1. 论文基本信息

1.1. 标题

Improving surface quality of LDED thin-wall Ti-6Al-4V alloy with ultralow influence on superficial layer via femtosecond laser polishing (通过飞秒激光抛光提高 LDED 薄壁 Ti-6Al-4V 合金的表面质量并实现对表层的超低影响)

1.2. 作者

Li Zhang (张立), Wentai Ouyang (欧阳文泰), Shuowen Zhang (张硕文), Xiaoxiao Chen, Chunhai Guo, Rujia Wang, Xiaoming Duan, Xiaodong Yang, Wenwu Zhang, Liyuan Sheng.

• 主要隶属机构: 宁波大学 (Ningbo University), 南方科技大学 (Southern University of Science and Technology), 哈尔滨工业大学 (Harbin Institute of Technology) 等。

1.3. 发表期刊/会议

Journal of Materials Processing Technology (JMPT)

• 发表时间: 2025年10月24日 (Published at UTC)
• 声誉: 该期刊是材料加工与制造领域的顶级期刊之一，专注于加工工艺对材料性能和微观结构的影响，具有很高的学术影响力。

1.4. 摘要

本文针对激光定向能量沉积 (LDED) 技术制造的 Ti-6Al-4V 薄壁组件表面质量差的问题，提出了一种在空气环境下进行的飞秒激光抛光 (FLP) 方法。传统的机械抛光和纳秒激光抛光 (NLP) 容易导致薄壁结构变形、表面微裂纹和深度氧化。研究表明，FLP 能通过选择性去除熔道峰值，将表面粗糙度从 37.24 μm 显著降低至 4.97 μm，同时将氧化层和热影响区 (HAZ) 的深度分别限制在 400 nm 和 5 μm 以内，且未引起结构变形。相比之下，NLP 会导致严重的表面开裂、深度氧化和结构变形。

1.5. 原文链接

• PDF 链接: /files/papers/693d96abfab55b0207482a87/paper.pdf
• 状态: 正式发表 (Published)。

2. 整体概括

2.1. 研究背景与动机

• 核心问题: 激光定向能量沉积 (LDED) 是一种金属 3D 打印技术，非常适合制造轻量化的 Ti-6Al-4V 合金薄壁结构（常用于低空飞行器）。然而，LDED 制造的零件表面非常粗糙（有明显的熔道），无法直接使用。
• 现有挑战:
  • 机械加工 (铣削/磨削): 容易导致刀具磨损，且切削力会引起薄壁结构的振动和变形。
  • 纳秒激光抛光 (NLP): 这是一个常见的热抛光方法。但对于 Ti-6Al-4V 这种导热性差且化学活性高的材料，NLP 的长脉冲会产生大量的热积累，导致深层的热影响区 (HAZ)、厚重的氧化层（尤其是在空气中）、微裂纹以及薄壁件的宏观热变形。
• 创新思路: 使用飞秒激光 (Femtosecond Laser) 进行抛光。飞秒激光的脉冲极短，能在热量传导到周围材料之前就将材料“冷烧蚀”掉。作者试图验证这种“冷”加工能否在改善表面粗糙度的同时，避免热损伤和结构变形。

2.2. 核心贡献与发现

• 工艺验证: 首次系统地在空气环境下，验证了飞秒激光抛光 (FLP) 对 LDED Ti-6Al-4V 薄壁件的有效性。
• 质量提升: 将表面粗糙度 ($R_a$) 降低了 86.7% (从 37.24 μm 降至 4.97 μm)。
• 损伤控制:
  • 结构: 实现了零宏观变形。
  • 微观: 氧化层厚度仅为 400 nm（NLP 为 24.6 μm 甚至 >200 μm），热影响区 (HAZ) 仅 5 μm（NLP 可达数百微米）。
  • 缺陷: 避免了 NLP 常见的表面密集微裂纹。
• 机理揭示: 阐明了 FLP 的“选择性去除”机制与 NLP 的“重熔流平”机制在微观结构演变上的本质区别。

