低溫微磨料氣射流加工的硬脆材料耐沖蝕性能對比

摘要 低溫微磨料氣射流加工硬脆材料時(shí)，其變脆易被沖蝕去除。對碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）、99氧化鋁（99 Al2O3）、石英玻璃5種硬脆材料進(jìn)行低溫微磨料氣射流加工對比實(shí)驗(yàn)，探究加工壓力、沖擊加工角度及加工次數(shù)等工藝參數(shù)對5種硬脆材料的沖蝕去除率、低溫沖蝕槽三維形貌及表面輪廓的影響，優(yōu)選出低溫下耐沖蝕性能良好的硬脆材料。結(jié)果表明：隨著加工壓力和加工次數(shù)增加，5種材料的沖蝕去除率都不斷增大；隨著沖擊加工角度變化，5種材料的低溫沖蝕槽體積也在變化，并在加工角度為90°的垂直加工角度附近時(shí)達(dá)到最大；在相同的加工工藝參數(shù)下，Si3N4材料的沖蝕去除率最小，其最大低溫沖蝕槽深度只有20μm，SiC材料的與其相差不大，YSZ和99 Al2O3的沖蝕去除率依次增大，但石英玻璃材料的沖蝕去除率最大且遠(yuǎn)大于其他4種材料的。同時(shí)，Si3N4的低溫沖蝕槽槽形不明顯，且其表面較平

整，去除量最小，因而耐沖蝕性能最佳。

關(guān)鍵詞 硬脆材料；低溫；磨料氣射流；耐沖蝕性能；沖蝕去除率

中圖分類號 TG73;TG58文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號1006-852X（2024）05-0665-10

DOI碼10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0220

收稿日期2023-10-12 修回日期 2023-11-10

侵蝕是材料表面退化的一種形式，是材料常見的不良現(xiàn)象，其會在多相流中造成大量的物質(zhì)損失。其中的固體顆粒侵蝕（solid particle erosion，SPE）[1-2]是一種影響機(jī)械部件、機(jī)器的壁、管道和許多其他部件性能的現(xiàn)象。同時(shí)，固體顆粒的沖擊對材料的去除作用顯著[3]，固體顆粒反復(fù)沖擊工件表面，致使工件表面材料不斷損失。但在許多其他應(yīng)用中，SPE又是一種有益的現(xiàn)象，如磨料去毛刺、干冰噴砂加工、磨料水射流切割和磨料氣射流加工等[4-7]。

微磨料氣射流加工技術(shù)是20世紀(jì)90年代在傳統(tǒng)噴砂加工技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型微細(xì)加工技術(shù)[8]。其利用高速氣流與微磨料混合形成的氣固兩相流為工作介質(zhì)，大角度噴射工件表面，通過磨料射流產(chǎn)生的沖蝕作用去除工件表面材料，從而使其表面形成微結(jié)構(gòu)[9]。其加工優(yōu)勢有工藝適應(yīng)性強(qiáng)、加工效率高、加工時(shí)切削力小、熱影響區(qū)小等，不僅可加工傳統(tǒng)的塑性和脆性材料，還可加工現(xiàn)代復(fù)合材料，且特別適合加工硅片、石英玻璃等硬脆材料[10]。

根據(jù)微磨料氣射流加工過程中在工件表面是否選用遮擋處理的掩膜，其可分為掩膜式微磨料氣射流加工技術(shù)和無掩膜式微磨料氣射流加工技術(shù)。掩膜式微磨料氣射流加工技術(shù)是將具有一定厚度的圖案化掩膜附著到工件待處理表面上，保護(hù)不需要加工的區(qū)域，并在工件的特定部位處理出類似于掩膜的圖案。HU等[11-12]對掩膜式微磨料氣射流加工和無掩膜式微磨料氣射流加工進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)掩膜式加工的圖案深度有一定的局限性，但可用于淺平面和寬平面的加工；而無掩膜式加工具有工藝簡單、效率高的優(yōu)點(diǎn)，通常用于加工大深度的平面圖案和形狀結(jié)構(gòu)。NAKANISHI等[13]發(fā)現(xiàn)在噴射加工過程中移動噴嘴可以得到連續(xù)的曲面紋理，但在水平方向上的表面結(jié)構(gòu)取決于噴嘴的尺寸，這限制了加工分辨率；為了彌補(bǔ)這一缺陷，考慮將掩膜工藝與噴射加工聯(lián)合應(yīng)用，以提高表面質(zhì)量并獲得更高的分辨率。

