前言

钛合金具有优异的生物相容性、耐侵蚀性和力学性能，，，，，，，，普遍应用于生物医学领域，，，，，，，，已成为义齿、骨内莳植体、人工枢纽、介入性心血管支架、手术器械等医用产品的首选质料 [1-3] 。。。。。例如，，，，，，，，植入式人体心室辅助装置（Ventricular assist device）一样平常接纳钛合金材制，，，，，，，，它需要在包管优异生物相容性的同时，，，，，，，，控制其外貌粗糙度以镌汰血细胞的附着，，，，，，，，避免血管梗塞 [4-5] 。。。。。别的，，，，，，，，众多研究批注对医用钛合金植入物举行适当的外貌光整处置惩罚，，，，，，，，可以有用镌汰金属外貌侵蚀和细菌粘附 [6] 。。。。。一项 24 h 的钛合金外貌牙菌斑定植试验效果批注，，，，，，，，优异的钛合金外貌粗糙度能显著降卑微生物的附着 [7] 。。。。？？？？？？？？杉押辖鹱魑恢殖＜囊接弥柿，，，，，，，，在临床医学中对其外貌粗糙度有很高的要求。。。。。因此，，，，，，，，实现医用钛合金外貌选择性细密抛光具有主要的意义。。。。。

激光抛光是一种新兴的质料外貌光整手艺，，，，，，，，其通过激光与质料相互作用爆发的热效应使工件外貌熔化，，，，，，，，在外貌张力和重力的多向作用下，，，，，，，，熔池内的熔融物在相近区域重新漫衍，，，，，，，，随后在快速凝固后使质料外貌的峰-谷高度差减小，，，，，，，，从而获得对粗糙外貌的抛光效果 [8-10] 。。。。。激光抛光可解决超硬、超软、脆性、不导电等特殊质料的抛光问题，，，，，，，，并且使用扫描振镜和多轴运动控制平台可实现对重大曲面和特定区域的选择性抛光。。。。。可是，，，，，，，，激光抛光带来的热效应无法阻止，，，，，，，，导致因温度梯度大而爆发较大的热应力在质料外貌爆发变形、微裂纹等缺陷，，，，，，，，影响抛光质量 [11-12] 。。。。。别的，，，，，，，，医用 TC4 钛合金在高能激光辐照下，，，，，，，，熔融状态的钛会和空气中的氧气和氮气爆发反应，，，，，，，，导致带来新的外貌杂质污染，，，，，，，，不切合医用要求。。。。。

化学抛光是一种特殊情形下的化学侵蚀，，，，，，，，它通过化学试剂对证料外貌粗糙区域的选择性侵蚀消融而使质料外貌逐渐抵达整平和灼烁 [13] 。。。。；；；；；；；坠獾奶氐闶侨コ柿衔滤，，，，，，，，没有显著的热效应，，，，，，，，但通常需要预置掩膜来实现质料外貌的区域选择性抛光。。。。。

别的，，，，，，，，由于钛合金质料的元素漫衍不匀称，，，，，，，，会引起局部电位崎岖纷歧，，，，，，，，爆发局部阴阳极区，，，，，，，，形成局部导通的微电池，，，，，，，，使阳极爆发局部消融形成侵蚀坑，，，，，，，，难以实现医用钛合金质料外貌高精度的抛光 [14] 。。。。。激光-化学复合加工是一种新型的复合微细加工要领。。。。。通过激光刻蚀和化学侵蚀的团结，，，，，，，，可以扬长补短，，，，，，，，实现微细结构的高效高精度的加工。。。。。SON等 [15] 通过试验验证了激光-化学复合蚀刻要领可以在钛金属外貌无掩膜制备高深径比微通道阵列，，，，，，，，并探讨了加工历程中气泡对加工质量和工艺稳固性的影响。。。。。ZHANG 等 [16] 提出了激光-化学复合加工IN718 镍基高温合金小孔的新要领，，，，，，，，研究发明使用盐酸和硝酸钠混淆溶液可以有用消除激光烧蚀加工小孔所爆发的重铸层和热影响区。。。。。STEPHEN 等 [17]通过比照实验研究了激光加工和激光-化学复合加工镍钛合金边沿质量的区别，，，，，，，，研究发明与直接激光刻蚀相比，，，，，，，，激光-化学复合刻蚀的镍钛合金边沿精度更高，，，，，，，，毛刺、残渣碎片更少，，，，，，，，获得的侧壁平均外貌粗糙度 Ra 为 0.3 μm，，，，，，，，是直接激光直接刻蚀的十分之一。。。。。袁根福等 [18] 开展了激光-化学复合刻蚀加工高速钢盲孔外貌质量的相关工艺研究，，，，，，，，效果批注激光加工参数和化学侵蚀液因素和溶度都对试样外貌加工质量有主要影响。。。。。

