激光加热辅助切削工程陶瓷研究及应用现状

介绍了一种新的陶瓷加工方法：即采用激光来加热陶瓷,陶瓷在高功率激光的作用下瞬时升温而软化,硬度和脆性大大降低,再用硬质合金刀具像切削金属一样来加工陶瓷。在此基础上,综述了各种工艺参数,如激光功率、光斑大小、材料、进给速度、切削深度、激光作用点与刀具的距离、工件旋转速度等对激光加热辅助切削工程陶瓷质量的影响。还给出了国内外研究进展,并对其发展做了展望。     

应用加热软化和应力效应的激光加工技术

常规激光加工技术多是利用高温使材料熔化或气化而达到加工目的,但是往往需要克服在激光加热过程中引起的材料软化和热应力.探讨了利用激光加热引起的软化和热应力效应进行加工的可行性,主要研究了激光加热辅助切削(LAM)技术和激光加热弯曲三维成形技术等非常规激光加工技术,着重探讨了LAM陶瓷材料的温度场变化、切屑形态和加工表面形...     

PCBN刀具激光超声复合切削硬质合金的磨损机理

结合激光加热辅助切削和超声振动切削提出了激光超声复合切削加工工艺。采用PCBN刀具对YG10硬质合金进行普通切削、超声振动切削、激光加热辅助切削和激光超声复合切削对比试验,采用超景深显微镜观测刀具磨损量及磨损形貌,通过扫描电子显微镜（SEM）对刀具磨损区域进行能谱分析,研究激光超声复合切削条件下刀具的磨损规律、磨损形态及磨损原因。研究结果表明:与普通切削、超声振动切削及激光加热辅助切削相比,激光超声复合切削时刀具后刀面磨损量平均值分别降低57.5%、46%、41.3%,刀具使用寿命明显提高;刀具磨损形态主要表现为前刀面磨损、后刀面磨损和崩刃;激光超声复合切削硬质合金时粘接磨损、氧化磨损、相变磨损和微裂解磨损是引起PCBN刀具磨损的主要原因。     

脉冲激光辅助切削氧化铝陶瓷工艺参数选取的研究

激光辅助加热切削是解决陶瓷类硬脆材料难加工问题的有效方法。为研究工艺参数的选取对脉冲激光辅助切削陶瓷加工效果的影响,建立了脉冲激光加热辅助切削Al2O3陶瓷传热模型,求解不同参数组合下工件温度场分布。根据Al2O3陶瓷温度在1000K以上时的软化层尺寸选取理论上合适的切削用量;采用激光参数和切削用量开展切削试验,统计试验切除率,检测加工表面粗糙度和表面形貌,探讨试验切除率与加工表面粗糙度之间的关系,结果发现采用温度场模拟获取的工艺参数能够获得较高的加工质量和切除效率。研究表明通过模拟温度场分布从而选取切削工艺参数,能有效保证脉冲激光辅助加热切削陶瓷类硬质脆性材料的工艺要求。     

水辅助激光刻蚀氧化铝陶瓷的研究

为了得到较理想的激光刻蚀结果,采用355nm固体紫外激光,分别在空气与水中进行了氧化铝陶瓷片激光刻蚀实验。对激光主要参量如脉冲能量密度、激光扫描速率、激光重复频率等对水下刻蚀深度和质量的影响进行了对比研究;对激光刻蚀的机理以及水辅助刻蚀的物理过程进行了分析,分别得到了紫外激光在空气中与水下的刻蚀形貌与不同激光参量下的刻蚀深度数据。结果表明,水辅助激光刻蚀可以提高刻蚀效率,改善刻蚀质量;水下激光刻蚀深度与激光的脉冲能量密度、加工速率、重复频率和水的深度等参量有密切的关系;水辅助激光刻蚀过程中水的冷却作用以及产生的空泡有效防止去蚀材料的二次黏附,避免变质层的形成,既提高了刻蚀质量,同时也增加了刻蚀深度。     

