[发明专利]一种基于等离子体改性提升软质金属表面加工质量的方法

说明书

本发明提供了一种基于等离子体改性提升软质金属表面加工质量的方法，利用等离子体中的高密度、高能活性粒子与软质金属表面亚表面材料发生热效应实现快速熔化，再冷却后形成晶粒融合改性层，该晶粒融合改性层改变了材料晶界状态，提升了材料的可加工性，有助于实现软质金属元件高质量加工。该方法可以应用于平面、曲面、及微结构加工。

技术领域

本发明属于材料加工领域，涉及软质金属的表面加工技术，尤其是一种基于等离子体改性提升软质金属表面加工质量的方法。针对软质金属器件低表面粗糙度、高面形质量的表面需求以及软质金属低熔点、低硬度及高材料塑性，提出采用等离子体改性软质金属的新方法来实现软质金属材料的高效、高精度、超光滑表面的超精密加工。

背景技术

软质低熔点材料(如紫铜、锡、铅及其合金等)在国民经济各领域。例如，在软质金属微射流实验中，冲击金属材料产生的微射流是一种高速熔化的物质，对该材料加工的研究在科学仪器等有广泛应用前景；同时对冲击载荷下动态损伤机理的研究，对解决各类先进科学装置等的防护问题能提供很大的帮助。这些重要的应用需求也对软质金属的表面质量提出了严格的技术要求。

这类软质金属材料的本身特性致使其在微纳尺度加工过程极易产生塑性变形，以铅材料为例，由于铅材料的低熔点(327.4℃)、极高的材料塑性(伸长率：60-70％)和极低的硬度(布氏硬度：30Mpa)，在超精密加工过程中，软质材料更易与刀具界面间的摩擦产生粘滑现象，使得加工表面产生毛刺、划伤等微观缺陷，造成超精密加工软质材料铅时，无法形成高质量表面，无法达到精密物理实验样品要求。因此，基于表面改性的加工性能调控技术在提高软质材料抗变性能力与加工精度方面具有重要的作用。

等离子体由于其高能量、高化学活性、被广泛应用与表面改性和加工技术中。等离子体化学蒸发加工利用等离子体来激发反应气体中的活性粒子使其与工件表面原子发生化学反应，将之转变为挥发性产物，最后通过气体蒸发实现表面材料加工，可实现单晶碳化硅的粗糙度0.37nm(RMS)【Yamamura K,Takeda Y,Sakaiya S,et al.High-spatialresolution figuring by pulse width modulation controlled plasma chemicalvaporization machining.Procedia CIRP,2016,42,508-511.】。等离子体辅助抛光使用等离子体对样品表面进行处理降低表面硬度，以提升加工效率。Deng等通过使用CF₄或者O₂改性GaN，形成硬度降低的改性层，提升抛光效率。【Deng H,Endo K,Yamamura K.Plasma-assisted polishing of gallium nitride to obtain a pit-free and atomicallyflat surface[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2015,64(1):531-534】通过O₂等离子体处理CFRPs碳纤维表面，可显著增加结合层的附着力【Kim J W,MauchaufféR,Kim D Y,et al.Mechanism study of atmospheric-pressure plasma treatment ofcarbon fiber reinforced polymers for adhesion improvement.Surface andCoatings Technology,2020,393,125841】。然而，将等离子体改性应用于软质金属及其合金的超精密加工，目前尚没有相关的文献报导。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于等离子体改性提升软质金属表面加工质量的新方法，能够在软质金属元件上加工出低粗糙度和高面形精度表面。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种基于等离子体改性提升软质金属表面加工质量的方法，其特征在于：