CVD金剛石涂層工具的水膜輔助脈沖激光加工技術(shù)研究*

劉文超 郭 兵 趙清亮

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院 哈爾濱150001）

CVD金剛石涂層磨削工具是一種利用化學(xué)氣相沉積在碳化硅或碳化鎢基體上獲得多晶金剛石涂層，并利用涂層表面的金剛石晶粒尖峰來實現(xiàn)磨削加工的新型磨削工具[1-2]。與傳統(tǒng)磨削工具相比，CVD金剛石涂層磨削工具不含結(jié)合劑，表面具有極高的“磨?！泵芏群涂煽氐摹澳チ！背叽纾?.5～10μm），具有卓越的耐磨性[3-4]。但其容屑空間小，排屑困難，容易堵塞，從而限制了 CVD金剛石涂層磨削工具的實際應(yīng)用[5]。微結(jié)構(gòu)表面可以有效解決上述問題，通過在 CVD金剛石涂層磨削工具表面制造微米級的結(jié)構(gòu)陣列能夠在保證其磨削質(zhì)量和耐磨性的前提下，增加其容屑空間并有效降低其磨削力，從而改善其磨削性能[6]。

受 CVD金剛石超硬材料屬性和微結(jié)構(gòu)表面尺寸的限制，激光加工是面向 CVD金剛石涂層磨削工具目前唯一行之有效的加工技術(shù)。激光加工是通過熱效應(yīng)以及其他作用使材料熔化、汽化，從而實現(xiàn)材料去除的。在極短時間內(nèi)產(chǎn)生熱量使材料汽化并迅速冷卻，往往會帶來許多問題[7-8]。CVD金剛石涂層加工區(qū)域受到熱效應(yīng)作用會產(chǎn)生熱影響區(qū)，熱應(yīng)力集中分布產(chǎn)生裂紋，甚至導(dǎo)致局部涂層發(fā)生脫落。同時在激光燒蝕過程中熔化、汽化的基體材料，氧化后又會重新固結(jié)在燒蝕結(jié)構(gòu)內(nèi)部及周邊，形成后期難以去除的重鑄層[9-10]。這些不規(guī)則生長的重鑄層降低了激光加工的精度，使得加工的微結(jié)構(gòu)粗糙，從而影響 CVD金剛石涂層磨削工具的使用性能；另外還會對后續(xù)激光脈沖起到散射阻擋的作用，使得激光燒蝕效率有所降低[11-12]。為解決上述問題，相關(guān)研究學(xué)者提出水輔助激光加工技術(shù)，將射流水膜復(fù)合到現(xiàn)有的激光加工技術(shù)當(dāng)中，在射流水膜的沖刷冷卻下完成材料的燒蝕去除[13-18]。但國內(nèi)外對于 CVD金剛石涂層材料的水膜輔助脈沖激光加工研究還未見報道。

本研究將使用噴霧射流水膜輔助激光加工技術(shù)，利用噴霧射流在CVD金剛石涂層材料表面形成一層薄而快速流動的水膜，在水膜輔助下進行材料的激光燒蝕去除。利用流動水膜的冷卻沖刷作用遏制激光加工的熱效應(yīng)，從而提高激光加工的質(zhì)量以及效率。

1 水膜輔助脈沖激光加工實驗設(shè)計

1.1 實驗材料

本研究使用的是碳化鎢基體 CVD金剛石涂層樣片，直徑為10mm，高度為3mm，涂層厚度為10μm。如圖1所示為SEM成像的CVD金剛石涂層表面形貌，微切削刃明顯，晶粒大小為1～3 μm，金剛石高度較小，磨削時容屑空間較小，所以需要在其表面進行微結(jié)構(gòu)陣列加工，用于改善后續(xù)磨削加工性能。

圖1 CVD金剛石涂層形貌SEM圖

1.2 激光加工實驗裝置

本研究采用皮秒脈沖激光器為法國Teemphotinics公司的 HNG-50F-100型號，激光器的平均輸出功率3W，重復(fù)頻率56 kHz，單脈沖能量為 53.8 μJ，激光波長 532 nm，激光脈寬 652.1 ps。激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)擴束、準(zhǔn)直等修形調(diào)整后，為基模高斯分布，即高斯光束TEM00。光路末端聚焦透鏡的焦距約15 cm，激光焦點直徑約30 μm。如圖2所示即為水膜輔助激光加工系統(tǒng)的裝置圖。

