基于双向光斑重叠率调控的耦合激光抛光碳化硅陶瓷的表面质量研究

采用多光束耦合纳秒激光对SiC陶瓷进行抛光试验研究，研究了耦合激光的双向光斑重叠率(δ)和能量密度(ED)对抛光表面质量的影响。使用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪以及拉曼光谱仪等仪器观测表征了SiC陶瓷抛光前后的表面形貌、表面粗糙度、元素分布以及物相变化等。结果表明：随着δ和ED的增加，激光抛光表面出现重铸层，重铸层的拉曼光谱曲线含有Si的特征峰；当耦合激光的δ为75%、ED为4.254 J/cm²、扫描次数为2时，抛光表面粗糙度(R_a)降至0.73μm；当δ和ED过大时，抛光表面易在孔隙附近出现微裂纹，并向周围延伸。     

激光抛光DC53淬硬钢试验研究

激光抛光是一种非接触式绿色自动化抛光技术，可以替代传统的抛光技术。为了研究激光抛光对DC53淬硬钢表面质量问题，采用波长为1064 nm的连续激光对DC53淬硬钢表面进行抛光处理，研究了激光抛光后材料的表面粗糙度、硬度、杨氏模量、耐腐蚀性能以及加工表面亚表层微观组织的变化。结果表明：在激光功率为180 W、扫描速度为20 mm/s、扫描间距为0.06 mm时平均粗糙度从4.829μm降低到0.505μm，粗糙度降低约90%，同时抛光后材料的表面硬度及耐腐蚀性能相较于初始样品均有所下降，熔融区硬度下降约40%，自腐蚀电位下降约4%。     

304不锈钢激光抛光的参数优化及抛光层性能分析

将光纤脉冲激光器的激光功率、重复频率、离焦量和扫描速度作为影响因素，以AISI304不锈钢的表面粗糙度作为评价指标，设计了激光抛光的正交试验，通过极差分析得到最佳工艺参数组合，在此参数组合下快速将表面粗糙度降低约67%。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电化学工作站等研究了激光抛光前、后的表面性能变化及机理。结果表明：激光抛光后，试样表面硬度降低了约15%，自腐蚀电流密度提高了10.978μA/cm2。抛光层内C、Cr元素含量（质量分数）分别降低了约2.4%和3.2%，平均晶粒尺寸减小了约0.37μm，抛光表面的残余应力约为139.6 MPa。分析得出，随着C元素含量的减少，试样表面浅层金属发生软化，从而表面显微硬度降低；Cr元素含量的减少弱化了不锈钢的钝化能力，同时晶粒细化与残余拉应力的存在为腐蚀性Cl-提供了快速扩散路径，使得试样自腐蚀电流密度明显提高。     

镍基高温合金光束耦合纳秒激光铣削表面成型质量研究

激光铣削具有材料适应性广、激光能量密度可调控以及无机械力等特点，可用于难加工材料镍基高温合金的材料去除加工。本团队采用光束整形的多激光束耦合纳秒激光开展了DZ411镍基高温合金微铣削表面的工艺研究，分析了扫描次数N、扫描速度v、扫描间距s、脉冲频率f以及激光功率P等工艺参数对铣削表面形貌、表面粗糙度、铣削效率以及表面元素分布等的影响机制。结果表明：多光束耦合激光对材料的去除机制主要是汽化与重熔，在加工表面形成了凸起与凹坑等周期性多尺度特征；当N=10、v=100 mm/s、s=25μm、P=15 W、f=10 kHz时，面槽底部的粗糙度R_a最大(51.75μm)，铣削效率也达到最大值(1.87 mm³/min)；随着扫描间距s由15μm增大到35μm或激光功率P由5 W增大到15 W，铣削效率逐渐增大；激光铣削过程中材料发生了复杂的物理化学变化，加工表面的凸起结构中可能包含多种金属氧化物和金属间化合物。本研究工作可以拓展激光加工的工艺类型，为新型激光铣削参数优化提供工艺支撑。     

