況下，溫度較高區域的電勢為正，為電化學(xué)腐蝕的陽(yáng)極，優(yōu)先發(fā)生腐蝕。低溫區域的電勢為負，為電化學(xué)腐蝕的陰極，受到保護。熱電動(dòng)勢的存在會(huì )導致電化學(xué)腐蝕，極大地提高了鈦合金表面凸起“山峰”和凹坑“山谷”的溶解速率差。工件表面激光輻照區域粗糙度的降低就是通過(guò)材料峰-谷之間的溶解速率
差異來(lái)實(shí)現的。
3.3 氣泡擾動(dòng)分析
激光-化學(xué)復合拋光過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡會(huì )對拋光質(zhì)量產(chǎn)生重大的影響，拋光過(guò)程中應盡量避免或減少氣泡產(chǎn)生。氣泡容易附著(zhù)在工件表面隔絕了化學(xué)液與工件表面的接觸，同時(shí)附著(zhù)在材料表面的氣泡會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似微反射鏡的作用，改變光的傳播方向和分布，最終會(huì )導致刻蝕速率下降和拋光不均勻。
圖 8 為附著(zhù)在TC4鈦合金表面的氣泡對激光-化學(xué)復合拋光表面形貌的影響 3D 圖。圖中可見(jiàn)工件表面氣泡附著(zhù)區域形成明顯突起，表面的熔融物無(wú)法被化學(xué)溶解去除。
經(jīng)分析，氣泡的形成或產(chǎn)生的原因主要有以下三種：① 激光輻照使化學(xué)液升溫從而導致溶解的空氣溢出；② 過(guò)高溫度使溶液沸騰產(chǎn)生氣泡；③ 金屬靶材與化學(xué)液發(fā)生化學(xué)反應產(chǎn)生氫氣。因此，為了減少加工過(guò)程中的氣泡擾動(dòng)影響，可以適當降低激光功率，避免溶液溫度過(guò)高；適當加快化學(xué)液循環(huán)流速將產(chǎn)生的氣泡盡快帶走，避免對后續加工產(chǎn)生影響；合理規劃激光掃描路徑，使之與化學(xué)液流動(dòng)方向相反。實(shí)驗證明，采取上述綜合措施后，可以有效避免或減少氣泡對激光-化學(xué)復合拋光結果的影響。
4、 結論
（1）激光-化學(xué)復合加工材料去除是激光熱-力效應與化學(xué)溶解腐蝕共同作用的結果，而且兩者具有協(xié)同效應，在一定條件下能相互促進(jìn)，共同提升材料去除效率和加工質(zhì)量。
（2）激光輻照會(huì )造成材料表面“峰-谷”區域溫度差異，進(jìn)而導致化學(xué)溶解速率不同。工件表面激光輻照區域粗糙度的降低就是通過(guò)工件表面“峰-谷”之間的溶解速率差異來(lái)實(shí)現的。
（3）氣泡擾動(dòng)對激光化學(xué)復合拋光結果有明顯的影響，通過(guò)采取適當措施可以有效減少氣泡擾動(dòng)的影響。
（4）激光-化學(xué)復合拋光在自鈍化金屬選擇性精密拋光上有很好的應用前景，但化學(xué)液的配方、濃度、流速及如何進(jìn)一步提高拋光質(zhì)量和效率還須進(jìn)一步研究。
參 考 文 獻
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作者簡(jiǎn)介：邵勇，男，1990 年出生，博士。主要研究方向為激光精密微納加工。
E-mail: wzujdsh@163.com
孫樹(shù)峰（通信作者），男，1968 年出生，博士，教授，博士研究生導師。
主要研究方向為激光精密微納加工。
E-mail: shufeng2001@163.com
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