水辅助激光无重铸层钻孔Al2O3陶瓷实验研究

为了解决传统加工过程中重铸层无法消除的问题,采用超快皮秒激光创新性地在水介质中对Al₂O₃陶瓷进行皮秒激光钻孔实验,并与空气中钻孔结果进行对比,研究了皮秒激光主要参量如单脉冲能量、扫描次数等对陶瓷微孔的孔径、锥度和重铸层厚度的影响规律,并分析讨论不同介质中皮秒激光与Al₂O₃陶瓷相互作用机理及材料去除机制。结果表明,在水介质中激光钻孔直径增加约35μm、微孔锥度降低至1.04°并可获得无重铸层钻孔效果;激光作用过程中水的存在会引起空泡作用、吸收作用和运输作用,有效防止了去蚀材料二次黏附,消除了重铸层和降低了微孔锥度,提升了微孔质量。该研究阐述了水辅助激光钻孔的具体影响状况并加深了对水辅助的影响机理理解。     

射频CO2激光陶瓷基板划片机

介绍了RFCO2 激光器及其对陶瓷基板划片的特点。分析了RFCO2 激光陶瓷基板划片的机理 ;给出了整机总体设计方案。对导光系统的激光束进行了模拟 ,给出了导光系统的光路图及聚焦镜焦平面处的光斑尺寸及能量分布图。整机性能指标达到国外进口机的水平     

CO_2激光合成陶瓷的研究

本文介绍了用CO_2激光合成Al_2O_3、Al_2O_3-5％mol Cr_2O_3固熔体,Al_2O_3-20％wtZrO_2(+3％molY_2O_3)混合体和Al_2(WO_4)_3陶瓷材料的方法。激光合成的Al_2(WO_4)_3为Al_2O_3-WO_3二元平衡相图中不存在的新化合物。对激光合成的陶瓷材料进行了组织形貌分析,并测量了其显微硬度,发现用激光合成的陶瓷较用昔通工艺制备的同种陶瓷有更高的硬度。     

液压碳石墨密封环激光辅助车削的加工性能研究

为了实现液压碳石墨密封环的高效车削加工,采用激光辅助加工方法,进行了碳石墨密封环材料的激光辅助车削加工研究.考虑到碳石墨密封环材料具有高强度、高硬度等特点,利用激光束对工件进行局部加热,以提高加工效率、减小切削力和刀具磨损.针对碳石墨M104密封环的车削加工过程,进行了常规切削和激光辅助切削的对比实验研究.设计了激光辅助加工的实验流程,并进行了工艺参量的合理选择,得到了较高的切削效率.结果表明,激光辅助切削的主切削力和径向力分别比常规切削下降了23.5%和19.9%;激光辅助切削的切削区温度分布与常规切削相近;刀具磨损和破损的程度较小,能获得较好的表面加工质量.     

CO2激光控制断裂切割氧化铝陶瓷基片最佳条件的探讨

利用 CO2 激光连续脉冲频率的快慢 ,平均功率的大小 ,加上辅助空气吹气压力的变化及其之间的相互作用 ,探讨氧化铝陶瓷基片控制断裂切割的最佳模式。     

CO_2调Q脉冲激光切割陶瓷材料的试验研究

用研制的机械斩光盘调 Ｑ Ｃ Ｏ２ 脉冲激光器,获得高峰值功率、短脉宽、高重复频率和适中的平均功率的脉冲激光输出。对以热压烧结 Ｓｉ３ Ｎ４ 为代表的工程陶瓷进行了切割试验,运用高速多次重复走刀切割工艺,获得了无裂纹的精细切口。     

ZrO2含量对ZTA陶瓷力学性能及电学性能的影响

通过凝胶注模法制备了ZTA陶瓷材料,研究了ZrO2添加量对ZTA陶瓷微观形貌、力学性能以及电学性能的影响.结果表明:随着ZrO2添加量增加,材料的力学性能先增加后降低,添加量为20％(体积比)时,ZTA陶瓷抗弯强度和断裂韧性达到最高值,分别为813MPa和5.29 MPa ·m1/2;ZrO2的添加能有效抑制氧化铝晶粒的长大;ZTA陶瓷的断裂模式以穿晶断裂为主;随着ZrO2添加量增加,材料的电阻率逐渐下降,应用渗流理论合理解释了电阻率下降的原因.     