對于掩膜式微磨料氣射流加工，掩膜材料的選擇就顯得十分重要。BELLOY等[14]自行設(shè)計(jì)了一種帶氧化鋁磨料和激光加工用金屬掩膜的掩膜式微磨料氣射流加工裝置，并研究了微磨料氣射流加工裝置的基本參數(shù)及金屬掩膜尺寸參數(shù)對玻璃沖蝕速率的影響。然而，在低溫沖蝕加工過程中，工件與掩膜材料的力學(xué)性能同時(shí)發(fā)生變化，致使兩者的可選擇性差，進(jìn)而導(dǎo)致工件基片微流道的一致性較差。因此，有必要對掩膜材料的低溫耐沖蝕性能進(jìn)行研究。

為在低溫微磨料氣射流沖擊下探索出一種耐沖蝕性能良好的掩膜材料，首先采用全因子實(shí)驗(yàn)方法，考慮多種影響材料去除的工藝參數(shù)，并通過分析不同材料的沖蝕去除率來對比其耐沖蝕性能；再通過觀察材料低溫沖蝕槽的三維形貌及表面輪廓了解材料表面的微觀特征；最后綜合對比得出具有最佳耐沖蝕性能的掩膜材料。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

材料的耐沖擊性是材料抵抗沖擊負(fù)荷作用的能力[15]。對于塑性材料，一般來說其斷裂韌性越高，耐沖擊性能越好，越耐沖蝕。但在低溫環(huán)境下，材料性能會發(fā)生變化，塑性材料會發(fā)生塑–脆轉(zhuǎn)變，而非塑性材料會發(fā)生脆化，因此可將其統(tǒng)一視為脆性材料來進(jìn)行分析并對比其屬性。根據(jù)低溫下材料的斷裂韌性及抗彎強(qiáng)度初步選定碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）、99氧化鋁（99 Al2O3）4種材料，且將石英玻璃作為常見的硬脆材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。5種材料的部分力學(xué)性能如表1所示，其性能測定是在77 K溫度下進(jìn)行的。

將選定的5種材料用金剛石切割機(jī)切割得到尺寸為10 mm×15 mm×3 mm的實(shí)驗(yàn)樣品（試樣），為了保證加工試樣的表面質(zhì)量，通過TYM120固結(jié)磨料環(huán)拋機(jī)對切割好的實(shí)驗(yàn)樣品表面進(jìn)行處理，獲得表面粗糙度平均值為0.2μm的樣品。

實(shí)驗(yàn)采用Al2O3磨料，由于磨料粒徑選擇過小，會降低其材料去除效率，若粒徑選擇過大，則磨料容易在低溫環(huán)境下與水汽凝結(jié)成大直徑顆粒，增加堵塞微細(xì)噴嘴的可能性，所以采用平均粒徑為25μm的Al2O3磨料顆粒。使用掃描電子顯微鏡（美國Quanta FEG 250，F(xiàn)EI）觀察Al2O3磨料顆粒，其SEM形貌如圖1所示。

1.2沖蝕實(shí)驗(yàn)與測量

采用圖2中搭建的低溫微磨料氣射流加工設(shè)備進(jìn)行低溫材料的沖蝕性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前先將切割并拋光好的試樣在Tru-Sweep?臺式超聲波清洗機(jī)中清洗，將清洗完的試樣放在無塵大氣環(huán)境中進(jìn)行干燥，待其表面干燥后再使用精度為1×10?4 g的電子天平稱量其初始質(zhì)量。

在圖2的加工系統(tǒng)中，采用精密噴砂機(jī)產(chǎn)生微磨料氣射流。液氮噴嘴和磨料射流噴嘴的中心線在加工試樣表面相交，2個(gè)噴嘴中心線間的夾角保持在10°，如圖3所示，這樣使得磨粒受到的偏轉(zhuǎn)影響最小[17]。將加工試樣安裝并固定在工作臺上，為了減少加工系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，同時(shí)避免不同微流道相距過近產(chǎn)生的耦合作用，在同一試樣上先沿y軸方向?qū)υ嚇颖砻鏇_蝕加工10 mm，后沿z軸方向進(jìn)給2 mm，再沿y軸方向?qū)υ嚇颖砻婕庸?0 mm，該加工過程重復(fù)3次。