3. 预备知识与相关工作

3.1. 基础概念

为了读懂这篇论文，初学者需要理解以下关键概念：

• LDED (Laser Direct Energy Deposition, 激光定向能量沉积): 一种增材制造（3D 打印）技术。通过激光束熔化同步送进的金属粉末，逐层堆积形成零件。特点是效率高，但表面因为熔化轨迹的堆叠而非常粗糙（像梯田一样）。
• Ti-6Al-4V (TC4 钛合金): 航空航天最常用的钛合金。难加工是它的主要特性，因为它导热系数低（热量散不出去，容易烧伤工件）且高温下化学活性极高（容易氧化变脆）。
• 薄壁结构 (Thin-wall Structure): 壁厚很薄的结构（本文中为 3mm）。这类结构刚性差，受力容易弯曲，受热容易翘曲变形，加工难度极大。
• 激光抛光 (Laser Polishing): 利用激光束照射材料表面。
  • 传统机制 (Continuous/Nanosecond): 熔化表面 -> 液态金属在重力和表面张力作用下流平 -> 凝固。这是一种热过程。
  • 飞秒激光 (Femtosecond Laser): 脉冲宽度极短（$10^{-15}$ 秒级别）。能量在极短时间内释放，功率密度极高。材料瞬间被电离、气化（升华），几乎没有时间将热量传导给周围材料。这被称为冷烧蚀 (Cold Ablation)。
• HAZ (Heat Affected Zone, 热影响区): 焊接或激光加工中，未熔化但因受热而发生微观组织或性能变化的区域。通常是性能薄弱区。

3.2. 技术演进与前人工作

• 机械加工: 传统的铣削会导致 Ti-6Al-4V 表面产生残余应力，且刀具磨损严重。

• 纳秒激光抛光 (NLP):

  • Xu 等人 [21] 曾用 NLP 抛光 Inconel 718，效果不错但重熔层很深 (>70 μm)。

  • Obeidi 等人 [23] 发现 NLP 用于 Ti-6Al-4V 时，虽然能降低粗糙度，但会产生超过 200 μm 的重熔层，且容易出现微裂纹。

  • 局限: 现有的 NLP 方法在处理薄壁 Ti-6Al-4V 时，无法解决热积累导致的变形和开裂问题（如下图所示，前人研究中出现了明显的裂纹和热损伤）。

    该图像是一个示意图，展示了脉冲激光抛光 (FLP) 的过程。FLP 相较于纳秒激光抛光 (NLP)，能有效降低表面粗糙度，减少烧蚀深度，并控制氧化层及热影响区的厚度。该方法展现出在空气环境下抛光 LDED Ti-6Al-4V 薄壁部件的优越性。

  上图（原文 Fig. 1）展示了现有技术的局限性：机械铣削导致刀具磨损，纳秒激光抛光（NLP）导致厚氧化层、微裂纹和热影响区（HAZ）。相比之下，本文提出的飞秒激光抛光（FLP）旨在实现无热损伤的抛光。

3.3. 差异化分析

本文的 FLP 方法与前人 NLP 方法的核心区别在于能量作用机制：

• NLP: 靠“熔化-流平”。副作用是大量热输入，导致氧化、开裂、变形。
• FLP (本文): 靠“光致电离/升华”。能量用于移除材料而非加热材料，从而在空气中也能实现高质量、低损伤的抛光。

4. 方法论

4.1. 方法原理：冷烧蚀与选择性去除

飞秒激光抛光 (FLP) 的核心思想是利用超短脉冲的高峰值功率密度，使材料表面瞬间发生非热熔性去除（升华或电离）。

1. 极短的相互作用时间: 激光脉冲持续时间（约 300 fs）远小于电子将能量传递给晶格的时间（皮秒级）。因此，材料被去除时，热量还来不及传导到周围基体，实现了“冷加工”。
2. 选择性去除: 通过控制激光的聚焦点位置（离焦），优先去除表面凸起的“峰”，逐步降低波峰波谷的高度差。

