激光精密加工技術(shù)在促進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新升級的同時(shí)，也推動(dòng)了光學(xué)、物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)等前沿交叉學(xué)科的發(fā)展。北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實(shí)驗(yàn)室管迎春教授課題組綜述了激光精密加工技術(shù)在空天、醫(yī)療、半導(dǎo)體晶圓制造等領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，聚焦北航激光團(tuán)隊(duì)激光精密加工方向最新研究成果，并展望未來發(fā)展趨勢。

　　金屬增材構(gòu)件激光精密拋光

　　金屬激光增材技術(shù)為具有輕量化、難加工特征的航空航天關(guān)鍵構(gòu)件提供了高性能、低成本、快速、柔性等制造策略。然而，金屬增材構(gòu)件表面通常存在粉末黏結(jié)、飛濺等缺陷，嚴(yán)重惡化空天工況下疲勞壽命、傳動(dòng)精度及裝配穩(wěn)定性等性能。傳統(tǒng)機(jī)械或化學(xué)方法難以滿足日趨復(fù)雜的表面光整需求。激光拋光以非接觸、柔性、綠色、高效等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜金屬增材構(gòu)件表面光整方面具有顯著優(yōu)勢。

　　德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所Kumstel團(tuán)隊(duì)[1]研究了工藝參數(shù)對金屬拋光效果的影響，揭示了激光拋光基本原理;香港理工大學(xué)Wang團(tuán)隊(duì)[2]發(fā)現(xiàn)激光拋光可明顯細(xì)化增材鈷鉻合金表面微觀組織，提高其耐腐蝕性能。

　　北航激光團(tuán)隊(duì)多年專注研究激光精密拋光裝備及工藝，研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)雜金屬構(gòu)件激光精密拋光樣機(jī)，開發(fā)了專用拋光工藝，重點(diǎn)突破了大拐點(diǎn)、復(fù)雜曲面、內(nèi)壁等光整瓶頸，結(jié)合原位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等智能化新方法，實(shí)現(xiàn)金屬增材構(gòu)件表面粗糙度(Ra)由>5 μm降低至<0.05 μm，孔隙率降低了>60%，疲勞壽命提高了>20%。與此同時(shí)，激光拋光細(xì)化晶粒，均勻顯微組織組分，進(jìn)一步提高了機(jī)械力學(xué)性能(圖1)。

　　圖1 激光精密拋光。(a)機(jī)理分析: (a-1)構(gòu)件的溫度場分布, (a-2)熔池溫度, (a-3)熔池流動(dòng), (a-4)元素偏析抑制機(jī)理; (b)拋光工藝實(shí)施: (b-1)拋光策略規(guī)劃, (b-2)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型, (b-3)增材曲面工件拋光, (b-4)增材牙科植入物拋光; (c)激光拋光表面質(zhì)量: (c-1)激光拋光表面與原始表面SEM圖像, (c-2)激光拋光表面的激光掃描共聚焦(CLSM)圖像, (c-3)原始增材件表面 CLSM 圖像, (c-4)原始增材件橫截面孔隙率的計(jì)算機(jī)斷層掃描 (CT) 圖像; (c-5)拋光件橫截面孔隙率的 CT 圖像; (d)拋光層組織和性能: (d-1)拋光層截面, (d-2)拋光層組織透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像, (d-3)拋光構(gòu)件壓縮屈服強(qiáng)度

　　金屬-復(fù)材激光高強(qiáng)連接

　　“為減輕每一克重量而奮斗，一克重量比金貴”。航空航天飛行器減重需求促使輕質(zhì)復(fù)合材料在空天飛行器制造中的占比顯著增加，金屬與復(fù)合材料之間的高性能連接成為關(guān)鍵技術(shù)問題。傳統(tǒng)機(jī)械連接和膠接等方法存在重量增加、接頭強(qiáng)度低等問題。

　　德國亞琛大學(xué)klotzbach團(tuán)隊(duì)[3]利用連續(xù)激光在低碳鋼表面制備微結(jié)構(gòu)，使低碳鋼與玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺聚合物接頭剪切強(qiáng)度提高至20 MPa以上。清華大學(xué)單際國教授團(tuán)隊(duì)[4]研究了激光連接過程中連接界面附近氣泡缺陷的形成機(jī)理。