實(shí)驗(yàn)中固定的加工參數(shù)如表2所示。對于所有沖蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度為液氮溫度，選擇直徑為460μm的氣射流圓形噴嘴，噴嘴與加工試樣的距離為2 mm，液氮壓力為0.2 MPa。

劉旭等[18]在低溫微磨料氣射流加工聚二甲基硅氧烷（PDMS）時(shí)發(fā)現(xiàn)，加工壓力和沖擊加工角度對微流道大小的影響較顯著，其中的沖擊加工角度是試樣表面與碰撞過程中粒子速度方向之間的夾角。

因此，選擇加工壓力、沖擊加工角度以及加工次數(shù)3個(gè)因素進(jìn)行沖蝕加工實(shí)驗(yàn)。為避免實(shí)驗(yàn)繁瑣并有效比較材料性能，每個(gè)因素水平的數(shù)量選擇為3或4。對于加工壓力，由于設(shè)備本身的限制，其選擇范圍為0.2～0.6 MPa；采用等距取樣法，選擇0.2、0.4和0.6 MPa共3個(gè)水平的加工壓力。對于加工次數(shù)，選擇1、3、5和7次共4個(gè)水平。對于沖擊加工角度，當(dāng)加工角度lt;30°時(shí)，材料去除不明顯，因而其選擇范圍為30°～90°;采用等距取樣法，選擇30°、50°、70°和90°共4個(gè)水平。全因子實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)計(jì)如表3所示。

為了實(shí)現(xiàn)加工材料的有效去除并消除磨料沖擊速度變化的影響，設(shè)定5 mm/s的噴嘴移動速度（即加工速度），單次掃描獲得的每個(gè)微通道長度為10 mm。且對于所有試樣，在同一實(shí)驗(yàn)參數(shù)下每個(gè)加工過程重復(fù)3次，取3次測量數(shù)據(jù)的平均值為最終結(jié)果。

1.3材料去除模型

建立不同工藝參數(shù)下脆性材料的沖蝕去除模型，通過材料去除率（定義為單位面積內(nèi)被去除材料的質(zhì)量）來表示材料的去除效率。在對試樣進(jìn)行微磨料氣射流加工時(shí)，試樣表面被沖蝕形成凹坑而去除。為了簡化分析，假設(shè)磨粒為分布均勻的剛性球形顆粒，其在微磨料氣射流中的散射和旋轉(zhuǎn)忽略不計(jì)，且加工試樣為光滑表面。在通常情況下，材料沖蝕去除效率的變化主要取決于磨料顆粒的動能，其中單顆磨粒的材料去除率E0可表示為[19]：

式中：A0是與加工試樣屬性（包括硬度、密度和斷裂韌性等）有關(guān)的常數(shù)；系數(shù)q為2～4；m為磨料顆粒的質(zhì)量，kg；vp為磨粒沖擊試樣時(shí)的加工速度，m/s。

當(dāng)射流與試樣間的夾角不是垂直角度時(shí)，如圖4所示，需要對材料去除率E0進(jìn)行修正[8]，此時(shí)單顆磨粒的材料去除率E1可表示為：

式中：Hv為被沖蝕材料的硬度，GPa；n1和n2為由沖蝕材料決定的指數(shù)；α為沖擊加工角度，（°）。

ZHANG等[20]通過研究磨料射流的速度分布，得到磨粒接觸試樣表面時(shí)的速度v1為：

式中：A1是與空氣屬性（包括氣體常數(shù)和氣體溫度等）有關(guān)的常數(shù)；A2是與磨料顆粒屬性（包括顆粒直徑與密度等）有關(guān)的常數(shù)；LN為噴嘴長度，m；d為噴嘴與被加工試樣的距離，m；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，1.01×105 Pa；p為加工壓力，Pa；κ為絕熱指數(shù)。

