供稿人：許學(xué)博、張航 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2023-07-25
碳化硅陶瓷是一種典型的難加工硬脆材料，在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，由于通過燒結(jié)技術(shù)制備的SiC陶瓷的表面質(zhì)量較差，并且SiC陶瓷是具有高硬度和脆性的硬脆材料，因此通過傳統(tǒng)的加工方法很難獲得高精度的SiC陶瓷表面，這限制了SiC陶瓷在精密制造領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著激光拋光技術(shù)的發(fā)展，作為一種新的表面加工技術(shù)，利用飛秒激光拋光已成為硬脆材料精密加工的重要方法。
相關(guān)研究人員采用紅外飛秒激光對SiC陶瓷進(jìn)行燒蝕和拋光，計(jì)算了SiC陶瓷的激光燒蝕閾值，研究了脈沖能量和離焦量對SiC陶瓷表面形貌、表面粗糙度、拋光深度和飛秒激光拋光氧化程度的影響。
使用紅外飛秒激光加工系統(tǒng)對SiC陶瓷的燒蝕和拋光進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。紅外飛秒激光加工系統(tǒng)示意圖如圖1所示。激光加工系統(tǒng)主要由飛秒激光器、高速掃描檢流計(jì)系統(tǒng)、五軸精密運(yùn)動系統(tǒng)、光路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。在實(shí)驗(yàn)中，使用激光掃描共焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察SiC陶瓷加工前后的表面形貌，通過VK分析軟件測量表面粗糙度和拋光深度，并通過EDS元素分析檢測加工區(qū)域中的元素分布。
圖1 紅外飛秒激光加工系統(tǒng)示意圖
在燒蝕過程中熔融材料不能及時(shí)排出，冷卻和凝固后，在燒蝕孔的內(nèi)壁和底部形成了重鑄層。相關(guān)研究表明，由于SiC陶瓷在激光燒蝕過程中發(fā)生熱分解和氧化反應(yīng)，激光燒蝕SiC陶瓷形成的重鑄層主要由SiC、Si和SiO2組成。
分別改變脈沖能量和離焦量，在激光重復(fù)頻率為175kHz、掃描速度4812.5mm/s、掃描間距為2.5μm、掃描次數(shù)為4次的條件下，對SiC陶瓷進(jìn)行了飛秒激光拋光實(shí)驗(yàn)。使用激光掃描共焦顯微鏡觀察拋光表面的三維形態(tài)，如圖2、3所示。
圖2 不同離焦量（1kx）拋光后表面的三維形貌（a）-2mm；（b）-1mm；（c）0mm；（d）1mm
圖3 不同離焦量下的元素含量（a）-2mm；（b）-1mm；（c）0mm；（d）1mm
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)脈沖能量為35μJ時(shí)，拋光表面質(zhì)量最好，平均表面粗糙度最低，Ra=0.664μm。隨著脈沖能量的持續(xù)增加，拋光表面出現(xiàn)剝落和裂紋，表面質(zhì)量惡化，表面粗糙度值呈上升趨勢。剝落和裂紋現(xiàn)象是由激光和材料的強(qiáng)烈燒蝕引起的。
在零散焦的情況下，獲得最低平均表面粗糙度Ra=0.652μm，最大平均拋光深度4.874μm。同時(shí)，在拋光表面上產(chǎn)生周期性納米波紋結(jié)構(gòu)，并且當(dāng)散焦量為3mm時(shí)，在拋光的表面上產(chǎn)生的周期性納米漣漪結(jié)構(gòu)的尺寸顯著更小。
相關(guān)工作研究了飛秒激光與SiC陶瓷的相互作用機(jī)理以及脈沖能量和離焦量對飛秒激光拋光SiC陶瓷表面形貌、表面粗糙度、拋光深度和氧化程度的影響。得到了飛秒激光加工SiC陶瓷過程中相對最優(yōu)的加工參數(shù)選擇，對于飛秒激光拋光SiC陶瓷的工藝改進(jìn)和技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。