Nd：YAG晶體表面性能等離子體改性研究

曹發(fā)祥 孔金星 杜東興

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

摻釹釔鋁石榴石(Nd-Doped Yttrium Aluminum Garnet，簡(jiǎn)稱Nd：YAG，分子式為Nd：Y3Al5O12)晶體因其透光率高、耐沖擊、抗熱蠕變等優(yōu)良的光學(xué)、機(jī)械和熱性能，成為了高功率激光器常用的增益介質(zhì)材料，其制造質(zhì)量對(duì)能量傳輸效率、光束質(zhì)量等性能指標(biāo)具有重要影響[1- 2]。Nd：YAG晶體屬于典型的硬脆材料，具有硬度高、塑性差、對(duì)缺陷敏感等特點(diǎn)，磨削過程中極易產(chǎn)生表面/亞表面裂紋及殘余應(yīng)力等加工損傷，勢(shì)必增加后續(xù)產(chǎn)品的拋光難度和生產(chǎn)周期，甚至影響其使用性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了超聲振動(dòng)輔助磨削[3- 4]、高速磨削[5]等方法進(jìn)行磨削過程中的亞表面損傷控制，但上述方法并沒有改變材料本身的硬脆特性，硬脆材料的加工損傷控制受到一定限制。

針對(duì)上述情況，有學(xué)者通過材料改性技術(shù)來改善材料表面的潤(rùn)滑狀態(tài)，調(diào)整硬脆材料的力學(xué)性能，如提高材料的韌性并降低硬度，以減少硬脆材料的加工損傷，提高加工質(zhì)量，提升效率。Fang等[6]提出了離子注入輔助納米切削技術(shù)，利用離子注入技術(shù)增加硬脆材料的臨界切深，降低材料的硬度，提高了單點(diǎn)金剛石的切削效率；Katahira等[7- 8]采用常溫等離子體射流(APPJ)輔助銑削技術(shù)，通過改善碳化硅材料的表面潤(rùn)濕性，使表面粗糙度相比傳統(tǒng)銑削降低50%～80%。根據(jù)Esmaeilzare等[9]的研究結(jié)果，粗糙度大小與亞表面損傷深度呈正相關(guān)，因此，Katahira等提出的等離子體輔助銑削碳化硅技術(shù)可使加工損傷得到有效控制。Chen等[10]研究了經(jīng)APPJ預(yù)處理后材料潤(rùn)濕性隨時(shí)間的演化規(guī)律，認(rèn)為低溫和低相對(duì)濕度有利于延緩材料的老化行為，等離子體處理后材料表面的超疏水特性轉(zhuǎn)變?yōu)槌志玫挠H水特性，但對(duì)改性后材料的力學(xué)性能尚未開展研究。

上述研究表明，基于等離子體輔助材料改性的加工方式主要是從改善潤(rùn)濕性和表面硬脆特性兩方面來提高硬脆材料的切削特性，進(jìn)而提高材料的加工質(zhì)量，減少損傷。因此，探明等離子體改性后工件表層的力學(xué)性能以及潤(rùn)濕性的演變規(guī)律，對(duì)于實(shí)現(xiàn)硬脆材料的加工損傷控制具有重要意義。文中采用常溫等離子體發(fā)生裝置，對(duì)Nd：YAG晶體材料經(jīng)N離子改性處理前后的表面力學(xué)性能、潤(rùn)濕性進(jìn)行對(duì)比研究，以期為Nd：YAG的低損傷高效磨削提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方案

