纳秒脉冲激光对钕铁硼材料表面清洗试验研究

仝志宏， 刘国东， 黎相孟， 任 宁， 赵玉田， 刘帅康

(中北大学先进制造技术山西省重点实验室，太原 030051)

钕铁硼磁性材料凭借其优良的磁性能，广泛应用于航空航天、导弹制导、电子计算机、磁悬浮列车和新能源汽车的电子助力转向(electric power steering, EPS)和医疗上的磁共振成像(magnetic resonance imaging MRI)等[1]。对于钕铁硼永磁材料加工方式，人们关注的重点是切割和打孔，对其表面微加工的研究则相对较少，尤其是材料的表面清洗[2]。钕铁硼材料由多相组成，尤其是其中的富钕相电位低，容易在晶间发生氧化腐蚀，极易导致后续的电镀工艺的失败，对钕铁硼材料的表面起不到保护作用，严重制约了钕铁硼的应用[3-4]。因而在电镀工艺中，为了保证镀层与基体的结合力，除去钕铁硼表面的污物被认为是很关键的步骤。但是，钕铁硼内部的各相电位差较大，如果处理不当反而会使富钕相严重腐蚀。传统的清洗手段是利用化学清洗和超声波清洗，化学清洗存在耗时长、污染大等问题，超声波清洗存在成本高且对基体有一定的损伤等问题[5-7]。因此在钕铁硼材料快速发展的今天，亟待寻求一种新型高效的清洗方式，钕铁硼材料的激光清洗应运而生。

激光清洗技术是近十年来飞速发展的一种新型清洗技术，它以自身的优势和不可替代性在许多领域中逐步取代了传统清洗工艺[8-9]。与传统清洗相比，激光清洗具有非接触、无损伤、清洗效率高、清洁质量好、绿色无污染的优点，是一种绿色的清洗方法[10-12]。在激光清洗的过程中，激光照射到工件表面，并与物质发生物理化学作用，剥离基材表面污染物，其产物可以通过相应的净化装置吸收，不对加工环境造成影响，已清洗的表面反射大部分激光，不损伤基材[13]。近年来，中外学者均对激光清洗材料表面进行了研究。陈国星等[14]利用激光清洗技术对不锈钢表面进行清洗试验，研究不同激光功率对清洗效果的影响,得出了最佳激光清洗参数。夏佩云等[15]研究激光清洗技术对铝合金硫酸阳极氧化膜的清洗试验，分析了激光清洗的机理和特性，验证了焊前激光清洗工艺的可行性。Antonopoulou-Athera等[16]使用Nd：YAG激光器对金属硬币进行激光清洗，验证了激光清洗铜、银和铝合金是可行的。尽管中外学者在激光清洗参数对金属锈蚀表面的清洗效果、清洗质量方面取得一些研究成果，但对于激光清洗材料表面的组成元素及其相对含量研究甚微。

利用光纤脉冲激光器对钕铁硼材料进行激光清洗试验，研究激光功率对激光清洗钕铁硼表面形貌的影响规律，分析激光清洗后钕铁硼材料的表面形貌和元素组成的变化，找到激光清洗最优的工艺参数，为光纤脉冲激光清洗的研究以及在钕铁硼材料上的应用提供重要的参考。

1 实验条件和方法

1.1 样件材料制备

试验所使用的钕铁硼材料的尺寸为50 mm×50 mm×2 mm，其化学成分如表1所示。试验钕铁硼样品的制备：将50 mm×50 mm的钕铁硼工件放置在线切割机床上，将其切割成2 mm厚的薄片，然后将其用去离子水冲洗，最后吹干，在空气中放置10 d，即可获得带锈蚀和油污的试验样品。

表1 钕铁硼的主要化学成分(质量分数)

1.2 激光清洗试验

图1所示为激光清洗系统示意图，包括光纤激光器、红外激光专用光学系统(包括扩束系统、振镜扫描系统和扫描聚焦系统)、计算机控制系统等装置。激光器具体参数如表2所示。采用“弓”字形清洗路径对10 mm×10 mm的区域进行激光清洗，清洗路径如图2所示。