圖2 水膜輔助激光加工系統(tǒng)裝置圖

1.3 實驗設(shè)計

本文進行材料表面溝槽燒蝕實驗，研究采用水膜輔助后激光加工的特點。溝槽的形貌與尺寸受到激光是否采用水膜輔助、水膜輔助下激光的功率、掃描速度等因素的影響。

使用水膜輔助激光在 CVD金剛石涂層材料表面燒蝕溝槽，分別單獨改變激光燒蝕的功率與掃描速度，研究功率變化以及掃描速度變化對激光燒蝕溝槽數(shù)量特征的影響。具體實驗數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 激光功率對加工結(jié)果的影響

表2 掃描速度對加工結(jié)果的影響

1.4 結(jié)果檢測

利用900倍CCD獲得水膜輔助激光燒蝕溝槽正面與截面的清晰圖像，根據(jù)比例尺以及輔助軟件即可測量獲得溝槽寬度與深度。利用 MATLAB處理得到激光燒蝕溝槽寬深度隨激光功率以及掃描速度的變化規(guī)律，與激光加工理論模型求解結(jié)果比對，得出結(jié)論。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 水膜輔助脈沖激光加工理論分析

激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)擴束、準(zhǔn)直等修形調(diào)整后，為基模高斯分布，并且激光束為脈沖激光，則該激光束在焦點附近的能量密度分布可以用推導(dǎo)公式來描述：

公式(1)描述的是中心點處的能量密度I0通過功率計測得的平均功率p、脈沖激光的重復(fù)頻率f與激光的焦點半徑ω0來獲得；公式（2）為瑞利長度zR的表達式，公式（3）描述激光束截面半徑ω(z)隨z向（激光束傳播方向）變化規(guī)律，隨z向距離變化而逐漸增大，并與瑞利長度有關(guān)；公式（4）描述的是激光束在焦點附近的單脈沖能量密度分布I(r,z)。

在完成激光光斑能量密度分布的定量表達之后，溝槽材料的去除是通過比較材料燒蝕閾值與激光能量密度的大小來實現(xiàn)的，即能量密度大于等于材料燒蝕閾值的部分材料去除。上述模擬過程可以通過公式（5）來描述[19-20]：

其中，h為燒蝕溝槽深度，N為脈沖激光的等效脈沖數(shù)，I表示激光作用在該點的能量密度，Ith代表相對于激光波長的材料的燒蝕閾值，k表示與材料表面與激光作用相關(guān)的系數(shù)。

通過公式可以直接獲得水膜輔助激光燒蝕溝槽的深度，而深度為零處坐標(biāo)的差值，即為直徑方向上能量密度與材料燒蝕閾值相等的坐標(biāo)的差值，可以作為溝槽燒蝕的寬度。

2.2 激光功率對加工結(jié)果的影響

圖3(b)與圖3(c)是采用相同激光參數(shù)分別采用水膜輔助激光以及單純激光加工出的溝槽，圖3(d)、(e)、(f)分別為圖3(a)、(b)、(c)溝槽對應(yīng)的截面圖。單純激光燒蝕所獲得的溝槽如圖3(c)所示，可以明顯在溝槽周圍發(fā)現(xiàn)重鑄物質(zhì)，并且燒蝕溝槽的深度也遠遠小于水膜輔助激光燒蝕獲得的溝槽，如圖3(e)、(f)所示。保持其他實驗參數(shù)不變，單獨改變激光的燒蝕功率，利用水膜輔助激光燒蝕CVD金剛石涂層材料，獲得的表面以及截面的溝槽形貌如圖3(a)、圖3(b)所示。從加工形貌圖中可以看出在水膜輔助條件下激光加工表面的沒有觀察到重鑄物質(zhì)，溝槽干凈清晰。在獲得的形貌圖中測量燒蝕溝槽的寬度與深度，并繪制溝槽寬度與深度隨激光功率的變化規(guī)律曲線，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)燒蝕溝槽的寬度與深度均隨激光功率的增加而增大，并且燒蝕溝槽的寬度在 20～40 μm 之間，深度在30～140 μm之間。并且燒蝕溝槽寬度與深度隨激光功率變化的規(guī)律與純激光加工的理論計算結(jié)果相同。這說明水膜輔助去除重鑄層后，重鑄層對激光燒蝕的阻礙作用消失，激光燒蝕的效率恢復(fù)到了理論公式預(yù)測的數(shù)值。

圖3 不同功率水膜輔助激光燒蝕溝槽形貌圖

圖4 功率單因素溝槽寬度與深度實驗值與計算值對比圖

2.3 掃描速度對加工結(jié)果的影響

同樣，將激光燒蝕的功率分別設(shè)定為低功率值400mW以及高功率值1400mW，在這兩種情況下，改變激光加工溝槽的掃描速度，利用水膜輔助激光燒蝕 CVD金剛石涂層材料，獲得的表面以及截面的溝槽形貌如圖5所示?？梢杂^察到無論高功率還是低功率，同功率組內(nèi)溝槽寬度相差不大，CCD圖逐漸“變淺”，表示溝槽深度逐漸變淺；不同功率組之間溝槽寬度不同。并且同樣在溝槽兩側(cè)邊緣較為干凈，沒有觀察到重鑄現(xiàn)象。