上述研究批注，，，，，，，，激光-化学复合加工要领团结了激光刻蚀和化学侵蚀的优势，，，，，，，，是一种相对温顺的质料去除要领，，，，，，，，既阻止了激光刻蚀热效应爆发残渣和重熔层，，，，，，，，又无需要重大的掩膜，，，，，，，，能实现质料的选择性和可控性去除。。。。。鉴于此，，，，，，，，为战胜医用 TC4 钛合金简单抛光方法的缺陷，，，，，，，，本文设计并搭建了一套激光-化学复合抛光试验平台，，，，，，，，通过开展激光-化学复合抛光试验来探讨医用 TC4 钛合金激光-化学复合抛光外貌形貌演化纪律，，，，，，，，并进一步明确激光-化学复合抛光机理，，，，，，，，为钛合金或其他自钝化金属的细密抛光提供参考。。。。。

1 、试验系统及条件

1.1 试验系统

激光-化学复合抛光的试验装置主要包括两部分：激光加工系统和化学液循环系统，，，，，，，，如图 1 所示。。。。。

激光加工系统中，，，，，，，，激光器接纳纳秒脉冲光纤激光器（IPG 光子，，，，，，，，型号：YLPN-1-100-200-R），，，，，，，，输出波长为1064 nm，，，，，，，，脉冲宽度为 100 ns，，，，，，，，脉冲重复频率为20～2 000 kHz 可调，，，，，，，，输出模式为 TEM 00 高斯光束。。。。。

为阻止因平台高速运动而引起蚀刻液的强烈晃动，，，，，，，，实验接纳最大扫描速率为 2 m / s 的扫描振镜（Scanlab, intelliScan III-14）来实现差别轨迹的抛光。。。。。

激光器发出的激光束经由光束整形后进入扫描振镜的扫描头，，，，，，，，经场镜（LINOS F-theta-Ronar）后聚焦到工件外貌。。。。。通过旋转 z 轴偏向的手轮可以调理扫描头到试样外貌的距离。。。。。激光器和主要光学器件参数如表1所示。。。。。

激光器输出的光束为高斯光束，，，，，，，，凭证式（1）、（2）可以获得激光加工系统聚焦光束的焦深与光斑直径 [19] ：

式中，，，，，，，，Z 体现聚焦光束焦深，，，，，，，，d 为聚焦光束的光斑直径，，，，，，，，λ 体现激光波长，，，，，，，，M 2 体现激光光束质量，，，，，，，，f 体现聚焦透镜焦距，，，，，，，，ρ 为容差因子（这里 ρ 取 1.05），，，，，，，，D为聚焦前的激光束直径。。。。。代入相关数据可以盘算出激光加工系统聚焦光束的理论焦深为 0.72 mm，，，，，，，，光斑直径为 45.3μm。。。。。

图 1 激光-化学复合抛光试验装置

Fig. 1 Laser-chemical composite polishing experimental setup

化学液循环系统中，，，，，，，，工件试样被牢靠在蚀刻槽中，，，，，，，，注入化学液至完全浸没过工件上外貌，，，，，，，，化学液通过耐侵蚀泵的运行举行循环。。。。。通过调解步进电机的转速，，，，，，，，可以控制蚀刻槽中化学液的流速 / 流量。。。。；；；；；；；б旱奈裙萄妨鞫约す-化学复合加工系统至关主要，，，，，，，，它一方面提供了足够的电解质和快速的更新交流，，，，，，，，另一方面能将加工历程中爆发的气泡快速带离激光辐照区域。。。。。

1.2 试验条件

试验接纳医用 TC4 钛合金作为抛光试样，，，，，，，，样品尺寸为 30 mm×30 mm×1.5 mm，，，，，，，，其物理性能参数如表 2 所示。。。。。钛合金初始外貌 SEM 图和元素组成如图 2 所示。。。。。钛合金初始外貌能谱剖析效果批注，，，，，，，，主要因素Ti、V和Al的平均含量划分为89.25%、6.05%和 3.97%。。。。。 钛合金外貌合金元素漫衍不匀称，，，，，，，，差别区域元素含量略有差别。。。。。

图 2 TC4 钛合金初始外貌 SEM 图与元素组成

Fig. 2 SEM images and elemental composition of TC4 titanium alloy initial surface

钛合金的化学抛光所接纳的化学介质一样平常为氢氟酸与硝酸（HF-HNO3）的混淆液或含氟离子的酸性溶液，，，，，，，，可是氢氟酸是一种剧毒性物质，，，，，，，，极易挥发到空气中，，，，，，，，对情形和人体爆发重大危害，，，，，，，，并且在高能激光辐照下可能会爆发爆炸 [20] 。。。。。磷酸是一种常见的化学抛光侵蚀基液，，，，，，，，室温下其与钛合金不爆发反应。。。。。别的，，，，，，，，稀磷酸属于氧化性弱酸，，，，，，，，既能在激光辐照下与钛合金爆发化学反应，，，，，，，，又能迅速形成氧化膜阻止对基体造成太过侵蚀。。。。。因此，，，，，，，，本试验接纳 21.25wt.%（3.68 mol / L）的稀磷酸溶液作为激光-化学复合 抛 光 的 腐 蚀 液 。。。。。 采 用 激 光 共 聚 焦 显 微 镜（OLYMPUS LEXT OLS-4100）举行钛合金外貌形貌的视察和外貌粗糙度的丈量。。。。。

