激光—高温化学复合加工碳化硅陶瓷的工艺与机理研究

发布时间：2020-06-07 06:27

【摘要】：陶瓷材料凭借各项优异的理化性能,逐渐被应用到航空航天、精密机械、微电子器件等各个领域,而目前特种加工技术很难同时满足经济高效的加工需求。为了降低生产成本,提高加工质量,将多种技术集成复合从而达到优势互补这一新思路,吸引了国内外研究学者的关注。激光加工具有速度快、精度高且加工过程无机械接触等优点;化学加工不产生热应力,且质量好,将二者复合得到的新型加工技术能够在完成高效加工的同时去除热缺陷,具有非常广阔的应用前景。然而,复合加工涉及的工艺参数众多,目前对两种技术的复合方式也尚在探索阶段。为了更好的掌握加工工艺,发挥复合化的整体作用,仍需对加工技术的关联性及协同作用机理进行深入的研究。首先,本文分析了难加工材料精密加工技术的研究现状,在此基础上研究了激光烧蚀、高温化学加工碳化硅陶瓷的反应机理,探讨了腐蚀加工碳化硅陶瓷工艺参数对加工质量的影响,对腐蚀加工后的材料进行了相关的性能表征。结果表明:随着腐蚀液温度和浓度升高,材料被腐蚀速率加快,当腐蚀液加热至沸腾时,腐蚀效果明显提高;溶质质量分数30%,加工温度120℃的条件下,腐蚀样品粗糙度最小,轮廓支承长度率提高,表面质量最好;腐蚀温度过高或时间过长将造成晶粒脱落,导致表面质量大幅下降。此外,与机械加工试样相比,高温化学加工后的样品未出现裂纹,表面经简单清洗无反应物残留。其次,研究了激光烧蚀、激光加工化学后处理和激光高温化学复合加工等方法对碳化硅陶瓷的加工效果,对比了各加工方法对加工深度、表面质量的影响。结果表明:在激光加工过程中,静置化学液下加工容易出现空泡,导致液面不稳定,加工凹槽出现断点,加工质量差;采用低压射流的方法引入化学液,能够在避免空泡效应的同时,达到高温去除热缺陷的效果,加工后的凹槽表面无氧化层、内壁无重铸层,且加工时间短,加工过程简单,无二次装夹需求。再次,研究了激光工艺参数对碳化硅表面复合加工凹槽结构的影响。分析了激光功率、扫描速度和重复频率对复合加工槽体轮廓及槽体切口、内壁、底部等位置粗糙度的影响。结果表明,一定范围内增大功率,降低扫描速度都能有效增大单位时间激光能量,增加凹槽深度,减小截面锥度。激光能量过高,可能会破坏槽体结构,适当降低功率、提高扫描速度有利于提高凹槽轮廓平整度,降低槽体底部和内壁粗糙度。重复频率与搭接率和单脉冲峰值功率有关,脉宽一定情况下,凹槽各位置粗糙度随频率增加呈先低后高趋势。最后,研究了激光加工和化学加工在复合铣削碳化硅微平面时的交互作用。采用正交实验法分析激光加工工艺参数与化学加工工艺参数在复合铣削中对加工深度和加工面粗糙度的影响程度。结果表明:激光功率对加工深度影响最大,激光频率对加工面粗糙度影响最显著。方差分析显示,激光工艺参数对加工深度和加工面粗糙度均作用显著,溶液浓度对加工面粗糙度作用明显,化学加工过程对加工深度几乎没有影响。分析复合加工机理,激光高温化学复合加工以激光加工作为材料去除的主要手段,化学液通过在高温环境下蚀除加热过程中的熔融和氧化材料,达到改善加工面质量的目的。
【图文】：

示意图,加工方案,示意图,溶液

青岛理工大学工程硕士学位论文激光与高温化学腐蚀复合加工的工艺方法，以提高加工效率和加工质量。针对此要求，安排了两种复合方式进行对比实验：一种是浸泡式复合加工，将试样置于溶液中，直接对溶液层下试样表面进行加工。这种加工方式能够保证溶液在试样表面充分反应，且装置内溶液整体温度较高。加工装置采用底面积远大于试样面积的装置盛放试样和溶液，目的是防止溶液在高温环境下过度损耗，导致液面大幅下降。另一种是低压射流式复合加工，通过低压泵实现系统内溶液循环，用低压射流腐蚀加工面。这种复合方式能够避免溶液产生气泡，同时流场能够一定程度上带走熔渣。两种方案加工方式示意图如图所示。

示意图,加工路径,铣削,示意图

青岛理工大学工程硕士学位论文时间相同。即，扫描速度为 5mm/s 时，加工次，加工次数为 10 次，以此类推。化学复合铣削平面实验因素法研究工艺参数对铣削效果的影响规律，度变量，，控制其余参数不变。再利用正交实验法方便实验观测，加工图案设计为 3mm×3mm 正光路径对加工效果影响可忽略不计，光斑移动排除路径行距对平面平整度的影响，经实验为 0.01mm，路径搭接率 50%。实验加工路径示
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.758.12

【参考文献】