激光燒蝕反應(yīng)燒結(jié)碳化硅表面形貌特征及亞表面損傷研究

摘 要：反應(yīng)燒結(jié)碳化硅（RB-SiC/Si）因具有耐高溫、耐腐蝕、比剛度高、熱膨脹小、耐磨等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于大口徑空間望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星遙感、航空發(fā)動機(jī)零部件等領(lǐng)域。然而高強(qiáng)度高硬度的材料特性，也導(dǎo)致反應(yīng)燒結(jié)碳化硅呈現(xiàn)出難加工的特點(diǎn)。激光束加工具有能量密度高、加工范圍廣等特點(diǎn)，適用于加工硬脆材料，但同時也存在表面熱損傷嚴(yán)重的缺點(diǎn)。本文研究了激光參數(shù)對反應(yīng)燒結(jié)碳化硅加工表面形貌特征的影響，分析了納秒激光與反應(yīng)燒結(jié)碳化硅之間的作用機(jī)理。在反應(yīng)燒結(jié)碳化硅燒蝕產(chǎn)物分析基礎(chǔ)上確定了高溫氧化過程及氧化產(chǎn)物類型。通過角度拋光法研究激光加工單溝槽產(chǎn)生的亞表面損傷，以及激光加工溝槽組之間產(chǎn)生的大尺寸亞表層損傷，建立了激光加工參數(shù)與亞表面損傷深度間映射關(guān)系。本文的研究成果可為反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的高效精密低損傷加工奠定理論基礎(chǔ)和提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：納秒脈沖激光； RB-SiC/Si； 材料去除機(jī)理； 表面特征； 亞表面損傷

中圖分類號：V261.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.07.006

基金項目： 國家自然科學(xué)基金（52175412，52005461）；航空科學(xué)基金（2019ZE052014）

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅（RB-SiC/Si）作為典型的硬脆材料，因具有耐高溫、耐腐蝕、比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨、低電阻等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于大口徑空間望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星遙感、航空發(fā)動機(jī)零部件、航空航天電能變換等領(lǐng)域。RB-SiC/Si是由細(xì)顆粒α-SiC和添加劑，在高溫環(huán)境下與液態(tài)的Si發(fā)生反應(yīng)生成β-SiC，兩種結(jié)構(gòu)的SiC相結(jié)合，游離硅填充于其中，形成的高致密度的陶瓷材料。但是其硬度高、脆性大，對其進(jìn)行金剛石車削、銑削及磨削時，刀具磨損嚴(yán)重，耗費(fèi)時間長，且難以直接獲得光學(xué)表面[1-2]。印度本德爾坎德工程與技術(shù)學(xué)院Agarwal等[3-4]指出，在磨削加工RB-SiC/Si時，表面斷裂及材料的脫落是表面損傷和材料去除的主要方式，其中徑向裂紋與磨削表面粗糙度密切相關(guān)，而橫向裂紋則主要與材料的去除相關(guān)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)張飛虎等[5]研究發(fā)現(xiàn)，RBSiC/Si材料的塑性域去除依賴于金剛石刀尖與工件材料之間的耕犁系數(shù)，材料組織結(jié)構(gòu)不均勻會引起納米刻劃力的波動，并且他們還指出SiC表面的塑性變形與動態(tài)壓力引起的 SiC相變密切相關(guān)[6]。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所Gao Jianqin等[7]也對燒結(jié)SiC的晶粒形態(tài)對表面和亞表面損傷進(jìn)行了研究，指出磨削會引起SiC晶粒的拉拔脫落。

