陳勇彪,尉遲廣智,李 鍶,張松輝,段 佳

(1.湖南科美達電氣股份有限公司,湖南 岳陽 414000;2.湖南理工學(xué)院 機械工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

0 引言

氮化硅工程陶瓷由于具有高硬度、耐高溫、高強度、低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)異的物理性能被廣泛應(yīng)用于航天、冶金、石油以及國防等多個領(lǐng)域.但因氮化硅陶瓷又存在高脆性、低斷裂韌性等特點使其加工難度大,因此多數(shù)只能采用如研磨加工等傳統(tǒng)機械加工陶瓷的方式,然而其效率低且成本過高,其中高額的機械加工成本占到最終產(chǎn)品成本的60%～90%,極大限制了氮化硅陶瓷的應(yīng)用發(fā)展[1～3].激光加工則可以克服目前傳統(tǒng)機械加工技術(shù)加工陶瓷材料所存在的許多缺點.

傳統(tǒng)機械加工技術(shù)對于加工機器的精度要求較高,設(shè)備磨損嚴重[4～6].Zhang等發(fā)現(xiàn)利用傳統(tǒng)機械研磨加工陶瓷材料時,在剪切應(yīng)力作用下會產(chǎn)生微裂紋甚至出現(xiàn)粉化現(xiàn)象[7].而激光加工作為一種非接觸加工技術(shù),廣泛應(yīng)用于脆硬性材料的加工中,利用材料的熱物理特性而非機械特性來決定其可加工性的過程,相比起純機械的加工方式,更有助于保持加工后工程陶瓷材料的表面質(zhì)量[8].激光加工氮化硅陶瓷時,材料的去除基于激光燒蝕,這是一個復(fù)雜的瞬態(tài)現(xiàn)象過程.聚焦的激光束照射到工件表面,在此過程中會同時發(fā)生多種熱傳遞和化學(xué)反應(yīng).激光在空氣中加工氮化硅時,氮化硅蒸氣很容易氧化分解,同時,SiO蒸氣立即被氧化,轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔郤iO2,令材料表面形貌發(fā)生改變[9,10].在激光燒蝕過程中,激光能量通過自由電子被吸收,引起晶格升溫和原子電離[11,12],微裂紋甚至粉化現(xiàn)象的產(chǎn)生概率會明顯降低.Samant等建立計算模型來預(yù)測給定脈沖條件下材料的加工深度,以此來充分探討單維激光加工下的氮化硅陶瓷[13].激光對于工程陶瓷等難加工材料的加工成效有目共睹,然而鮮有人具體分析單一激光參數(shù)改變對于工程陶瓷材料表面形貌的促進作用.在空氣環(huán)境中加工時,隨著激光參數(shù)的改變,工件表面會呈現(xiàn)出不同階段以及不同程度的變化.

本文提出一種基于脈沖激光加工氮化硅陶瓷表面技術(shù),通過分析脈沖激光加工后氮化硅陶瓷的表面形貌,對表面宏觀結(jié)構(gòu)工藝進行研究,得出激光入射功率以及掃描速率對氮化硅陶瓷表面形貌改變的影響.實驗結(jié)果表明,所提出的激光加工處理技術(shù)相關(guān)參數(shù)的改變能夠有效改善陶瓷表面宏觀結(jié)構(gòu)的形貌.

1 陶瓷工件的制備與選擇

氮化硅以硅粉作為原料,首先需用通常成型的方法做成所需形狀,在1200 ℃的高溫氮氣環(huán)境中進行初步氮化,使其中一部分硅粉和氮反應(yīng)生成氮化硅,此時整個坯體已具有一定的強度,之后在1350～1450 ℃的高溫爐中進行第二次氮化,最終反應(yīng)生成氮化硅.本次Si3N4試件的硬度為1700 HV,彎曲強度為700 MPa,彈性模量為320 GPa,材料基本屬性特征見表1.試樣尺寸為20mm×20mm×10mm.在20mm×20mm表面進行脈沖激光加工.

表1 氮化硅陶瓷材料基本屬性特征

2 激光加工實驗

2.1 實驗裝置

氮化硅陶瓷脈沖激光加工實驗所用裝置如圖1所示,采用IPG脈沖光纖激光器(YCP-1-120-50-50-HC-RG,武漢華工激光工程有限責(zé)任公司),最大輸出功率50 W,工作電壓AC 220 V,脈沖寬度0.2～50 ms,波長1064 nm,頻率變化范圍1～200 kHz.表面形貌掃描設(shè)備使用三維超大景深(ULDF)數(shù)碼顯微系統(tǒng)(VHX-5000,基恩士(中國)有限公司),可實現(xiàn)最大20000像素×20000像素的圖像拼接,搭載高速處理成像軟件REMAX V,幀率最大50 F/s.