基于單顆磨粒的沖蝕去除率，還需考慮在單位面積上的磨粒總數(shù)。根據(jù)圖4的加工速度vp（單位是m/s），噴嘴半徑rN（單位是m），噴嘴投影半徑rN'（單位是m），可得出單位面積內(nèi)磨料顆粒的累計(jì)總質(zhì)量M為：

式中：ρm為磨料密度，kg/m3；Q為磨料體積流量，m3/s；t為噴嘴掃過單位面積的時(shí)間，s。

聯(lián)立式（1）～式（4），得出單位面積單顆磨粒的材料去除率E為：

E=C（sinα）n1[1+Hv（1-sinα）]n2根

式中：C是上述A0、A1、A2等的綜合常數(shù)。

由式（5）可知：影響材料去除率的因素包括加工壓力、沖擊加工角度、加工速度等。此外，在實(shí)際加工中由于磨粒有一定棱角，需要對使用磨粒的圓度因子進(jìn)行修正；且對于微磨料氣射流的發(fā)散性，需要對噴嘴投影半徑加以系數(shù)修正等。

1.4實(shí)驗(yàn)表征

實(shí)驗(yàn)采用歸一化沖蝕去除率RNER來表征材料耐沖蝕性能，其中單個(gè)試樣的RNER定義為：

對于本次的實(shí)驗(yàn)條件及設(shè)備，噴嘴出口處磨料的質(zhì)量流量G、磨料的密度ρm、磨料噴嘴的橫向移動速度vp以及沖蝕加工的試樣長度L都是相同的。因此，只需測量單個(gè)試樣的沖蝕槽體積Vb即可測算出歸一化沖蝕去除率RNER。

將沖蝕完的試樣超聲波清洗后用超景深顯微鏡（日本Olympus DSX510，0.01μm精度）測量每個(gè)試樣基底微通道的結(jié)構(gòu)特征（包括微通道侵蝕輪廓的寬度和深度）以及三維形貌，其中放大倍數(shù)選用5×，變焦選用2×，最終得到的圖像尺寸為1 994μm×1 994μm。同一微通道測量3次，以減少測量誤差，測量的數(shù)據(jù)使用Origin 2018軟件進(jìn)行處理。

2結(jié)果與討論

2.1沖蝕槽體積

圖5所示為5種材料低溫沖蝕槽的體積隨加工壓力、沖擊加工角度及加工次數(shù)的變化趨勢，其中的圖5a是當(dāng)沖擊加工角度為90°，加工次數(shù)為7次時(shí)，5種材料的低溫沖蝕槽體積隨加工壓力的變化。如圖5a所示：隨著加工壓力增加，5種材料加工出來的沖蝕槽體積都逐漸增大。這是因?yàn)槟チ项w粒通過氣射流來獲得能量，隨著加工壓力增加，氣射流速度越快，固體磨料顆粒的動能就越大，磨料氣射流總動能也越大，沖蝕出的槽體積就越大。

由圖5a還可以發(fā)現(xiàn)：石英玻璃材料沖蝕槽的體積隨著加工壓力的增加增長量變小，而YSZ和99 Al2O3這2種材料沖蝕槽的體積都隨加工壓力的增加增長量變大。對于石英玻璃材料，由于其低溫力學(xué)性能較差，在加工壓力較低時(shí)表面去除已經(jīng)很大，繼續(xù)增加加工壓力，雖然可以增加初始沖擊動能，但槽內(nèi)磨料顆粒的二次反彈會與后續(xù)磨料顆粒之間發(fā)生相互碰撞，且隨著槽內(nèi)深度增加，碰撞機(jī)會將不斷增大，這會減少磨料顆粒撞擊材料表面時(shí)的沖擊動能，其最大沖蝕槽體積的增加也就不夠明顯。YSZ和99 Al2O3材料的低溫性能較好，顆粒間的相互碰撞影響較小。根據(jù)SLIKKERVEER等[19]的研究可知：材料去除率與磨料顆粒的動能呈正相關(guān)，如式（1）所示，隨著加工壓力增加，磨料的平均動能增加，材料去除率也呈現(xiàn)出q（qgt;1）次方級的增加，即材料去除體積的增長量變大。