脈沖激光高能量密度促使材料在短時間內(nèi)迅速升溫，發(fā)生熔化、沸騰或升華實現(xiàn)材料去除，尤其適用于硬脆材料的精密加工。與傳統(tǒng)加工相比，激光加工具有成本低、周期短的特點(diǎn)[8]。西北工業(yè)大學(xué)Liu Yongsheng等[9]研究了激光光斑重疊率、激光功率和進(jìn)給速度等參數(shù)對碳化硅材料燒蝕形貌的影響。結(jié)果表明，隨著光斑重疊率的上升，激光燒蝕深度顯著上升，但對燒蝕孔徑大小影響不大。西安交通大學(xué)Lin Qingyan等[10]用波長為1030nm的飛秒激光研究了79μJ單脈沖能量下不同光斑重疊率的燒蝕表面。光斑重疊率顯著影響材料燒蝕率、表面應(yīng)力狀態(tài)及表面氧化程度。東京大學(xué)Junya等[11]研究了皮秒激光加工SiC材料微孔工藝，得到了激光能量和脈沖寬度對應(yīng)力波傳播、損傷產(chǎn)生和加工形狀的影響。東京工業(yè)大學(xué)Kim等[12]研究了納秒激光加工4H-SiC微孔時波長、光束輪廓和環(huán)境條件對加工質(zhì)量的影響。當(dāng)激光輻照材料表面后，材料表面的電子接收到激光能量，電子在幾十個皮秒（ps）內(nèi)將能量通過晶格結(jié)構(gòu)傳遞到材料，導(dǎo)致材料迅速升溫。當(dāng)溫度達(dá)到一定值后，一部分材料出現(xiàn)熔化、升華、汽化等過程，而另一部分熔融材料在激光繼續(xù)作用下，溫度上升超過沸點(diǎn)溫度，形成過熱液體。過熱液體在受到極小的擾動影響后，如材料中部分未熔化的碳化硅顆粒、熔池內(nèi)外密度不均勻等，會產(chǎn)生汽化核并開始劇烈沸騰，形成相爆炸現(xiàn)象[13]。在納秒激光加工過程中，主要依靠激光光子所傳遞的能量對材料進(jìn)行去除，當(dāng)能量密度變化時，材料的去除機(jī)理和表面質(zhì)量隨之變化，尤其是對于多相RB-SiC/Si材料，激光燒蝕表面溝槽形貌和激光加工誘導(dǎo)亞表面損傷機(jī)制的研究仍需進(jìn)一步深入。

本文通過開展紅外納秒激光燒蝕反應(yīng)燒結(jié)碳化硅試驗，研究激光參數(shù)（+P93a22Us1FBbdpWp4kXHUSYKIuNc0wOjjmf1M11jOo=單脈沖能量、掃描速度、掃描次數(shù)）與燒蝕表面形貌特征的影響，探索激光參數(shù)對亞表層損傷的影響規(guī)律，建立激光參數(shù)與亞表層損傷深度間量化關(guān)系，為RB-SiC/S材料的高效精密加工提供了一種新的手段。

1 試驗材料及方法

RB-SiC/Si的主要性能參數(shù)見表1。試驗前，使用線切割機(jī)將試驗樣件尺寸切至10mm×15mm×5mm，并采用目數(shù)不斷增大的金剛石拋光盤和粒度逐漸減小的金剛石懸浮液進(jìn)行拋光至表面粗糙度Sa為15.9nm，在丙酮溶液中用超聲清洗20min。

試驗采用YLPN-1-20x200-100型號的紅外納秒脈沖光纖激光器，性能參數(shù)見表2。圖1（a）和圖1（b）分別為激光器的原理圖和實物圖。激光光束經(jīng)過光纖和擴(kuò)束鏡入射依次通過X方向和Y方向的振鏡，通過軟件控制振鏡的傾角調(diào)控激光的掃描速度和方向，并通過透鏡將光束聚焦。在試驗前，先通過三維精密運(yùn)動平臺，將激光聚焦在工件表面，如圖1所示。

為分析各激光參數(shù)對RB-SiC/Si燒蝕后表面形貌的影響，研究激光功率P、脈沖頻率f、掃描速度v、掃描次數(shù)N對燒蝕表面的影響，具體激光加工參數(shù)見表3。其中，S1組中研究的參數(shù)變量為激光功率，S2組中研究的參數(shù)變量為光斑移動速度， S3組中研究的參數(shù)變量為加工次數(shù)。