2、 激光-化学复合加工质料去除机理剖析

2.1 激光热效应与力效应去除质料

激光与溶液中金属靶材的相互作用主要体现为热效应和力效应 [21] 。。。。。高斯激光束辐照溶液中金属靶材的结构模子如图 3 所示。。。。。当激光束穿过化学溶液薄层并聚焦到溶液与金属靶材的接壤面上时，，，，，，，，激光能量会被金属靶材和溶液吸收，，，，，，，，造成接壤面处金属靶材和溶液温度的迅速升高。。。。。在求解高能脉冲激光辐照下溶液-靶材界面的瞬态温度漫衍时，，，，，，，，可以作以下假设：①脉冲激光作用时间很是短（ns 量级），，，，，，，，辐照在靶材外貌上热渗透深度很浅，，，，，，，，因此激光光斑中心处的热传导纪律可按一维傅里叶热传导模子举行剖析；；；；；；；②由于笼罩在靶材外貌的溶液厚度只有1～3 mm，，，，，，，，激光在溶液薄层中传输时的能量损失可忽略不计；；；；；；；③激光传输历程中偏向不爆发转变，，，，，，，，聚焦激光光斑形状不爆发转变；；；；；；；④固-液接壤面处，，，，，，，，溶

液和金属靶材的温度相同。。。。。因此脉冲激光辐照下金属靶材和溶液温度漫衍的一维傅立叶热传导方程划分为 [22] ：

图 3 溶液中金属靶材激光辐照结构模子

Fig. 3 Laser irradiation structure model of the metal target in solution

式中，，，，，，，， I_m(r,t ),i_l(r,t) 划分为激光辐照在金属靶材和溶液上的激光功率密度，，，，，，，， r 为轴对称坐标系中距光斑中心的径向距离，，，，，，，，t 为时间，，，，，，，，a_m 、a_l划分体现靶材和溶液的热扩散率，，，，，，，， T_m( z,t)、T_l(z,t)划分体现靶材和溶液划分在时刻 t 、深度 z 处的温度。。。。。

由于激光能量空间漫衍为高斯漫衍，，，，，，，，激光的脉 宽只有 100 ns, 且在时间上近似为矩形，，，，，，，，因此其激光辐照中心的处温升方程可用式（ 5 ）、（ 6 ）来形貌 [23] ：

式中，，，，，，，，a_A靶材外貌吸收率；；；；；；；I _m为靶材外貌的激光功率密度；；；；；；；α_m 体现靶材的热扩散率；；；；；；；γ_m 体现靶材的热导率；；；；；；； t_p体现激光脉冲宽度。。。。。由式（5）、（6）可知靶材外貌温度随时间的转变纪律。。。。。在脉冲宽度时间内，，，，，，，，靶材在极短时间内吸收强烈的激光脉冲能量，，，，，，，，并转化成热量，，，，，，，，使得激光辐照区内靶材-溶液界面处温度急剧上升至最高温度；；；；；；；脉冲时间事后，，，，，，，，激光辐照竣事，，，，，，，，温度在较短的时间内迅速下降，，，，，，，，强烈的升降温在纳秒量级时间内完成。。。。。由于短脉冲激光的这种高能量密度、高温升的特点(其热流密度高达MW / m² 量级，，，，，，，，温度转变率达 10⁷ K / s 以上)，，，，，，，，以致温度迅速抵达超高过热，，，，，，，，不但会使质料瞬间爆发熔化、汽化，，，，，，，，也会导致局部泛起爆发式的欢喜征象，，，，，，，，大宗气泡群的爆发。。。。。这些气泡在溃灭后会爆发强烈的攻击波，，，，，，，，攻击波反作用于金属靶材，，，，，，，，使激光烧蚀熔融金属瞬间迸发，，，，，，，，抵达刻蚀质料的目的。。。。。别的，，，，，，，，当脉冲激光的能量密度足够强（凌驾 10⁹ W / cm² ）时，，，，，，，，会使得金属靶材 / 溶液界面爆发光学击穿，，，，，，，，在聚焦区域内天生高温高压的等离子体，，，，，，，，并同时向外急剧膨胀扩张。。。。。由于受到周围溶液和靶材基体的约束，，，，，，，，会对金属靶材爆发显着的攻击效应，，，，，，，，加大了激光刻蚀历程中爆发的攻击力，，，，，，，，进一步增强了激光脉冲对证料的刻蚀作用。。。。。

