[發明專利]一種皮秒-納秒激光復合異步拋光陶瓷的工藝方法

有效

• 申請號: 201811546932.0
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN109514076B
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 季凌飛;張熙民;王文豪;燕天陽;馬瑞
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B23K26/00
• 分類號: B23K26/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發明公開了一種皮秒?納秒激光復合異步拋光陶瓷的工藝方法，首先采用皮秒激光沿一定掃描軌跡對陶瓷待加工表面進行輻照，對陶瓷表面微觀凸起進行去除，實現初步平坦化，同時利用皮秒激光對陶瓷材料電子態的去除誘導產生大量微納米顆粒，以電離態存在于被輻照陶瓷表面的鄰近空間區域。按預設時間啟動小功率納秒激光追蹤皮秒激光掃描路徑，對陶瓷表面均勻分布的微納米顆粒進行輻照熔融，最終形成一層致密光滑的細晶熔凝層以達到拋光效果。本發明修復了陶瓷材料原始的氣孔裂紋，克服了傳統激光拋光產生熱影響區大，材料表面易產生微裂紋和氣孔的缺點，實現了陶瓷材料低去除量，高效率高精度亞微米級別的精細拋光。

技術領域

本發明涉及陶瓷材料表面的激光拋光領域，尤其涉及氧化鋁陶瓷表面的亞微米級別的高精激光復合拋光加工方法。

技術背景

工程陶瓷以氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)為主體的陶瓷材料，用于厚膜集成電路和陶瓷結構件。氧化鋁、氧化鋯等工程陶瓷有較好的傳導性、機械強度和耐高溫性，是一種用途廣泛的陶瓷，因為其優越的性能，在現代社會的應用已經越來越廣泛，滿足于日用和特殊性能的需要。但是針對陶瓷材料常規的機械拋光方法加工時間長，加工效率低，且機械加工多為接觸式加工易對陶瓷表面產生機械損傷，次表面裂紋等缺陷，同時機械加工受限于其加工原理難以實現高精度三維立體件的表面拋光，激光拋光作為一種非接觸式的加工方式不會對工件表面產生壓應力，加工效率高，加工自由度高，且對加工環境要求不高。目前常規激光拋光工藝多采用中長脈沖熱拋光，熱拋光是利用激光的熱效應,通過對基材的熔化、蒸發等過程去除材料，該方法產生的熱影響區較大，熱裂紋和燒蝕明顯，不利于硬脆材料加工。中國發明專利201710651327.9和中國發明專利201710652088.9采用準分子激光拋光陶瓷，利用燒蝕和汽化原理對陶瓷進行拋光，拋光后粗糙度Ra由0.94μm下降到0.91μm，粗糙度降低率約為4％，粗糙度降低不明顯，且原有陶瓷已屬于表面粗糙度在亞微米級的精細陶瓷。Dimitris Karnakis利用單一的1064nm皮秒激光通過多次掃描輻照的方案對氧化鋁陶瓷材料進行表面粗糙度的降低，隨著加工深度增大粗糙度降低，但該方法屬于激光銑削工藝，需要很大的銑削深度，徹底改變材料原始表面形貌，不屬于精細拋光(Karnakis D,Rutterford G,Knowles M,et al.Laser micro-milling of ceramics,dielectrics andmetals using nanosecond and picosecond lasers[J].Proceedings of SPIE-TheInternational Society for Optical Engineering,2006,6106.)。中國發明專利201810785012.8利用飛秒激光拋光陶瓷基復合材料，其拋光后表面粗糙度為1.4μm，沒有達到亞微米級精度，且單一的超快激光拋光本質為材料的微去除，因此難以對陶瓷材料原始氣孔、裂紋等缺陷進行有效修復。本方案采用皮秒激光與納秒激光復合異步拋光工藝，實現了在幾無材料表面去除量，不破壞材料表面形貌前提下的陶瓷材料精細拋光。先采用皮秒激光對陶瓷材料進行輻照，在對陶瓷表面微觀凸起部分實現初步平坦化的同時，利用皮秒激光對材料電子態的去除機制產生具有高表面活性的微納米顆粒，之后采用低能量密度納秒激光對這些高表面活性的微納米顆粒進行輻照熔融，極易形成一層致密光滑的細晶熔凝層，同時根據顆粒產生和長大機制，要對兩次拋光的時間差進行合理控制。本方法克服了傳統激光拋光過程中材料表面微裂紋和氣孔的產生，實現不破壞材料表面幾何形貌、極低材料去除量下的激光精細拋光。

發明內容

針對現有陶瓷材料拋光工藝技術中易產生微裂紋和氣孔、熱/機械應力影響區大、材料去除量多及表面形貌易破壞等問題，本發明提供一種皮秒-納秒激光復合異步拋光陶瓷技術方案，有效克服上述存在的問題，實現不破壞材料表面幾何形貌的高精亞微米級拋光效果。

1.為實現上述目的，本發明提供一種皮秒-納秒激光復合異步拋光陶瓷的技術方案，其工藝方案如下：