硅晶片双面超精密化学机械抛光

为提高硅晶片双面超精密抛光的抛光速率，在分析双抛工艺过程基础上，采用自制大粒径二氧化硅胶体磨料配制了SIMIT8030-I型新型纳米抛光液，在双垫双抛机台上进行抛光实验. 抛光液、抛光前后厚度、平坦性能及粗糙度通过SEM、ADE-9520型晶片表面测试仪、AFM进行了表征. 结果表明：与进口抛光液Nalco2350相比，SIMIT8030-I型抛光液不仅提高抛光速率40% (14μm/h vs 10μm/h) ；而且表面平坦性TTV和TIR得到改善；表面粗糙度由0.4728nm降至0.2874nm，即提高抛光速率同时显著改善了抛光表面平坦性和粗糙度.     

不锈钢表面光纤激光掩膜微细电解复合加工

为了实现不锈钢微细电解定域加工,提出激光掩膜表面改性微细电解复合加工技术。研发了激光掩膜微细电解复合加工装置,并进行样件加工试验。首先,采用光纤激光在304不锈钢表面扫描加热进行打标图案,利用X射线光电子能谱分析(XPS)对不锈钢表面激光打标图案进行分析,发现激光在不锈钢表面打标时被空气氧化生成铁、铬等氧化物,生成的打标图案具有耐腐蚀性,形成保护性掩膜。然后进行电解加工,由于掩膜图案在电解过程中起到保护作用,选择合适的电解加工参数,在不锈钢表面能加工复杂的微结构。最后利用SEM、光学轮廓仪来观测微结构形貌、粗糙度等。研究结果表明:利用激光表面改性,结合微细电解加工能实现304不锈钢微结构的快速加工,该工艺在微细加工领域具有很好的发展前景。     

硒化镉晶片的化学机械抛光

硒化镉(CdSe)的表面加工质量对CdSe基器件的性能至关重要.化学机械抛光(CMP)是一种获得高质量晶体加工表面的常用方法.为改善CdSe晶片的表面加工质量,以SiO2水溶胶配制抛光液,研究了抛光液磨料质量分数、抛光液pH值、氧化剂NaClO的质量分数、抛光盘转速和抛光时间等因素对CdSe晶片抛光去除速率和表面质量的影响,优化了CdSe的CMP工艺参数.结果表明,在优化工艺条件下,CdSe的平均去除速率为320 nm/min,晶片的抛光表面无明显划痕和塌边现象.原子力显微镜(AFM)测量结果表明,抛光后的CdSe晶片表面粗糙度为0.542 nm,可以满足器件制备要求.     

355nm紫外激光抛光Al2O3陶瓷工艺的研究

紫外激光抛光Al2O3陶瓷可以有效地降低加工中的热影响区、防止微裂纹的产生。为了得到不同激光工艺参量（激光能量密度、扫描速率、扫描间隔）对Al2O3陶瓷抛光表面粗糙度的影响规律,采用单因素实验方法进行了355nm紫外激光抛光Al2O3陶瓷的工艺实验,获得了最优的工艺参量范围。结果表明,当激光能量密度为6J/cm2、扫描间隔为2μm、扫描速率为60mm/s时,抛光后分别获得了较小的表面粗糙度值。这一结果对获得的低粗糙度、高质量的Al2O3陶瓷抛光表面具有指导意义。     

碱性抛光液对硬盘基板抛光中表面状况的影响

阐述了化学机械抛光(CMP)技术在硬盘基板加工中发挥的重要作用,介绍了SiO2碱性抛光液的化学机械抛光机理以及抛光液在化学机械抛光中发挥的重要作用。使用河北工业大学研制的SiO2碱性抛光液对硬盘基板表面抛光,分析研究了抛光液中的浓度、表面活性剂以及去除量对抛光后硬盘基板表面状况的影响机理。总结了硬盘基板表面粗糙度随抛光液中的浓度、表面活性剂及去除量的变化规律以及抛光液的这些参数如何影响到硬盘基板的表面状况。在总结和分析这些规律的基础上,对抛光结果进行了检测。经检测得出,改善抛光后的硬盘基板表面质量(Ra=0.3926nm,Rrms=0.4953nm)取得了显著效果。     

