專利名稱：一種多晶軋制銅薄膜疲勞損傷激光沖擊愈合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造與激光加工應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特指一種激光沖擊愈合多晶軋制銅薄膜疲勞損傷的方法。
背景技術(shù)：
激光沖擊技術(shù)，是利用激光誘導(dǎo)沖擊波來強(qiáng)化金屬表面的一種新技術(shù)，屬于激光表面處理多種應(yīng)用中的一種。其原理是當(dāng)短脈沖高峰值功率密度的激光輻射金屬表面時(shí)，金屬表面吸收層(涂覆層)吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓(GPa)等離子體，該等離子體受到約束層的約束爆炸時(shí)產(chǎn)生高壓沖擊波，作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播。在材料表層形成致密、穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，使材料表層產(chǎn)生應(yīng)變硬化，顯著地提高材料的抗應(yīng)力腐蝕和抗疲勞等性能。近年來，銅微薄膜在娃集成電路與MEMS (Micro-Electro-Mechanical system,微電子機(jī)械系統(tǒng))器件中得到廣泛應(yīng)用。銅薄膜構(gòu)件經(jīng)常因承受循環(huán)應(yīng)力作用而發(fā)生疲勞失效，其疲勞壽命直接制約了 MEMS器件的長期可靠服役。鑒于在銅微薄膜構(gòu)件應(yīng)用的廣泛性和特殊性，有必要設(shè)計(jì)一種有效方式愈合微薄膜構(gòu)件積累的疲勞損傷，這對于延長MEMS器件的使用壽命意義重大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決多晶銅薄膜材料疲勞損傷愈合的問題，提供一種新型的激光沖擊愈合損傷銅薄膜材料的方法。對損傷薄膜材料激光沖擊愈合后，達(dá)到延長和提高銅薄膜的疲勞壽命的效果，解決工程實(shí)際應(yīng)用的難題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種多晶軋制銅薄膜疲勞損傷激光沖擊愈合方法，其特征在于步驟為:A)提供激光沖擊愈合裝置，所述激光沖擊愈合裝置包括脈沖激光器，光路轉(zhuǎn)換裝置，培養(yǎng)皿和金屬基體；所述光路轉(zhuǎn)換裝置包括反光鏡調(diào)節(jié)裝置以及凸透鏡調(diào)節(jié)裝置；B)對存在疲勞損傷的多晶軋制銅薄膜材料表面噴涂不溶于水的黑色涂料以增強(qiáng)材料對激光能量的吸收，將材料固定在金屬基體上，使得多晶軋制銅薄膜材料表面能與激光器發(fā)出的激光束相對；C)將固定多晶軋制銅薄膜材料的金屬基體放入培養(yǎng)皿當(dāng)中，培養(yǎng)皿中注入水，水層作為激光沖擊愈合過程中的約束層；D)根據(jù)激光器指示光路調(diào)整光路轉(zhuǎn)換裝置，并移動培養(yǎng)皿的位置，來控制激光光斑的沖擊位置，通過調(diào)節(jié)凸透鏡與多晶軋制銅薄膜材料的之間的距離控制焦距，來控制激光光斑，光斑寬度為1-2毫米；