4.2. 核心方法详解

4.2.1. 飞秒激光抛光 (FLP) 实验设置

作者搭建了五轴飞秒激光加工系统。为了找到最佳参数，进行了正交实验。

• 激光器: 波长 1030 nm，脉冲宽度 317 fs，重复频率 175 kHz。

• 关键策略 - 正离焦 (Positive Defocusing): 作者发现将焦点置于工件表面上方 5 mm 处效果最好。

  • 原理: 离焦光斑较大，但能量呈高斯分布。凸起的表面材料（熔道峰值）离焦点更近，接受的能量密度更高，更容易被烧蚀去除；而凹陷处（波谷）能量密度较低，去除量少。这种差异化去除实现了平滑效果。

• 扫描策略: 采用多层扫描（20层），逐层“削”掉凸起部分。

  下图展示了 FLP 的参数优化结果，(e) 图显示正离焦 (+5mm) 获得了最低的粗糙度：

  

  最终优化的 FLP 参数 (Table 3):

• 激光能量密度: $3.12 \text{ J/cm}^2$

• 离焦距离: $+5 \text{ mm}$

• 扫描速度: $200 \text{ mm/s}$

• 扫描层数: 20 层

4.2.2. 对比实验：纳秒激光抛光 (NLP)

为了严格验证“脉冲宽度”是关键因素，作者设计了两组 NLP 对照实验：

1. NLP-12 (同单脉冲能量): 功率设为 12W，使其单脉冲能量与 FLP 相同。用于通过控制能量变量来对比脉宽影响。
2. NLP-100 (高功率): 功率设为 100W (最大功率)。这是纳秒激光常用的高效率参数，用于对比工业常用参数的效果。

4.2.3. 表面形貌演变过程

作者详细记录了 FLP 过程中，随着扫描层数增加，表面形貌的变化。

• 初始阶段: 优先去除熔道顶部的凸起。

• 中间阶段: 峰谷高度差逐渐减小。

• 最终阶段: 原始的熔道特征完全消失，表面变得平坦。

  下图直观展示了这一过程： 该图像是图表，展示了不同层数处理后LDED Ti-6Al-4V合金的表面形貌。图（a）显示原始样品与经过2至20层处理样品的表面轮廓；图（b）为高度变化曲线；图（c）为各层数样品的三维表面图。结果表明，表面粗糙度随处理层数的增加而有所改善。

上图（原文 Fig. 3）展示了 FLP 抛光过程中（从 2 层到 20 层），LDED 原始熔道（波峰）被逐步去除，表面轮廓逐渐平缓的过程。

5. 实验设置

5.1. 实验材料

• 材料: Ti-6Al-4V 合金粉末，通过 LDED 技术打印成薄壁板。
• 尺寸: $130 \text{ mm} \times 10 \text{ mm} \times 3 \text{ mm}$。这种大长径比、小厚度的结构极易发生热变形。

5.2. 评估指标

作者使用了多维度的指标来评估抛光效果：

1. 表面粗糙度 ($R_a$, $S_a$):

   • 定义: 表面微观几何形状误差的算术平均值。
   • 公式: $$R_a = \frac{1}{l} \int_{0}^{l} |y(x)| dx$$
     • 符号解释: $l$ 是取样长度，y(x) 是轮廓偏距（表面点到基准线的距离）。
   • 目的: 量化表面的平滑程度。

2. 磨损率 (Wear Rate, $W$):

   • 定义: 单位载荷和单位滑动距离下的材料体积损失，衡量耐磨性。
   • 公式: $$W = \frac{V}{F_N \bullet S} \quad (\frac{mm^3}{N \bullet m})$$
     • 符号解释:
       • $V$: 磨损体积 (Volume loss)，通过磨痕截面积乘以磨痕长度计算。
       • $F_N$: 施加的法向载荷 (Applied load, 15 N)。
       • $S$: 总滑动距离 (Total sliding distance, 180 m)。

