CN109590811A - 一种激光辅助抛光cvd金刚石的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光辅助抛光CVD金刚石的方法，首先根据CVD金刚石材料特性选择合适的激光类型，并进行激光烧蚀CVD金刚石模拟仿真，以获得合适的激光烧蚀参数，然后在优选激光工艺参数的基础上进行激光粗抛；最后，为去除激光烧蚀过程中产生的石墨层和微裂纹等表面缺陷，采用抛光盘进行机械精密抛光达到需求的精度。本发明解决CVD金刚石激光抛光过程中易产生石墨化层以及机械抛光中抛光效率低的问题。

Description

一种激光辅助抛光CVD金刚石的方法
技术领域
本发明涉及CVD金刚石等硬脆材料的抛光领域，尤其涉及CVD 金刚石激光辅助抛光领域。
背景技术
CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)金刚石材料具有优异的力、热、光、电、热性能，且制造成本低，打破了天然金刚石数量稀缺的限制，具有极大的市场价值。但是，CVD工艺制备的金刚石晶粒粗大，表面粗糙度差(Ra可达数十微米)，在使用之前需要对其进行光整加工。然而，CVD金刚石的硬度高、化学稳定性好，传统的机械抛光工艺不仅效率低，而且容易引发抛光面的损伤。因此，如何提高CVD金刚石光整工艺的效率并改善其加工表面质量成为亟待解决的关键技术难题。
激光加工技术具有可加工材料广、热影响区小、加工精度可控性高等优点，已被广泛应用于不同材料的切割、打孔及表面改性等方面。 CVD金刚石在抛光中所遇到的主要问题是抛光难度大，抛光效率低，抛光盘磨损较快等问题，这恰是激光加工所独有的优势，其优异的材料去除速率可在较短时间内对CVD金刚石实现快速去除。将激光的优势与抛光技术结合起来，促使了难加工材料的激光辅助加工技术迅速发展。在激光辅助加工工艺中，针对硬脆难加工材料的激光辅助抛光技术尚未有相关研究。
发明内容
针对现有技术中，金刚石材料的高硬度及化学稳定性给现有的机械抛光工艺造成较大障碍的情况下，本发明的目的是提供一种CVD 金刚石激光辅助抛光工艺，利用金刚石在常压高温下(650℃)可以发生石墨化的特性，将激光作为外加热源将CVD金刚石加热促使其待加工表面石墨化，再利用机械抛光去除该层石墨化层，将改善其抛光加工效率，以并提高其表面质量。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
激光辅助抛光CVD金刚石的方法，设定激光参数和入射角、调整激光离焦量使激光辐照在被加工CVD金刚石表面上，利用激光的瞬时能量将CVD金刚石烧蚀去除，然后采用施压的抛光盘将表面变质层去除，实现更好的抛光效率，获得良好的抛光表面质量。
具体的技术方案如下：
激光辅助抛光CVD金刚石的方法，包括依次进行的激光粗抛步骤、机械抛光步骤、去离子水精密抛光步骤。
激光粗抛步骤：根据CVD金刚石材料的性质选择特定类型的激光；如对于多晶CVD金刚石，采用波长为1064纳秒的红外激光进行抛光，这会促使产生一定程度的石墨化现象，为减小石墨化现象的产生，可以采用吸收率较高的波长为532nm的纳秒紫外激光进行抛光；
通过激光烧蚀仿真优选出合适的工艺参数；
将待抛光CVD金刚石工件安装于回转工作台，通过调整激光入射角度、回转台转速和激光烧蚀进给速度，对CVD金刚石烧蚀抛光；
激光入射角的选择范围是：0°～85°。
在激光抛光过程中选择合适的激光入射角比较重要，合适的入射角一方面可以减小激光在金刚石膜表面的投影面积，降低表面粗糙度；另一方面可以增加激光能量密度，提高材料去除速率。
机械抛光步骤：激光粗抛后，选择抛光载荷、工件转速及抛光盘转速，在抛光液的辅助下进行机械抛光，根据需要去除的材料厚度选择抛光时间，直至获得所需的表面质量。
去离子水精密抛光步骤：为获得较高的抛光表面质量以及完全去除激光诱发的表面缺陷层，在抛光最后阶段，将抛光液换成去离子水继续抛光5-10min至已达到表面质量要求。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过激光辅助抛光CVD金刚石材料，可以在发挥激光在加工方面优势的同时，提高传统CVD金刚石抛光的抛光效率和抛光质量。
(2)本发明中所采用的激光抛光类型分为两种主要形式，热抛光(红外激光)和冷抛光(紫外激光或超短脉冲激光)，热抛光在粗抛过程中会产生大量的石墨化层和表面微裂纹，可以提高抛光效率，相对于超短脉宽和短波长的冷抛光抛光表面质量有所下降，但二者结合机械抛光会达到比较理想的抛光效果。