激光加工過程中，采用一體式高速攝像機(jī)對激光燒蝕過程進(jìn)行監(jiān)測，分別采用臺式掃描電子顯微鏡和三維光學(xué)輪廓儀對燒蝕后材料表面的形貌特征和三維地貌進(jìn)行表征和測量。采用拉曼光譜儀對激光加工表面進(jìn)行檢測。在對燒蝕表面進(jìn)行XPS表征時，使用能量為500eV的氬離子束對待檢測區(qū)域清洗120s，在去除完工件表面殘留吸附和氧化的雜質(zhì)后，再對加工后表面化學(xué)組成進(jìn)行成分分析。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 RB-SiC單脈沖激光燒蝕

在激光燒蝕的過程中，由于材料去除速率由中心向四周遞減，在熔池內(nèi)的熔融材料更趨向于向四周飛濺；同時在表面張力的作用下，材料也趨向于向邊緣堆積，在材料冷卻后會在凹坑邊緣形成凸起的邊緣，如圖2所示。

相爆炸會導(dǎo)致熔池中的熔融材料向四周飛濺，當(dāng)單脈沖燒蝕時會在四周形成一圈高于材料表面的凸起，而隨著脈沖數(shù)變多，沿激光光斑移動方向的兩周會在一次次飛濺累積下形成兩側(cè)高突于表面的重凝脊。在單脈沖燒蝕的相爆炸過程中，熔池內(nèi)材料被迅速去除，飛濺的部分材料在激光繼續(xù)作用下，和升華氣化的部分材料組在一起，在材料上方形成高溫高密度的等離子體云[14]，如圖3所示。試驗中使用的高速攝像機(jī)幀率為4×10⁴。

在較低的單脈沖能量（200μJ）下，材料吸收的能量不足以產(chǎn)生高溫高密度的等離子體云，因此在材料表面僅能看到微弱的氣化和升華材料。當(dāng)單脈沖能量遠(yuǎn)大于材料燒蝕閾值時（600μJ），在材料表面可以觀察到明亮的高溫高密度的等離子體云，這些等離子體云的上層出現(xiàn)極大的溫度梯度，在無激光能量繼續(xù)作用的情況下，出現(xiàn)一層能量較低、密度較小的等離子體羽輝。當(dāng)單脈沖能量增加到1000μJ時，此時熔池內(nèi)過熱液體大量增加，形成更大范圍的等離子體云。由于在材料表面方向上的光斑面積不變，此時等離子體云的底面積變化不大，而高度變化更為明顯，形成了更高的等離子體羽輝現(xiàn)象。

在多脈沖情況下，上一次脈沖生成的等離子體，會在極短的時間間隔后再次接收到激光能量的作用，在較低的激光光斑移動速度下（v=10mm/s），等離子體云將持續(xù)受到激光能量的作用。等離子體云將吸收掉大部分的激光能量，呈現(xiàn)的等離子體云尺寸將遠(yuǎn)大于單脈沖下的等離子體云，同時由于多脈沖的累積效應(yīng)，相爆炸飛濺的材料在溝槽移動方向的兩側(cè)堆積，在燒蝕區(qū)域后側(cè)出現(xiàn)重鑄層，如圖4所示。

2.2 激光功率對燒蝕形貌的影響

材料在不同激光功率下的燒蝕形貌有著明顯的差異。當(dāng)單脈沖能量密度接近材料的燒蝕閾值時，材料的燒蝕程度較低，材料的去除體積不大。如圖5（a）和圖5（b）所示，當(dāng)激光功率為20W時，在較低的激光能量密度下，材料即使未發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，但由于吸收了激光的部分能量，屬性發(fā)生了變化。當(dāng)激光功率增加到70W時，材料表面的燒蝕程度明顯增加，材料的去除體積也增大，同時燒蝕溝槽的寬度從38μm增加到78μm。由于激光能量密度呈高斯分布，當(dāng)激光功率增加時，如圖5（c）和圖5（d）所示，雖然激光的光斑面積未發(fā)生改變，光斑邊緣在低能量密度下無法燒蝕的區(qū)域開始出現(xiàn)材料去除[15]，溝槽寬度增加，此時隨著激光功率繼續(xù)上升，吸收的能量在材料內(nèi)部向外擴(kuò)散，在遠(yuǎn)離光斑的位置形成了熱影響區(qū)域。