3. 微观结构参数:

   • 氧化层厚度: 通过 SEM 和 EDS 测量。
   • 热影响区 (HAZ) 深度: 通过金相显微镜和 EBSD 观测晶粒变化深度。
   • 显微硬度: 维氏硬度 (Hv)。

5.3. 对比基线

• As-built (原始态): LDED 打印后未处理的表面。
• NLP-12: 同单脉冲能量的纳秒激光抛光。
• NLP-100: 高功率纳秒激光抛光。
• Hot-forged (热锻件): 传统的 Ti-6Al-4V 制造工艺，作为机械性能的参考标准。

6. 实验结果与分析

6.1. 表面形貌与粗糙度分析

核心结果: FLP 取得了压倒性的优势。

• As-built: 表面粗糙度 $R_a = 37.24 \mu\text{m}$，有明显的熔道波纹。

• FLP: 表面粗糙度降至 $R_a = 4.97 \mu\text{m}$（降低 86.7%）。熔道完全消失，表面呈现细微的激光诱导周期性表面结构 (LIPSS)。

• NLP-12: 粗糙度几乎没有改善，且表面出现了许多微裂纹。

• NLP-100: 表面被严重破坏，粗糙度反而升高至 $52.91 \mu\text{m}$，伴随巨大的重熔凸起和密集裂纹。

  下图对比了不同处理后的表面微观形貌：

  该图像是插图，展示了 femtosecond 激光抛光 (FLP) 对 LDED Ti-6Al-4V 薄壁合金表面粗糙度的改善效果。通过选择性去除熔化轨迹的峰区域，FLP 将表面粗糙度降至 4.97 μm，相比之下，常规纳秒激光抛光 (NLP) 导致表面出现密集裂纹和较差的表面质量。

上图（原文 Fig. 4）对比了 As-built、FLP、NLP-12 和 NLP-100 的表面。可以看到 FLP (b) 表面最平整，而 NLP 样品 (c, d) 表面不仅粗糙，还有明显的裂纹和热损伤。

6.2. 结构变形与热损伤

这是薄壁件加工最关注的指标。

• FLP: 无宏观变形。说明飞秒激光产生的热应力极小，不足以导致薄壁板弯曲。

• NLP: 随着功率增加，样品发生了显著的弯曲变形。这是因为纳秒激光产生的深层热应力释放导致的。

  下图展示了这种惊人的对比：

  该图像是图表，展示了不同激光处理方法下的弯曲变形分析。上部分为不同处理状态的宏观形态，包括原始状态（As-built）、超快激光抛光（FLP）、和纳秒激光抛光的两种参数（NLP-12 和 NLP-100）。下部分为Z位移与距离的关系曲线，比较了这几种状态在相同条件下的变形差异。

上图（原文 Fig. 6）清晰展示了 NLP 样品发生了明显的翘曲（弯曲），而 FLP 样品保持了原本的平直形状。

6.3. 微观结构与氧化分析

通过 SEM、EBSD 和 TEM 的深入分析，作者揭示了不同激光对表层微观结构的影响。

• 氧化层 (Oxide Layer):
  • FLP: 极薄，< 400 nm。即便在空气中加工，由于作用时间极短，氧气来不及大量扩散。
  • NLP: 非常厚。NLP-12 为 24.6 μm，NLP-100 甚至超过 200 μm。这是因为长时间的熔池存在使得氧气大量渗入。
• 热影响区 (HAZ):
  • FLP: 深度 < 5 μm。晶粒仅在极表层有轻微的取向改变。
  • NLP: 深度巨大（> 200 μm）。晶粒发生粗化，且由于热流方向单一，形成了垂直生长的柱状晶，这是导致裂纹和性能各向异性的根源。

