高温合金是制造航空发动机涡轮叶片的材料，由于涡轮叶片长期工作在高温环境中，其表面通常会进行微孔加工，从而提供高温保护^[1-2]。采用传统的长脉冲激光进行微孔加工，通常会出现重铸层和微裂纹等激光诱导缺陷，这些缺陷会对高温部件的疲劳时间产生不利影响^[3-4]。相比传统的长脉冲激光加工，超快激光加工有很大的优势。因为超快激光具有超短脉冲宽度、极高峰值强度和极小热影响区域的特点，可以实现对材料的高效率、高质量的加工^[5-8]。

关于超快激光在高温合金上的微孔加工工艺已有研究，但只有少数报道中能加工出较高质量的微孔^[9-11]。为了利用超快激光在高温合金上得到更高质量的微孔，需要了解高温合金在超快激光作用下的材料去除特性。目前，已有大量文献报道了超快激光对纯金属和部分常见合金作用的去除特性研究，如铜、铁、不锈钢和钛合金等^[12-15]。S. E. Kirkwood等人在中心波长为800 nm、脉宽为130 fs的激光下，对金属铜的烧蚀特性进行了研究，并根据烧蚀坑直径的平方值与激光能量成对数关系，得出金属铜的单脉冲去除阈值为（1.06±0.12） J/cm^2[12]。F. D. Niso研究了650 fs和10 ps的高频率超快激光下不锈钢的去除特性，对多脉冲的去除阈值进行了估算，并进一步分析了重复频率对累积效应的影响；结果表明，当重复频率低于600 kHz时，累积效应会降低，而在较高的重复频率下，不管脉冲持续时间长短，累积效应都很明显^[14]。

关于超快激光对高温合金的材料去除特性的相关研究并不多，且大多是在单一脉宽下的去除阈值探究^[16-18]。Q. Feng等人利用波长为780 nm、脉宽为150 fs、频率为1 kHz的飞秒激光测定了单晶高温合金单脉冲去除阈值为（332±14） mJ/cm^2[16]。N. G. Semaltianos等人研究了中心波长为775 nm、脉宽为180 fs、频率为1 kHz的飞秒激光作用下的镍基高温合金（C263）的烧蚀特性。并根据实验，测量了单脉冲去除阈值为（0.26±0.03） J/cm²，累积参数ξ=0.72±0.03^[17]。

本文主要探究了超快激光脉宽和脉冲数对高温合金去除阈值的影响。利用中心波长为(1028±5) nm、重复频率为100 Hz的超快激光，分别探究了290 fs，1 ps和7 ps脉宽下，高温合金在1，10，50，100，300，500和1000个激光脉冲作用后的去除特性。分析了激光脉宽和脉冲数对样品表面在激光脉冲辐照后产生的烧蚀坑大小的影响。并根据烧蚀坑直径的平方值和脉冲能量之间的存在对数关系，计算了高温合金在不同脉宽下的多脉冲去除阈值。并根据脉冲个数和去除阈值的关系，获得了不同脉宽下的累积效应系数。

1 实　验

1.1 样品准备

实验中使用的高温合金样品尺寸为15 mm×30 mm×2 mm，样品的各元素组成如表1所示。

为了更好地观察超短脉冲激光在样品表面上形成的烧蚀坑形貌，使用粒径为9 μm的金刚石研磨膏对高温合金样品表面进行磨抛。由光学粗糙度仪（Nano Cam SQ, 4D Technology，USA）测得磨抛后的样品表面粗糙度R_a从282.25 nm降到了43.84 nm，如图1所示。

图 1. 高温合金样品表面磨抛前后的粗糙度测试结果

Fig. 1. Surface roughness test results of superalloy samples

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1.2 实验装置和方法

实验中使用二极管泵浦Yb:KGW超快激光器（PHAROS, Light Conversion, Lithuania）产生的超快激光对高温合金样品进行加工。该激光器可以输出脉宽在290～10 000 fs内可调，频率在0.001～200 kHz内可调，中心波长为(1028±5) nm的超短脉冲激光，最大输出功率为20 W。实验中使用的激光脉冲频率为100 Hz，实验装置如图2所示。从超快激光器输出的线偏振激光，经过放大倍数为3×的扩束镜（Edmund, USA）放大后进入扫描振镜系统（Scanlab, Germany），振镜系统所使用场镜是焦距为163.5 mm的F-θ镜。放置在扫描振镜系统入口前的光阑（φ=8 mm）是用于除去光束传播过程中产生的杂散光。高温合金样品置于激光焦点处，由三维位移平台控制，焦点处的光斑半径理论计算值约16 μm。超快激光器、光学机械开关和扫描振镜系统均由电脑控制软件操控。

