脉冲光纤激光抛光TC4合金的实验研究与抛光层微观形貌分析

针对Ti6Al4V材料的激光抛光工艺进行实验研究,通过改变脉冲式激光的工艺参数设置,来分析激光参数对抛光工艺效果的影响,主要研究了激光输出功率、离焦量e和激光光斑重叠率δ这三个参数的影响规律与作用机理,并结合试样表面粗糙度测量值Ra,得出:激光输出功率为300W左右,离焦量e控制在6～8mm范围内,光斑重叠率δ在70～75范围内时,脉冲式激光对TC4合金材料表面的抛光效果最佳;最后通过光学显微镜测量仪器来分析抛光后的材料表面形貌与材料抛光层的内部晶格晶粒变化,来分析激光抛光对试样抛光层物理性质的影响,并对比抛光前后试样表面的进行了硬度测试对比。     

304不锈钢激光微抛光的数值模拟与分析

为了将激光抛光金属表面的过程可视化,本文建立了脉冲激光抛光304不锈钢的二维瞬态数值模型,模拟了脉冲激光作用下304不锈钢表面形貌的演变过程,揭示了抛光过程中传热、熔化和凝固等物理过程的演化机制。模拟结果表明,与连续激光抛光相比,脉冲激光会使抛光表面产生细小的波纹,但是整体上空间曲率会减小,能够起到一定的抛光效果。在表面形貌的演化过程中,表面起伏较大的区域,由毛细力主导熔池内熔体的流动,其主要作用是消除具有大区率的表面形貌;表面曲率较小的区域,则由热毛细力占据主导地位,其主要作用是促使熔融金属在熔池中重新分布,进一步降低表面的粗糙度。为了验证 仿真模型的正确性,通过与实验结果的比较,发现模型熔池深度与实验结果相符合,具有较高的模拟精度。     

激光抛光中金属表面的建模及仿真

为了更好地研究激光抛光的作用机理,基于高斯热源对材料表面形貌的变化过程进行了数学建模分析,对表面形貌模型进行了理论表述,使用三种模型的二维投影进行曲线积分的方法拟合材料表面轮廓,提出利用计算过渡表面的方法,将建模对象由单峰扩大到了整个光斑范围,利用外法线方向受定向激光辐照后升温去材的方法拟合表面的z轴向变化,通过z轴的变化来预测抛光后的表面粗糙度。最后使用ANSYS对不同形貌的材料表面进行激光辐照仿真,得出各种表面情况下温度随时间变化的情况,不同的材料表面形貌对抛光效果有很大影响。     

激光抛光H13模具钢自由表面演变的数值模拟与验证

采用数值模拟与实验相结合的方法,通过建立激光抛光的二维瞬态模型,模拟了激光抛光过程中材料表面形貌的演变过程。在模拟过程中,采用移动激光束作为热源,通过对实际材料自由表面进行频谱分析,构建了相似的模拟模型表面,耦合激光抛光过程中的流动场和温度场,综合考虑毛细力和热毛细力的共同作用。结果表明:在毛细力和热毛细力的作用下,在被抛光的材料表面,波峰材料流向波谷,填补轮廓凹陷处,使得材料表面达到抛光效果。激光功率和扫描速度会显著影响抛光效果,过小的热输入会导致熔池尺寸过小,没有足够的流动体积,抛光效果差;过大的热输入则会导致熔池持续时间长,增大抛光表面的粗糙度。模拟的表面粗糙度、熔池深度与实验结果相比,误差均在8%以内,具有较高的模拟精度。     

激光化学复合抛光工艺参量对304不锈钢性能的影响

为了提高304不锈钢表面抛光质量，采用激光化学复合抛光的方法分别在纯净水和抛光液中对304不锈钢进行抛光实验研究，并对1064nm激光的加工功率和扫描次数对加工区域表面形貌和表面质量的影响进行了分析。气泡对抛光液在不锈钢表面形成的钝化膜产生破坏作用，造成抛光效果不均匀，表面粗糙度增大。结果表明，在抛光液中的激光抛光在抑制表面氧化发黑的同时，能够显著改善表面形貌，表面粗糙度由0.845μm下降到0.181μm；激光化学复合抛光304不锈钢表面质量与抛光功率和扫描次数有密切关系；当抛光功率过高或者扫描次数过大时，304不锈钢表面会产生大量气泡。采用激光化学复合抛光，可以提高不锈钢抛光质量、减少环境污染，该方法具有极大的应用前景。     