2.2 激光诱导化学消融去除质料

钛及钛合金在空气中会与氧气反应天生一层致密的钝化膜（厚度为 3～10 nm），，，，，，，，室温下险些不与稀盐酸、稀硫酸、稀磷酸等爆发化学反应。。。。。使用激光与靶材相互作用的热效应与力效应能去除靶材外貌钝化层，，，，，，，，即当激光聚焦后透过溶液照射在靶材外貌时，，，，，，，，在激光辐照区域，，，，，，，，金属外貌的钝化膜在物理和化学作用下被剥离或消融，，，，，，，，袒露出的基体质料和化学液爆发化学反应，，，，，，，，天生金属离子消融到溶液中，，，，，，，，或天生沉淀产品被水流带走，，，，，，，，使得化学消融一连爆发下去。。。。。而靶材外貌其他未被激光辐照的区域有钝化膜的；；；；；；；，，，，，，，，则不会爆发化学反应。。。。。这样，，，，，，，，激光辐照区域与非辐照区刻蚀速率显着差别，，，，，，，，从而可以实现对自钝化金属靶材的选择性刻蚀。。。。。

2.3 耦合效应去除质料

激光热-力效应与化学侵蚀去除质料之间也会爆发耦相助用，，，，，，，，相相互互增进，，，，，，，，配合提高质料去除效率。。。。。首先，，，，，，，，激光热-力效应去除质料难免会爆发许多细小的残渣颗粒、凝固的熔融物等，，，，，，，，而化学侵蚀作用能大宗消融加工区域的细小颗粒残渣或熔融物质，，，，，，，，阻止了因这些物质对激光吸收和反射，，，，，，，，从而镌汰激光能量损失，，，，，，，，提高质料去除效率。。。。。其次，，，，，，，，激光热效应和力效应也会对证料化学消融爆发增进作用。。。。。高能激光辐照在溶液中金属靶材外貌，，，，，，，，造成热量的一直累积，，，，，，，，使激光辐照区域溶液的温度急剧升高，，，，，，，，化学液温度的升高会使得溶液的粘度下降、离子的迁徙运动速率增大，，，，，，，，从而使得化学反应速率加速。。。。；；；；；；；Х从λ俾食Ｊ胛露燃涞墓叵悼梢杂砂⒙啄嵛谒构剑ˋrrhenius equation）体现 [21] ：

式中，，，，，，，， K 为化学反应速率常数，，，，，，，， E a 为反应活化能，，，，，，，，R 为摩尔气体常数，，，，，，，， T 为热力学温度，，，，，，，， A 为频率因子。。。。。

凭证式（ 7 ）可以得出，，，，，，，，温度升高，，，，，，，，反应速率常数增大，，，，，，，，化学反应速率加速。。。。。同时，，，，，，，，激光辐照固 - 液接壤面周围的化学液温度瞬时升高，，，，，，，，导致细小区域溶液爆发性欢喜，，，，，，，，爆发较强的微对流，，，，，，，，加速溶液传质速率，，，，，，，，使激光辐照区域的化学消融速率进一步加速。。。。。因此，，，，，，，，耦相助用有利于提高复合加工效率，，，，，，，，改善工件的加工质量。。。。。

3、 试验效果与剖析

3.1 TC4 钛合金激光 - 化学复合抛光外貌形貌演化

研究 TC4 钛合金外貌形貌演化历程有助于进一步明确激光 - 化学复合加工质料去除机理。。。。。凭证 TC4钛合金的初始外貌粗糙度、单次加工刻蚀深度、刻蚀加工质量，，，，，，，，包括微沟槽内的残渣情形以及微沟槽的整体形貌，，，，，，，，选择最佳刻蚀参数。。。。。为兼顾抛光效率和抛光精度，，，，，，，，整个抛光历程分为粗抛光（ No.1 - 2 ）、半精抛光（ No.3 - 6 ）和精抛光（ No.7 - 15 ），，，，，，，，详细抛光参数如表 3 。。。。。