图1 激光清洗系统示意图Fig.1 Schematic diagram of fiber laser cleaning syste

工艺参数数值激光波长λ/nm1 064功率P/W≤20频率f/kHz20 ～ 80扫描速度 ν/(mm·s-1)≤10 000光斑半径R/mm0.05

图2 激光清洗路径示意图Fig.2 Schematic of laser cleaning path

激光清洗的工艺参数直接影响清洗钕铁硼材料的效果，其中清洗效果的因素有激光功率、激光重复频率、扫描速度、扫描间距等。为了完全均匀地去除钕铁硼材料上的污染物提高清洗效率，利用光斑重叠率和扫描轨迹重叠率来确定实验参数的选取。

光斑重叠率UP和扫描轨迹重叠率UL的关系表达式为

(1)

(2)

式中:ν为激光扫描速度，mm/s；D为激光光斑直径，mm；f为激光重复频率，kHz;L为激光扫描间距,mm。

已有实验证明在光斑重叠率和扫描轨迹重叠率为30% ～ 40%时，能够保证清洗质量的前提下获得最大的清洗效率[17]。因本实验预探究激光功率对激光清洗效果的影响，故本实验选取的光斑重叠率和扫描轨迹重叠率为UP=UL=40%,激光重复频率选取40 kHz,可得到其他工艺参数：扫描速度为1 200 mm/s,激光扫描间距为0.03 mm。激光清洗实验选取以激光功率3 W为间隔，从3～18 W设计实验进行进行激光清洗。

激光清洗钕铁硼材料试验完成后，利用白光干涉仪观察清洗后的钕铁硼材料表面三维形貌并测量表面粗糙度；采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)和X射线能谱仪(energy dispersive spectroscopy, EDS)对清洗后表面形貌和元素组成及其含量变化进行检测。

2 实验结果与分析

2.1 激光清洗对钕铁硼材料表面形貌及元素成份的影响

钕铁硼表面的氧含量是影响电镀效果的一个重要参数，故在激光清洗实验后，对钕铁硼材料表面晶格氧原子含量进行检测，得到其氧含量的变化趋势，进而判定激光对钕铁硼材料的清洗效果。

图3所示为激光清洗前钕铁硼的表面形貌及成分分析。由图3(a)可知，钕铁硼表面附着大量的污染物，膜层结构疏松多孔，无法阻止空气和水分的侵入，会加速钕铁硼内部基体的腐蚀。根据图3(b)的能谱分析结果可以发现钕铁硼材料激光清洗前表面含C元素和O元素，分别占到4.76%和15.83%的比例，这是因为表面附着大量的油污和锈蚀层原因导致的。

随着激光功率的增大，钕铁硼材料表面污物开始有效去除，当激光功率较小时，样件清洗前后没有明显变化，因为激光功率较小，单位脉冲能量密度较低，使得激光束扫在样件材料表面的温度太低，不能对污染物造成影响。当激光功率继续增大到6 W时，如图4(a)所示，样件表面开始出现融化痕迹，污染物开始有效去除，在基体表面留下微细的激光划痕以及深度较浅的腐蚀坑。根据图4(b)的能谱分析结果可以发现钕铁硼材料表面经过激光清洗后，Fe、Nd元素相比激光清洗前有所增加，不过表面仍有少量的O元素，百分比为8.31%，与清洗前O元素含量相比降低了7.52%，说明此时的钕铁硼表面经过激光清洗后仍有少量的污染物和氧化层，清洗效果不佳。

图3 激光清洗前钕铁硼材料表面形貌及成分分析Fig.3 Morphology and composition analysis of NdFeB material surface before laser cleaning

图4 6 W激光清洗后钕铁硼材料表面形貌及成分分析Fig.4 Morphology and composition analysis of NdFeB material surface after laser cleaning at 6 W

在激光功率超过6 W时，钕铁硼材料表面污染物的去除机理主要依赖于激光清洗的振动去除，脉冲激光作用在钕铁硼材料表面后，钕铁硼材料吸热，表面污染物受热迅速膨胀，膨胀过程中产生的热应力大于污染物的附着力，从而使得污染物振动剥离。随着激光功率的继续增加，激光去除材料深度增加，更多较浅的锈蚀坑被有效去除，较深的坑洞被清洗后熔融物填充。如图5(a)所示，此时的激光的功率为12 W，由图可以看出，表面的凹坑消失，样件表面变得平整，无残余的锈蚀氧化物区域，对其进行放大观察，可以明显看到钕铁硼材料基体表面的晶界，微观组织表面存在一些凹坑及灰白色组织，并呈不均匀分布，且主晶相Nd2Fe14B致密均匀，图中灰白色组织为富Nd相包围在主晶相附近，对主晶粒起到去磁耦合作用，这也另说明激光清洗对钕铁硼材料表面组织无显著影响，利用激光对钕铁硼材料进行清洗是可行的。由图5(b)可以看出，基材在激光功率为12 W清洗后，材料表面的C和O元素消失，与此同时首次在基材表面出现B元素，含量为0.84%，接近清洁钕铁硼材料中B元素的成分含量。这说明钕铁硼材料表面的污染层已经被完全去除，此时的激光清洗效果最佳。