同時(shí)從圖5a還可知：SiC和Si3N4沖蝕槽的體積隨著加工壓力的增加增長不是很明顯，且從表1給出的材料力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)這2種材料的低溫抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都較高，因此難對其表面形成有效的沖蝕加工，低溫沖蝕槽的深度變化不明顯，進(jìn)而其沖蝕體積變化也不明顯。

圖5b是當(dāng)加工壓力為0.6 MPa、加工次數(shù)為7次時(shí)，5種材料的低溫沖蝕槽體積隨沖擊加工角度的變化。如圖5b所示：隨著沖擊加工角度變大，5種材料加工出來的沖蝕槽體積都逐漸增大，且當(dāng)沖擊加工角度接近垂直加工角度時(shí)各材料的沖蝕槽體積都達(dá)到最大；但總的來說，石英玻璃的低溫沖蝕槽體積最大，而Si3N4材料的最小。對于固體顆粒的沖蝕，材料的去除機(jī)制主要是在工件表面發(fā)生耕犁、裂紋擴(kuò)展或塑性變形作用[21]。當(dāng)磨料以較小的角度沖擊工件時(shí)，磨料對工件表面的耕犁作用以及材料的塑性變形對材料的去除起主導(dǎo)作用；當(dāng)磨料以接近垂直的大角度沖擊工件時(shí)，工件表面主要發(fā)生形變和斷裂作用。這5種材料在低溫下都表現(xiàn)出脆性，且由于其高硬度而不易發(fā)生塑性變形，因而在小角度下，表面材料難以被去除，相應(yīng)的低溫沖蝕槽體積較小。隨著沖擊加工角度增大，材料的去除形式由塑性變形轉(zhuǎn)換為其表面的形變與斷裂；當(dāng)沖擊加工角度接近最大角度90°時(shí)，材料去除最明顯，低溫沖蝕槽的體積最大。材料的這種表面去除形式是典型的脆性去除模式[22]。

圖5c是當(dāng)加工壓力為0.6 MPa、沖擊加工角度為90°時(shí)，5種材料的低溫沖蝕槽體積隨加工次數(shù)的變化。如圖5c所示：隨著加工次數(shù)增加，5種材料加工出來的沖蝕槽體積都逐漸增大。這是因?yàn)殡S著加工次數(shù)的增加，在同一位置處的沖擊動能會不斷累加，使材料的去除體積增大。

另外，SiC、Si3N4、YSZ、99 Al2O3這4種材料沖蝕槽的體積隨著加工次數(shù)的增加，增長趨勢變緩。因?yàn)樵诖怪睕_擊角度下，隨著加工次數(shù)的增加，材料表面的變形并非簡單的疊加，多次的沖擊會使材料擠壓變形，其表面的致密化程度增加，顯微組織細(xì)化，使得表面強(qiáng)度不斷提高，材料表面耐沖蝕性提高。此外，Si3N4材料低溫沖蝕槽的體積最小，這歸因于其低溫力學(xué)性能較好。

對于石英玻璃材料，由于其低溫沖蝕槽的深度較大，隨著加工次數(shù)增加，每次加工時(shí)的加工距離增加且不能忽略，從而會增加磨料顆粒接觸工件表面時(shí)的初始動能，使其去除體積較大。ZHANG等[23]的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加工距離lt;5 mm時(shí)，磨料顆粒的速度隨著加工距離的增加而不斷增大。

綜上所述，在相同的加工壓力、沖擊加工角度、加工次數(shù)下，石英玻璃材料的低溫沖蝕槽體積最大，明顯區(qū)別于其他4種材料；而在這4種材料中，Si3N4材料沖蝕加工的槽體積相較于其他3種材料的最小，因此其材料去除率最小，耐沖蝕性能最佳。

