CN108838544A - 一种金刚石大深宽比垂直沟槽激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种金刚石大深宽比垂直沟槽激光加工方法，属于难加工材料特种加工领域。利用激光束对样品表面进行扫描，加工出金刚石深宽比大于9的垂直沟槽。激光束为飞秒激光，脉冲宽度为100‑300fs，将样品水平固定在工作台上，并调整工作台高度，使样品待加工表面处于激光束焦平面上，调整激光头与样品待加工表面之间的夹角，使激光束入射角为4‑10°，打开激光束及氮气辅助气体，使激光束沿x轴方向在样品表面进行直线扫描，将激光束沿y轴方向进给，并沿与x轴扫描方向相反的方向扫描，激光束在样品表面扫描出矩形区域，激光束沿深度方向进给，达到设定深度，取出，超声清洗。本发明实现了深宽比大于9的金刚石大深宽比垂直沟槽激光加工。

Description

一种金刚石大深宽比垂直沟槽激光加工方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石大深宽比垂直沟槽激光加工方法，特别涉及超硬材料大深宽比垂直沟槽加工方法，属于难加工材料特种加工领域。
背景技术
随着我国国防、航空、航天等重大工程的发展，对高性能装备的要求也越来越高，要求高性能装备的高性能零件在高温、高压、高频、高功率等极端苛刻条件下能够长期稳定的工作。金刚石作为超宽禁带半导体，是世界上硬度最高的材料，具有优异的力学、光学、电学等性能，其广泛应用在半导体、高能物理探测器、辐射探测器、激光光学元件等领域。但是，金刚石由于硬度高、耐磨性好、化学性质稳定，传统的加工方法很难对其进行加工。加工质量直接决定了金刚石高性能器件的性能，从而影响整个高性能装备的服役性能。我国是人造金刚石的生产大国，年产量稳居世界第一，每年超过90％的人造金刚石产自中国。目前，我国金刚石材料制备技术已经处于国际先进水平，能够生产出超大单晶金刚石，其质量接近天然金刚石。然而，很多结构复杂的高性能金刚石零部件仍然严重依赖进口，或者委托国外相关单位进行加工，国内根本无法加工制造，而对于国防、航空、航天等领域的核心关键制造技术，国外一直对我国进行严格的技术封锁。因此，复杂结构的金刚石加工技术是我国国防、航空、航天等领域高性能装备及高性能零件的核心关键制造技术。
将金刚石加工出具有周期性散热结构的大深宽比垂直沟槽，其散热效果将可大大提高。但是，金刚石由于硬度高、耐磨性好、化学性质稳定，传统的机械加工方法很难对其进行加工，目前发展的加工金刚石的方法有化学机械抛光、热化学抛光法、离子束溅蚀法，激光切割法等，但这些方法往往用来加工平面，对于具有大深宽比垂直沟槽的金刚石，目前的加工方法仍然很难进行加工。因此，设计一种新的加工方法及加工工艺，在金刚石上加工出具有大深宽比的垂直沟槽，对于我国机械加工技术的提高以及国防、航空、航空等领域的重大装备性能的提高具有十分重要的意义。
发明内容
本发明提供一种金刚石大深宽比垂直沟槽激光加工方法，利用激光束对样品表面进行扫描，加工出金刚石深宽比大于9的垂直沟槽。
本发明的技术方案：
一种金刚石大深宽比垂直沟槽激光加工方法，利用激光束对样品表面进行扫描，加工出金刚石深宽比大于9的垂直沟槽。激光束为飞秒激光，脉冲宽度为100-300fs，将样品水平固定在工作台上，并调整工作台高度，使样品待加工表面处于激光束焦平面上，调整激光头与样品待加工表面之间的夹角，使激光束入射角为4-10°，打开激光束及氮气辅助气体，使激光束沿x轴方向在样品表面进行直线扫描，将激光束沿y轴方向进给，并沿与x轴扫描方向相反的方向扫描，激光束在样品表面扫描出一矩形区域，激光束沿深度方向进给，达到设定深度，将样品取出，放入酒精中超声清洗5-10min。
(1)样品为金刚石。金刚石是世界上已知最硬的物质，具有优异的力学、光学、热学等性能，是高性能装备和高性能零件稳定可靠服役的保证。
(2)激光束为飞秒激光，脉冲宽度为100-300fs。飞秒激光，由于其脉冲宽度小，单个脉冲能量高，所以在样品同一区域持续加工时间少，可以减小热效应的影响，适合加工高硬度、高熔点的材料，所以选取飞秒激光对金刚石进行加工。