金属粉末选区激光熔化成形表面粗糙度预测及控制方法研究

为了分析选区激光熔化过程中工艺参数对成形件表面形貌的影响,首先基于SLM125HL打印机采用不同激光功率、扫描速度将316L不锈金属粉末打印成斜六面体试样,采用场发射扫描电镜和三维形貌仪实测了不同工艺参数下斜六面体不同位置表面微观形貌和表面粗糙度,分析了工艺参数对表面成形缺陷和粗糙度的影响。另外考虑熔道宽度、扫描间距、粉末直径以及粘粉和成形角度的影响,给出了不同位置表面理论粗糙度预测模型,在此基础上给出了表面质量和表面粗糙度控制策略。研究结果表明:熔道宽度与激光功率成正比,与扫描速度成反比,与线能量密度成正比,熔宽越大则上表面粗糙度越小;激光功率越大,侧表面温度越高,会导致侧表面与粉末床接触区域出现愈加严重的粉末球化、粘粉现象,成形件侧面粗糙度越大。     

激光毛化对电子标签粘接性能的影响

利用纳秒脉冲激光器对316不锈钢表面进行激光毛化处理,研究激光毛化后材料表面形貌对电子标签粘接性能的影响。通过微机控制万能试验机对粘接结合力进行测量,研究激光毛化对材料表面形貌及粘接性能的影响规律,确定最佳激光毛化工艺参数。激光毛化可有效地提高材料表面粗糙度及接触面积,在最佳激光毛化工艺(激光功率200 W,扫描速度4 050 mm/s,重复频率50 kHz,脉冲宽度270 ns,填充线间距0.081 mm)下,激光毛化后材料表面的粗糙度较未处理前的0.024μm提升到2.406μm;激光毛化后粘接结合力为48.5 N,较未处理的粘接结合力18.2 N提高了166%。     

碳化硅反射镜表面粗糙度的优化

空间光学技术的迅猛发展对空间光学系统提出了更高的要求;碳化硅材料以其优秀的物理性质,成为广泛应用的反射镜材料;碳化硅反射镜的光学加工研究也在国内外广泛开展。简要讨论了碳化硅反射镜的抛光机理;介绍了碳化硅材料抛光的实验方法;定性分析了碳化硅材料的抛光过程;通过大量的工艺实验和理论分析,讨论磨料粒度、抛光盘材料、抛光盘压力、抛光盘转速、抛光液酸碱度等工艺参数对碳化硅反射镜表面粗糙度的影响,并对各个参数加以优化,得到了优良的实验结果。     

355nm紫外激光抛光Al_2O_3陶瓷作用机理的实验研究

陶瓷材料的性能优越,但是表面质量差,采用短波长激光抛光技术可以有效提高陶瓷材料表面质量。针对紫外激光抛光Al2O3陶瓷过程中可能存在的熔化、汽化、微裂纹、材料的熔融飞溅和光化学作用等不同的作用形式进行了实验研究。通过对抛光后表面形貌特征进行观测,研究了紫外激光抛光Al2O3陶瓷的作用机理,并分析了高能量密度下产生的白色粉末的形貌、附着力、组成成分和主要物相,进一步确定了紫外激光抛光Al2O3陶瓷的作用机制。     

HgCdTe材料的溴-甲醇抛光工艺研究

碲镉汞(HgCdTe)红外探测器制备中的化学-机械抛光工艺会在碲镉汞材料表面形成一定深度的损伤层。用溴-甲醇化学机械抛光取代溴腐蚀工艺,有效地降低了抛光过程所产生的表面损伤。在溴-甲醇抛光工艺中,可变参数有溶液的浓度比、抛光时间、转盘转速等,不同的参数组合对于抛光效果有不同的影响,经过正交试验可以以较少的试验次数高效经济地得到最佳的溴-甲醇抛光工艺参数组合。以该优化参数进行抛光所得到的碲镉汞材料通过XRD测试以及Ar+刻蚀后表面形貌的测试表明,HgCdTe晶片表面剩余损伤大大减小。     

增材制造TC4钛合金在激光抛光前后的电化学腐蚀性能

对表面已进行喷砂处理的增材制造TC4钛合金在氩气环境下进行激光抛光实验,通过极化曲线测试研究了抛光前、后钛合金的耐蚀性,并结合表面粗糙度、晶粒尺寸、表面残余应力以及显微组织分析了激光抛光对TC4钛合金耐蚀性的影响。研究结果表明:抛光钛合金的自腐蚀电位与自腐蚀电流密度均大于未抛光钛合金,说明抛光钛合金相比于原始钛合金的被腐蚀倾向更小,但其一旦受到腐蚀,腐蚀速率会略大于原始钛合金。自腐蚀电位的升高源于钛合金表面粗糙度的降低,自腐蚀电流密度的增大则是因为表面晶粒的细化以及残余拉应力的存在。     

