[发明专利]一种皮秒-纳秒激光复合异步抛光陶瓷的工艺方法

说明书

本发明公开了一种皮秒‑纳秒激光复合异步抛光陶瓷的工艺方法，首先采用皮秒激光沿一定扫描轨迹对陶瓷待加工表面进行辐照，对陶瓷表面微观凸起进行去除，实现初步平坦化，同时利用皮秒激光对陶瓷材料电子态的去除诱导产生大量微纳米颗粒，以电离态存在于被辐照陶瓷表面的邻近空间区域。按预设时间启动小功率纳秒激光追踪皮秒激光扫描路径，对陶瓷表面均匀分布的微纳米颗粒进行辐照熔融，最终形成一层致密光滑的细晶熔凝层以达到抛光效果。本发明修复了陶瓷材料原始的气孔裂纹，克服了传统激光抛光产生热影响区大，材料表面易产生微裂纹和气孔的缺点，实现了陶瓷材料低去除量，高效率高精度亚微米级别的精细抛光。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料表面的激光抛光领域，尤其涉及氧化铝陶瓷表面的亚微米级别的高精激光复合抛光加工方法。

技术背景

工程陶瓷以氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)为主体的陶瓷材料，用于厚膜集成电路和陶瓷结构件。氧化铝、氧化锆等工程陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性，是一种用途广泛的陶瓷，因为其优越的性能，在现代社会的应用已经越来越广泛，满足于日用和特殊性能的需要。但是针对陶瓷材料常规的机械抛光方法加工时间长，加工效率低，且机械加工多为接触式加工易对陶瓷表面产生机械损伤，次表面裂纹等缺陷，同时机械加工受限于其加工原理难以实现高精度三维立体件的表面抛光，激光抛光作为一种非接触式的加工方式不会对工件表面产生压应力，加工效率高，加工自由度高，且对加工环境要求不高。目前常规激光抛光工艺多采用中长脉冲热抛光，热抛光是利用激光的热效应,通过对基材的熔化、蒸发等过程去除材料，该方法产生的热影响区较大，热裂纹和烧蚀明显，不利于硬脆材料加工。中国发明专利201710651327.9和中国发明专利201710652088.9采用准分子激光抛光陶瓷，利用烧蚀和汽化原理对陶瓷进行抛光，抛光后粗糙度Ra由0.94μm下降到0.91μm，粗糙度降低率约为4％，粗糙度降低不明显，且原有陶瓷已属于表面粗糙度在亚微米级的精细陶瓷。Dimitris Karnakis利用单一的1064nm皮秒激光通过多次扫描辐照的方案对氧化铝陶瓷材料进行表面粗糙度的降低，随着加工深度增大粗糙度降低，但该方法属于激光铣削工艺，需要很大的铣削深度，彻底改变材料原始表面形貌，不属于精细抛光(Karnakis D,Rutterford G,Knowles M,et al.Laser micro-milling of ceramics,dielectrics andmetals using nanosecond and picosecond lasers[J].Proceedings of SPIE-TheInternational Society for Optical Engineering,2006,6106.)。中国发明专利201810785012.8利用飞秒激光抛光陶瓷基复合材料，其抛光后表面粗糙度为1.4μm，没有达到亚微米级精度，且单一的超快激光抛光本质为材料的微去除，因此难以对陶瓷材料原始气孔、裂纹等缺陷进行有效修复。本方案采用皮秒激光与纳秒激光复合异步抛光工艺，实现了在几无材料表面去除量，不破坏材料表面形貌前提下的陶瓷材料精细抛光。先采用皮秒激光对陶瓷材料进行辐照，在对陶瓷表面微观凸起部分实现初步平坦化的同时，利用皮秒激光对材料电子态的去除机制产生具有高表面活性的微纳米颗粒，之后采用低能量密度纳秒激光对这些高表面活性的微纳米颗粒进行辐照熔融，极易形成一层致密光滑的细晶熔凝层，同时根据颗粒产生和长大机制，要对两次抛光的时间差进行合理控制。本方法克服了传统激光抛光过程中材料表面微裂纹和气孔的产生，实现不破坏材料表面几何形貌、极低材料去除量下的激光精细抛光。

发明内容

针对现有陶瓷材料抛光工艺技术中易产生微裂纹和气孔、热/机械应力影响区大、材料去除量多及表面形貌易破坏等问题，本发明提供一种皮秒-纳秒激光复合异步抛光陶瓷技术方案，有效克服上述存在的问题，实现不破坏材料表面几何形貌的高精亚微米级抛光效果。

1.为实现上述目的，本发明提供一种皮秒-纳秒激光复合异步抛光陶瓷的技术方案，其工艺方案如下：