圖1 實驗裝置

2.2 實驗流程

首先使用單項參數(shù)不同的脈沖激光在Si3N4工件表面上加工出預(yù)先設(shè)計的溝槽結(jié)構(gòu),形成對照組.在本次研究中設(shè)計了具體尺寸參數(shù)的溝槽結(jié)構(gòu),其溝槽寬度為W,溝槽長度為L,如圖2所示.

為了在Si3N4工件表面生成精準寬度和長度的溝槽,對激光加工參數(shù)進行了優(yōu)化.設(shè)置六組單項參數(shù)不同的激光光束直接作用于氮化硅的加工表面,實驗激光參數(shù)的設(shè)置見表2.固定每組焦距?、光斑大小d?、脈沖頻率?p的數(shù)值,通過每次變動激光功率P或掃描速率vss其中一組參數(shù)來進行實驗.之后使用三維超大景深顯微鏡來進行表面形貌掃描,利用其3D顯示功能清晰呈現(xiàn)出激光加工出的Si3N4工件溝槽表面形貌,有助于觀察激光加工出的Si3N4工件溝槽表面質(zhì)量變化.

圖2 激光加工氮化硅溝槽

表2 脈沖激光實驗單項參數(shù)設(shè)計

3 結(jié)果與討論

3.1 激光功率對工件表面形貌影響

通過Si3N4表面存在的蒸發(fā)損失、離解和熔化共同作用來達到材料去除,Si3N4不會熔化但會升華,Si3N4在其升華溫度下分解成N2氣體和Si液體:

當(dāng)溫度逐漸降低到室溫時,熔融材料會凝固包裹在加工表面,沉積為一層薄而光滑的重鑄層[14].在空氣環(huán)境中用激光加工Si3N4時,Si3N4在熱分解過程中會發(fā)生氧化反應(yīng),發(fā)生較為復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng):

SiO蒸汽立即氧化形成固相SiO2:

在O2中加工也會釋放出NO2氣體:

在空氣中加工Si3N4時會形成約20 μm厚的重鑄層并在重鑄層中擴展出微裂紋.利用三維ULDF顯微鏡掃描Si3N4樣品,該樣品在激光掃描速率為2000 mm/s時由三種不同功率激光加工得到三個表面形貌各異的溝槽(見圖3).在500倍率下,可以清晰看到Si3N4表面上的溝槽.區(qū)域Ⅰ對應(yīng)未加工的地表和熔融物質(zhì),區(qū)域Ⅱ?qū)?yīng)激光燒蝕所造成的結(jié)果.35 W功率下溝槽最深可達64.38 μm,而15 W功率下溝槽最深僅22.89 μm.Soltani等建立模型研究USPL(超短脈沖激光器)對氮化硅的相互作用機理[15],以此來表明激光加工中能量增加會造成燒蝕的加深,在不同燒蝕功率下Si3N4表面溝槽表現(xiàn)出不同的熔融物質(zhì)條件.

圖4中可清楚觀測到Si3N4工件表面經(jīng)激光加工后產(chǎn)生的溝槽并不是絕對光滑的.Si3N4工件加工出的溝槽內(nèi)部分為三個區(qū)域,第一區(qū)域為微裂紋區(qū),第二區(qū)域為二氧化硅晶粒區(qū),第三區(qū)域為重鑄層區(qū).

圖3 不同平均功率下Si3N4溝槽表面形貌

圖4 脈沖激光燒蝕氮化硅表面

激光所提供的巨大能量會迅速轉(zhuǎn)化為熱能,產(chǎn)生瞬時高溫,并向材料內(nèi)部傳遞[16].熱能在陶瓷中的傳遞遵循傅里葉第二熱傳導(dǎo)定律:

其中T為溫度場,t為時間,x、y、z為空間方向,α(T)為材料隨溫度變化的熱擴散系數(shù).

材料自身的熱物理特性(如比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等)決定了溫升時材料的物理效應(yīng).裂紋的產(chǎn)生是由于Si3N4工件表面瞬間吸收大量能量,快速加熱又迅速冷卻產(chǎn)生高熱應(yīng)力,從而造成裂紋損傷.關(guān)于激光功率的影響,一般從傳熱研究可知,溫度升高應(yīng)與激光功率成正比,熱應(yīng)力值越大,裂紋傾向越大.然而這與我們實驗所得結(jié)果以及Li等的研究結(jié)果[17]相矛盾,其通過建立應(yīng)力模型,得出激光功率對切縫寬度有顯著影響,當(dāng)給定切割速度時,激光功率越高,激光線寬越寬.較寬的切縫有利于切削熱能的擴散,從而可以獲得較低的切削表面熱應(yīng)力水平.切削參數(shù)對切削表面有著顯著的影響,高功率相比低功率可以獲得更加光滑的表面[18].單位面積內(nèi)激光輸入能量[19]:

其中EL-total為總激光能量,dL為激光線寬,vss為掃描速率.