化学机械抛光的钛宝石晶体低损伤加工

针对钛宝石晶体表面低损伤加工进行了系统研究,在CCOS数控小磨头抛光机上进行了正交实验,选用不同的抛光液对钛宝石进行化学机械抛光,有效去除精磨阶段的亚表面损伤,实验证明SiO2硅溶液作为磨料的抛光效果好,适合作为钛宝石加工的抛光液。研究了抛光盘种类、抛光盘压力、抛光盘速度、硅溶胶稀释浓度这四个因素和钛宝石晶体表面粗糙度和表面疵病的关系,并获得钛宝石低缺陷加工过程中工艺参数的影响规律。按照优化后的工艺参数进行实验,获得了低缺陷、高精度的钛宝石表面。运用灰色关联分析法对抛光参数进行优化,在最佳加工工艺组合条件下,得到钛宝石表面粗糙度为0.262 nm,表面疵病率为1.410-3 mm-1。     

基于移动高斯热源的激光抛光瞬态有限元三维数值模型

本研究模拟CO2连续激光器抛光Ti6Al4V材料的工艺过程,利用可移动的高斯热源模拟激光源,建立有限元三位数值瞬态模型进行模拟实验,来模拟TC4材料表面轮廓的融化与凝固过程,该数值模型耦合了温度场与速度场,研究由于表面张力温度系数而产生的表面张力对抛光熔池的影响,通过改变高斯光源的不同功率强度、扫描速度,来分析对抛光过程中形成的熔池的影响,模拟结果表明:当激光热源功率过大时,易造成熔池尺寸过大,不利于降低材料表面的粗糙度,适当降低扫描速度能有效的降低轮廓峰值的温度梯度大小,从而降低表面张力的作用大小,进而改善熔池尺寸与形状。通过实际抛光实验得出:激光的最佳扫描速度维持在20 mm/s左右,扫描速度过小或者过大都会使抛光样品的表面粗糙度值Ra增加,从而达不到理想抛光效果,且通过实验测试值与数值模型计算值相比较,发现两者数据大致吻合,从而证明了该数学模型的准确性。     

影响激光抛光效果的因素分析

激光抛光是一种非接触式抛光方法.分析了影响激光抛光效率和抛光表面质量的因素及其影响规律,并提出激光抛光工艺参数的选择原则.激光抛光过程中,激光能量密度、激光波长、激光脉宽、激光光束入射角、激光光束扫描速度、扫描方式、工件材料性质和结构等因素对激光抛光效果有着重要影响.激光波长决定着材料的去除方式,从而对抛光表面质量有着较大影响;激光的能量密度与辐照时间对激光抛光效果的影响最大,而激光脉宽、激光光束扫描速度和扫描方式三个因素决定着激光的辐照时间,激光扫描速度和光束扫描方式还影响着激光辐照光斑重叠情况,从而影响激光抛光效果.     

CMP中酸碱度对InSb晶片粗糙度的影响

InSb是一种重要的半导体材料。研究了在压力、流量等工艺参数一定的条件下,通过改变有机碱在抛光液中的体积分数,得到了不同pH值的抛光液。采用化学机械抛光(CMP)对InSb进行了表面加工,并在原子力显微镜下观测了抛光后晶片的表面粗糙度,找到了适宜InSb抛光的最佳pH值,从而达到降低InSb表面粗糙度的目的,最后分析和讨论了实验结果及其有机碱在CMP中的作用,最终实现了工艺参数的优化。     

超高精度光学元件加工技术

为满足193 nm 投影光刻物镜对光学元件不同频段的精度要求,提出了一种将超光滑加工和高精度面形修正相结合的超高精度光学元件加工技术。分别介绍了微射流超光滑加工技术和离子束高精度面形修正技术的基本原理。在自行研制的微射流超光滑加工机床和购置的离子束加工机床上对一直径100 mm 的熔石英平面镜进行了超高精度加工,经两次超光滑和一次离子束迭代加工后其面形由初始的rms 值35.042 nm 改善到3.393 nm,中频粗糙度由rms 值0.389 nm 改善到0.309 nm,高频粗糙度rms 值由0.218 nm 改善到0.080 2 nm。最后采用功率谱密度函数对加工前后的光学元件表面质量进行了分析评价。结果表明:采用微射流超光滑加工技术和离子束加工技术相结合的加工方法可以全面提升光学元件的面形精度和中、高频粗糙度,通过合理的工艺优化完全能够获得满足193nm投影光刻物镜要求的超高精度光学元件。     

深紫外激光对GaN薄膜的激光抛光研究

为了研究157nm深紫外激光的激光抛光加工特性,采用小光斑对GaN半导体薄膜进行了微平面扫描刻蚀.通过探讨激光工艺参量与激光抛光质量的影响关系,得到了最佳的工艺参量范围.结果表明,随着激光抛光扫描速率的增加,材料加工表面粗糙度值Ra逐渐减小,其中扫描速率在0.014mm/s～0.015mm/s处,激光抛光质量最高;而激光抛光扫描间距的减小,或者脉冲频率的增加,都将导致被加工表面粗糙度增大;当脉冲频率取8Hz时,抛光效果较好,表面粗糙度值Ra≈20nm.