CN113430523A - 一种光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法 - Google Patents

一种光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于包括有以下步骤：(1)小磨头数控研抛：采用铝合金小磨头数控研抛方法，制备获得光学级铝合金材料样品；(2)化学预抛光：采用碱性抛光液对样品进行化学预抛光，在样品的表面形成氧化层；(3)超声前处理：在超净室采用去离子水对样品进行超声波清洗；(4)离子束刻蚀：(5)表面质量检测：检测样品表面是否满足指标要求，若不满足，重新进行离子束刻蚀，直到得到满足指标要求的铝合金材料。与现有技术相比，本发明的方法能够在铝合金表面获得光学用超光滑表面。

Description

一种光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法
技术领域
本发明涉及精密制造技术领域，具体指一种光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法。
背景技术
铝合金由于材料特性具有易于加工成型的特点，特别是目前单点铝合金数控车削技术的成熟，使其表面可加工成高精度非球面或衍射面面型，有利于光学系统的像差矫正，可以直接获得满足红外光学系统成像质量要求的光滑表面，同时能够有效地减少光学元件数量降低成本，因此在光学系统中的应用极为广泛。
而红外反射式光学系统具有相对口径大、结构紧凑轻量化等特点，而且反射式光学系统具有无色差、工作波段宽的优点，因此铝合金反射镜在红外光学系统中应用更为频繁，铝合金受到工程光学领域的青睐。
此外，空间光学系统的温度波动非常大，若镜体和支撑结构所用材料热膨胀系数相差很大，将导致各结构尺寸的变化量相差很大，最终使反射镜产生应力变形，像质褪化。而且温度变化还会使反射镜面形发生变化，导致系统像面位移。而空间光学系统的支撑结构也多采用金属(包括铝合金)材料，采用铝合金作反射镜材料，使其和支撑结构的材料特性相近，有利于削除热应力变形，减小像面位移。
铝合金必须经过表面加工处理才能获得超光滑表面，才能达到使用要求。如专利申请号为CN200810242687.4(公布号为CN101513727A)的发明专利《一种镜面铝合金花纹板抛光工艺及制备方法》公开了使用机械抛光方法生产镜面铝合金花纹板。
铝合金常用的加工方法有：单点铝合金超精密车削、光学冷加工、工件表面镀层等，每种方法都有各自的优缺点。单点铝合金车削效率高、形状精度高，优点为粗糙度达纳米级，缺点为刀具纹路使被加工表面在可见和紫外光学系统应用中受限工艺仍需深入研究；光学冷加工是用金属加工机床精密切削铝合金金属反射镜面后，再对其进一步磨抛，用化学机械抛光方法将铝平面镜抛光至平均表面粗糙度值在0.4到1nm之间，但是这种方法还不能够应用到三维抛光，加工效率低，对复杂面形光学反射镜加工精度难以保证；工件表面镀层的镀层材料超精密可加工性好，但由于与基底材料性质不同，易出现变形、起皮和开裂现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，该方法能够在铝合金表面获得光学用超光滑表面。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于包括有以下步骤：
(1)小磨头数控研抛：采用铝合金小磨头数控研抛方法，制备获得光学级铝合金材料样品；
(2)化学预抛光：采用碱性抛光液对样品进行化学预抛光，在样品的表面形成氧化层；
(3)超声前处理：在超净室采用去离子水对样品进行超声波清洗；
(4)离子束刻蚀：
A、在超净室完成样品夹装，接着将样品放入离子束抛光设备的副腔室样品架，关闭副腔室，然后将样品传递到主腔室；
B、开启离子源，待离子源稳定；
C、采用六轴运动控制系统控制离子束对样品进行大面积均匀刻蚀抛光；
(5)表面质量检测：检测样品表面是否满足指标要求，若不满足，重新进行离子束刻蚀，直到得到满足指标要求的铝合金材料。
优选地，步骤(1)中所述铝合金小磨头数控研抛方法的具体步骤如下：先检测铝合金的初始面形，然后设定数控抛光代码，控制工艺过程，逐级收敛加工，去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度，研磨加工后表面轮廓波动平均间距减小，波纹细密性提高，工件表面网纹交错，形成均匀一致的光滑表面。
优选地，步骤(2)中所述的碱性抛光液为NaOH溶液，该NaOH溶液的浓度为8～10wt％。
优选地，步骤(2)中所述的碱性抛光液中含有缓蚀剂和表面活性剂，所述的缓蚀剂为硫脲、硅酸钠中的至少一种，所述的表面活性剂为聚合度为40的脂肪醇聚氧乙烯醚(O-40)。
优选地，步骤(4)中所述离子束的工作气体为氩气与氧气混合气体。
优选地，所述氩气和氧气的体积比为6:1
优选地，步骤(4)中所述离子束的直径为10～40mm。
优选地，步骤(4)中所述离子束刻蚀的工艺参数如下：束压为1～1.5kV，真空室压力为5.0×10-3，束流为50-70mA，工作距离为25～40mm，去除角度为30～45度。