1.1 樣品準(zhǔn)備

用金剛石線鋸將Nd：YAG晶體棒料切割成15 mm×10 mm×7 mm的試樣，根據(jù)需要進(jìn)行磨削、拋光處理，表面粗糙度Sa分別控制在1 μm和1 nm左右。取切割、磨削以及拋光3種典型表面粗糙度試樣各2件，進(jìn)行等離子體改性后的親/疏水性能測(cè)試。另取1件拋光樣品(Sa<1 nm)進(jìn)行納米壓痕試驗(yàn)，為便于后續(xù)壓痕形貌觀察，試驗(yàn)前采用飛秒激光在樣品上標(biāo)記出4 mm×4 mm的兩個(gè)區(qū)域(如圖1所示)，納米壓痕試驗(yàn)在激光標(biāo)記區(qū)域進(jìn)行。各試樣表面粗糙度及樣品編號(hào)如表1所示。

圖1 樣品7及其標(biāo)記示意

表1 樣品粗糙度

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 潤(rùn)濕性試驗(yàn)

為盡量接近實(shí)際加工過程中的工件狀態(tài)和潤(rùn)滑條件，選用純水和橄欖油兩種液體，使用接觸角測(cè)量?jī)x分別在切割、磨削、拋光3種典型表面粗糙度樣品上進(jìn)行潤(rùn)濕性研究。表1中編號(hào)為1、3、5的試樣采用純水為測(cè)試液體，編號(hào)為2、4、6的試樣采用橄欖油為測(cè)試液體，滴液量均為0.7 μL，未改性表面接觸角測(cè)試結(jié)束后，對(duì)樣品表面進(jìn)行改性處理，測(cè)量改性處理后30 h內(nèi)的接觸角。

1.2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

采用納米壓痕方法對(duì)拋光后的Nd：YAG晶體試樣進(jìn)行等離子體改性前后顯微硬度等表面力學(xué)性能的對(duì)比試驗(yàn)，并研究改性后表面力學(xué)性能隨時(shí)間的變化規(guī)律。以表1中編號(hào)7的拋光樣品為對(duì)象，在圖1所示A區(qū)進(jìn)行常規(guī)納米壓痕試驗(yàn)，載荷設(shè)定為0.5、1.0、5.0、10.0、15.0、30.0、50.0、70.0、100.0、200.0、300.0 mN，共計(jì)11組參數(shù)，加/卸載速度為100 mN/min，保壓10 s并重復(fù)7次，各壓痕間隔40 μm。在圖1所示B區(qū)進(jìn)行改性后表面力學(xué)性能隨時(shí)間變化規(guī)律的試驗(yàn)，取15.0、30.0、70.0 mN在該區(qū)域進(jìn)行循環(huán)加載35 h的壓痕試驗(yàn)，加/卸載過程與常規(guī)壓痕測(cè)試一致。所有壓痕加載完成后采用原子力顯微鏡(AFM)觀察壓痕形貌。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

文中使用的常溫等離子體射流發(fā)生器由筆者所在課題組自行研制，其結(jié)構(gòu)見圖2，主要由電極系統(tǒng)、控制電源和供氣系統(tǒng)等組成。采用裸電極放電方式將高純氮?dú)怆x子化，氣體流量為12 L/min，氣體壓力為0.5 MPa，放電電壓為1.53 kV。該裝置將產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體射流，射流長(zhǎng)度可達(dá)16 mm。文中等離子體改性處理時(shí)間為5 min。

圖2 等離子體射流發(fā)生裝置原理圖

接觸角采用上海軒準(zhǔn)儀器有限公司生產(chǎn)的SZ-CAMB3型接觸角測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，自動(dòng)加液時(shí)可控制滴液誤差在0.1 μL以內(nèi)，接觸角測(cè)量分辨率為0.01°，測(cè)量誤差為±0.1°。

納米壓痕試驗(yàn)采用瑞士CSM公司生產(chǎn)的NHT2納米壓痕測(cè)試儀，載荷范圍為0～500 mN，載荷分辨率為40 nN，使用三棱錐玻氏壓頭進(jìn)行壓痕試驗(yàn)，該壓頭尖端輪廓半徑為100 nm，中心與側(cè)面的夾角為63.5°。采用AFM觀察納米壓痕形貌，采用X射線光電子能譜儀(XPS)進(jìn)行改性前后表面元素的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 等離子體改性對(duì)Nd：YAG表面潤(rùn)濕性的影響