图5 12 W激光清洗后钕铁硼材料表面形貌及成份分析Fig.5 Morphology and composition analysis of NdFeB material surface after laser cleaning at 12 W

图6 不同激光清洗后钕铁硼材料表面形貌(15 W、18 W) 以及对应的成分分析Fig.6 Morphology of NdFeB material surface after laser cleaning at with different laser powers 15 W、18 W and corresponding composition analysis

随着激光功率的增加，当激光束聚焦后温度高于材料气化温度，使得污染物迅速气化去除，这种条件的清洗效果明显但容易造成基体材料损伤。如图6(a)所示，当激光功率达到15 W时，样件钕铁硼材料表面开始出现轻微的损伤，并有细小的微裂纹，表面出现残留的微小凹坑，且伴有轻微的爆破声音，说明此时的激光功率已经对钕铁硼基体材料造成一定的损伤，由图6(c)能谱分析可知，与前激光功率为12 W时的能谱相比，此时的激光清洗后的表面组成元素中多了O元素，且含量占到4.96%，且此时的铁元素含量也增加到72.34%，说明此时的激光清洗以及使基体中部分元素氧化产生了氧化物产物，使得激光清洗效果较差。随着激光功率的增加，清洗过程中的爆破声音越来越大，而且基底材料出现了很严重的烧蚀裂纹，同时基体材料出现融化、汽化后的细小孔洞，且表面发生了严重的重熔现象，如图6(b)所示，说明此时的激光清洗机理主要为烧蚀效应和振动效应，此时的激光功率为18 W，已经严重对钕铁硼基体材料造成损伤，由图6(d)能谱可以看出，O元素与前面相比增大到12.96%，说明此时钕铁硼基体材料已经氧化严重，图6(b)中黑色小孔附近的物质即为对应的氧化产物，此时激光对钕铁硼材料过度清洗，清洗效果极差。

2.2 激光清洗对钕铁硼材料表面粗糙度的影响

对前面激光清洗钕铁硼材料的区域进行粗糙度的测试，为提高准确性，每个区域的样品测试3次后求取平均值进行比较。激光清洗后钕铁硼材料表面的粗糙度变化趋势如图7所示。可见在激光清洗过程中，随着激光功率的增加，激光清洗后钕铁硼材料表面的粗糙度先增大后减小随后又增大。结合前面的电镜照片可以看出，在激光功率较低时，钕铁硼样件表面部分污垢被去除，在材料表面留下激光烧蚀的划痕，未被清洗的腐蚀坑露出材料表面，导致样件表面凹凸不平，粗糙度增大；当激光功率较高时，剩余的污垢和锈蚀层被去掉后，基体发生重熔，熔融的材料有效填充了腐蚀产生的微坑，使得样件表面平整，粗糙度减小；当激光功率更高时，样件表面吸收较高的激光能量，使得产生的热应力太大，对基体材料表面产生损伤，在样件表面出现细小的微裂纹，甚至过高的激光能量会在基体材料表面烧蚀出许多孔洞，并且会溢出部分熔融物固结在材料表面，使得材料表面的粗糙度增大。

图7 激光清洗后钕铁硼材料表面粗糙度的变化Fig.7 Surface roughness change of NdFeB after laser cleaning

3 结论

利用纳秒脉冲激光对钕铁硼材料表面进行激光清洗，研究了激光功率对清洗后表面形貌、表面元素组成和粗糙度的影响规律，得到以下结论。

(1)随着激光功率的增加，钕铁硼材料表面开始出现熔融，污染物被有效去除，且在样件表面留下腐蚀坑，使得材料表面粗糙度增大，清洗效果较差。

(2)当激光功率达到12 W时，样件表面光洁平整，粗糙度减小，表面没有C元素和O元素，污染物和锈蚀层被有效去除，激光清洗效率最佳。

(3)当激光功率过高时，钕铁硼材料表面因烧蚀过度出现微裂纹、细小孔洞以及残留的氧化物杂质，使得清洗后钕铁硼材料表面的粗糙度又增大。