图 4 显示了差别加工阶段历程中的钛合金外貌形貌和截面轮廓。。。。。 TC4 钛合金初始外貌有一层热成型历程中爆发的氧化皮，，，，，，，，显微镜下主要呈乌玄色，，，，，，，，外貌高低不平显着，，，，，，，，如图 4a 所示。。。。。图 4b 为粗加工阶段的典范外貌形貌，，，，，，，，经由两次激光扫描后，，，，，，，，玄色氧化皮层被完全去除，，，，，，，，外貌突起已经显着镌汰，，，，，，，，但外貌依然保存众多凹坑，，，，，，，，截面轮廓显示其外貌粗糙度已获得显着改善。。。。。 TC4 钛合金激光 - 化学复合抛光粗加工阶段，，，，，，，，为了提高抛光效率，，，，，，，，此时激光能量较大，，，，，，，，工件外貌的氧化皮及外貌污垢主要是通过激光的热 - 力效应去除，，，，，，，，剥离下来的氧化皮、残渣被循环化学液消融、带离。。。。。图 4c 为半精加工阶段的典范外貌形貌，，，，，，，，外貌凹坑已显着镌汰，，，，，，，，但外貌有部分激光烧蚀后的熔融物残留，，，，，，，，由截面轮廓可知其外貌粗糙度获得进一步改善。。。。。半精加工阶段，，，，，，，，激光刻蚀和化学侵蚀配相助用去除质料，，，，，，，，但此时化学消融并不可实时完全去除激光烧蚀爆发的熔融物，，，，，，，，因此其外貌剩余着少量细小的颗粒、附着的重熔物、凝聚的熔渣等。。。。。图 4d 为进一步降低激光能量密度并提高扫描速率后的精加工阶段典范外貌形貌，，，，，，，，此时钛合金外貌主要呈灰白色，，，，，，，，熔融物基本去除，，，，，，，，外貌越发平展平滑，，，，，，，，截面轮廓显示此时粗糙度已获得显著降低。。。。。精加工阶段需要进一步降低激光能量密度，，，，，，，，镌汰激光热效应，，，，，，，，此时质料去除以化学消融为主，，，，，，，，化学液不但与工件质料爆发化学反应，，，，，，，，抵达蚀除质料的目的，，，，，，，，也与激光刻蚀爆发的熔渣、细小的颗粒等爆发化学反应，，，，，，，，将其消融，，，，，，，，消除工件外貌剩余的的熔渣或附着在工件外貌的熔融物，，，，，，，，获得平整、平滑和光泽化的外貌。。。。。

图 4 TC4 钛合金激光-化学复合抛光外貌形貌演化及其截面轮廓

Fig. 4 Surface morphology evolution and cross-sectional profile of TC4 titanium alloy by using laser-chemical composite polishing

凭证 ISO 25178 标准，，，，，，，，在激光共聚焦显微镜软件中使用相位校正高斯滤波器对测得数据举行剖析和处置惩罚，，，，，，，，测定差别加工阶段的外貌粗糙度 Ra 和 Sa 。。。。。图 5 为 TC4 钛合金激光 - 化学复合抛光差别激光扫描次数对应的外貌粗糙度值。。。。。图中可以看出，，，，，，，，粗加工（第 1 、 2 次扫描）阶段外貌粗糙度 Ra 和 Sa 均快速下降（ Ra: 5.230→2.651 μm, Sa: 8.630→3.761μm ）；；；；；；；半精加工阶段（第 3 ～ 6 次扫描）粗糙度下降速率趋缓，，，，，，，，加工竣事后的外貌粗糙度 Ra 为 1.108μm ，，，，，，，， Sa 为 1.662 μm ；；；；；；；精加工阶段（第 7 ～ 15 次扫描）粗糙度下降速率进一步趋缓，，，，，，，，其中第 12 ～ 15次扫描粗糙度已经险些无转变，，，，，，，，说明此时已抵达钛合金外貌抛光饱和状态。。。。。 TC4 钛合金激光 - 化学复合抛光最终的抛光粗糙度 Ra 为 0.225 μm ，，，，，，，， Sa 为0.571 μm ，，，，，，，，较初始外貌粗糙度划分下降 95.7% 和93.4% 。。。。。

图 5 TC4 钛合金外貌粗糙度（Ra / Sa）与激光扫描次数之间的关系

Fig. 5 Influence of different laser scanning times on surface roughness (Ra / Sa) of TC4 titanium alloy

化学抛光机理是基于原子标准的质料消融，，，，，，，，因此它比激光热 - 力效应刻蚀具有更高的抛光精度。。。。。激光热 - 力效应去除与化学消融去除质料的比值决议了钛合金外貌的最终粗糙度极限，，，，，，，，化学消融比例越高，，，，，，，，最终外貌光洁度越好，，，，，，，，但抛光效率越低。。。。。因此，，，，，，，，在最后的精抛光阶段，，，，，，，，可以适当降低激光辐照在工件外貌的能量，，，，，，，，以镌汰激光蚀刻的比例，，，，，，，，提高最终的抛光效果。。。。。别的，，，，，，，， TC4 钛合金外貌合金元素漫衍不平衡，，，，，，，，也会影响最终的外貌光洁度。。。。。这是由于 TC4钛合金中 Al 和 Fe 较 V 和 Ti 在酸性情形下的化学活性更好，，，，，，，，化学侵蚀加工历程中保存微观原电池征象，，，，，，，，会导致阳极优先消融。。。。。因此，，，，，，，，由化学抛光机理可知最终的抛光极限还与质料的纯度和微观组织结构有关，，，，，，，，质料因素越纯，，，，，，，，微观组织结构越小，，，，，，，，最终抛光效果会越好。。。。。

