磨粒尺寸和基體硬度對(duì)固結(jié)磨料拋光YAG晶體的影響*

明 舜， 李 軍， 張羽馳， 邱 陽(yáng)， 朱永偉， 左敦穩(wěn)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京 210016)

釔鋁石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)晶體的透光性好、熔點(diǎn)高、熱導(dǎo)率高、光轉(zhuǎn)效率高，長(zhǎng)時(shí)間工作不產(chǎn)生色心，吸收系數(shù)大，可進(jìn)行高濃度摻雜等[1-2]，YAG晶體固態(tài)激光器在雷達(dá)測(cè)風(fēng)、激光測(cè)距、導(dǎo)彈攔截、軌道空間碎片清除、氫鎂能量循環(huán)、激光核聚變、激光點(diǎn)火等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[3-4]。但YAG晶體硬度高、脆性大，是典型的難加工材料，加工過(guò)程中易出現(xiàn)去除率低、加工表面不均勻、崩邊等現(xiàn)象。然而，應(yīng)用于高能激光器的YAG晶體表面則要求超光滑、無(wú)損傷[5]。

李軍等[6]研究了Nd∶YAG透明陶瓷的超精密加工，分別采用平均粒徑尺寸為28 μm的碳化硼磨料粗磨、3 μm和1 μm的氧化鋁精磨、0.3 μm的氧化鋁機(jī)械拋光和硅溶膠化學(xué)機(jī)械拋光，獲得表面粗糙度RMS(root mean square )小于0.2 nm的超光滑陶瓷表面。孫志明等[7]先采用銅盤粗磨改善YAG晶體的表面缺陷，再用IC1000型拋光墊分別配合磨粒尺寸為0～0.30 μm和0～0.05 μm的Al2O3磨粒進(jìn)行粗、精2道拋光YAG晶體，得到了平面度PV(peak-to-valley)為100 nm，表面粗糙度RMS為0.9 nm的光滑表面。DANIEL等[8]運(yùn)用磁場(chǎng)輔助拋光技術(shù)，對(duì)比聚氨酯和絨布對(duì)YAG晶體的拋光效果，結(jié)果表明聚氨酯的拋光效果較優(yōu)。謝瑞清等[9]提出利用合成拋光盤拋光Nd∶YAG晶體，通過(guò)優(yōu)化、選擇合適粒度的Al2O3磨料實(shí)現(xiàn)其低缺陷加工，拋光后的YAG晶體表面粗糙度RMS達(dá)到0.55 nm。

固結(jié)磨料拋光技術(shù)具有選擇性強(qiáng)、平坦化效率高、工件表面不易釉化、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，代表著光整加工未來(lái)的發(fā)展方向[10]。黃金庫(kù)等[11]對(duì)比不同金剛石磨粒尺寸的固結(jié)磨料墊拋光硫化鋅晶體，發(fā)現(xiàn)當(dāng)金剛石磨粒尺寸為2～4 μm時(shí)，拋光效果最佳，材料去除率為100 nm/min，表面粗糙度為4.37 nm。LI等[12]研究了不同磨粒尺寸、不同基體硬度的固結(jié)磨料拋光墊對(duì)CaF2晶體的加工效果，指出較優(yōu)的磨粒尺寸為3～5 μm，基體較軟時(shí)，工件表面質(zhì)量最好，表面粗糙度Sa值為7.9 nm。王文澤等[13]采用3種不同磨粒尺寸的金剛石固結(jié)磨料研磨墊加工石英玻璃，當(dāng)金剛石磨粒尺寸為14 μm時(shí)，滿足硬脆材料的高效、高質(zhì)量研磨要求。李軍等[14]對(duì)LiB3O5(110)面進(jìn)行拋光，針對(duì)其軟、脆等難加工的特點(diǎn)，采用固結(jié)磨料拋光技術(shù)，得到了較高的表面質(zhì)量，表面粗糙度Ra值為1.94 nm。蘇建修等[15]對(duì)比固結(jié)磨料和游離磨料研磨SiC單晶基片(0001)C面，發(fā)現(xiàn)固結(jié)磨料研磨的材料去除率更大，表面粗糙度更小，還可提高工件的平面度。