图 2. 超快脉冲激光加工系统示意图

Fig. 2. Schematic diagram of ultrashort pulse laser processing system

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为了探究超快激光的脉宽、能量和脉冲数对高温合金去除阈值的影响，实验中使用光学机械开关（Thorlabs，USA）控制加工的脉冲数量。本实验中的变量是脉冲宽度（290，1000，7000 fs）、脉冲能量（1.91，3.80，5.90，9.42，16.08，26.65 μJ）和脉冲个数（1，10，50，100，300，500，1000），根据这些参数利用上述的超短脉冲加工系统进行了全因素实验。实验后，使用150倍的激光共聚焦显微镜（Keyence, Japan）观察高温合金样品表面的烧蚀坑形貌，并以最大内接圆的直径来标定烧蚀坑的大小。

2 实验结果和分析

2.1 激光脉宽、能量和脉冲个数对烧蚀坑形貌的影响

在不同脉宽、脉冲能量和脉冲数的脉冲激光辐照下，高温合金样品表面会产生不同尺寸的烧蚀坑。图3是脉冲宽度为290 fs、脉冲数为100时，不同脉冲能量的激光辐照后的部分烧蚀坑形貌。从图3可以看出，脉冲能量的增加会使烧蚀坑直径变大。图3（c）的烧蚀坑中心出现了不规则凸起结构，是由相爆炸引起的^[19-20]。

图 3. 脉宽为290 fs时，100个不同脉冲能量的激光脉冲辐照后的烧蚀坑形貌

Fig. 3. Morphologies of ablation holes irradiated by 100 laser pulses with a pulse width 290 fs at different pulse energy

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为了进一步探究脉宽和脉冲个数对烧蚀坑大小的影响，绘制了不同脉宽和脉冲数下，高温合金表面的烧蚀坑直径与激光脉冲能量的关系，如图4所示。当脉冲个数和脉宽一定，脉冲能量低于5.90 μJ时，烧蚀坑直径随脉冲能量变化的幅度较大；脉冲能量超过5.90 μJ时，烧蚀坑直径随脉冲能量变化的幅度逐渐减小。当脉冲能量和脉宽一定时，烧蚀坑直径在前100个脉冲内随脉冲个数变化的幅度较大；当脉冲个数超过100时，烧蚀坑直径随脉冲个数变化的幅度逐渐减小。由图4可以看出，脉冲宽度的增加会加大脉冲个数对烧蚀坑直径的影响，当脉冲宽度由290 fs变化到7000 fs时，烧蚀坑直径随脉冲个数的变化范围增大约50%。

图 4. 高温合金表面在不同脉宽的超快激光作用下形成的烧蚀坑直径与激光能量的关系曲线

Fig. 4. Curves of ablation hole diameter vs laser energy for the superalloy surface after the irradiation of ultrafast laser with different pulse duration

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2.2 去除阈值

实验中使用的激光器所输出的激光束是高斯光束，其束腰位置沿传播方向横截面的能量分布表达式为^[21]

$ F(r) = F_0^{{\text{pk}}}\exp \dfrac{ - 2{r^2}}{\omega _0^2} $ (1)

$ F_0^{{\rm{pk}}}{\text{ = }}\dfrac{2{E_{\rm{P}}}}{\pi \omega _0^2} $ (2)

式中：ω₀是按照光强降为光强峰值的1/e²定义的光斑半径；E_p是激光的单脉冲能量； $ F_0^{{\rm{pk}}} $是峰值能量密度。

由高斯型激光束作用后的烧蚀坑直径与去除阈值的关系为^[21]

$ {D^2} = 2\omega _0^2\ln({E_{\rm{p}}}/{E_{{\rm{th}}}}) = 2\omega _0^2\ln(F_0^{{\rm{pk}}}/{F_{{\rm{th}}}}) $ (3)

式中：D是烧蚀坑直径；E_th，F_th是材料的去除阈值。

根据式（3）中烧蚀坑直径的平方值和脉冲能量之间的关系，利用最小二乘法对实验结果进行曲线拟合，其结果如图5所示。结合式（3）和图5，得到 $ {\omega _0} $约为21 μm，比理论计算值16 μm稍大。

图 5. 高温合金表面在不同脉宽的超快激光作用下形成的烧蚀坑直径的平方值与激光能量的关系曲线

Fig. 5. Curves of square of ablation hole diameter vs laser energy for the superalloy surface irradiated by ultrafast laser with different pulse duration

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根据图5和式（3）可以获得不同脉宽激光作用下的高温合金的多脉冲去除阈值，如表2所示。在290，1000和7000 fs脉宽的激光辐照下，高温合金的去除阈值均随脉冲个数的增加而减小。在前100个脉冲内，高温合金的去除阈值随脉冲个数增加的变化幅度较大，下降了约50%。当激光脉冲数超过100个脉冲后，高温合金的去除阈值随脉冲数增加的变化幅度很小，趋于一稳定值。该稳定值和激光脉宽有关，290，1000和7000 fs分别对应0.047，0.042和0.031 J/cm²。