(3)将样品放入酒精溶液中，超声清洗5-10min，利用压缩空气将样品吹干。在对样品进行激光加工之前需要先对样品进行清洗，去除样品表面的杂质等污染物，酒精是一种常用的无毒有机清洗溶剂，所以将样品放入酒精溶液中超声清洗，清洗之后将样品吹干，是为了保证样品清洁，同时防止加工过程中激光与液体产生作用，影响加工质量。
(4)将样品水平固定在工作台上，并调整工作台高度，使样品待加工表面处于激光束焦平面上。加工垂直沟槽，需要将样品水平固定在工作台上，使激光束与加工面相互垂直，因为激光焦平面处其能量最集中，能量密度最高，其加工效率最高，同时也可以提高加工的精度，所以需要调整工作台高度使样品表面处于激光焦平面上。
(5)建立直角坐标系，以坐标原点为加工起始点。加工大深宽比垂直沟槽，沟槽的截面为矩形，所以建立直角坐标系；
(6)调整激光头与样品待加工表面之间的夹角，使激光束入射角为4-10°。因为激光束是经过聚焦的脉冲激光，其并非平行激光束，若使激光束中心垂直于加工表面，将会得到一楔形沟槽，所以需要调整激光头与样品加工表面之间的角度，从而加工出垂直沟槽。
(7)打开激光束及氮气辅助气体，使激光束沿x轴方向在样品表面进行直线扫描。激光扫描过程中打开辅助气体，可以去除熔渣，使待加工部位和已加工部位保持清洁，同时还有冷却作用。
(8)将激光束沿y轴方向进给，并沿与x轴扫描方向相反的方向扫描。沿y方向进给，与x轴扫描方向相反，从而可以扫描加工出一矩形区域，并且减少激光头空行程距离，提高加工效率。
(9)重复步骤(6)-(8)，激光束在样品表面扫描出矩形区域。
(10)激光束沿深度方向进给，并重复步骤(6)-(9)。
(11)重复步骤(10)，达到设定深度。
(12)将样品取出，放入酒精中超声清洗5-10min。在酒精中超声清洗，从而去除样品表面残渣及污染物。
本发明的效果和益处是提供了一种金刚石激光加工工艺，实现了深宽比大于9的金刚石大深宽比垂直沟槽激光加工。
具体实施方式
以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例
单晶金刚石样品为长3mm，宽3mm，高2mm，将样品放入酒精溶液中超声清洗8min，然后用压缩空气吹干，将样品水平固定在DMG加工中心的工作台上，调整工作台高度，使样品待加工表面处于激光束焦平面上，所用的激光为飞秒激光，辅助气体氮气，建立直角坐标系，以坐标原点为加工起始点，调整激光束与样品待加工表面之间夹角，使激光束入射角为6°，打开激光束，同时打开辅助气体，将激光束沿x轴方向扫描3.1mm，然后沿y轴方向进给，沿-x轴方向扫描3.1mm，重复扫描，使激光束在样品待加工表面扫描出宽为0.13mm的区域，将激光束沿深度方向进给，重复扫描该区域，直到沟槽深度达到1.3mm，关闭激光束与辅助气体，将样品放入酒精溶液中超声清洗8min，对样品进行表征，垂直沟槽的深宽比大于9。

Claims (1)

1.一种金刚石大深宽比垂直沟槽激光加工方法，利用激光束对样品表面进行扫描，加工出金刚石深宽比大于9的垂直沟槽，其特征在于，步骤如下：
(1)样品为金刚石；
(2)激光束为飞秒激光，脉冲宽度为100-300fs；
(3)将样品放入酒精溶液中，超声清洗5-10min，利用压缩空气将样品吹干；
(4)将样品水平固定在工作台上，并调整工作台高度，使样品待加工表面处于激光束焦平面上；
(5)建立直角坐标系，以坐标原点为加工起始点；
(6)调整激光头与样品待加工表面之间的夹角，使激光束入射角为4-10°；
(7)打开激光束及氮气辅助气体，使激光束沿x轴方向在样品表面进行直线扫描；
(8)将激光束沿y轴方向进给，并沿与x轴扫描方向相反的方向扫描；
(9)重复步骤(6)-(8)，激光束在样品表面扫描出矩形区域；
(10)激光束沿深度方向进给，并重复步骤(6)-(9)；
(11)重复步骤(10)，达到设定深度；
(12)将样品取出，放入酒精中超声清洗5-10min。
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