3.2 TC4 钛合金激光 - 化学选择性抛光及机理剖析

图 6 为 TC4 钛合金激光 - 化学选择性抛光后的外貌形貌和线轮廓比照图。。。。。图 6 左侧为 220 目砂纸打磨后的钛合金初始外貌，，，，，，，，右侧为激光 - 化学复合抛光后的外貌形貌。。。。。如图 6 所示，，，，，，，，左侧粗抛光后的区域去除了图 4a 中的表层氧化皮，，，，，，，，显微镜下呈暗玄色，，，，，，，，外貌有显着砂纸打磨过的划痕，，，，，，，，右侧经激光 -化学复合精抛光后的区域外貌平展灼烁。。。。。线轮廓图显示，，，，，，，，抛光后的外貌显着比初始外貌平展平滑，，，，，，，，且两者分界线显着。。。。。经外貌粗糙度丈量显示，，，，，，，， TC4 钛合金激光 - 化学复合抛光后外貌粗糙度 Ra 从最初的1.681 μm 显著降低到 0.256 μm 。。。。。

图 6 TC4 钛合金激光-化学选择性抛光效果

Fig. 6 Results of laser - chemical selective polishing of TC4 titanium alloy

激光 - 化学复合抛光质料的选择性去除是基于激光蚀刻和激光活化的热化学消融。。。。。在激光 - 化学复合抛光历程中，，，，，，，，激光辐照作为一种局部的和选择性的热源，，，，，，，，可以诱导爆发适当的热攻击，，，，，，，，激活化学液与金属外貌的非匀称化学反应，，，，，，，，从而爆发温度诱导的化学侵蚀。。。。。使用激光的热化学效应对金属质料举行刻蚀，，，，，，，，即在激光辐照区域，，，，，，，，金属外貌的钝化膜在物理和化学双重作用下被剥离和消融，，，，，，，，使袒露的金属基体与化学液直接接触，，，，，，，，金属消融爆发可溶性金属盐化合物和氢气，，，，，，，，其化学反应方程式如式（ 8 ）所示：

同时，，，，，，，，当激光照射在溶液中金属外貌时，，，，，，，，使激光作用周围区域的侵蚀液温度升高 ，，，，，，，，使激光焦点处侵蚀液形成温度梯度，，，，，，，，爆发强烈的微电流，，，，，，，，从而把更多的反应离子带到光照区，，，，，，，，而反应产品则被带离光照区。。。。。激光的热 - 力效应主要去除激光聚焦部位的质料及钝化膜，，，，，，，，而其余部位的工件质料受到钝化膜的；；；；；；；は招┎槐⑾谇质。。。。。在激光刻蚀和化学消融的一直作用下，，，，，，，，辐照区和非辐照区刻蚀速率显着差别，，，，，，，，从而可以实现对金属质料的选择性刻蚀。。。。。

图 7 为 TC4 钛合金激光 - 化学复合抛光机理。。。。。

如图所示，，，，，，，，在激光辐照下，，，，，，，，工件外貌的凸起“山峰”比凹坑“山谷”能吸收更多的激光能量。。。。。别的，，，，，，，，“山谷”区域的吸收激光能量爆发的热量可以朝周围八方散热，，，，，，，，而“山峰”区域爆发的热量只能朝下方散热，，，，，，，，散热效率显着低于“山谷”，，，，，，，，因此“山峰”区域较“山谷”热累积更大，，，，，，，，温度会更高。。。。。凭证阿伦尼乌斯公式，，，，，，，，温度越高，，，，，，，，分子活性和化学反应速率越快，，，，，，，，故“山峰”区域较“山谷”区域化学侵蚀速率更快。。。。。

图 7 TC4 钛合金激光-化学复合抛光机理

Fig. 7 Mechanism of laser-chemical composite polishing of TC4 titanium alloy

别的，，，，，，，，在激光 - 化学复合抛光历程中，，，，，，，，工件外貌始终与磷酸溶液直接接触。。。。。在激光辐照下，，，，，，，，工件外貌的激光辐照区温度迅速升高。。。。。由于热传导的作用，，，，，，，，金属内部形成了温度梯度，，，，，，，，会导致金属内部自由电子从高温区向低温区迁徙，，，，，，，，由此爆发了自由电子的浓度梯度，，，，，，，，最终形成热电动势。。。。。只管爆发的热电动势很低 (100 K 的温差爆发约 0.1 V) ，，，，，，，，但由于电池尺寸较小，，，，，，，，因此电场强度很是高 [24] 。。。。。一样平常情形下，，，，，，，，温度较高区域的电势为正，，，，，，，，为电化学侵蚀的阳极，，，，，，，，优先爆发侵蚀。。。。。低温区域的电势为负，，，，，，，，为电化学侵蚀的阴极，，，，，，，，受到；；；；；；；。。。。。热电动势的保存会导致电化学侵蚀，，，，，，，，极大地提高了钛合金外貌凸起“山峰”和凹坑“山谷”的消融速率差。。。。。工件外貌激光辐照区域粗糙度的降低就是通过质料峰 - 谷之间的消融速率差别来实现的。。。。。

3.3 气泡扰动剖析

激光 - 化学复合抛光历程中爆发的气泡会对抛光质量爆发重大的影响，，，，，，，，抛光历程中应只管阻止或镌汰气泡爆发。。。。。气泡容易附着在工件外貌阻遏了化学液与工件外貌的接触，，，，，，，，同时附着在质料外貌的气泡会爆发类似微反射镜的作用，，，，，，，，改变光的撒播偏向和漫衍，，，，，，，，最终会导致刻蚀速率下降和抛光不匀称。。。。。

