CN112760605B - 异质材料曲面微结构加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种异质材料曲面微结构加工方法，步骤包括：步骤1、基材选择：选取具有曲面轮廓的零件作为基材；步骤2、超声波清洗：在无水乙醇中超声波清洗基材；步骤3、吹干：高压气流吹干基材；步骤4、射频清洗：射频清洗基材的镀膜面；步骤5、金属镀膜：金属靶材在基材的镀膜面形成均匀致密的金属镀层；步骤6、超快激光加工：超快激光精密加工机床在覆有金属镀层的基材镀膜面超快激光加工微结构得到样件；步骤7、二次超声波清洗：在无水乙醇中超声波清洗样件；步骤8、吹干：高压气流吹干样件。根据本发明提供的异质材料曲面微结构加工方法异质材料间结合强、加工范围广、参数调节方便、表面微结构精度高。

Description

异质材料曲面微结构加工方法
技术领域
本发明涉及材料表面加工领域，具体地，涉及异质材料曲面微结构加工方法，尤其涉及复杂曲面零件表面异质材料功能微结构的精密加工方法。
背景技术
随着航空、航天和其他高端装备领域对关键零部件高性能、轻量化、小型化及低损耗等要求的不断提高，通过在复杂构件表面制备功能化金属图案而成的零部件越来越成为提升装备性能的重要手段，典型产品如星载半球谐振陀螺仪、航天器固面天线反射器、雷达罩、超宽频信号发送/接收器等。
这类零件的制备往往存在以下问题：结构表面具有平面、柱面、凹球面和凸球面等复杂曲面；基底结构件材料和表面覆层金属材料在物理、化学及力学性能方面差异大；零件表面金属图案尺寸跨度大且形状位置精度要求高。基于以上多种极为苛刻的制造要求，导致该类零件表面功能化金属图案的高质量加工难度极大。
目前，采用传统平面光刻技术对该类零件表面金属图案进行加工时，存在曲面加工精度低的难点，无法满足我国新一代航天器搭载的表面具有功能化金属图案结构件的精度要求。国内尚无该类零件的精密制备方法，而国外对相关研究成果严密封锁。一种能够实现零部件表面功能化金属图案高质量加工的异质材料曲面微结构加工方法亟待被开发。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种异质材料曲面微结构加工方法。
根据本发明提供的异质材料曲面微结构加工方法，步骤包括：
步骤1、基材选择：选取具有曲面轮廓的零件作为基材；
步骤2、超声波清洗：在无水乙醇中超声波清洗基材；
步骤3、吹干：高压气流吹干基材；
步骤4、射频清洗：射频清洗基材的镀膜面；
步骤5、金属镀膜：金属靶材在基材的镀膜面形成均匀致密的金属镀层；
步骤6、超快激光加工：超快激光精密加工机床在覆有金属镀层的基材镀膜面超快激光加工微结构得到样件；
步骤7、二次超声波清洗：在无水乙醇中超声波清洗样件；
步骤8、吹干：高压气流吹干样件。
优选地，步骤1中，基材表面无缺陷。
优选地，步骤4中，使用防锈铝工装对基材的非镀膜面进行装夹和保护，并对射频清洗环境抽真空形成真空室，真空度5.0×10-3Pa，在真空室中通入氩气，射频放电并通过电磁场控制清洗基材的镀膜面。
优选地，步骤5中，磁控溅射金属靶材，将金属靶材粒子射向基材的镀膜面，形成均匀致密的金属镀层。
优选地，步骤5中，金属靶材包括金、铬和铝，不同金属靶材能够依次镀膜，在基材的镀膜面形成多层异质金属镀层。
优选地，步骤6中，超快激光的激光频率为100～1000KHz，脉冲宽度为1～100ps，光斑半径为1～10um，扫描速度50～500mm/s。