從圖5中可以看出，當(dāng)激光功率增加時，在燒蝕閾值附近的溝槽深度和寬度快速變化，此時材料的燒蝕程度從幾乎不發(fā)生燒蝕到開始燒蝕過程，材料的表面形貌快速變化，部分材料在吸收能量后未達(dá)到氣化條件，形成過熱液體，在外界擾動下導(dǎo)致迅速飛濺，使得兩側(cè)重鑄區(qū)高度增加。隨著激光功率繼續(xù)上升，溝槽深度和寬度雖然仍在增加，但增加速度明顯減緩，而重鑄層的高度和厚度則繼續(xù)增大。此時，材料的實際去除量是增加的，深度降低不明顯是重鑄后的產(chǎn)物堆積在材料表面，形成了疏松層。等離子體在膨脹過程中分為在脈沖激光作用下的等溫膨脹和脈沖間隔過程中無外界熱源下的絕熱膨脹兩個過程。激光能量不會影響兩種膨脹過程在單次加工下所占比例，因此在提升激光能量的情況下，等溫膨脹和絕熱膨脹下等離子體都吸收了更多的能量，在垂直于材料表面和平行材料表面的方向上達(dá)到更遠(yuǎn)的距離，形成了更大的重鑄區(qū)和重鑄層高度。除此以外，由于更高的重鑄層對溝槽內(nèi)部的等離子體有阻擋作用，部分等離子體無法及時從溝槽內(nèi)部排出，會對激光能量產(chǎn)生散射和吸收，進(jìn)一步減緩溝槽深度增加。

2.3 光斑重疊率對燒蝕形貌的影響

從本質(zhì)上來說，激光光斑重復(fù)頻率和激光光斑掃描速度對加工的影響，都是通過改變激光脈沖重疊率影響加工結(jié)果。當(dāng)保持其他參數(shù)不變時，激光光斑移動速度的不同導(dǎo)致激光光斑重疊率變化，從而影響區(qū)域吸收能量及燒蝕表面形貌特征。如圖6（a）所示，當(dāng)激光掃描速度過高、激光光斑重疊率φ<80%時，較高的單脈沖能量導(dǎo)致燒蝕劇烈，在激光作用下材料飛濺明顯，在溝槽內(nèi)部有許多的材料飛濺后殘留，同時溝槽兩側(cè)有少量重鑄區(qū)沉積，未形成明顯重鑄脊。

當(dāng)激光光斑重疊率φ增加到95.6%時，此時溝槽內(nèi)外側(cè)都出現(xiàn)大于10μm的重鑄后沉積產(chǎn)物，如圖6（c）所示。此時激光在加工后產(chǎn)生的等離子體，在受到多次激光作用下的等溫膨脹后，等離子體沿垂直加工表面方向上膨脹迅速，并在溫度降低后再生成重鑄產(chǎn)物，而沿加工表面上的膨脹速度較小，因此大尺寸的重鑄產(chǎn)物都緊貼溝槽附近。當(dāng)激光光斑重疊率φ增加到99.5%時，溝槽寬度不再發(fā)生明顯變化，溝槽內(nèi)外側(cè)的重鑄沉積產(chǎn)物尺寸進(jìn)一步增加，溝槽附近重鑄區(qū)表面出現(xiàn)裂紋，此時由于激光首次加工光斑位置后還會受到上百次的激光重復(fù)作用，溝槽內(nèi)等離子體散射吸收的能量有限，材料吸收的能量雖然難以繼續(xù)進(jìn)行深層的溝槽加工，但仍會上升一定的溫度，并在冷卻后形成大溫差，導(dǎo)致材料表面重鑄區(qū)在經(jīng)歷溫度變化后形成裂紋，裂紋形成的原因?qū)⒃?.6節(jié)進(jìn)一步分析和說明。