硅通孔抛光液的研究进展

硅通孔(TSV)技术是一种先进的封装技术,化学机械抛光(CMP)是集成电路TSV制作过程中的重要步骤之一,是可兼顾材料表面局部和全局平坦化的技术。抛光液是影响抛光表面质量和加工效率的关键因素,是CMP工艺中消耗品成本最大的部分。TSV抛光液主要包括铜膜抛光液和阻挡层抛光液,依据抛光速率和抛光质量(表面粗糙度、碟形坑修正等)的要求对其进行了分类讨论,概述了近年来TSV抛光液的研究进展,对其今后的研究重点和发展趋势进行了分析和预测,认为TSV抛光液应朝着抛光速率和抛光质量的优化、低成本、环境友好的方向发展。     

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。     

脉冲光纤激光抛光Ti6Al4V的实验分析及研究

针对脉冲激光抛光Ti6Al4V过程中参数众多问题,用改进的单因素实验方案简化实验过程,探究激光功率密度、频率和材料初始表面形貌对抛光过程产生的影响,通过表面形貌观察,探究抛光过程中在不同参数下材料表面产生的微观现象及原因;通过能谱分析,探究不同参数下材料表面的氧化程度;通过粗糙度检测,得出不同参数和初始形貌下,粗糙度降...     

基于正交实验的SUS304不锈钢激光打孔过程参量优化

为了优化激光打孔参量和提高激光打孔成型质量,采用正交实验法对5mm厚的SUS304不锈钢材料进行激光打孔实验研究和理论分析,测量和计算得到了激光打孔上下孔径和锥度的数据,并采用极差分析法得到了脉冲宽度、脉冲能量、重复频率、离焦量和脉冲个数等参量对小孔锥度的影响程度以及SUS304不锈钢激光打孔的最优实验参量组合。结果表明,离焦量、脉冲宽度和脉冲个数对孔锥度的影响较大,重复频率和脉冲能量的影响较小,优化后的激光参量为脉冲宽度0.5ms、脉冲能量2.5J、重复频率40Hz、离焦量0mm、脉冲个数200个。采用优化后的激光参量可加工出锥度较小的孔。     

非熔透激光搭接焊薄钢板的试验研究

为了研究薄钢板的非熔透激光焊接的焊接质量,采用光纤激光及CO2脉冲激光对SUS304奥氏体不锈钢和SPCC冷轧碳钢薄板进行了非熔透搭接焊试验,分析了影响非熔透激光焊接的主要因素,并对接头的组织和力学性能进行了测试,得出激光功率、焊接速率、离焦量、脉冲频率、占空比等主要工艺参量对焊缝成形及试件性能的影响规律。结果表明,在适宜的焊接工艺参量下,非熔透激光焊接焊缝形貌平整连续;焊缝强度达到母材强度的50%以上;焊缝区的显微硬度高于母材。     

激光改性硅酸盐玻璃表面局域制备金属铜层

为了实现普通硅酸盐玻璃表面的金属化,利用波长为355nm的脉冲紫外激光刻蚀粗化活化,并结合化学镀,在其表面局域制备出了导电金属铜层。研究了激光加工参量对玻璃表面微观形貌、粗糙度、刻蚀深度的影响规律,并在玻璃表面成功引入了钯元素。结果表明,当第1次紫外激光扫描速率为200mm/s、脉冲频率为100kHz、能量密度为27J/cm2~37J/cm2和填充间距在10μm左右时,玻璃表面可以获得的刻蚀深度在25μm~35μm之间,刻蚀区域的粗糙度R_a在6μm~7μm之间,此时玻璃不会开裂;而第2次激光的能量密度在9J/cm2~11J/cm2之间时（其余参量不变）,钯元素的引入实现了化学镀铜,此时铜层和玻璃之间的平均结合强度可以达到10MPa以上,铜层的体积电阻率可以达到10-6Ω·cm数量级。这是一种具有局域选择性、无需掩模、低成本、高结合强度和良好导电性的玻璃表面金属化工艺。     