数据呈现 (不同样品的表面元素含量): 以下是原文 Table 4 的结果，显示了 FLP 样品表面的氧含量显著低于原始态和 NLP 样品（注意：原始态表面本身有自然氧化层，FLP 去除了它并限制了新的氧化）：

微观结构机理图解: 下图总结了 NLP 和 FLP 作用机理的本质区别：

该图像是示意图，展示了激光扫描过程中的温度和微观结构状态、激光扫描后的应力状态及最终状态。分别比较了纳秒激光和飞秒激光对Ti-6Al-4V合金表面的影响，以及氧化层和热影响区（HAZ）的形成与演变。

上图（原文 Fig. 18）是全文的核心机理图。左侧 (Nanosecond) 显示形成深大的熔池、厚氧化层和裂纹；右侧 (Femtosecond) 显示通过电离/升华产生的极浅熔池（纳米级），氧化层极薄，无裂纹。

6.4. 机械性能（硬度与磨损）

• 显微硬度: FLP 处理后的截面硬度分布与基材基本一致，说明没有发生软化或过度硬化。NLP 样品表面因严重氧化变得极硬（脆），但内部因热影响可能软化。
• 耐磨性: FLP 样品的磨损率最低。

  • 原因: 表面形成的 LIPSS (周期性微结构) 可能起到了微织理的作用，能捕获磨屑或储存润滑介质（虽然是干摩擦，微织理也能减少接触面积）。同时，避免了 NLP 样品因表面脆性氧化层剥落而导致的严重磨粒磨损。

    下图展示了不同样品的硬度分布：

    该图像是图表，展示了不同样品在不同深度下的显微硬度测试结果，分别标注为As-built、FLP、NLP-12和NLP-100，误差条基于七个测试点的标准差。图中还标出了热锻硬度353.1 Hv。

上图（原文 Fig. 16）显示，FLP（红色）的硬度曲线非常平稳，接近原始态（黑色）；而 NLP（蓝色/绿色）在表层有极高的硬度（氧化脆层），随后急剧下降，表明性能极其不均匀。

7. 总结与思考

7.1. 结论总结

这篇论文成功证明了飞秒激光抛光 (FLP) 是解决 LDED Ti-6Al-4V 薄壁件表面质量问题的理想方案。

1. 效果显著: 粗糙度降低 86.7%，达到精密零件要求。
2. 超低损伤: 它是真正的“冷加工”，将热影响限制在纳米/微米级（氧化层 < 400nm, HAZ < 5um），完全避免了宏观热变形和微观裂纹。
3. 环境友好: 即使在空气环境下也能获得高质量表面，无需昂贵的惰性气体保护，降低了工程应用门槛。

7.2. 局限性与未来工作

• 效率问题: 论文中提到 FLP 采用逐层扫描（20层），且光斑小、单脉冲能量低。相比于单次大面积扫描的 NLP，FLP 的加工效率较低。未来的工作可能需要探索如何提高加工效率（如高功率飞秒激光、多光束并行加工）。
• 表面纹理: FLP 产生的 LIPSS 结构虽然有利于耐磨，但对于某些对流体动力学有极端要求的应用，这种微织理的影响还需要进一步评估。

7.3. 个人启发与批判

• “快”即是“冷”: 这篇论文非常直观地展示了激光加工领域的一个核心哲学——通过缩短能量作用时间（从纳秒到飞秒），可以从根本上改变材料去除的物理机制（从热熔化转变为冷烧蚀）。这对于处理所有热敏感、易变形的精密材料都有借鉴意义。
• 空气环境的突破: 传统观念认为钛合金加工必须气体保护。本文证明了只要能量密度极高且作用时间极短，氧化动力学就会被抑制，这打破了常规思维，为低成本加工提供了新思路。
• 思考: 虽然 FLP 效果好，但设备成本目前远高于纳秒激光器。工业界需要在“表面质量/良品率”带来的收益与“设备投入/时间成本”之间做权衡。对于航空航天等高附加值薄壁件，FLP 显然极具竞争力。