2.4 加工次數(shù)對燒蝕形貌的影響

隨著激光加工次數(shù)的增加，后續(xù)的加工將會對前一次所得溝槽進(jìn)行加工，在上一次加工獲得的表面形貌的基礎(chǔ)上完成燒蝕過程。如圖7（a）和圖7（b）所示，在較低的加工次數(shù)N=2時，溝槽兩側(cè)重鑄層厚度較薄，重鑄區(qū)較窄，溝槽內(nèi)部重鑄產(chǎn)物尺寸較大。在第一次加工后，第二次掃描過程中激光在第一次加工后表面去除量增加，同時在兩側(cè)重鑄層區(qū)域有更多的加工時間，兩側(cè)形成的重鑄層仍為熔池后噴濺和等離子體云中部分重鑄產(chǎn)物，因此此時溝槽重鑄層厚度和重鑄區(qū)寬度在兩次加工后仍較低。如圖7（c）和圖7（d）所示，當(dāng)加工次數(shù)增加到20次（N=20）時，溝槽整體寬度增加不明顯，但重鑄層厚度和重鑄區(qū)寬度明顯增加。多次加工下溝槽深度有所增加，相較于原本致密的碳化硅和硅的結(jié)合相，燒蝕后重鑄的產(chǎn)物致密程度明顯降低，溝槽表面的重鑄產(chǎn)物增加，溝槽寬度在不發(fā)生變化的情況下，重鑄層厚度會明顯增加，重鑄區(qū)尺寸在多次加工后也明顯增加。在溝槽重鑄層上，由于經(jīng)歷了多次加熱后再冷卻，材料受到多次的熱應(yīng)力沖擊，在重鑄層上出現(xiàn)了裂紋等損傷。

2.5 RB-SiC/Si表面激光燒蝕后產(chǎn)物分析

通過加工表面進(jìn)行Raman光譜分析，如圖8所示，可以觀察到在520cm-1處兩相區(qū)域都有較強(qiáng)的峰，證明在RB-SiC/Si制備過程中，增強(qiáng)相中的SiC內(nèi)仍有較多的Si未發(fā)生反應(yīng)而附著在表面，因此在SiC相中仍能檢測到Si的存在[14]。除此以外，969cm-1處的Si和SiC相中也有一個較小的SiO2峰，說明在拋光后材料表面也存在少量的Si被氧化成SiO2。

對激光溝槽燒蝕后表面進(jìn)行拉曼檢測的結(jié)果表明，溝槽底部區(qū)域除了有原始的Si相和SiC相以外，還存在反應(yīng)過后生成的SiO2，說明在激光反應(yīng)過程中，熔池內(nèi)的過熱液體主要由Si和SiO2組成，SiC由于在最初熔化過程中會發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，但隨著溝槽上方等離子體云對空氣的隔絕影響，熔化的SiC不會立刻發(fā)生氧化反應(yīng)，所以在最后的過熱液體中仍存在較少的SiC，冷卻后在溝槽底部出現(xiàn)。對于溝槽表面的燒蝕后生成的重凝層部分，此時兩個較為明顯的峰分別是Si相和C的石墨相，結(jié)合圖5中燒蝕過程中等離子體云的尺寸，溝槽重凝脊兩側(cè)都被等離子體云包圍，內(nèi)部極低的O含量和高溫環(huán)境下，內(nèi)部的Si相和C相無法充分發(fā)生反應(yīng)，最終重凝堆積在材料表面，生成了Si相和C的石墨相。