2.2加工槽的三維形貌和表面輪廓

圖6所示為5種材料在加工壓力為0.6 MPa、沖擊加工角度為90°、加工次數(shù)為7次時(shí)，通過低溫微磨料氣射流加工得到的槽的3D光學(xué)輪廓，圖中的紫色和藍(lán)色區(qū)域是最深的區(qū)域，所選中的區(qū)域大小為1 994μm×1 994μm。根據(jù)圖6可以得出：Si3N4材料表面形成的槽形不明顯，表面經(jīng)沖蝕只留下一些小的凹坑，不能形成完整的微流道；且其表面較平整，被去除量較小，低溫沖蝕槽的深度最小。這主要是由于Si3N4表面強(qiáng)度較高，磨料顆粒難以在其表面形成有效的沖擊。其次是SiC材料、YSZ材料以及99 Al3O3材料，這3種材料表面開始慢慢出現(xiàn)較為清晰的微流道形狀，但槽的側(cè)邊及底部還未形成平整光滑壁面。石英玻璃材料沖蝕出的微流道具有完整的槽形，且低溫沖蝕槽的深度和體積遠(yuǎn)大于前4種硬脆材料的。因?yàn)槭⒉ＡУ牡蜏赜捕群蛷?qiáng)度小于磨料顆粒的，磨料顆?？梢詫ζ湫纬捎行У臎_蝕去除。

圖7所示為5種材料在加工壓力為0.6 MPa、沖擊加工角度為90°、加工次數(shù)為7次時(shí)，在低溫微磨料氣射流作用下沖蝕加工所得的輪廓對比。在圖7中可直觀地看出石英玻璃材料在沖蝕加工后會形成明顯的“U”型槽；而其他4種材料的槽形不具有固定的形狀且較為平整，在放大觀察后能發(fā)現(xiàn)局部形成小的“U”型和類“V”型槽，表明這4種材料的表面難以有效去除，且進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn)Si3N4材料的表面去除最少，沖蝕去除率最低。這是因?yàn)槭⒉ＡУ蜏貨_蝕槽的深度較大，易在槽內(nèi)壁形成2次甚至多次反彈沖蝕，最終形成“U”型槽；而其他4種材料在低溫下的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都較高，遠(yuǎn)大于石英玻璃材料的，所以磨料二次反彈難以對其表面沖蝕加工，此時(shí)槽底部區(qū)域的材料沖蝕去除量大于側(cè)壁區(qū)域的，導(dǎo)致低溫沖蝕槽的深度較小，形成了小“U”型或類“V”型微流道。綜上所述，在這5種材料中Si3N4的耐沖蝕性能最佳。

3結(jié)論

在不同的加工壓力、沖擊加工角度和加工次數(shù)下，對SiC、Si3N4、YSZ、99 Al2O3、石英玻璃5種材料進(jìn)行低溫微磨料氣射流加工實(shí)驗(yàn)，通過對材料低溫沖蝕槽的結(jié)構(gòu)大小、三維形貌以及表面輪廓進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）在相同的加工壓力、沖擊加工角度和加工次數(shù)條件下，Si3N4材料低溫沖蝕槽的體積最小。隨著加工壓力和加工次數(shù)的增加，5種材料沖蝕槽的體積也逐漸增大，這主要?dú)w因于沖蝕動能的增加；隨著沖擊加工角度的變化，沖蝕槽的體積也在變化，在垂直加工角度附近時(shí)其沖蝕槽體積達(dá)到最大。其原因是材料表面的去除機(jī)制不同，脆性材料的表面去除形式隨著沖擊加工角度的增加由塑性變形轉(zhuǎn)換為表面形變與斷裂，當(dāng)沖擊加工角度達(dá)到最大角度90°左右時(shí)，材料去除最明顯，此時(shí)低溫沖蝕槽的體積最大。

（2）通過對比5種材料的3D形貌，發(fā)現(xiàn)Si3N4材料的槽形不明顯，被去除量較小，表面較平整。觀察5種材料表面的沖蝕輪廓，發(fā)現(xiàn)石英玻璃的槽形較為明顯，呈“U”型；而其他4種材料的槽形都較為平整，沒有固定的形狀，只有較小的下凹，其中Si3N4材料低溫沖蝕槽的深度最小。

（3）在5種材料的低溫微磨料氣射流加工中，Si3N4材料的耐沖蝕性能最佳。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為后續(xù)掩膜式低溫微磨料氣射流加工中掩膜材料的選擇提供依據(jù)。

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作者簡介

孫玉利，男，1970年生，教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向：

精密超精密加工技術(shù)與裝備、現(xiàn)代表面工程技術(shù)。E-mail：sunyuli@nuaa.edu.cn

（編輯：周萬里）

Comparison of erosion resistance of hard and brittle materials processed by low- temperature micro-abrasive gas jet