E)通過激光器控制系統(tǒng)控制單脈沖能量和脈沖個(gè)數(shù)，單個(gè)脈沖的能量為300-750毫焦，脈沖個(gè)數(shù)為1-60個(gè)；所述脈沖激光器發(fā)射出的激光經(jīng)過光路轉(zhuǎn)換裝置中的反光鏡和凸透鏡穿過水層照射到涂覆層上，從而在金屬薄膜材料上產(chǎn)生沖擊壓力；
F)將多晶軋制銅薄膜材料從金屬基體上取下，放入丙酮試劑中清洗，把多晶軋制銅薄膜材料上涂覆的黑色涂料清洗干凈。所述步驟A)中所述的脈沖激光器為紫外準(zhǔn)分子脈沖激光器。所述步驟B)中所述的作為吸收層的黑色涂料的材料為黑色油漆、石墨或薄金屬箔，黑色油漆類涂層的酸堿性為中性，涂覆的厚度為50-100微米，石墨或薄金屬箔的厚度為50-100微米。所述步驟C)中訴述的水層為1-1.5毫米。 一種多晶軋制銅薄膜疲勞損傷激光沖擊愈合方法，其步驟為:A)提供激光沖擊愈合裝置，所述激光沖擊愈合裝置包括脈沖激光器，光路轉(zhuǎn)換裝置，培養(yǎng)皿和金屬基體，由于銅材料對短波長激光吸收率較高，所述激光器選用紫外準(zhǔn)分子脈沖激光器，所述光路轉(zhuǎn)換裝置包括反光鏡調(diào)節(jié)裝置以及凸透鏡調(diào)節(jié)裝置；B)對存在疲勞損傷的多晶銅薄膜材料表面噴涂不溶于水的黑色涂料以增強(qiáng)材料對激光能量的吸收，將材料固定在金屬基體上，使得銅薄膜材料表面能與激光器發(fā)出的激光束相對；C)將固定銅薄膜材料的金屬基體放入培養(yǎng)皿當(dāng)中，培養(yǎng)皿中注入水，水層作為激光沖擊愈合過程中的約束層；D)根據(jù)激光器指示光路調(diào)整光路轉(zhuǎn)換裝置，并移動培養(yǎng)皿的位置，來控制激光光斑的沖擊位置，通過調(diào)節(jié)凸透鏡與銅薄膜材料的之間的距離控制焦距，來控制激光光斑的大?。籈)通過激光器控制系統(tǒng)控制單脈沖能量和脈沖個(gè)數(shù)，所述激光器發(fā)射出的激光經(jīng)過光路轉(zhuǎn)換裝置中的反光鏡和凸透鏡穿過水層照射到涂覆層上，從而在金屬薄膜材料上產(chǎn)生沖擊壓力；F)將薄膜材料從金屬基體上取下，放入丙酮試劑中清洗，把薄膜材料表面上涂覆的黑色涂料清洗干凈。本發(fā)明愈合工藝方法的創(chuàng)新，在于沖擊愈合系統(tǒng)搭建簡單，對多晶銅薄膜材料疲勞損傷進(jìn)行愈合，在材料表層形成明顯的致密層，大幅度增加其疲勞壽命。本發(fā)明表面處理方法的創(chuàng)新，在于處理表面噴涂中性黑色涂料，黑色涂料作為吸收層的作用主要有兩個(gè):一是保護(hù)金屬表面不被激光燒蝕，二是能夠吸收入射的激光能量氣化形成沖擊波。本發(fā)明的有益效果:通過采用上述激光沖擊方法使材料表層形成致密層、且產(chǎn)生穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到愈合銅薄膜的疲勞損傷的目的，進(jìn)而有效地提高銅薄膜微構(gòu)件的疲勞壽命。


圖1為本發(fā)明中激光沖擊裝置的示意圖。圖2為本發(fā)明中光路轉(zhuǎn)換裝置的示意圖。圖3為本發(fā)明中銅薄膜試樣固定示意圖。圖4為本發(fā)明中銅薄膜材料處理后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1至圖4中:1、準(zhǔn)分子激光器，2、光路轉(zhuǎn)換裝置，3、培養(yǎng)皿，21、轉(zhuǎn)換裝置支座，22、轉(zhuǎn)換裝置支柱，23、透鏡調(diào)節(jié)裝置，24、透鏡支座，25、反光鏡支座，26、反光鏡調(diào)節(jié)裝置，