圖9為加工表面X射線光電子能譜（XPS）測試結(jié)果。根據(jù)圖9（a）所示的C1s峰高分辨圖譜擬合結(jié)果，可知主要產(chǎn)物的C-C鍵強(qiáng)度峰所對應(yīng)的結(jié)合能在284.75eV，結(jié)合拉曼光譜檢測結(jié)果，證明確實有石墨相的C在材料表面生成。圖9（b）為Si2p峰高分辨圖譜擬合結(jié)果，材料表面中除了生成的SiO2以_{wOpfxY8iysaVemzeHrgex6WsqncN2zjIOsTjqSA2g7s=}外，還有SiO的生成，說明在熔池中的過熱液體中所包含的Si會有一部分和少量的O在高溫低氧的環(huán)境下生成。根據(jù)XPS分析結(jié)果知，式（1）和式（2）的氧化反應(yīng)在激光燒蝕過程中會在不同區(qū)域內(nèi)發(fā)生，且氧化過程中生成多種氧化產(chǎn)物并伴隨著氣體的產(chǎn)生。

在激光燒蝕材料的過程中，表層材料在吸收激光能量后迅速升溫并出現(xiàn)熔化、氣化、升華等現(xiàn)象，同時熔池內(nèi)出現(xiàn)過熱液體，而在遠(yuǎn)處材料溫度不會發(fā)生迅速改變，因此材料在表層附近會出現(xiàn)較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生極高的熱應(yīng)力。這些熱應(yīng)力在超過RB-SiC強(qiáng)度極限時，會沿溫度梯度方向產(chǎn)生亞表層裂紋，同時表層材料在高溫下會發(fā)生劇烈的氧化。

2.6 激光燒蝕亞表層損傷及分析

當(dāng)激光功率接近材料燒蝕閾值時，此時亞表層除了溝槽深度的形貌外基本無額外亞表層損傷，如前面單脈沖下觀測到的情形。材料主要依靠熔化、汽化、升華等物理現(xiàn)象發(fā)生去除，燒蝕程度極弱，材料產(chǎn)生的熱效應(yīng)較低，溫度梯度較小，發(fā)生的熱損傷情況較小，同時大部分材料未發(fā)生重鑄現(xiàn)象，因此重鑄物在溝槽內(nèi)側(cè)堆積現(xiàn)象也不明顯。當(dāng)激光功率增大后，此時明顯觀測到除中間的溝槽形貌外，在重鑄脊層外側(cè)也有凹坑的出現(xiàn)[16]，并伴隨著部分裂紋。這說明重鑄層主要是熔池材料向外側(cè)擠壓溝槽原始側(cè)壁后生成，同時當(dāng)激光能量提升時，重鑄層的溫度梯度也提升，在重鑄層內(nèi)更易產(chǎn)生隨溫度驟變后產(chǎn)生的熱應(yīng)力殘留和裂紋損傷，不同激光功率下對單溝槽亞表面損傷如圖10所示。

這些凹坑和裂紋等缺陷主要是在重鑄層出現(xiàn)，即大多為熱損傷類型，是在材料凝固過程中產(chǎn)生的。凝固過程中固液混合相的延展性降低，這個降低的溫度范圍即為脆性溫度范圍。在這個范圍內(nèi)，局部固相線溫度下降，脆性溫度范圍可擴(kuò)展到低于固相線的溫度。應(yīng)變在凝固時開始累積，當(dāng)總累積應(yīng)變超過延性擴(kuò)展極限（εmin）時，材料出現(xiàn)凝固裂紋。當(dāng)總累積應(yīng)變低于εmin時，材料不會出現(xiàn)裂紋[16]。

對于單溝槽燒蝕材料亞表層損傷以激光熱效應(yīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的重鑄層及其在重凝過程中形成的孔隙為主，單次向外的熱沖擊應(yīng)力無法對材料本身形成損傷裂紋，從而降低材料強(qiáng)度。同時在加工過程中，激光對材料表面燒蝕加工也以溝槽組形式為主，在兩道溝槽的熱沖擊作用下，溝槽中間材料所受到的影響更有可能形成亞表層的損傷裂紋。因此在研究過程中可以分析溝槽組燒蝕下的亞表層損傷狀況。