采用固結(jié)磨料拋光YAG晶體，旨在探索新的加工方法，提高磨粒的利用率、工藝的可控性。通過(guò)單因素試驗(yàn)探究固結(jié)磨料拋光墊的基體硬度、金剛石磨粒尺寸對(duì)YAG晶體材料去除率及表面質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)在ZDHP-30型環(huán)拋機(jī)上進(jìn)行，3塊YAG晶體(10.0 mm×10.0 mm×0.5 mm)粘貼在K9玻璃載片上，如圖1所示。拋光液由去離子水、OP-10乳化劑、三乙醇胺組成，其中OP-10乳化劑用于改善拋光液對(duì)固結(jié)磨料拋光墊的潤(rùn)濕性，三乙醇胺用來(lái)調(diào)節(jié)拋光液的pH值為10。設(shè)置拋光時(shí)的壓力為49 kPa，拋光液的流量為70 mL/min，拋光墊和工件轉(zhuǎn)速均為70 r/min，拋光時(shí)間為30 min。

選用親水性固結(jié)磨料拋光墊[16-17]開(kāi)展單因素試驗(yàn)。設(shè)定固結(jié)磨料墊的基體硬度由軟到硬分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，金剛石磨粒尺寸為3～5 μm，綜合評(píng)價(jià)不同基體硬度對(duì)固結(jié)磨料拋光YAG晶體材料去除率和表面質(zhì)量的影響，選出加工效果較優(yōu)的基體硬度拋光墊；在此基礎(chǔ)上，分別選取磨粒尺寸1～2 、3～5 和5～10 μm的金剛石磨粒，研究磨粒尺寸對(duì)材料去除率和表面質(zhì)量的影響，得出合適的拋光磨粒尺寸。

圖 1 YAG晶體粘貼方式Fig. 1 YAG crystal bonding mode

使用METTLER TOLRDO精密分析天平稱量YAG晶體拋光前后的質(zhì)量，使用螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)量工件的初始厚度，通過(guò)工件拋光前后的質(zhì)量差計(jì)算得到Y(jié)AG晶體的去除率ΔL。計(jì)算公式如(1)所示：

(1)

其中：Δm為YAG晶體拋光前后的質(zhì)量差，g；h0為YAG晶體拋光前的原始厚度，mm；M0為YAG晶體拋光前的原始質(zhì)量，g；t為拋光時(shí)間，min。

采用XJX-200型顯微鏡觀察拋光后YAG晶體的表面形貌，CSPM4000型原子力顯微鏡(AFM)測(cè)量拋光后YAG晶體的表面粗糙度。

2 結(jié)果與討論

2.1 基體硬度對(duì)YAG晶體材料去除率和表面質(zhì)量的影響

圖2是顯微鏡觀察的YAG晶體表面形貌。從圖2可以看出：當(dāng)固結(jié)磨料墊基體硬度為Ⅱ時(shí)，YAG晶體的表面雖然出現(xiàn)少量細(xì)長(zhǎng)劃痕，但表面質(zhì)量最好；當(dāng)基體硬度為Ⅰ時(shí)，拋光后的YAG晶體表面的劃痕數(shù)量多而密集；當(dāng)基體硬度為Ⅲ時(shí)，YAG晶體表面除了出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)劃痕之外還出現(xiàn)了少數(shù)的小凹坑；當(dāng)基體硬度為Ⅳ時(shí)，拋光后的YAG晶體表面質(zhì)量最差，劃痕深且寬，且在拋光面出現(xiàn)大量的小凹坑。

圖2從宏觀上反映了基體硬度對(duì)YAG晶體拋光質(zhì)量的影響。當(dāng)固結(jié)磨料墊基體硬度較小時(shí)(圖2a)，在拋光液的浸泡下，親水性樹(shù)脂基體網(wǎng)格的結(jié)合力偏小，在與工件的摩擦和拋光液的沖刷下，基體磨損的速度較快，基體包裹的磨粒比例下降，此時(shí)基體對(duì)金剛石磨粒的把持力下降，脫落的金剛石磨粒隨著拋光液直接從拋光墊的溝槽中流出，使有效磨粒數(shù)減少；同時(shí)由于彈性基體的退讓性，磨粒在接觸到工件后，會(huì)出現(xiàn)下陷和向后傾斜的現(xiàn)象，磨粒切深減小，此時(shí)的材料去除以耕犁作用為主，材料在劃痕兩側(cè)形成堆積，所以拋光后的表面劃痕數(shù)量較多，且較寬[18]。

(a) 硬度ⅠHardness Ⅰ(b) 硬度ⅡHardness Ⅱ(c) 硬度ⅢHardness Ⅲ(d) 硬度ⅣHardness Ⅳ圖 2 不同基體硬度的固結(jié)磨料墊拋光的YAG晶體表面形貌圖Fig. 2 Surface micrograph of YAG crystal after fixed abrasive pad polishing with different matrix hardness