4、金屬基體，5、銅薄膜材料，6、藍(lán)膜膠帶，50、致密層，7、涂料吸收層，8、水層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明方法作進(jìn)一步的描述，請參閱圖1至圖4，一種多晶銅薄膜材料激光沖擊愈合方法，其步驟為:
A)提供激光沖擊愈合裝置，所述激光沖擊愈合裝置包括脈沖激光器1，光路轉(zhuǎn)換裝置2，培養(yǎng)皿3和金屬基體4，由于銅材料對短波長激光吸收率較高，所述激光器選用紫外準(zhǔn)分子脈沖激光器。所述光路轉(zhuǎn)換裝置2包括轉(zhuǎn)換裝置支座21，轉(zhuǎn)換裝置支柱22，透鏡調(diào)節(jié)裝置23，透鏡支座24，反光鏡支座25，反光鏡調(diào)節(jié)裝置26，透鏡調(diào)節(jié)裝置23和反光鏡調(diào)節(jié)裝置26由滑塊機(jī)構(gòu)組成，通過滑塊的移動和轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)反光鏡和透鏡的位置；B)對存在疲勞損傷的多晶銅薄膜材料5表面覆蓋不溶于水的黑色涂料層7以增強(qiáng)材料對激光能量的吸收，所述黑色涂料層7的酸堿性為中性，其厚度為50-100微米，所述黑色涂料層7通過噴涂的方式覆蓋在銅薄膜材料5表面上，所述黑色涂料層7的設(shè)置不僅可以增強(qiáng)銅薄膜材料5表面對激光的吸收，還可以防止銅薄膜材料5的表面被激光束燒蝕。將銅薄膜材料5通過藍(lán)膜膠帶6固定在金屬基體4上，所述藍(lán)膜膠帶6粘性較弱，所述藍(lán)膜膠帶6的設(shè)置使得銅薄膜材料5裝卸較為方便，不會使銅薄膜材料5產(chǎn)生損傷。調(diào)整培養(yǎng)皿3和金屬基體4的位置，使得銅薄膜材料5表面能與激光器I發(fā)出的激光束相對；C)將固定銅薄膜材料5的金屬基體4放入培養(yǎng)皿3當(dāng)中，培養(yǎng)皿3中注入水形成厚度為1-1.5毫米的水層8，所述的水層8作為激光沖擊愈合過程中的約束層；D)根據(jù)激光器I的指示光路來調(diào)整光路轉(zhuǎn)換裝置2，并移動培養(yǎng)皿3的位置，來控制激光光斑的沖擊位置，通過調(diào)節(jié)凸透鏡支座24的位置控制焦距，來控制激光光斑的大小，光斑大小為45X1毫米；E)通過激光器1控制系統(tǒng)控制單脈沖能量和脈沖個(gè)數(shù)，所述激光器I發(fā)射出的激光經(jīng)過光路轉(zhuǎn)換裝置2中的反光鏡和凸透鏡穿過水層8照射到黑色涂覆層7上，從而在金屬薄膜材料5表面上產(chǎn)生沖擊壓力，并在銅薄膜材料5表面上產(chǎn)生一層5微米左右的致密層50，銅薄膜材料5產(chǎn)生了硬化現(xiàn)象，極大地改善了材料的抗疲勞性能。由于在激光沖擊處理過程中不添加其他材料，因此不會發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，不會產(chǎn)生其他的物質(zhì)，且無材料損耗，污染??；F)最后將銅薄膜材料5從金屬基體4上取下，放入丙酮試劑中清洗，把銅薄膜材料5表面上涂覆的黑色涂料層7清洗干凈。本發(fā)明通過采用上述的激光沖擊處理方法愈合銅薄膜材料的疲勞損傷，可大幅度提高疲勞損傷后材料的疲勞壽命，可以達(dá)到原來的2.5-3倍，改善了銅薄膜材料的疲勞性倉泛。
權(quán)利要求