在脈沖重復(fù)頻率保持不變的情況下，激光功率和光斑移動速度對材料燒蝕都會形成有效影響。同時當(dāng)溝槽間距在足夠窄或足夠?qū)捪?，燒蝕后結(jié)果也會有明顯不同。距離近時材料基本被燒蝕去除，而距離大時熱沖擊應(yīng)力無法傳遞，因此溝槽間距也會對溝槽組燒蝕情況產(chǎn)生影響。由于在溝槽組燒蝕過程中，產(chǎn)生的亞表層損傷裂紋分布較多，在斜拋過程中易出現(xiàn)前后損傷裂紋包含的區(qū)域被整塊去除造成大面積脫落、破碎等現(xiàn)象出現(xiàn)，因此對于溝槽組的亞表層觀測，制備材料的樹脂鑲塊以用來固定燒蝕后的表面形貌，再進(jìn)行表面拋光，以保證拋光過程中受力均勻，從而保證亞表層損傷的觀測效果。

在單溝槽燒蝕情況下，激光功率增加使得溝槽兩側(cè)的重鑄層厚度增加，溝槽重鑄后損傷深度和寬度明顯增加，高功率下更多的材料進(jìn)入熔池中，但在等離子體屏蔽下無法及時排出后在溝槽內(nèi)部重鑄形成重鑄層。而當(dāng)溝槽組燒蝕過程中，在60W的功率下，即單脈沖能量E=600μJ時，溝槽組在燒蝕后亞表面的重鑄后孔隙明顯增加，但熱沖擊裂紋仍然沒有明顯出現(xiàn)，其中，重鑄區(qū)孔隙主要是在前一道溝槽燒蝕后，后一道較近的溝槽在燒蝕過程中在溝槽附近的溫度場上升明顯，在熱沖擊作用下原本較小的幾個溝槽孔隙會在應(yīng)力集中的地方發(fā)生材料破裂，從而形成亞表面上較大的孔隙，同時重鑄層中本來有裂紋連接孔隙的地方會發(fā)生進(jìn)一步破裂，形成變形的溝槽形貌，如圖11（a）所示。而當(dāng)激光功率增加到70W時，此時單脈沖能量E=700μJ，溝槽亞表層損傷除了較大的孔隙以外，在溝槽底部生成了一條跨越多個溝槽的巨大裂紋。這個裂紋主要是在激光加工過程中，溝槽底部因過熱液體的存在導(dǎo)致加熱到極高的溫度，而在冷卻過程中，溝槽底部離激光作用處最遠(yuǎn)，最先恢復(fù)到初始狀態(tài)，故溝槽底部受到熱應(yīng)力作用最為明顯，導(dǎo)致在加工后溝槽底部區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在后一次加工下溝槽底部區(qū)域再次受到熱應(yīng)力沖擊，最終在累計加工下形成溝槽底部的大尺寸裂紋，如圖11（b）所示。

在單溝槽燒蝕下，產(chǎn)生的主要損傷是溝槽附近的重鑄層孔隙和孔隙間的裂紋。當(dāng)溝槽組燒蝕時，溝槽的缺陷除了有單個溝槽產(chǎn)生的亞表層損傷以外，還會受到下一道溝槽在燒蝕過程中產(chǎn)生的熱沖擊力的影響，這個熱沖擊將隨著溝槽的間距而不斷衰減。當(dāng)溝槽間距為50μm時，此時溝槽間距過近，同時在較高的激光能量下，溝槽兩側(cè)重鑄層所產(chǎn)生的亞表層孔隙及裂紋在后一道溝槽加工過程中出現(xiàn)較大的破碎，溝槽底部也出現(xiàn)了熱應(yīng)力沖擊裂紋，如圖12（a）所示，同時材料表層也出現(xiàn)明顯的損傷破碎現(xiàn)象，此時激光加工到的區(qū)域已經(jīng)接近重鑄層損傷區(qū)域，中間間距區(qū)域在激光加工下影響嚴(yán)重，除了熱應(yīng)力產(chǎn)生的損傷和重鑄層帶來的影響外，材料在反復(fù)受到高溫的作用下，材料的強(qiáng)度在這過程中也易發(fā)生變化；當(dāng)溝槽間距為150μm時，即使此時仍然是使用較高的激光功率和較低的光斑移動速度進(jìn)行加工，但由于溝槽間間距過遠(yuǎn)，導(dǎo)致熱沖擊應(yīng)力在傳遞的toqoWby9OufTVVtAlYyGePojAhEPXTck9RZIfw9ILig=過程中衰減極為嚴(yán)重，此時加工的結(jié)果可以視為單溝槽間加工的結(jié)果，溝槽處的損傷仍然以重鑄層在單次加工下產(chǎn)生的孔隙為主，在溝槽間距中間幾乎沒有其他的亞表層損傷產(chǎn)生，如圖12（b）所示。