2.1.1 等離子體改性前后Nd：YAG的表面潤(rùn)濕性

根據(jù)接觸角θ的大小，液體在工件表面的潤(rùn)濕性分為超親水(θ<10°)、親水(10°≤θ<90°)、疏水(90°≤θ<150°)以及超疏水(θ≥150°)4種狀態(tài)。顯然，接觸角越小，工件表面具有越好的親液性能，液體在工件表面越能實(shí)現(xiàn)有效鋪展。拋光、磨削和金剛石線鋸切割后，3種表面粗糙度特征的Nd：YAG晶體在等離子體改性前后的油/水介質(zhì)接觸角測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3 接觸角測(cè)量結(jié)果

由圖3可知，未經(jīng)等離子體處理時(shí)，拋光、磨削、切割3種表面上油和水的接觸角分別為31.5°、20.0°、28.4°以及90.0°、97.0°、103.0°，顯然，未處理Nd：YAG表面表現(xiàn)出親油、疏水的特征。這是由于油的表面張力小于水，楊氏理論[11]表明，表面張力越小，接觸角越小，故造成油的接觸角小于水。經(jīng)等離子體處理后，油和水的接觸角分別變?yōu)?6.7°、11.0°、18.3°和1.7°、23.8°、26.0°，顯然，兩種液體在工件表面的接觸角明顯降低，尤其是純水液體，其接觸角下降更為明顯。

圖3結(jié)果還表明，Nd：YAG表面粗糙度對(duì)潤(rùn)濕性具有明顯影響，橄欖油的接觸角隨粗糙度的降低呈增大趨勢(shì)，純水的接觸角隨粗糙度的降低呈減小趨勢(shì)。例如，拋光后的光滑表面經(jīng)等離子體處理后，純水的接觸角僅為1.7°，達(dá)到了超親水狀態(tài)，隨著表面粗糙度的增加，磨削后的精密表面接觸角增加到23.8°。這個(gè)結(jié)果與Wenzel[12]模型基本一致——當(dāng)固體表面對(duì)某種液體表現(xiàn)出親液性時(shí)，粗糙度會(huì)增強(qiáng)親液性；當(dāng)固體表面對(duì)某種液體表現(xiàn)出疏液性時(shí)，粗糙度會(huì)增強(qiáng)疏液性。對(duì)于切割后的粗糙表面，由于金剛石線鋸切割會(huì)在Nd：YAG表面留下犁溝，使得液體由犁溝向表面的擴(kuò)展受阻，這解釋了為何在粗糙度Sa均為1 μm時(shí)，磨削表面的接觸角小于切割表面(例如，未經(jīng)等離子體處理時(shí)，油在磨削表面和切割表面的接觸角分別為20.0°和28.4°)。

圖4為改性后30 h內(nèi)純水在拋光表面的接觸角隨時(shí)間的變化曲線，由于老化效應(yīng)，改性后1 h內(nèi)接觸角迅速增大，并在30 h內(nèi)保持在65.0°左右，與未改性時(shí)相比下降25%。這表明等離子體改性后30 h內(nèi)，Nd：YAG仍能保持一定的親水性。

圖4 改性后拋光表面純水的接觸角隨時(shí)間的變化

2.1.2 等離子體改性對(duì)Nd：YAG表面潤(rùn)濕性的影響機(jī)理

表2 等離子體改性前后Nd：YAG表面的元素含量(原子百分比)