图 8 为附着在 TC4 钛合金外貌的气泡对激光 - 化学复合抛光外貌形貌的影响 3D 图。。。。。图中可见工件外貌气泡附着区域形成显着突起，，，，，，，，外貌的熔融物无法被化学消融去除。。。。。

图 8 气泡对激光-化学复合抛光外貌形貌的影响 3D 图

Fig. 8 3D image of bubble effect on surface morphology of laser-chemical composite polishing

经剖析，，，，，，，，气泡的形成或爆发的缘故原由主要有以下三种：① 激光辐照使化学液升温从而导致消融的空气溢出；；；；；；；② 过高温度使溶液欢喜爆发气泡；；；；；；；③ 金属靶材与化学液爆发化学反应爆发氢气。。。。。因此，，，，，，，，为了镌汰加工历程中的气泡扰动影响，，，，，，，，可以适当降低激光功率，，，，，，，，阻止溶液温度过高；；；；；；；适当加速化学液循环流速将爆发的气泡尽快带走，，，，，，，，阻止对后续加工爆发影响；；；；；；；合理妄想激光扫描路径，，，，，，，，使之与化学液流动偏向相反。。。。。实验证实，，，，，，，，接纳上述综合步伐后，，，，，，，，可以有用阻止或镌汰气泡对激光 - 化学复合抛光效果的影响。。。。。

4、 结论

（ 1 ）激光 - 化学复合加工质料去除是激光热 - 力效应与化学消融侵蚀配相助用的效果，，，，，，，，并且两者具有协同效应，，，，，，，，在一定条件下能相互增进，，，，，，，，配合提升质料去除效率和加工质量。。。。。

（ 2 ）激光辐照会造成质料外貌“峰 - 谷”区域温度差别，，，，，，，，进而导致化学消融速率差别。。。。。工件外貌激光辐照区域粗糙度的降低就是通过工件外貌“峰 -谷”之间的消融速率差别来实现的。。。。。

（ 3 ）气泡扰动对激光化学复合抛光效果有显着的影响，，，，，，，，通过接纳适当步伐可以有用镌汰气泡扰动的影响。。。。。

（ 4 ）激光 - 化学复合抛光在自钝化金属选择性细密抛光上有很好的应用远景，，，，，，，，但化学液的配方、浓度、流速及怎样进一步提高抛光质量和效率还须进一步研究。。。。。

参 考 文 献

[1] ORKUN O E, AYSE E, SELIN O, et al. An investigationof the effect of surface characterization on Saos-2 cellproliferation after coating of titanium alloy surfaces by aselective laser melting process[J]. Surface and CoatingsTechnology, 2021, 422:127540.

[2] 虞宙，，，，，，，，张文杰，，，，，，，，胡俊. 皮秒激光对医用钛合金植入物外貌微加工及生物相容性的研究[J]. 中国激光，，，，，，，，2017，，，，，，，，44(1)：129-134.

YU Zhou, ZHANG Wenjie, HU Jun. Study on surfacemicromachining and biocompatibility of medical titaniumalloy implants by picosecond laser[J]. Chinese Journal oflaser, 2017, 44(1): 129-134. (in Chinese)

[3] ZHOU Y, SHI Y, ZHANG W J, et al. Picosecond lasertexturing on titanium alloy for biomedical implants in cellproliferation and vascularization[J]. Journal of BiomedicalMaterials Research. Part B: Applied Biomaterials, 2020,108(4):1494-1504.

[4] OZDEMIR Z, OZDEMIR A, BASIM G B. Application of chemical mechanical polishing process on titanium based implants[J]. Materials Science & Engineering: C, 2016, 68:383-396.

[5] 毕永琛. TC4 钛合金离子抛光工艺及机理研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，，，，，，，，2018.

BI Yongchen. Study on ion polishing technology and mechanism of TC4 titanium alloy[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2018. (in Chinese)

[6] 李倩，，，，，，，，武峰，，，，，，，，李金陆，，，，，，，，等. 金合金和钛合金外貌粗糙度与细菌黏附的较量[J]. 中国医药导报，，，，，，，，2010，，，，，，，，7(3)：22-23.

LI Qing, WU Feng, LI Jinlu, et al. Comparison of surface roughness and bacterial adhesion of gold and titanium alloys[J]. China Medical Herald, 2010, 7(3): 22-23. (in Chinese)

[7] RIMONDINI L, FARE S, BRAMBILLA E, et al. The effect of surface roughness on early in vivo plaque colonization on titanium[J]. Journal of Periodontology,1997, 68(6): 556-562.

[8] CHEN Y D, TSAI W J , LIU S H , et al. Picosecond laser pulse polishing of ASP23 steel[J]. Optics & Laser Technology, 2018, 107:180-185.