优选地，样件镀膜面的微结构毛刺长度能够低于4um。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、通过先超声波清洗和射频清洗再利用磁控溅射工艺镀覆金属镀层，有效去除基材表面杂质污物的同时，提高了基材与金属镀层的结合力；
2、通过使用超快激光加工微结构，利用超快激光脉宽窄的特点，缩短了激光脉冲与材料的作用时间，热影响区域小，具有冷加工的特点，因而微结构毛刺较短，微结构成型精度高；
3、在五轴联动精密加工平台上，对表面呈平面、柱面、凹球面和凸球面等复杂曲面的结构均可加工，同时基于超快激光功率密度大的特性，可用于加工各种高熔点、高硬度等传统方法难加工材料，加工范围广；
4、采用磁控溅射技术镀覆金属镀层，可方便调节金属镀膜参数，如偏远电源频率、脉宽、电压、氩气流量等；采用超快激光加工，可方便调节激光加工参数。得到不同几何尺寸的微槽或微孔结构，因而参数调节方便。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为异质材料曲面微结构加工方法的示意图；
图2为采用磁控溅射工艺进行金属镀膜的示意图；
图3为超快激光加工的示意图；
图4为超快激光加工的微槽试验观测图。
图中：
Figure BDA0002817586000000031
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
图1～图4为本发明提供的一种异质材料曲面微结构加工方法的示意图。
根据本发明提供的异质材料曲面微结构加工方法，步骤包括：
步骤1、基材选择：选取具有复杂曲面轮廓的零件作为基材9，基材9表面无缺陷，具体地，无毛刺、伤痕、锈斑和裂纹等缺陷。
步骤2、超声波清洗：将基材9放置在无水乙醇中，在无水乙醇中超声波清洗基材9。
步骤3、吹干：基材9清洗完成后使用高压气流吹干基材9或者烘干基材9。
步骤4、射频清洗：射频清洗基材9的镀膜面，使用防锈铝制作的工装对基材9的非镀膜面进行装夹和保护，并对射频清洗环境抽真空形成真空室，真空度5.0×10-3Pa，在真空室中通入氩气，射频放电并通过电磁场控制清洗基材9的镀膜面，在该真空室中通入工作气体氩气，在射频放电下，真空室内的氩气离化产生氩离子体，在电磁场的控制下，氩离子体轰击到基材9的镀膜面，去除基材9的镀膜面的杂质污物，提高金属镀层10与基材9的镀膜面的结合力。
步骤5、金属镀膜：金属靶材在基材9的镀膜面形成均匀致密的金属镀层10，具体地，采用磁控溅射方法，在真空环境中，利用氩离子体在磁力线作用下轰击阴极金属靶材表面，将金属靶材以原子、离子、电子等粒子形式溅射出来，被溅射出来的金属靶材粒子射向基材9的镀膜面，形成均匀致密的金属镀层10，金属靶材包括金、铬和铝等金属材料，不同金属靶材能够依次镀膜，在基材9的镀膜面形成多层异质金属镀层10。
步骤6、超快激光加工：超快激光精密加工机床在覆有金属镀层10的基材9镀膜面超快激光加工微结构11得到样件，调整激光束使焦点聚焦在金属镀层10表面，确定激光加工参数，按照实际所需微结构11的图案轮廓制定激光扫描路径后，对金属镀层10表面进行微结构11的超快激光加工，优选地，超快激光精密加工机床为五轴联动超快激光精密加工机床，超快激光的激光频率为100～1000KHz，脉冲宽度为1～100ps，光斑半径为1～10um，扫描速度50～500mm/s。
步骤7、二次超声波清洗：将样件放置在无水乙醇中，在无水乙醇中超声波清洗样件。
步骤8、吹干：样件清洗完成后使用高压气流吹干样件或者烘干样件，样件镀膜面的微结构11毛刺长度能够低于4um。
具体地，以在环形曲面石英玻璃4表面上制备异质金属镀层微结构11为例对本发明提供的异质材料曲面微结构加工方法。
