《Optical Materials》：Heat Treatment and Precision Machining of Additively Manufactured Complex Mirror Substrates for Compact Optical Payloads
编辑推荐：
小型传感器载荷的光学系统可受益于自由曲面设计，但其非旋转对称表面的制造是传统技术的难点。本文系统研究了增材制造(AM)曲面反射镜实现高表面质量所面临的挑战，提出了一种包含精调热处理与单点金刚石车削(SPDT)的简化后处理策略。研究发现，经550°C热处理的样品可显著减少深划痕，但会因硅析出相生长导致表面粗糙度升高。研究验证了通过简化的增材与后处理策略制造复杂曲面光学镜片的可行性，为开发自由曲面等更复杂几何形状的工艺奠定了基础。
在探索太空的征程中，科学家和工程师们总在努力将功能强大的光学设备塞进更小、更轻的载荷里。自由曲面光学设计是其中的关键，它能以紧凑的离轴构型修正高级像差，让小尺寸光学系统看得更清、更准。然而，这种没有旋转对称性的复杂曲面，对传统“减材”制造和检测技术而言，几乎是一项“不可能完成的任务”。增材制造（Additive Manufacturing, AM），或者说3D打印，以其无与伦比的几何设计自由度为解决这一难题带来了曙光。它允许我们制造出拓扑优化、极致轻量化的结构，同时满足苛刻的力学性能要求。在太空极端环境下，光学系统的稳定至关重要，任何因材料热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）不匹配导致的形变，都会直接毁掉成像质量。
但梦想照进现实的道路总是布满荆棘。直接用增材制造技术打印出来的金属表面，通常布满孔隙、组织不均，并且存在残余应力，距离“光学级”光滑表面相去甚远。表面粗糙和划痕会散射光线，产生杂散光，降低图像对比度。尤其在可见光波段，对表面质量的要求比红外波段苛刻得多。为了限制散射损失，通常需要在打印件表面镀一层镍磷（Ni-P）涂层，再通过单点金刚石车削（Single-Point Diamond Turning, SPDT）获得纳米级光滑表面。然而，这种“双金属”结构在温度变化时，又会因热膨胀系数差异而引入新的形变风险。有没有可能不靠镀层，直接在增材制造的铝基体上，车削出可用于复杂曲面光学镜面的高质量表面呢？这正是由Cheryl Chan、Jebum Choi、Colin Hall、Ady James、Craig Smith、Philip C.L Stephenson和Kamil Zuber组成的研究团队希望解答的核心问题。他们的研究成果发表在《Optical Materials》期刊上，为制造下一代紧凑、轻量的高性能光学载荷提供了一条极具前景的简化工艺路径。
研究人员开展这项系统性研究，主要运用了以下几种关键方法：首先，他们采用激光粉末床熔融（Laser-Powder Bed Fusion, L-PBF）技术，以铝-10硅-1镁（Al-10Si-1Mg）合金粉末为原料，打印出具有平面、凹面、凸面和离轴抛物面等不同几何形状的镜片基底。其次，对打印出的样品分别施加了180°C、300°C和550°C三种不同温度的热处理工艺。然后，使用配备天然金刚石刀具的Nanoform700 Ultra超精密机床对所有样品进行单点金刚石车削（SPDT）精加工。最后，利用非接触式坐标测量机、白光干涉仪、光学显微镜、扫描电子显微镜和反射率测量等多种表征技术，对样品的表面形状精度、表面光洁度、划痕形成及光学性能进行了全面评估。
热处理结果
制备
所有测试件均成功通过所提出的方法制造出来。通过肉眼观察，表面形状的复杂性显著影响了单点金刚石车削后镜面的划痕数量，而从平面到凹面再到离轴抛物面，划痕问题愈发严重。同时，热处理温度的升高，显著减少了肉眼可见的划痕数量。
表面形状
对制造精度的评估表明，所有曲面样品的拟合曲率半径值均在典型容差范围内，仅离轴抛物面形状略有超出。通过单点金刚石车削达到的表面形状精度，其均方根（RMS）误差和峰谷（PV）值表明，该工艺制造的表面可直接用于中波红外和长波红外光谱范围的应用。
表面光洁度