紫外激光刻蚀氧化锆陶瓷初步研究

描述了KrF准分子激光对氧化锆陶瓷的微刻蚀实验,研究了脉冲刻蚀深度与脉冲数的关系(刻蚀速率),刻蚀的槽的形貌,并进行了刻蚀小孔的初步研究,得到直径为40μm,深度为25μm的微孔矩阵。为KrF激光对该材料的加工提供实验数据。     

ZrO2-13%Al2O3陶瓷薄壁件激光近净成形实验

采用同轴送粉激光近净成形系统,在纯钛基体上进行激光近净成形(LENS)ZrO2-13%Al2O3(质量分数)复合陶瓷的基础实验研究。分析了激光功率和扫描速度对激光近净成形陶瓷薄壁宏观质量(宽高、表面平整性和宏观裂纹)的影响规律,获得致密、无宏观裂纹的陶瓷薄壁件。利用扫描电镜观察了成形件的微观组织,结合电子探针(EPMA)和X射线衍射仪(XRD)分析了微观组织成分和ZrO2陶瓷激光加工前后相成分的变化。结果表明,激光功率和扫描速度对激光近净成形陶瓷单层高度和表面宏观质量具有重要影响,通过精确控制该两个参数能够获得良好的表面质量;不同的激光功率和扫描速度下,会产生横向和纵向两种不同的宏观裂纹;激光近净成形技术能够制备出致密并具有细小枝状晶组织的陶瓷;少量的Al2O3主要存在于晶界中,有利于抑制裂纹扩展。     

掺钛和锆改性的钙硼硅系微晶玻璃之性能

以TiO2、ZrO2为改性剂,制备CaO-B2O3-SiO2系微晶玻璃。对其烧结和介电性能进行了研究,并采用XRD,SEM对微观结构进行了探讨。结果表明:添加适量的TiO2或是混合添加TiO2、ZrO2均能改善CaBSi系微晶玻璃的性能。混合添加比单一添加TiO2更有效。结合材料的烧结性能、介电性能和微观结构,以840℃烧成的添加w(TiO2)为2%、w(ZrO2)为2%的试样性能最佳,其εr为7.1、tanδ为3×10–3,在20~400℃之间的热膨胀系数为7.8×10–6℃–1。     

陶瓷激光切割技术的研究现状与思考

介绍了硬脆性陶瓷激光切割技术研究的若干新进展,着重从工艺角度系统地分析总结了激光加工陶瓷减少热损伤的4大类型:传统工艺的优化参数法、多道切割法、应力引导控制裂纹切割法以及辅助切割法.结合实际研究经验,针对陶瓷不同薄厚类型及三维切割需求,提出了目前该技术所需解决的主要问题及相关思考.     

双束CO2激光切割玻璃的实验研究

为了寻求更加有效的激光切割玻璃的方法,提高玻璃的切割质量,在激光热应力切割玻璃的基本原理的基础上,比较了单束聚焦CO2激光与单束非聚焦CO2激光切割玻璃的优劣,提出了双束CO2激光热应力切割的方法.先用一束低功率聚焦的CO2激光在玻璃表面划线.而后用非聚焦的CO2激光沿着该划线进行扫描,在热应力的作用下使玻璃沿着该划线分离,从而实现玻璃的切割.实验分析了单束和双束CO2激光热应力切割玻璃的切割效果.结果表明,相对于单束CO2激光切割的方法,利用双束CO2激光进行玻璃的切割,既可以保证切缝沿既定方向扩展又可以提高切面的光洁度,是一种比较理想的玻璃切割方法.     

基于光热调制检测发动机叶片疲劳裂纹的激光声表面波方法

提出了基于光热调制的激光声表面波检测疲劳裂纹的实验系统和方法,并将其用于发动机叶片疲劳裂纹的检测。Nd∶YAG激光器产生的激光通过凸透镜聚焦在样品表面,同时用半导体激光在激发点同一位置进行光热调制,利用干涉仪在另一位置探测声表面波信号。利用精密平移台在可能的裂纹区扫描激发源和加热源,获得打开光热调制和关闭光热调制时的声表面波信号,也即不同位置处样品加热和冷却时的信号Sheat和Scool,由于光热调制产生的压应力使裂纹闭合,使Sheat产生明显的峰值变化,因此差值信号ΔS=Sheat-Scool即为疲劳裂纹闭合引起的信号变化。对叶片表面裂纹检测的实验结果表明,该方法具有较高的检测灵敏度和可靠性。