當(dāng)掃描速率恒定時,單位面積激光輸入能量與激光線寬呈反比例關(guān)系.由圖3可知,當(dāng)激光功率為35 W時,Si3N4工件表面較為光滑,其加工出的溝槽深度明顯超過激光功率為25 W與15 W時所加工出的溝槽深度:當(dāng)激光功率為25 W時,Si3N4工件表面紋理較為粗糙,可觀測到少許裂紋,表面仍殘留未完全熔融的材料;當(dāng)激光功率為15 W時,Si3N4工件表面粗糙,溝槽內(nèi)表面晶粒以及裂紋較多,加工所得溝槽深度相對較淺.實驗所得結(jié)果表明,增大激光功率可以獲得更高的加工工件表面質(zhì)量,同時增大的激光功率可以增加其作用的深度,不同功率激光加工時產(chǎn)生的溝槽深度差最高達到41.49 μm.激光峰值功率越高,其激光線寬會越寬,溫度梯度會隨之減小,熱應(yīng)力也會減小,可有效減少加工過程中裂紋的形成.三種不同功率下,工件溝槽表面形成不規(guī)則疏密的重鑄層,由于激光功率的增加,使得燒蝕造成的熔融材料流動性增加,其中一部分未被蒸汽及時帶走的熔融材料會冷卻形成更薄更致密的重鑄層.Islam等也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[20],即加工TiN/Si3N4和SiC/Si3N4材料時,脈沖激光減少了鑄層厚度,消除了微裂紋,每次脈沖所去除的材料隨著能量密度的增加而增加.

3.2 激光掃描速率對工件表面形貌影響

在25 W功率狀況下分別采用1500 mm/s、2000 mm/s、2500 mm/s三種掃描速率加工溝槽(圖5).隨著掃描速率的提升,溝槽表面的加工時間相應(yīng)減少,導(dǎo)致總輸入熱能減少但仍然處于高溫,其溫度梯度的形成還是無法避免.值得注意的是依附于溝槽表面密集且粗糙的二氧化硅晶粒,其導(dǎo)熱系數(shù)低于氮化硅的導(dǎo)熱系數(shù),所以會對氮化硅陶瓷內(nèi)部溫度梯度產(chǎn)生影響.由式(2)可知,加工表面所受到的單位面積激光輸入能量隨著激光掃描速率的提高而降低.掃描速率變化對于溝槽深度的影響沒有功率變化所表現(xiàn)得明顯,高掃描速率固然會令加工時間以及總輸入熱能減少,并且獲得較小的熱影響區(qū),但同時也會降低所加工溝槽深度.隨著掃描速度變慢,激光在溝槽底部停留的時間變長,且脈沖之間的搭接率增大,工件單位面積內(nèi)接受到的激光功率也會增加,此時溝槽底部更加平整.

圖5 不同掃描速率下Si3N4溝槽表面形貌

4 結(jié)論

本文主要研究在空氣環(huán)境下基于脈沖激光加工氮化硅陶瓷表面的技術(shù),為脈沖激光構(gòu)建宏微觀多級結(jié)構(gòu)化工件表面研究提供參考.通過設(shè)定不同參數(shù)組的脈沖激光在氮化硅陶瓷表面進行加工,得出單項參數(shù)不同的脈沖激光對氮化硅陶瓷表面形貌的影響.具體結(jié)論如下:

(1) 利用3D超大景深顯微鏡對脈沖激光加工后氮化硅陶瓷表面獲得的精準溝槽內(nèi)部形貌進行觀測.溝槽具有精準尺寸但其表面并不光滑,低功率下溝槽表面的劣化較為明顯.在溝槽表面會形成明顯裂紋、二氧化硅晶粒以及粗糙的重鑄層.

(2) 在激光功率為35 W時,相較于功率為25 W以及15 W時加工所獲得的溝槽表面更為光滑,加工所得溝槽最深可達64.38 μm,并且無明顯裂紋產(chǎn)生,表面形成較為致密的重鑄層.

(3) 激光功率的增加造成燒蝕程度加大,同時激光線寬也會隨之加寬,雖然熱影響區(qū)的改善效果不明顯但對于溝槽表面光滑程度有積極作用.

(4) 表面質(zhì)量會隨著激光掃描速率的減慢而有所改善,但若要實現(xiàn)較小的熱影響區(qū),則可以在加工中選取相對較高的掃描速率.