　　北航激光團(tuán)隊(duì)提出了激光異質(zhì)連接新方法，在金屬與復(fù)合材料連接界面形成了互鎖結(jié)構(gòu)，避免了熔融樹脂凝固收縮缺陷，將鈦合金與碳纖維復(fù)材接頭強(qiáng)度提高到60 MPa以上，顯著高于目前文獻(xiàn)報(bào)道，且接頭具有良好耐候性，反復(fù)冷熱交替等模擬工況下不影響連接效果。

　　超快激光一站式制備功能表面

　　復(fù)雜、嚴(yán)酷的服役環(huán)境對新型空天飛行器結(jié)構(gòu)件性能提出高要求的同時(shí)，也對飛行器零部件提出了增升、減阻、隱身、防冰、自清潔等功能需求。利用超快激光微納加工技術(shù)制備功能表面近年來備受關(guān)注。

　　美國羅徹斯特大學(xué)Guo團(tuán)隊(duì)[6]利用飛秒激光在鈦、銅等金屬表面制備分層微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，明顯降低金屬表面在紅外波段的反射率。清華大學(xué)鐘敏霖團(tuán)隊(duì)[7]利用超快激光-熱氧化復(fù)合工藝在銅表面制備了接觸角達(dá)160°三級微納米超疏水結(jié)構(gòu)，有效延遲結(jié)冰形核時(shí)間。西安交通大學(xué)梅雪松團(tuán)隊(duì)[8]結(jié)合皮秒激光誘導(dǎo)和化學(xué)修飾，在鈦合金表面制備微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了200-2600 nm寬波段范圍內(nèi)平均反射率達(dá)4.12%。

　　北航激光團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一站式多功能表面超快激光裝備和工藝，無需多步驟制備及后續(xù)修飾(圖2)。在不銹鋼等金屬材料表面制備耐磨持久超疏水抗結(jié)冰功能微納結(jié)構(gòu)，接觸角>159°，結(jié)冰時(shí)間延遲8小時(shí)以上，并具備良好的自清潔功能;在鈷合金、鈦合金等難加工金屬表面分別制備減反和減阻功能微納結(jié)構(gòu)，在綠光-近紅外寬波譜范圍內(nèi)反射率降至10%以下，空氣減阻率達(dá)11.73%。

　　圖2 超快激光制備金屬疏水防冰功能表面。(a-1) 金屬微納結(jié)構(gòu)電鏡圖片, (a-2) 微柱結(jié)構(gòu)三維形貌圖, (a-3) 超疏水表面水滴, (a-4) 水滴動(dòng)態(tài)下落-反彈過程; (a-5) 疏水表面上下擠壓水滴動(dòng)態(tài)過程;(b)超疏水功能微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)理; (c-1)磨損疏水表面電鏡圖, (c-2)超疏水表面熱穩(wěn)定性, (c-3)超疏水表面延遲結(jié)冰表現(xiàn)(?8.5±0.5℃)

　　超快激光智能鉆骨

　　人口老齡化、社會(huì)生活方式轉(zhuǎn)變等因素導(dǎo)致骨科疾病發(fā)病率逐年上升，我國每年骨科創(chuàng)傷病例高達(dá)2000萬例。骨科臨床手術(shù)需要進(jìn)行骨組織鉆孔，傳統(tǒng)的機(jī)械鉆骨易造成骨孔壁粗糙、微裂紋等缺陷，術(shù)后愈合效果不佳。超快激光具有脈寬短、脈沖能量高、熱損傷低等優(yōu)勢，有效降低骨鉆孔過程的消融閾值，避免骨組織碳化和熱機(jī)械開裂，提高鉆孔精度。

　　美國德克薩斯大學(xué)Kang 團(tuán)隊(duì)[9]研究了不同環(huán)境對長脈沖激光消融牛脛骨的影響。結(jié)果顯示，液體與干燥環(huán)境骨消融速率相當(dāng)，且無碳化跡象，而水霧環(huán)境提高了骨消融速率。福建師范大學(xué)謝樹森團(tuán)隊(duì)[10]研究發(fā)現(xiàn)在骨組織表面施加薄水層，激光鉆骨切口形狀更加規(guī)則、干凈，熱損傷更低。

　　北航激光團(tuán)隊(duì)提出了氣/水輔助冷卻超快激光鉆骨方法，一方面有效消除了熱效應(yīng)對鉆骨質(zhì)量的負(fù)面影響，另一方面有效減少骨屑?xì)埩?，大大降低了術(shù)中骨殘留導(dǎo)致炎癥概率。在此基礎(chǔ)上，北航激光團(tuán)隊(duì)采取精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與高速全數(shù)字振鏡協(xié)同連動(dòng)新方法，成功實(shí)現(xiàn)了接近臨床手術(shù)的直徑<2 mm、深度>5 mm的大孔徑骨加工，去除率達(dá)0.99 mm3/s(現(xiàn)有文獻(xiàn)最高指標(biāo))，孔壁表面完整，加工質(zhì)量良好，并在鉆骨基礎(chǔ)上對孔壁進(jìn)行改性，有效增強(qiáng)了骨再生功能(圖3)。