XU Pengchong1，SUN Yuli1，ZHANG Guiguan2，KANG Shijie1，LU Wenzhuang1，SUN Yebin1，ZUO Dunwen1

（1.College of Mechanicalamp;Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronauticsamp;Astronautics，Nanjing 210016，China）

（2.Institute for Advanced manufacturing，Shandong University of Technology，Zibo 255049，Shandong，China）

Abstract Objectives：During low-temperature micro-abrasive air jet machining，the mechanical properties of materi-als undergo changes，making the material more prone to brittleness and erosion removal.Comparative experiments were conducted on the low-temperature micro-abrasive air jet machining of hard and brittle materials to investigate their ma-chining performance at low temperatures and to indentify materials with better erosion resistance under such conditions.Methods：Low-temperature micro-abrasive air jet machining comparative experiments were conducted on five materi-als：silicon carbide（SiC），silicon nitride（Si3N4），yttrium-stabilized zirconia（YSZ），99%alumina（Al2O3），and quartz glass.First，the materials were pretreated using the same surface treatment method，and a material removal model was established to identify the factors affecting the changes in low-temperature properties.Next，micro-abrasive air jet ma-chining experiments were performed at 77 K to investigate the effects of different process parameters?including ma-chining pressure，impact machining angle，and machining time?on erosion removal rates，low-temperature erosion groove three-dimensional morphology，and surface profiles of the five materials.Finally，the three-dimensional morpho-logy of the low-temperature erosion grooves and the surface profiles of the materials were compared and analyzed to evaluate the erosion resistance of each material during low-temperature machining.Results：The processing perform-ance of the five materials at low-temperatures showed the following trends：（1）As the processing pressure increased，the surface groove volumes of all five materials gradually increased.However，the surface groove volumes of Si3N4 and SiC did not increase significantly.（2）As the impact angle increased，the surface groove volumes of all five materials also gradually increased.The groove volume reached its maximum value when the impact angle approached a vertical pro-cessing angle.Si3N4 exhibited the smallest low-temperature erosion groove volume under these conditions.（3）All five materials exhibited increased brittleness at low temperatures，with minimal plastic deformation due to their high hard-ness.At smaller impact angles，surface material removal was limited，resulting in smaller low-temperature erosion grooves.As the impact angle increased，material removal transitioned from plastic deformation to surface fracture.At the maximum impact angle（90°），the material removal became most evident，and the erosion groove reached their largest volume，exhibiting a typical brittle removal mode.（4）Under the same processing parameters，the erosion remov-al rates of the five materials increased sequentially.The erosion removal rate of silicon nitride was the smallest，with a maximum low-temperature erosion groove depth of only 20μm.Silicon carbide's erosion removal rate was similar to that of silicon nitride material，but the erosion removal rate of quartz glass material was the highest，considerably ex-ceeding that of the other four materials.（5）As the number of machining cycles increased，the surface groove volumes for all five materials also gradually increased.（6）The groove shape formed on the surface of silicon nitride was not ob-vious，consisting mainly of small pits that could not form complete microchannels.Additionally，the surface of silicon nitride remained relatively flat，with minimal material removal，resulting in the smallest depth of the low-temperature erosion grooves.（7）After the erosion processing，quartz glass formed an obvious\"U\"-shaped groove，which could be clearly observed under a microscope.In contrast，the grooves of the other four materials had no fixed shape and ap-peared relatively flat.Upon magnification，small\"U\"-shaped grooves and similar\"V\"-shaped grooves were observed locally on the surfaces of the four materials，indicating that the morphological changes during erosion processing were relatively complex.Conclusions：The low-temperature micro-abrasive air jet machining comparative experiment was used to analyze the material erosion removal rates，three-dimensional morphology，and surface profiles of low-temperat-ure erosion grooves.Among the five hard and brittle materials tested，silicon nitride material exhibited the smallest erosion groove volume，the lowest erosion removal rate，and the highest erosion resistance.These findings provide a foundation for future research into low-temperature micro-abrasive air jet technology for masks.

Key words hard-brittle materials；low-temperature；abrasive air jet；erosion resistance；erosion removal rate