[发明专利]陶瓷材料密封环微构型准分子激光分层加工方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于硬脆性材料微构型超精密加工技术领域，涉及到Al₂O₃、SiC等硬脆性陶瓷材料微构型超精密加工方法和装置。

背景技术

陶瓷材料具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热稳定性好，高温强度大，热膨胀系数小，热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。目前陶瓷材料主要用于制备高精密加工设备中刀具的切削刃，高温、高压及强腐蚀性环境中的密封部件等，陶瓷材料因其良好的物理化学性能，在石油、化工、机械、航天、核能领域发挥着越来越重要的作用。随着陶瓷材料制备工艺的不断完善，陶瓷材料的质量获得了极大的提高，为在航天、核能等高精尖领域应用打下了良好的基础。其中SiC陶瓷材料不会被HCl、HNO₃、H₂SO₄和HF等酸性溶液以及NaOH等碱性溶液腐蚀，纯SiC在空气中加热易氧化，但氧化时表层形成的SiO₂会抑制进一步氧化的扩散，所以氧化速率不高，在电性能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性，因此被认为是取代晶体Si而成为新一代的芯片材料。陶瓷材料的制备一般采用烧结或热压成型的工艺，其表面粗糙度一般在几微米到几十微米，因此必须采用精密加工方法将表面粗糙度降低到纳米量级，并达到一定的面型精度，才能投入使用，尤其在高新技术领域，对材料的粗糙度、面型精度和表面及亚表面的完整性提出了更高的要求。目前对陶瓷材料平面的加工，超精密磨削工艺已经可以满足要求，但是在密封环微构型加工方面，尤其是大尺寸空间复杂微构型密封环超精密无损加工技术发展的滞后已成为制约陶瓷密封环在高新技术领域广泛应用的瓶颈。

由于陶瓷材料硬脆的特性及高的化学惰性，使得现有加工技术很难实现大尺寸空间复杂微构型密封环超精密无损伤加工。美国专利中通过制作仿形凸轮实现密封环微构型的加工，但是设备复杂、成本高，对于不同形状需要制备相应的仿形凸轮，很难实现柔性化生产；由于陶瓷材料的非导电性，限制了电火花抛光技术的应用；传统的机械抛光技术虽然能够实现纳米级加工，且加工质量符合使用要求，但是仅限于对平端面的加工，而且加工效率也有待提高，同时由于采用机械接触式加工，很容易在被加工表面留下划痕、嵌入物等缺陷。准分子激光具有瞬时功率高，单光子能量大，加工热影响区极小，加工参数与材料硬脆性无关等优势，因此作为一种无接触、分子层剥离式的超精密冷加工技术，是目前实现大尺寸空间微构型密封环无损伤加工的最理想的加工方法。虽然目前针对准分子激光加工陶瓷方面的报道很多，但往往局限于定性研究，只涉及激光参数对加工的影响规律、激光打孔等方面，并且大多数只是针对有机化合物的研究，没有涉及大尺寸陶瓷材料密封环微构型微去除方面的研究工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种针对大尺寸陶瓷密封环微构型分层微去除超精密低损伤的加工方法及装置。

本发明加工方法所采用的技术方案是：

加工过程通过改变作用于陶瓷表面激光束的形状和功率密度，对表层材料实现微去除。被加工陶瓷材料的表面形貌通过计算机软件转化为相应的数控程序代码，并通过路径优化后输入数控系统；光路系统中配备数控光阑，结合被加工表面的数控程序，自动调整光阑形状和尺寸，获得与加工位置及形貌相适应的光斑；激光聚焦采用圆形凸透镜和柱面镜，配合光阑获得加工不同位置、形状及厚度的聚焦光斑，实现加工形状、尺寸及去除量的控制；通过控制激光聚焦透镜下方的遮光器，最大程度消除被加工材料形状边缘处的热重熔区域；加工过程中通过准分子激光独具的清洗作用，对已加工表面进行清洗；最终通过对上述加工过程的运用实现陶瓷密封环微构型准分子激光的分层加工；被加工陶瓷材料处于充满保护气密闭容器中，通过内置气体循环系统清理加工时产生的飞屑。

所述加工方法的装置，包括反射镜；三轴联动工作台、遮光器、聚焦透镜、光阑、监测器、凸透镜、凹透镜、内部吹气系统、排气口、窗口透镜、保护罩和进气口；其特征在于，光束自激光器输入后经反射镜和反射镜后投射到凹透镜，光束发散后经过凸透镜再汇聚，使光束平行传输；光束经反射镜后，沿垂直被加工材料表面方向传输；在反射镜后设置光阑调整光束形状；最终光束经透镜聚焦和遮光器后垂直投射到被加工材料表面。