基體硬度適中時(shí)(圖2b)，基體對(duì)磨粒的把持力適中，磨粒對(duì)工件表面的機(jī)械作用以切削為主，有利于YAG晶體表面軟化層的去除，工件表面劃痕少且淺。

當(dāng)基體硬度較大時(shí)(圖2c)，基體不易磨損，對(duì)磨粒的把持力變大，磨粒對(duì)工件表面的機(jī)械作用增強(qiáng)，而被拋光表面的化學(xué)軟化層不能及時(shí)產(chǎn)生，從而致使YAG晶體表面劃痕變多且深；當(dāng)基體硬度最大時(shí)(圖2d)，磨粒的機(jī)械作用進(jìn)一步增強(qiáng)，磨粒切入工件的深度變深，在拋光過(guò)程中，發(fā)生脆性去除，部分材料產(chǎn)生崩碎現(xiàn)象，從工件表面剝落，產(chǎn)生小凹坑。

AFM測(cè)量的YAG晶體微觀形貌如圖3所示。由圖3可看出：基體硬度為Ⅱ時(shí)的拋光面光滑且劃痕淺；基體硬度為Ⅰ時(shí)的拋光面次之；當(dāng)基體硬度為Ⅲ和Ⅳ時(shí)，拋光面的表面質(zhì)量較差，拋光表面出現(xiàn)大量凹坑，劃痕深且寬，在劃痕兩側(cè)存在材料的隆起和堆積現(xiàn)象。

圖4為不同基體硬度的固結(jié)磨料墊拋光YAG晶體后的材料去除率和表面粗糙度。由圖4a可以看出：固結(jié)磨料墊基體硬度越大，YAG晶體的材料去除率越高。隨著基體硬度的增大，彈性基體的退讓性下降，相

(a) 硬度ⅠHardness Ⅰ(b) 硬度 ⅡHardness Ⅱ(c) 硬度ⅢHardness Ⅲ(d) 硬度ⅣHardness Ⅳ圖 3 AFM測(cè)量的不同基體硬度的固結(jié)磨料墊拋光YAG 晶體的表面形貌Fig. 3 AFM surface topography of YAG crystal after fixed abrasive pad polishing with different matrix hardness

同尺寸的金剛石磨粒切入工件的深度變大；同時(shí)基體對(duì)金剛石磨粒的把持力隨之增大，金剛石磨粒脫落減少，拋光中有效磨粒數(shù)增加，磨粒對(duì)工件表面的機(jī)械作用越來(lái)越顯著，材料去除率也持續(xù)變大。

(a) 基體硬度對(duì)材料去除率的影響Effect of matrix hardness on material removal rate(b) 基體硬度對(duì)表面粗糙度的影響Effect of matrix hardness on surface roughness圖 4 不同基體硬度的固結(jié)磨料墊拋光YAG晶體的材料去除率和表面粗糙度Fig. 4 Material removal rate and surface roughness of YAG crystal after fixed abrasive pad polishing with different matrix hardness

由圖4b可以看出：隨著基體硬度的增大，YAG晶體的表面粗糙度先減小后增大。當(dāng)基體硬度較小時(shí)，拋光過(guò)程中的機(jī)械作用以摩擦和耕犁為主。由于親水性基體的磨損，拋光過(guò)程中的有效磨粒數(shù)量減少，拋光去除不均勻。所以當(dāng)基體硬度較小時(shí)，工件的表面粗糙度Sa值反而不小。當(dāng)基體硬度偏大時(shí)，隨著基體硬度的增大，磨粒切入工件的深度增加，工件表面產(chǎn)生脆性斷裂，劃痕和凹坑的數(shù)量不斷增加，YAG晶體表面粗糙度變大。當(dāng)硬度適中為Ⅱ時(shí)，在磨粒的切削作用下，磨粒切入工件的深度適中，此時(shí)工件表面劃痕少且淺，表面粗糙度Sa值最小[19]。

2.2 磨粒尺寸對(duì)YAG晶體材料去除率和表面質(zhì)量的影響

圖5為顯微鏡下不同磨粒尺寸，基體硬度為Ⅱ的固結(jié)磨料墊拋光YAG晶體的表面形貌。對(duì)比圖5a中和圖2b中的固結(jié)磨料拋光墊拋光后YAG晶體的表面形貌可知：金剛石磨粒尺寸為3～5 μm拋光墊所得的晶體表面(圖2b)劃痕更細(xì)、更淺，表面質(zhì)量更優(yōu)。圖5b中，拋光后YAG晶體表面出現(xiàn)的劃痕較深，數(shù)量更多，表面形貌較差。