步骤1、基材选择：选取环形曲面石英玻璃4作为基材9，厚度为8mm，使用40倍显微镜检查环形曲面石英玻璃4的镀膜面，镀膜面表面无缺陷，具体地，无毛刺、伤痕、锈斑和裂纹等缺陷。
步骤2、超声波清洗：将环形曲面石英玻璃4放置在无水乙醇中，在无水乙醇中超声波清洗环形曲面石英玻璃4，清洗时间为10分钟。
步骤3、吹干：环形曲面石英玻璃4清洗完成后使用高压氮气吹干环形曲面石英玻璃4或者烘干环形曲面石英玻璃4。
步骤4、射频清洗：射频清洗环形曲面石英玻璃4的镀膜面，使用防锈铝制作的工装对环形曲面石英玻璃4的非镀膜面进行装夹和保护，操作人员应穿洁净工作服，戴干净双层白色细纱手套或乳胶手套，必要时用镊子夹持工件以防止损伤工作面；对射频清洗环境抽真空形成真空室，真空度5.0×10-3Pa，在真空室中通入氩气，氩气流量设为20标准毫升每分钟，控制真空室内气压在0.3～0.6Pa范围内；射频放电并通过电磁场控制清洗基材9的镀膜面，在该真空室中通入工作气体氩气，在射频放电下，真空室内的氩气离化产生氩离子体，在电磁场的控制下，氩离子体轰击到环形曲面石英玻璃4的镀膜面，去除环形曲面石英玻璃4的镀膜面的杂质污物，提高金属镀层10与环形曲面石英玻璃4的镀膜面的结合力。
步骤5、金属镀膜：金属靶材在环形曲面石英玻璃4的镀膜面先后形成均匀致密的铬金属镀层10和金金属镀层10，具体地，环形曲面石英玻璃4的镀膜面清洗完成后，在真空室中通入氩气，氩气流量设为20标准毫升每分钟，控制真空室内气压在0.3～0.6Pa范围内，采用磁控溅射方法，在真空环境中，利用氩离子体在磁力线作用下轰击阴极铬金属靶材表面，将铬金属靶材以原子、离子、电子等粒子形式溅射出来，被溅射出来的铬金属靶材粒子射向环形曲面石英玻璃4的镀膜面，形成均匀致密的铬金属镀层10，然后，将阴极铬金属靶材更换为金金属靶材，以同样的方式在铬金属镀层10的表面形成均匀致密的金金属镀层10。
步骤6、超快激光加工：超快激光精密加工机床在覆有铬金属镀层10和金金属镀层10的环形曲面石英玻璃4镀膜面超快激光加工微结构11得到样件，优选地，将环形曲面石英玻璃4装夹至五轴联动超快激光精密加工机床的工作台面上，如图3所示，五轴联动超快激光精密加工机床包括X轴模组8、Y轴模组3、Z轴模组1、支撑架7、二维转台6、真空吸盘5、振镜系统2。由于环形曲面石英玻璃4为高硬度易碎材料，因此将镀膜完成后的环形曲面石英玻璃4放置在真空吸盘5上固定，通过调整X轴模组8、Y轴模组3、Z轴模组1及二维转台6位置到合适角度，使激光通过振镜系统2后所出激光束焦点聚焦在金金属镀层10表面。
考虑到该环形曲面石英玻璃4为曲面零件，因此需要根据几何模型及激光焦距，确定激光在该成形环境下的幅面大小并计算出加工整个曲面时，旋转轴所需旋转的角度与次数n。当激光加工完环形曲面石英玻璃4表面的一个幅面后，待旋转轴转动角度，对环形曲面石英玻璃4表面新的幅面继续加工，循环上述过程n次，即可完成环形曲面石英玻璃4整个曲面表层的微结构11成形。确定激光加工参数激光频率为400KHz，脉冲激光能量1.7uJ，脉冲宽度为8ps，光斑半径为7.2um，扫描速度300mm/s。
步骤7、二次超声波清洗：将超快激光加工完成的样件放置在无水乙醇中，在无水乙醇中超声波清洗样件，清洗时间为5～20分钟。
步骤8、吹干：样件清洗完成后使用高压氮气吹干样件或者烘干样件，即实现在环形曲面石英玻璃4表面上制备异质金属镀层微结构11。
所得微结构11可用于半球谐振陀螺仪电极的制造。使用OLYMPUS BX51M型光学显微镜观察环形曲面石英玻璃4表面的微结构11，发现金金属镀层10的微结构11误差控制在4um以内，参见图4。