(3)本发明中采用的激光粗抛过程不仅适用于平面工件抛光，还适用于曲面工件的抛光。
(4)本发明中采用抛光盘进行机械抛光过程，可以将激光抛光过程中的表面缺陷层去除，还可用于充分发挥抛光盘的优势，提高抛光表面质量。
附图说明
图1为CVD金刚石激光烧蚀前示意图；
图2为CVD金刚石激光烧蚀后示意图；
图3为激光烧蚀后机械抛光示意图；
图4为CVD金刚石激光烧蚀原理图；
图中：1、旋转工作台；2、CVD金刚石工件；3、激光头；4、激光束；5、抛光后金刚石层；6、抛光盘。
具体实施方式
下面根据附图和实例,对本发明做进一步详述。
以下实施例以CVD金刚石为抛光对象,采取激光辅助机械抛光的工艺方法进行抛光。
实施例1
一种CVD金刚石激光辅助抛光方法，步骤如下：
调整激光烧蚀参数、回转台转速、激光入射角搭建抛光平台，将 CVD金刚石工件2装夹于旋转工作台1上。激光束4扫描路径与旋转台旋转方向如图1中所示，即旋转台逆时针方向旋转，而激光束平移。
在激光抛光CVD金刚石过程中，如图4所示激光烧蚀金刚石原理图，由于抛光前CVD金刚石表面粗糙度较高，激光束4以入射角θ (θ的范围是0°～85°)进行抛光有利于最大限度增大激光能量密度，提高材料的去除率。
激光束沿入射角度进行抛光，抛光后的CVD金刚石表面的突出高度h可以表示为：
h(I)＝Htanφ0(I)/tanφ1
\*MERGEFORMAT(1.8)
其中，I是激光能量密度，θ是激光束入射角，φ0是烧蚀面与基面夹角，φ1是激光入射面与基面夹角，H是金刚石膜总高度，h是金刚石晶粒高度,l金刚石晶粒宽度。
激光是抛光材料去除率可以表示为：
V＝Az＝BLn(CE0)
其中，A、B、C是与材料特性有关的常数，E0是激光能量密度， Z是激光烧蚀深度，Ln激光脉冲数量。
激光粗抛后，金刚石表面会存在石墨化层和微裂纹，如图2所示。为将激光诱发的表面缺陷去除，设置抛光载荷、工件转速和抛光盘转速，在添加抛光液的条件下，采用抛光盘6进行机械抛光。当表面粗糙度达到0.5μm左右时，为将激光产生的缺陷层完全去除，把抛光液换成去离子水继续抛光5-10分钟，直至被加工表面达到预期加工目标。
实施例2
考察激光入射角度与抛光后表面粗糙度之间的关系，随着激光入射角度的增加，抛光表面粗糙度呈降低的趋势，入射角大于60°时，表面粗糙度迅速下降，因此，本发明选择入射角的选择范围是：0°～85°，较佳地，入射角45°～85°。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种激光辅助抛光CVD金刚石的方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：根据CVD金刚石物理化学性能选择激光；
步骤二：将待抛光CVD金刚石工件安装于回转工作台，调整激光入射角度、回转台转速和激光烧蚀进给速度；
步骤三、通过有限元仿真方法对CVD金刚石激光烧蚀过程进行模拟仿真，得出激光烧蚀工艺参数，包括激光功率、激光波长、激光入射角、脉冲宽度、烧蚀速度、烧蚀次数、烧蚀路径；并获得激光烧蚀金刚石温度场分布情况；
步骤三：根据所使用的激光器，在激光烧蚀工艺参数的基础上搭建CVD金刚石激光粗抛加工平台；
步骤四：激光粗抛后，选择抛光载荷、工件转速及抛光盘转速，在抛光液的辅助下进行机械抛光，根据需要去除的材料厚度选择抛光时间，直至获得所需的表面质量。
2.权利要求1所述的激光辅助抛光CVD金刚石的方法，其特征在于：步骤一中，激光选择原则是：对于多晶CVD金刚石，采用吸收率较高的波长为532nm的纳秒紫外激光进行抛光。
3.权利要求1所述的激光辅助抛光CVD金刚石的方法，其特征在于：步骤二中，激光入射角的范围是：0°~85°。
4.权利要求1所述的激光辅助抛光CVD金刚石的方法，其特征在于：步骤二中，入射角的范围是：45°~85°。
5.根据权利要求1所述激光辅助抛光CVD金刚石的方法，其特征在于步骤三中，抛光包括热抛光和冷抛光，热抛光包括引起热效应的毫秒-纳秒激光抛光，冷抛光包括不引起较大石墨化和微裂纹的超短脉冲和短波长抛光。
6.根据权利要求1所述激光辅助抛光CVD金刚石的方法，其特征在于步骤四中在抛光最后阶段，将抛光液换成去离子水，继续抛光5-10min，实现精密抛光。
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