研究表明，在单点金刚石车削前施加的热处理温度越高，样品的表面粗糙度（RMS）值总体上呈现增加趋势。凹面几何形状对材料的不均匀性表现出额外的敏感性，而离轴单点金刚石车削方法在所有热处理方案中都导致了最高的表面粗糙度值。微观结构分析揭示了原因：经180°C热处理的样品表面可见与熔池边界相关的硅共晶网络；300°C热处理使其开始分解，硅颗粒从铝基体中析出；而经550°C热处理后，熔池边界消失，硅颗粒在车削过程中被移除或破碎，在表面留下一系列空腔，这直接导致了粗糙度的显著增加。总积分散射（TIS）分析表明，除了所有经550°C热处理的曲面样品外，其他样品在3微米中波红外波段应用时，散射损失均可低于1%。
散射与漫反射
反射率测量结果与仅基于表面粗糙度的预测趋势不完全一致。在可见光和近红外区域，经550°C热处理的平面样品（Flat_550）反而比经300°C热处理的样品（Flat_300）具有更高的镜面反射率。这提示，除了粗糙度之外，可能还有其他表面缺陷（如微小的凹坑、划痕或单点金刚石车削留下的周期性刀痕）在特定波段对散射产生影响。在长波红外区域，粗糙表面的散射减弱趋势符合理论预期。
划痕分析
研究发现，凸面样品均未出现深划痕。凹面和离轴抛物面等复杂表面形状的划痕面积分数显著高于平面。提高热处理温度可大幅降低甚至消除（在平面和凹面情况下）深划痕。对划痕起止点的深入分析发现，划痕由粉末原料中存在的硬质钢污染物（主要成分为铁、铬、镍）引发。在单点金刚石车削过程中，刀具遇到这些硬质颗粒并将其在表面推动、堆积，从而犁削出划痕，直至颗粒大到无法推动，最终作为凸起残留在表面。在550°C热处理样品上观察到的划痕更浅、更短，这可能与硅析出相的形成有关，它们可能提前终止了划痕的扩展。尽管原料中的污染物含量符合制造商标准，但对于光学应用而言，其影响已不容忽视。
表面质量讨论
研究表明，对于光学镜面制造，必须在抑制深划痕和控制表面粗糙度之间取得平衡。深划痕和周期性刀痕会引入各向异性的散射，其影响无法被传统的、基于各向同性粗糙度假设的总积分散射（TIS）模型完全描述。因此，针对Al-10Si-1Mg的热处理工艺，需要找到一个“最佳点”，使硅析出相的大小足以抑制深划痕形成，但又不会因过度生长而导致表面粗糙度剧增。
打印方向
为了评估热处理对跨越多个打印层的影响，研究团队补充了一项实验，打印了不同倾斜角度的平面镜基底，并在一个优化后的中间温度下进行热处理，随后进行单点金刚石车削。结果显示，无论打印方向如何，所有样品均无划痕，且表面粗糙度（RMS）均保持在6 ± 1纳米的低水平，表面形貌也呈现相似的各向同性。这表明，所采用的热处理工艺有效溶解了层间的硅共晶网络，形成了均匀的微观结构，使得最终表面质量与打印方向无关。
研究结论与讨论
本研究系统揭示了在增材制造的Al-10Si-1Mg复杂曲面基底上，通过单点金刚石车削获得光学级表面所面临的挑战。核心结论是：复杂的表面几何形状会放大材料本身的缺陷，使其更容易在车削时产生深划痕，而通过精细调控的热处理工艺，可以在抑制划痕和保持低粗糙度之间找到关键平衡点。
具体而言，研究发现，采用标准的低温热处理时，平面和凹面会出现显著的深划痕，且划痕问题随曲面复杂性增加而加剧。将热处理温度优化提升后，可显著减少甚至消除简单几何形状上的划痕，尽管会伴随表面粗糙度的适度增加。这凸显了根据粉末原料纯度“定制”热处理参数的必要性：目标是让硅析出相长得足够大以“阻止”划痕扩展，但又不能太大以免过度损害表面光洁度。研究还明确指出，即使符合工业标准，L-PBF粉末原料中的微量硬质污染物（如钢颗粒）也是引发光学表面划痕的主要元凶，这对光学级增材制造原料的纯度提出了更高要求。
在针对打印方向的研究中，采用优化中间温度热处理后的样品，其表面质量与打印角度无关。这强有力地证明，该热处理方案能有效均质化L-PBF逐层制造带来的微观结构各向异性，从而使得制造复杂曲面光学部件时，无需过度担忧打印方向对最终性能的影响。
综上所述，这项工作不仅阐明了影响增材制造金属光学表面质量的关键因素（几何复杂性、热处理制度、原料纯度），更重要的是，它实践并验证了一条简化的制造路径：即无需镀镍磷层、无需复杂热循环、也无需后期抛光的“L-PBF + 优化热处理 + 单点金刚石车削”直接成型工艺。这为利用增材制造的设计自由优势，一体化、轻量化制造适用于中长波红外乃至更苛刻光学系统的高性能自由曲面光学元件，奠定了坚实的工艺基础，推动了先进光学制造技术的发展。