圖5 等離子體改性前后Nd：YAG表面的XPS譜圖與高分辨率O 1s分峰擬合

基團(tuán)會(huì)發(fā)生脫附及解離反應(yīng)[17]，最終導(dǎo)致等離子體改性后的接觸角慢慢恢復(fù)，如圖4所示。

2.2 等離子體改性對(duì)Nd：YAG表面力學(xué)性能的影響

2.2.1 等離子體改性前后的顯微硬度

圖6所示為未改性時(shí)壓痕硬度與載荷的關(guān)系曲線。由圖可知，顯微硬度隨載荷的增加呈先急速增大后緩慢減小的趨勢(shì)。0.5、1.0 mN載荷時(shí)的顯微硬度遠(yuǎn)小于其他載荷時(shí)的顯微硬度，具有明顯的反尺寸效應(yīng)，顯微硬度H的計(jì)算公式如下[18]：

圖6 不同載荷下未改性表面的顯微硬度

H=Pmax/(Ahc)

(1)

式中，Pmax為最大載荷，A為壓頭尖端與試樣在最大載荷下的投影面積，與最大壓入深度hc的平方成正比。

為降低小載荷作用下的反尺寸效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選取15.0、30.0、70.0 mN共3種載荷，在等離子體處理后的拋光樣品B區(qū)域(如圖1所示，此時(shí)A、B區(qū)域表面均經(jīng)過等離子體處理)循環(huán)加載35 h，改性后Nd：YAG晶體在3種載荷下的顯微硬度隨時(shí)間的演變?nèi)鐖D7所示。

虛線為3種載荷下改性前壓痕的實(shí)測(cè)硬度，分別為19.4、20.0、18.7 GPa

由圖7可知，3種載荷作用下Nd：YAG晶體的顯微硬度具有相同的變化趨勢(shì)，主要可分為3個(gè)階段：在0～11 h時(shí)間段內(nèi)，顯微硬度幾乎不隨時(shí)間變化，與未改性時(shí)的顯微硬度相比略有下降；在11～22 h時(shí)間段內(nèi)，顯微硬度先快速下降，到達(dá)最低點(diǎn)后持續(xù)回升直至進(jìn)入新的穩(wěn)定階段；在22～35 h時(shí)間段內(nèi)，顯微硬度幾乎不隨時(shí)間變化，但低于第1階段和改性前的硬度。由于擬合數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，以0～11 h、11～22 h、22～35 h這3個(gè)時(shí)間段的實(shí)測(cè)顯微硬度平均值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表3所示。由表可知： 0～11 h時(shí)間段，3種載荷作用下的平均顯微硬度相比改性前分別下降7.7%、9.3%和1.1%，下降幅度小于10%；11～22 h時(shí)間段，3種載荷作用下的顯微硬度相比改性前下降明顯，下降幅度分別為56.2%、45.0%、31.6%；22～35 h時(shí)間段，顯微硬度下降幅度分別為31.4%、33.5%和19.8%。

表3 各階段壓痕的平均顯微硬度

圖7和表3數(shù)據(jù)表明，等離子體射流能明顯降低Nd：YAG的顯微硬度，改性后硬度隨時(shí)間的變化經(jīng)歷了保持、下降與回復(fù)、穩(wěn)定3個(gè)階段，在相同時(shí)間段，載荷越小硬度下降的比例越大。顯然，等離子體作用下Nd：YAG晶體的表面力學(xué)性能改善明顯。

圖8為70.0 mN載荷下未改性Nd：YAG晶體及等離子體處理0、17、35 h后的Nd：YAG晶體的壓痕深度-載荷曲線，可以看出，最大壓痕深度從大到小依次為17 h、35 h、0 h、改性前。根據(jù)式(1)，相同載荷下，壓痕深度越大，表面顯微硬度越小，顯微硬度由小到大依次為17 h、35 h、0 h 和改性前，這與圖 7(c) 所示的顯微硬度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相吻合。