本发明的目的是针对航天器关键零部件表面功能化金属图案高精度制备难度大的问题，克服传统平面光刻工艺存在的不足，提出一种多种加工工艺组合的方法，即加工前对基材9表面超声波清洗及射频清洗，提高表面光洁度的同时增强金属镀层10与基材9的镀膜面的结合力，然后基于磁控溅射工艺，将金属材料镀覆在清洗后的基材9的镀膜面，最后在五轴联动超快激光精密加工机床上，使用超快激光精细加工的方法，实现复杂曲面零件表面异质材料功能微结构11的制备。
与现有技术相比，本发明提供的异质材料曲面微结构加工方法具有如下的有益效果：
1、通过先超声波清洗和射频清洗再利用磁控溅射工艺镀覆金属镀层10，有效去除基材9表面杂质污物的同时，提高了基材9与金属镀层10的结合力；
2、通过使用超快激光加工微结构11，利用超快激光脉宽窄的特点，缩短了激光脉冲与材料的作用时间，热影响区域小，具有冷加工的特点，因而微结构11毛刺较短，微结构11成型精度高；
3、在五轴联动精密加工平台上，对表面呈平面、柱面、凹球面和凸球面等复杂曲面的结构均可加工，同时基于超快激光功率密度大的特性，可用于加工各种高熔点、高硬度等传统方法难加工材料，加工范围广；
4、采用磁控溅射技术镀覆金属镀层，可方便调节金属镀膜参数，如偏远电源频率、脉宽、电压、氩气流量等；采用超快激光加工，可方便调节激光加工参数。得到不同几何尺寸的微槽或微孔结构，因而参数调节方便。
综上所述，本发明提供了一种异质材料之间结合强、加工范围广、参数调节方便、表面微结构11精度高的加工复杂曲面零件表面异质材料功能微结构的方法。本发明可应用包括但不限于陀螺仪激励罩表面结构、航天器固面天线大幅面薄膜图案、雷达罩频率选择面图案的高精度加工中。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种异质材料曲面微结构加工方法，其特征在于，步骤包括：
步骤1、基材选择：选取具有曲面轮廓的零件作为基材(9)；
步骤2、超声波清洗：在无水乙醇中超声波清洗所述基材(9)；
步骤3、吹干：高压气流吹干所述基材(9)；
步骤4、射频清洗：射频清洗所述基材(9)的镀膜面；
步骤5、金属镀膜：金属靶材在所述基材(9)的镀膜面形成均匀致密的金属镀层(10)；
步骤6、超快激光加工：超快激光精密加工机床在覆有所述金属镀层(10)的基材(9)镀膜面超快激光加工微结构(11)得到样件；
步骤7、二次超声波清洗：在无水乙醇中超声波清洗所述样件；
步骤8、吹干：高压气流吹干所述样件；
所述步骤1中，所述基材(9)表面无缺陷；
所述步骤4中，使用防锈铝工装对所述基材(9)的非镀膜面进行装夹和保护，并对射频清洗环境抽真空形成真空室，真空度5.0×10-3Pa，在所述真空室中通入氩气，射频放电并通过电磁场控制清洗所述基材(9)的镀膜面；
所述步骤5中，磁控溅射所述金属靶材，将金属靶材粒子射向所述基材(9)的镀膜面，形成均匀致密的金属镀层(10)；
所述步骤6中，所述超快激光的激光频率为100～1000KHz，脉冲宽度为1～100ps，光斑半径为1～10um，扫描速度50～500mm/s。
2.根据权利要求1所述的异质材料曲面微结构加工方法，其特征在于，所述步骤5中，所述金属靶材包括金、铬和铝，不同金属靶材能够依次镀膜，在所述基材(9)的镀膜面形成多层异质金属镀层(10)。
3.根据权利要求1所述的异质材料曲面微结构加工方法，其特征在于，所述样件镀膜面的微结构(11)毛刺长度能够低于4um。
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