由表2可知，脉宽也影响高温合金的去除阈值。当脉冲数低于100时，脉宽越小，去除阈值越低。从双温方程理论出发，脉宽越窄，电子温度会在极短的时间内升高，并且在短时间内将能量耦合到晶格中，使材料更容易发生相变。当脉冲数高于100时，脉宽越宽，高温合金去除阈值反而更小。皮秒量级的激光脉冲与高温合金样品的作用时间更长，根据双温方程理论，电子和晶格的耦合时间更长，随脉冲数的增加，晶格温度逐渐累积上升，从而使脉宽越宽的多脉冲作用下的材料去除阈值更小^[22-23]。

2.3 累积效应

去除阈值随脉冲数在前100个脉冲内的变化非常大，然后在随后的激光脉冲中变小，当脉冲数达到一定值时（≥500），阈值几乎保持不变，这种变化可以用累积效应来描述。累积效应描述为^[14，24]

$ {F_{{\rm{th}}}}(N) = {F_{{\rm{th}}}}(1){N^{\xi - 1}} $ (4)

式中：N是脉冲数； $ \xi $是累积效应系数；F_th(1)是单脉冲下的去除阈值；F_th(N)是N个脉冲下的去除阈值。式（4）也可以写成

$ \ln(N{F_{{\rm{th}}}}(N)/{F_{{\rm{th}}}}(1)) = \xi \ln(N) $ (5)

根据式（4）、式（5）对表2中的计算结果进行曲线拟合，得到高温合金去除阈值和脉冲个数的关系曲线图，如图6所示。

图 6. 不同脉宽下的高温合金去除阈值和脉冲数的关系曲线

Fig. 6. Curves of the ablation threshold vs number of pulses

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从图6（a）中可以看出，脉宽越宽高温合金随脉冲数变化的去除阈值趋于稳定值的速度越慢。当脉冲数增加到一定数值（≥500）时，脉宽越宽对应的高温合金的去除阈值越低。因为脉宽变宽后，单个激光脉冲与高温合金样品表面的作用时间加长，使得高温合金在多个脉冲连续作用下更容易发生热量累积。根据图6（b）可以得到不同脉宽对应的高温合金多脉冲去除阈值的累积效应系数值，如表3所示。

实验数据拟合得到，脉宽为290 fs时，累积效应系数为0.88；脉宽为1000 fs时，累积效应系数为0.86；脉宽为7000 fs时，累积效应系数为0.78。累积效应系数趋近于1，累积效应越明显，材料去除阈值随脉冲数的增加，趋于稳定值的速度越快。由图6（b）和表3的计算结果可以看出，累积效应系数值与激光脉宽呈反比关系，说明脉宽的增加会使去除阈值趋于稳定值的脉冲数增加。依据双温方程理论，激光脉宽越宽，电子温度吸收脉冲能量达到峰值的时间越长，且晶格温度耦合电子温度并达到稳定的弛豫时间也越长，因此在多个脉冲连续作用下，脉宽越宽时，材料去除阈值随脉冲数的变化趋势越缓慢^[25-26]。

3 结　论

实验探究了高温合金在中心波长为(1028±5) nm、频率为100 Hz，不同脉宽的超快激光分别作用下的多脉冲去除阈值特性。分析了不同脉冲宽度、脉冲能量和脉冲个数的超快激光作用下，高温合金表面烧蚀坑尺寸的变化规律。并根据烧蚀坑直径与激光脉冲能量之间存在的对数关系，推算了高温合金在不同脉宽作用下的多脉冲去除阈值。

（1）当脉冲个数和脉宽一定，烧蚀坑直径随脉冲能量增加而增加，但当脉冲能量超过5.90 μJ时，烧蚀坑直径随脉冲能量变化的幅度逐渐减小。当脉冲能量和脉宽一定时，烧蚀坑直径也随脉冲的增加而增加，但当脉冲个数超过100时，烧蚀坑直径随脉冲个数变化的幅度逐渐减小。脉冲宽度的增加会加大脉冲个数对烧蚀坑直径的影响，当脉冲宽度由290 fs变化到7000 fs时，烧蚀坑直径随脉冲个数的变化范围增大约一倍。

（2）根据高温合金表面的烧蚀坑直径和激光脉冲能量之间的对数关系，得到了高温合金在不同脉宽下的多脉冲去除阈值。当脉宽为290 fs时，在1，10，50，100，300，500和1000个激光脉冲作用下的高温合金的去除阈值分别为0.101，0.079，0.058 ，0.054，0.049 ，0.049和0.047 J/cm²；当脉宽为1000 fs时，去除阈值分别为0.106，0.071，0.055 ，0.050 ，0.046，0.042和0.042 J/cm²；当脉宽为7000 fs时，去除阈值分别为0.129，0.094，0.061，0.050，0.037，0.034和0.031 J/cm²。

（3）由于累积效应，去除阈值会随脉冲数的增加而下降的幅度逐渐变小，根据实验结果得到290，1000和7000 fs脉宽下的累积效应系数分别为0.88，0.86和0.78。累积效应系数值随激光脉宽的增加而减小，说明脉宽的增加会使去除阈值趋于稳定值的速度变慢。