圖5 掃描速度單因素?zé)g溝槽CCD圖

對兩組不同功率的變掃描速度激光燒蝕溝槽寬度值整理，獲得燒蝕溝槽寬度隨掃描速度變化曲線，如圖6所示。發(fā)現(xiàn)溝槽寬度基本不受掃描速度變化的影響。根據(jù)激光加工的能量分布理論，掃描速度只改變激光作用的等效脈沖數(shù)，而對激光的能量密度分布幾乎無影響，所以燒蝕溝槽的寬度值基本保持不變。

圖6 高低功率掃描速度對燒蝕溝槽寬度影響曲線圖(紅線激光參數(shù)為低功率 400mW,藍線激光參數(shù)為高功率1400mW)

而對于燒蝕溝槽的深度，所得截面如圖7所示，整理數(shù)據(jù)得溝槽深度隨掃描速度變化的變化曲線。由截面圖可以看出，溝槽開口寬度基本相等，而深度卻隨掃描速度的增加而明顯變淺；掃描速度較大時，燒蝕溝槽的“倒錐狀”更加明顯；掃描速度較小時，溝槽底部存在的裂紋延伸更明顯。

圖7 低功率變掃描速度水膜輔助激光燒蝕溝槽截面圖

利用截面法獲得燒蝕溝槽深度數(shù)據(jù)，整理后得到高功率（1400mW）以及低功率（400mW）溝槽深度隨掃描速度變化的實驗數(shù)據(jù)規(guī)律曲線；求解水膜輔助激光燒蝕模型可得到同等水膜輔助激光參數(shù)下的溝槽深度計算規(guī)律曲線。如圖8所示，兩種功率條件下的實驗數(shù)據(jù)曲線與計算曲線基本吻合：燒蝕溝槽的深度隨掃描速度的增加逐漸變小，并且減小趨勢漸緩。

圖8 不同功率變掃描速度水膜輔助激光燒蝕溝槽深度實驗值與計算值對比圖

2.4 激光燒蝕溝槽截面形貌分析

水膜輔助激光燒蝕的功率實驗與掃描速度實驗的結(jié)果都與建立的激光加工的理論計算結(jié)果一致，這表明水膜輔助確實能在抑制重鑄現(xiàn)象后使激光燒蝕效率得到了恢復(fù)，但卻沒有找到明顯的證據(jù)表明，水膜輔助可以額外提升激光的燒蝕效率，即溝槽特征的實驗值沒有大于理論值。同時二者相互吻合也進一步證明了水膜輔助激光燒蝕溝槽模型的準(zhǔn)確性，即可以在一定程度上利用該模型預(yù)測水膜輔助激光燒蝕溝槽的數(shù)量特征，為后續(xù)實現(xiàn)水膜輔助激光定量燒蝕微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備了條件。

另外，在驗證水膜輔助激光燒蝕溝槽模型準(zhǔn)確性后，可以利用該模型模擬燒蝕溝槽的截面形狀，并且可以與實際截面法獲得的截面進行比對，如圖9所示。無論是溝槽的深度還是溝槽的截面，計算仿真出的截面都與燒蝕實驗后測得的截面高度相似。理論上水膜輔助激光燒蝕獲得的截面應(yīng)該是成高斯分布，如圖9(c)，但由于實際燒蝕材料去除形成的槽壁不會那么光滑，在掃描速度比較低、溝槽深度比較大時，就近似形成了倒錐狀的截面。

圖9 水膜輔助激光燒蝕溝槽截面對比圖(P=1W,v=0.15mm/s)

3 結(jié)語

采用水膜輔助方法之后，激光加工熱效應(yīng)所帶來的重鑄問題得到了很好的解決；通過對水膜輔助激光燒蝕溝槽的一系列單因素實驗結(jié)果的分析可以明確，水膜輔助激光燒蝕溝槽的數(shù)量特征與同等參數(shù)單純激光理論計算的結(jié)果吻合性較好，這說明水膜輔助去除重鑄層后，不再存在重鑄物質(zhì)阻擋后續(xù)的加工激光，使得激光燒蝕的效率得到提高。水膜輔助的形式既能有效去除單純激光加工引入的重鑄物質(zhì)，又可以提高激光的燒蝕效率，并且使得激光加工的結(jié)構(gòu)數(shù)量特征可計算可預(yù)測，為激光的定量潔凈加工提供一定的借鑒意義，這也說明水輔助激光加工技術(shù)確實是值得深入研究的。