地铁车顶用SUS301L不锈钢激光焊接工艺参量优化

为了研究地铁车顶SUS301L不锈钢叠焊工艺中对熔宽熔深的技术需求, 运用数值模拟技术分析了各项焊接工艺参量对熔宽熔深的显著影响, 采用正交实验法则对工艺参量进行了优化设计, 取得了激光焊接SUS301L不锈钢薄板的工艺参量。结果表明, SUS301L不锈钢薄板激光焊接在激光焊接功率为1050W、焊接速率为36mm/s、离焦量为1mm、保护气体流量为25L/min时, 熔宽和下板熔深分别为1216.4μm和407.4μm; 在最优工艺参量条件下, 焊缝表面呈银白色, 连续且完整, 焊缝区为等轴晶与柱状晶, 焊缝平均拉剪强度为2559.96kN; 仿真结果与试验结果具有较好的一致性, 表明所建立仿真模型的正确性。该研究为后期工艺数据库的搭建提供了参考。     

皮秒激光旋切加工微孔试验研究

为了解决毫/纳秒激光加工微孔质量低的问题,利用脉冲宽度为200ps的脉冲激光,采用高速旋切法对厚度为0.2mm的SUS 304不锈钢薄板进行直径为200μm的微孔加工试验,用激光共聚焦显微镜观察孔的外观形貌,研究旋切速率、激光功率和离焦量等因素对孔径、锥度和热影响区等加工质量的影响。结果表明,旋切速率对微孔内壁质量有直接的影响;通过提高转速来降低激光脉冲重叠率可以减小微孔内壁的热影响区;适当增加激光功率,能够改善旋切加工微孔切口处的加工质量;采用正离焦加工能够一定程度减小孔的锥度。优化工艺参量能够加工出热影响区小、边缘质量好的小锥度微孔。     

不锈钢表面激光合金化Cr-CrB2层的腐蚀性研究

为了提高SUS 304不锈钢表面的耐磨损、耐腐蚀性能,采用激光表面合金化的方法制备了Cr-CrB2层,并进行了理论分析和实验验证,取得了合金化层的组织和物相以及电化学腐蚀性数据。结果表明,合金化层组织致密、晶粒细小,与基体形成冶金结合,合金化层由奥氏体、马氏体、铁铬固溶体、碳化物和铬硼化合物组成;合金化层的耐蚀性得到提高,腐蚀速率降低,合金化层的极化曲线具有较长的活化-钝化区间;不锈钢基体发生严重的晶界腐蚀和点蚀,晶界腐蚀以孪晶晶界腐蚀为主,合金化层表面发生晶粒间的晶界腐蚀,伴有晶粒和晶界处的点蚀现象,点蚀坑明显小于基体表面的点蚀坑。这一结果对提高SUS 304不锈钢表面的耐磨损、耐腐蚀性是有帮助的。     

选区激光熔化成型金属零件上表面粗糙度的研究

为了改善成型件表面质量,从微观上研究了决定选区激光熔化成型金属零件的上表面粗糙度的主要因素,通过研究单熔道成型,从熔道搭接的角度理论分析了成型件的上表面粗糙度,基于自主研发的成型设备Dimetal-280加工实体零件进行了实际测量对比,获得表面粗糙度的轮廓算术平均偏差Ra的理论值为3.21m,微观不平度十点高度Rz的理论值为12.79m,其实测值Ra=7.36m,Rz=40.01m;进行喷砂和电解抛光处理后,表面粗糙度减小,即Ra=2.34m,Rz=10.86。结果表明,成型件的上表面粗糙度主要受熔道宽度、扫描间距和铺粉层厚3个因素的共同影响;粗糙度实测值与理论值有偏差,主要是由于熔道不稳定、表面出现球化、粉末粘附等缺陷造成;成型件经过电化学处理后表面质量有较大的改善。选区激光熔化成型金属零件可达到良好的表面粗糙度,此项研究为进一步提高表面质量和应用于生产加工提供了参考依据。