[9] BORDATCHEV E V, HAFIZ A M K, TUTUNEA-FATAN O R. Performance of laser polishing in finishing of metallic surfaces[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 73(1-4): 35-52.

[10] 陈博文，，，，，，，，孙树峰，，，，，，，，王茜，，，，，，，，等. 质料外貌激光抛光手艺研究希望[J]. 中外洋貌工程, 2021，，，，，，，，34(6)：74-89.

CHEN Bowen, SUN Shufeng, WANG Xi, et al. Research progress of laser polishing technology for material surface[J]. China Surface Engineering, 2021, 34(6): 74-89.(in Chinese)

[11] KRISHNAN A, FANG Fengzhou. Review on mechanism and process of surface polishing using lasers[J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2019, 14(3): 299-319.

[12] PERRY T L, WERSCHMOELLER D, LI X, et al. Pulsed laser polishing of micro-milled Ti6Al4V samples[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2009, 11(2): 74-81.

[13] 王良辉，，，，，，，，蒋小松，，，，，，，，刘恒全，，，，，，，，等. 钛合金(TC4)化学光整的工艺研究[J]. 质料导报，，，，，，，，2012，，，，，，，，26(S2)：364-366，，，，，，，，391.

WANG Lianghui, JIANG Xiaosong, LIU Hengquan, et al. Study on chemical finishing process of TC4 titanium alloy[J]. Materials Review, 2012, 26(S2): 364-366, 391.(in Chinese)

[14] 张军伟，，，，，，，，周超，，，，，，，，侯文博，，，，，，，，等. 金属医疗器械化学抛光研究希望[J]. 电镀与涂饰，，，，，，，，2018，，，，，，，，37(11)：514-518.

ZHANG Junwei, ZHOU Chao, HOU Wenbo, et al.Research progress in chemical polishing of metal medical instruments[J]. Electroplating & Finishing, 2018, 37(11):514-518. (in Chinese)

[15] SON S W, LEE M K, OH K H, et al. Fabrication of titanium microchannels using laser-assisted thermochemical wet etching[J]. Journal of Laser Applications, 2006, 18(2): 131-137.

[16] ZHANG Q, SUN S F, ZHANG F Y, et al. A study on film hole drilling of IN718 superalloy via laser machining combined with high temperature chemical etching[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 106(1-2): 155-162.

[17] STEPHEN A. Mechanisms and applications of laser chemical machining[J]. Physics Procedia, 2011, 12:261-267.

[18] 袁根福，，，，，，，，姚燕生，，，，，，，，陈雪辉，，，，，，，，等. 激光和化学复合刻蚀加工外貌质量的实验研究[J]. 中国激光，，，，，，，，2010，，，，，，，，37(1)：281-283.

YUAN Genfu, YAO Yansheng, CHEN Xuehui, et al. Experimental study on surface quality of laser and chemical compound etching[J]. Chinese Journal of laser,2010, 37(1): 281-283. (in Chinese)

[19] STEEN W M. Laser material processing[M]. 4th ed. New York: Springer, 2010.

[20] 李晓丹，，，，，，，，李建中，，，，，，，，倪家强，，，，，，，，等. 激光增材制造钛合金构件的化学抛光工艺研究[J]. 航空制造手艺，，，，，，，，2020，，，，，，，，63(10)：66-71.

LI Xiaodan, LI Jianzhong, NI Jiaqiang, et al. Chemical polishing of titanium alloy shape by laser additive Manufacturing[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2020, 63(10): 66-71. (in Chinese)

[21] 张向阳，，，，，，，，冯钦玉，，，，，，，，周建忠，，，，，，，，等. 激光热力效应对差别质料电化学刻蚀形貌的作用研究[J]. 中国激光，，，，，，，，2015，，，，，，，，42(5)：502002.

ZHANG Chaoyang, FENG Qinyu, ZHOU Jianzhong, et al.Analysis of laser thermal-mechanical effect on morphology of electrochemical etching on various materials[J]. Chinese Journal of laser, 2015, 42(5): 502002.(in Chinese)

[22] UENO I, SHOJI M. Thermal-fluid phenomena induced by nanosecond-pulse heating of materials in water[J]. Journal of Heat Transfer, 2001, 123(6): 1123-1132.

[23] LONG Y H, SHI T L, XIONG L C. Excimer laser electrochemical etching n-Si in the KOH solution[J].Optics and Lasers in Engineering, 2010, 48(5): 570-574.

[24] BUERLE D. Laser processing and chemistry[M]. 4th. ed.New York: Springer, 2011.

作者简介：邵勇，，，，，，，，男，，，，，，，，1990 年出生，，，，，，，，博士。。。。。主要研究偏向为激光细密微纳加工。。。。。

E-mail: wzujdsh@163.com

孙树峰（通讯作者），，，，，，，，男，，，，，，，，1968 年出生，，，，，，，，博士，，，，，，，，教授，，，，，，，，博士研究生导师。。。。。

主要研究偏向为激光细密微纳加工。。。。。

E-mail: shufeng2001@163.com

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