(a) 1～2 μm(b) 5～10 μm圖 5 不同磨粒尺寸的固結(jié)磨料墊拋光YAG晶體表面形貌Fig. 5 Surface micrograph of YAG crystal after fixed abrasive pad polishing with different particle sizes

AFM測(cè)量使用基體硬度為Ⅱ的拋光墊拋光YAG晶體的微觀形貌如圖6所示。對(duì)比圖6a中和圖6b中固結(jié)磨料墊拋光后的YAG晶體的表面效果可知：當(dāng)金剛石磨粒尺寸為1～2 μm時(shí)，YAG晶體表面質(zhì)量較好，但有細(xì)長(zhǎng)的裂紋(圖6a)；當(dāng)金剛石磨粒尺寸為5～10 μm時(shí)，YAG晶體表面質(zhì)量較差，表面劃痕深且長(zhǎng)(圖6b)。對(duì)比圖3b中的金剛石磨粒拋光所得的YAG晶體，其表面形貌最好。

(a) 1～2 μm(b) 5～10 μm圖 6 AFM測(cè)量不同磨粒尺寸固結(jié)磨料拋光YAG晶體表面形貌圖Fig. 6 AFM surface topography of YAG crystal afterfixed abrasive polishing with different particle sizes

這是因?yàn)楫?dāng)磨粒尺寸較小時(shí)(1～2 μm)，露出基體的金剛石磨粒高度不高，同時(shí)由于彈性基體的退讓，拋光部分的磨粒微切削刃變短；同時(shí)由于磨粒尺寸小，單位面積的金剛石數(shù)量較多，拋光時(shí)易在晶體表面留下密集細(xì)小的劃痕，導(dǎo)致晶體表面質(zhì)量不佳。在基體退讓高度相同的情況下，5～10 μm的金剛石磨粒的出露高度較高，切入工件的深度較深，晶體表面損傷變大，在YAG晶體表面留下較深劃痕，導(dǎo)致YAG晶體的表面質(zhì)量變差。當(dāng)金剛石磨粒尺寸適中為3～5 μm時(shí)，磨粒的出露高度適中，切入工件的深度合適，在工件表面產(chǎn)生的劃痕少且淺，晶體表面質(zhì)量?jī)?yōu)。

圖7為不同金剛石磨粒尺寸固結(jié)磨料墊拋光YAG晶體的材料去除率和表面粗糙度，其中拋光墊的基體硬度為Ⅱ。

(a) 磨粒尺寸對(duì)材料去除率影響Effect of particle size on material removal rate(b) 磨粒尺寸對(duì)表面粗糙度影響Effect of particle size on surface roughness圖 7 不同磨粒尺寸的固結(jié)磨料墊拋光YAG晶體的材料去除率和表面粗糙度Fig. 7 Material removal rate and surface roughness of YAG crystal after fixed abrasive pad polishing with different particle sizes

由圖7a可知：磨粒尺寸越大，材料的去除率越高。因?yàn)樵诨w相同的情況下，磨粒尺寸越大，切入晶體表面的深度變大，單次切削的去除量越多，在相同工藝下，材料去除率越高。圖7b中隨著磨粒尺寸的增大，拋光后YAG晶體的表面粗糙度先小幅減小后增大，這同圖5的表面形貌和圖6的AFM測(cè)量結(jié)果一致。 綜合YAG晶體拋光后的表面形貌圖、材料去除率和表面粗糙度等3個(gè)指標(biāo)，選用金剛石磨粒尺寸為3～5 μm。此時(shí)固結(jié)磨料拋光的材料去除率為255 nm/min，表面粗糙度Sa值為1.79 nm，YAG晶體表面劃痕少、無(wú)凹坑，表面質(zhì)量最優(yōu)。

3 結(jié)論

采用固結(jié)磨料拋光YAG晶體，研究了固結(jié)磨料墊的基體硬度和金剛石磨粒尺寸對(duì)YAG晶體拋光的影響，得出以下結(jié)論：

(1)隨著固結(jié)磨料墊的金剛石磨粒尺寸和基體硬度的增大，YAG晶體的材料去除率增大，表面粗糙度先減小后增大。

(2)當(dāng)基體硬度適中為Ⅱ，金剛石磨粒尺寸為3～5 μm時(shí)，固結(jié)磨料拋光YAG晶體的效果最好、表面質(zhì)量最優(yōu)，材料去除率適中，為255 nm/min，表面粗糙度Sa為1.79 nm。