3 結(jié)論

本文主要開展了納秒激光加工參數(shù)對反應(yīng)燒結(jié)碳化硅表面形貌變化、組成成分及亞表面損傷機(jī)理影響研究，主要結(jié)論如下：

（1）激光功率對燒蝕劇烈程度影響最顯著，激光功率在低于20W時去除效率低。在高激光功率條件下，一次燒蝕去除的材料體積增大，熔融物在表面等離子體云屏蔽作用下難以離開溝槽，堆積在溝槽底部，增大激光功率或降低光斑移動速度導(dǎo)致重鑄層厚度明顯增加，影響表面平BgTqFSBNSoQBwO0zx6HYMUvqLyps66HuRPmQBQqECBY=整性。激光功率在50～60W時加工效果最佳。

（2）基于拉曼圖譜分析和XPS檢測，確定了激光誘導(dǎo)氧化產(chǎn)物類型，生成產(chǎn)物主要包括石墨、SiO和SiO2。

（3）激光燒蝕反應(yīng)燒結(jié)碳化硅亞表面損傷形式主要包括裂紋、重鑄層、孔隙等。當(dāng)激光功率超過70W時會出現(xiàn)孔隙和長裂紋。單溝槽亞表面損傷主要分布在重鑄層，間距小于50μm的溝槽組燒蝕下還會有跨越多個溝槽底部的長裂紋形成。而溝槽組間距大于150μm時，由于間距過大，可視為單溝槽加工。

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Study on Surface Characteristics and Subsurface Damage of RB-SiC/Si by Laser Ablation

Zhang Quanli1， Liu Jian1， Sun Zhiyuan2， Wu Mingtao3， Cai Yibin1， Zeng Jiaheng1， Jin Zengyang1， Fu Yucan1

1. Naijing University of Aeronautics and Astronautics， Naning 210016，China 2. Shenyang Aircraft Corporation，Shenyang 110850，China 3. Sichuan Precision and Ultra-precision Machining Engineering Technology Research Center，Sichuan Chengdu 610200，China

Abstract： RB-SiC/Si has the advantages of high specific stiffness， good chemical stability， low thermal expansion coefficient and wear resistance， etc.Therefore， it is widely applied in large aperture space telescopes， satellite remote sensing， aviation engine components， and so on. However， the material characteristics of high strength and hardness also make it difficult to be machined. Characterized of high energy density， Laser processing is suitable for hard and brittle materials but it always leads to surface thermal damage. In this paper， the influence of laser parameters on the surface characteristics of RB-SiC/Si was investigated， and the interaction between the nanosecond laser pulse and RB-SiC/Si was analyzed. The high-temperature oxidation process and the oxidation product were identified. The subsurface damage of the laser ablated single groove and groove groups were investigated and compared by angle polishing to achieve the dependence on the laser processing parameters. The achieved results can provide certain theoretical and technical support for precision machining of RB-SiC/Si with low surface and subsurface damage.

Key Words： nanosecond pulsed laser； RB-SiC/Si； material removal mechanism； surface characteristic； subsurface damage