激光-高温化学复合加工碳化硅陶瓷的工艺与机理研究

来源 :青岛理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fredric_cn
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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。
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