1.一種多晶軋制銅薄膜疲勞損傷激光沖擊愈合方法，其步驟為: A)提供激光沖擊愈合裝置，所述激光沖擊愈合裝置包括脈沖激光器，光路轉(zhuǎn)換裝置，培養(yǎng)皿和金屬基體；所述光路轉(zhuǎn)換裝置包括反光鏡調(diào)節(jié)裝置以及凸透鏡調(diào)節(jié)裝置； B)對存在疲勞損傷的多晶軋制銅薄膜材料表面噴涂不溶于水的黑色涂料以增強(qiáng)材料對激光能量的吸收，將材料固定在金屬基體上，使得多晶軋制銅薄膜材料表面能與激光器發(fā)出的激光束相對； C)將固定多晶軋制銅薄膜材料的金屬基體放入培養(yǎng)皿當(dāng)中，培養(yǎng)皿中注入水，水層作為激光沖擊愈合過程中的約束層； D)根據(jù)激光器指示光路調(diào)整光路轉(zhuǎn)換裝置，并移動培養(yǎng)皿的位置，來控制激光光斑的沖擊位置，通過調(diào)節(jié)凸透鏡與多晶軋制銅薄膜材料的之間的距離控制焦距，來控制激光光斑，光斑寬度為1-2毫米； E)通過激光器控制系統(tǒng)控制單脈沖能量和脈沖個(gè)數(shù)，單個(gè)脈沖的能量為300-750毫焦，脈沖個(gè)數(shù)為1-60個(gè)；所述脈沖激光器發(fā)射出的激光經(jīng)過光路轉(zhuǎn)換裝置中的反光鏡和凸透鏡穿過水層照射到涂覆層上，從而在金屬薄膜材料上產(chǎn)生沖擊壓力； F)將多晶軋制銅薄膜材料從金屬基體上取下，放入丙酮試劑中清洗，把多晶軋制銅薄膜材料上涂覆的黑色涂料清洗干凈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶軋制銅薄膜疲勞損傷激光沖擊愈合方法，其特征在于:所述步驟A)中所述的脈沖激光器為紫外準(zhǔn)分子脈沖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶軋制銅薄膜疲勞損傷激光沖擊愈合方法，其特征在于:所述步驟B)中所述的作為吸收層的黑色涂料的材料為黑色油漆、石墨或薄金屬箔，黑色油漆類涂層的酸堿性為中性，涂覆的厚度為50-100微米，石墨或薄金屬箔的厚度為50-100 微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的一種多晶軋制銅薄膜疲勞損傷激光沖擊愈合方法，其特征在于:所述步驟C)中訴述的水層為1-1.5毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多晶軋制銅薄膜疲勞損傷激光沖擊愈合方法，其步驟為A)提供激光沖擊愈合裝置，激光沖擊愈合裝置包括脈沖激光器，光路轉(zhuǎn)換裝置，培養(yǎng)皿和金屬基體；光路轉(zhuǎn)換裝置包括反光鏡調(diào)節(jié)裝置以及凸透鏡調(diào)節(jié)裝置；B)對多晶銅薄膜材料表面噴涂不溶于水的黑色涂料，將材料固定在金屬基體上，使得銅薄膜材料表面能與激光器發(fā)出的激光束相對；C)將固定銅薄膜材料的金屬基體放入培養(yǎng)皿當(dāng)中，培養(yǎng)皿中注入水；D)控制激光光斑的沖擊位置以及大小；E)激光經(jīng)過光路轉(zhuǎn)換裝置中的反光鏡和凸透鏡穿過水層照射到涂覆層上；F)薄膜材料清洗干凈。本發(fā)明在材料表面上產(chǎn)生一層5微米左右的致密層，大幅度提高疲勞損傷后銅薄膜材料的疲勞壽命。
文檔編號C21D1/09GK103074469SQ20121042610
公開日2013年5月1日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者尚德廣, 劉小冬, 靳佳, 王露, 張立紅, 郭毓博 申請人:北京工業(yè)大學(xué)