2.2.2 等離子體改性前后的壓痕形貌分析

圖9所示為15.0、30.0、70.0 mN載荷作用下，

圖8 70.0 mN載荷下的壓痕深度-載荷曲線

在等離子體處理后0、17、35 h采用原子力顯微鏡得到的壓痕形貌。由圖可知，Nd：YAG晶體未經(jīng)等離子體處理時(shí)，壓痕內(nèi)部有“階梯”狀形貌特征，等離子處理后，在0 h時(shí)，壓痕周圍出現(xiàn)“陰影”(箭頭所指)現(xiàn)象，而在17 h和35 h后，壓痕形貌無上述情況。這表明未處理壓痕內(nèi)部和等離子體處理后0 h加載的壓痕周圍力學(xué)性能在改性后17 h內(nèi)可能發(fā)生了劇烈變化。

圖9 各階段壓痕表面形貌

由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程可知，未改性處理壓痕試驗(yàn)完成后，整個(gè)表面被改性處理，再進(jìn)行改性后的循環(huán)加載壓痕試驗(yàn)。由于表面被改性時(shí)等離子射流不絕對(duì)垂直于樣品表面，使得等離子射流集中噴在已存在壓痕的內(nèi)部某一側(cè)面，導(dǎo)致該壓痕側(cè)面與樣品表面同時(shí)被改性。由圖7可知，顯微硬度在改性11 h后迅速降低，此時(shí)表面力學(xué)性能發(fā)生劇烈變化。等離子體射流激發(fā)的活性粒子被固體表面吸收而發(fā)生Rehbinder效應(yīng)[19]，導(dǎo)致工件表面塑性抗力降低。上述結(jié)果表明，11 h時(shí)Nd：YAG晶體表面的塑性迅速提高，表面材料被軟化并向約束小的壓痕內(nèi)部發(fā)生自發(fā)的流動(dòng)，導(dǎo)致“階梯”和“陰影”特征出現(xiàn)，11 h后顯微硬度并未出現(xiàn)迅速下降，因此“階梯”和“陰影”特征僅出現(xiàn)在改性前已存在的壓痕和改性后11 h內(nèi)加載的壓痕形貌中。

上述分析表明，等離子體射流通過改變Nd：YAG晶體的表面塑性來影響不同階段加載的壓痕的表面形貌。圖9所示各階段加載的壓痕的形貌與圖7所示顯微硬度隨時(shí)間的變化規(guī)律相互印證。

3 結(jié)論

文中研究了等離子體射流對(duì)Nd：YAG晶體表面潤(rùn)濕性和力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下。

(1)常溫等離子體對(duì)3種粗糙度特征的Nd：YAG晶體的表面潤(rùn)濕性具有重要影響，改性后晶體表面呈現(xiàn)更優(yōu)的潤(rùn)濕性，尤其是光滑表面由疏水轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水，且在30 h內(nèi)保持良好的親水狀態(tài)。隨粗糙度的減小，橄欖油的接觸角增大而純水的接觸角呈減小趨勢(shì)。

(2)等離子體處理后Nd：YAG晶體表面的C、O元素顯著改變，碳氧官能團(tuán)含量由15.0%提高到33.6%，Nd：YAG晶體表面含氧官能團(tuán)的增加是親水性改善的主要原因。

(3)等離子體對(duì)Nd：YAG晶體表面力學(xué)性能的影響顯著，在0～35 h的循環(huán)加載過程中顯微硬度呈現(xiàn)保持、下降與回復(fù)、穩(wěn)定3個(gè)階段。在11～22 h階段具有最低的表面顯微硬度，與未改性顯微硬度相比，最大載荷為15.0、30.0、70.0 mN時(shí)，平均顯微硬度分別降低了56.2%、45.0%、31.6%。

(4)等離子體對(duì)不同階段加載的壓痕表面形貌有重要影響，由于改性后11 h時(shí)Nd：YAG晶體的塑性迅速提高，“階梯”和“陰影”特征僅分別存在于改性前加載的壓痕和改性后11 h內(nèi)加載的壓痕形貌中，各階段壓痕形貌與硬度具有映射關(guān)系。