　　圖3 高效率超快激光加工骨孔分析。(a-1)~(a-3)骨孔三維形貌; (b-1)~(b-3)骨屑; (c-1)~(c-3)骨孔SEM 圖像; (d-1)~(d-3)骨孔組織學(xué)圖像

　　幾秒種的激光過度輻照就可能導(dǎo)致鉆孔位置的骨下軟組織發(fā)生損傷，為實(shí)現(xiàn)高安全性臨床鉆骨，北航激光團(tuán)隊(duì)基于激光鉆骨過程特征光信號，研發(fā)了原位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測模塊，實(shí)現(xiàn)了激光聚焦位置精確控制(圖4)。

　　圖4 激光鉆骨信號監(jiān)測。(a)等離子體光譜; (b)二次諧波光譜; (c)光譜特征波段放大圖

　　超快激光助力國產(chǎn)晶圓制造

　　隨著大規(guī)模集成電路集成化程度不斷提高，大尺寸晶圓需求量急劇增加，對晶圓研拋設(shè)備提出了更高要求。目前，國內(nèi)外均采用機(jī)械切割和化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)結(jié)合方法，最終實(shí)現(xiàn)襯底原子級平坦化。然而，晶圓制造過程中大部分核心裝備和耗材依賴進(jìn)口，是“卡脖子”清單關(guān)鍵組成部分，制約著我國集成電路產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，危及國家及人民的信息安全。

　　日本東北大學(xué)Yan團(tuán)隊(duì)[11]通過激光輻照，將多晶硅層轉(zhuǎn)化為單晶硅，硅層表面粗糙度均方根(RMS)由12nm 降至8nm。廣東工業(yè)大學(xué)謝小柱團(tuán)隊(duì)[12]利用飛秒激光改性碳化硅晶圓，有效提高CMP效率。北航激光團(tuán)隊(duì)積極響應(yīng)國家信息安全重大需求，開拓創(chuàng)新，陸續(xù)提出了面向半導(dǎo)體晶圓制造的激光減薄和激光改性兩種新方法，助力國產(chǎn)晶圓制造。

　　北航激光團(tuán)隊(duì)研發(fā)了激光減薄技術(shù)，將硅晶圓厚度由199 μm減至102 μm，熱影響區(qū)控制在1 μm以內(nèi)，未引入損傷層，對晶圓力學(xué)、電學(xué)等性能無損傷。與此同時(shí)，為消除晶圓切割片加工痕跡和表面損傷層，北航激光團(tuán)隊(duì)研發(fā)了激光研磨新技術(shù)，將切割片表面粗糙度(Ra)由 0.4 μm降至0.075 μm，顯著去除表面機(jī)械切割痕跡，將表面應(yīng)力由原始拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，有效抑制裂紋萌生和擴(kuò)展，未引入新?lián)p傷層，對電學(xué)性能等無影響。

　　圖5 激光改性硅晶圓。(a)激光改性硅表面及粗糙度; (b)三維形貌圖：(b-1)激光改性單晶硅表面, (b-2)原始單晶硅表面; (c)激光改性單晶硅表面X 射線光電子能譜圖; (d)激光改性單晶硅表面X射線衍射能譜圖; (e)激光改性單晶硅表面拉曼能譜圖; (f)激光改性單晶硅電流-電壓曲線

　　總結(jié)與展望

　　激光精密加工技術(shù)具有應(yīng)用場景廣泛、加工材料多樣化、易于實(shí)現(xiàn)智能化等優(yōu)點(diǎn)，顯著提高加工精度和質(zhì)量。為更好服務(wù)于產(chǎn)業(yè)升級，提高我國高附加值產(chǎn)品智能制造水平，基于本文提及的相關(guān)研究方向，以下三個(gè)方面有待進(jìn)一步研究與探討：

　　•激光精密加工零部件長期服役性能驗(yàn)證與技術(shù)迭代;

　　•超快激光體內(nèi)鉆孔和傷口愈合技術(shù)驗(yàn)證;

　　•激光制造晶圓技術(shù)如何進(jìn)入國產(chǎn)化先進(jìn)制程生產(chǎn)線。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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