优选地，步骤(5)中满足指标要求的条件为：PV≤a且b≤Ra≤c；
其中，PV为样品的面型精度，Ra为样品的表面粗糙度，a、b和c均为预设值。
优选地，所述a的值为100μm，所述b的值为1nm，所述c的值为1.5nm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)采用创新的工艺路线，首先对车削后铝合金采用小磨头数控研抛去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度，研抛后采用纳米级含有混合缓蚀剂的碱性抛光液进行化学抛光去除研抛后周期性纹路，然后进行超声波前处理去除前期抛光杂质，利于提高离子束抛光表面质量，再利用反应离子束刻蚀加工铝合金，明显改善车削痕迹特征的表面形貌，在反应能束加工过程中可以将其平滑到一定程度，而无需额外在其表面镀制涂层，获得理想的超光滑表面；
(2)在铝合金表面的反应离子束刻蚀抛光处理过程中没有形成挥发性物质，对环境没有污染，拓展铝合金在更宽范围的光学领域应用；
(3)多维能束为多轴(六轴)离子束运动控制系统，可实现平面及复杂曲面铝合金抛光；
(4)反应能束使用的工作气体为氩气与氧气混合气体，氧离子束的使用，可以在铝合金表面形成一层非平衡沉积相，为离子束均匀刻蚀去除提供了基础条件。
附图说明
图1为本发明实施例中光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法的工艺流程图；
图2为本发明实施例中反应离子束抛光铝合金的原理示意图；
图3为本发明实施例中铝合金反应离子束刻蚀抛光路线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法包括有以下步骤：
(1)小磨头数控研抛：先检测铝合金的初始面形，然后设定数控抛光代码，控制工艺过程，逐级收敛加工，对铝合金原料进行加工，制备获得光学级铝合金材料样品；
使用干涉仪进行表面质量检测，包括面形及表面粗糙度，测得加工后面形PV为50～200μm，表面粗糙度Ra为0.5～2μm；
(2)化学预抛光：将样品放置在含有硫脲、硅酸钠和聚合度为40的脂肪醇聚氧乙烯醚的浓度为8～10wt％的NaOH溶液中进行化学粗化5～10s，用蒸馏水冲洗，然后在空气中干燥，NaOH蚀刻后，铝合金的表面形成氧化层；
使用原子力显微镜AFM及白光干涉仪进行表面显微结构及氧化层特性测试，包括粗糙度及去除量，使用质谱仪进行样件表面氧化层成分的分析，经过此次处理，表面粗糙度有所下降，测得Ra降至500nm以下，可见表面粗糙度是通过多层抛光工艺逐级收敛的；
(3)超声前处理：在超净室完成，夹装样品前要先对铝合金元件表面进行清理。将待加工工件使用去离子水进行超声波清洗后，烘干待用；
(4)离子束刻蚀：
A、在超净室完成样品夹装，接着将样品放入离子束抛光设备的副腔室样品架，关闭副腔室，然后将样品传递到主腔室；
B、开启离子源，离子源在开启0.5～1小时后达到稳定状态，此时得到稳定的离子束流；
C、采用六轴运动控制系统控制离子束对样品进行大面积均匀刻蚀抛光，反应离子束刻蚀铝合金原理如图2所示；
其中，在开启离子源前需要先在铝合金材料样品表面一层进行抛光探索工艺参数，具体步骤如下：
①控制离子束垂直入射法拉第杯，在扫描方向上采用等间距采集数据，确定离子束电流密度参数；
②控制离子束垂直入射样品表面，在样品上进行扫描实验，通过干涉仪测量实验前后的样品抛光情况，经高斯拟合后得到去除函数；
③设定实验过程的材料去除量，根据去除函数，采用数值模拟仿真的方法计算离子束驻留时间；
④载入离子束驻留时间程序文件，开始抛光；
本实施例中，离子束刻蚀的工艺参数如下：使用射频离子源，频率为13.56MHz的聚焦离子束，束径为10～40mm，束压为1～1.5kV，工作气体为氩气与氧气混合气体(氩气和氧气的体积比为6:1)，真空室压力为5.0×10-3，束流为50-70mA，工作距离为25～40mm，去除角度为30～45度；在加工区域内，重复地以4mm/s的恒定速度和1mm的线间距在样品表明上进行蛇形扫描，扫描路径如图3所示，实现了200～1000nm的均匀去除；
(5)表面质量检测：使用原子力显微镜AFM及白光干涉仪进行表面测试，包括粗糙度及去除量，使用二次离子质谱仪进行样件成分的分析，测得样品的面型精度PV为65μm以及表面粗糙度Ra为1.2nm，上述两个指标满足PV≤100μm且1≤Ra≤1.5nm，可见得到的铝合金材料满足指标要求。

Claims (10)

1.一种光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于包括有以下步骤：
(1)小磨头数控研抛：采用铝合金小磨头数控研抛方法，制备获得光学级铝合金材料样品；
(2)化学预抛光：采用碱性抛光液对样品进行化学预抛光，在样品的表面形成氧化层；
(3)超声前处理：在超净室采用去离子水对样品进行超声波清洗；
(4)离子束刻蚀：
A、在超净室完成样品夹装，接着将样品放入离子束抛光设备的副腔室样品架，关闭副腔室，然后将样品传递到主腔室；
B、开启离子源，待离子源稳定；
C、采用六轴运动控制系统控制离子束对样品进行大面积均匀刻蚀抛光；
(5)表面质量检测：检测样品表面是否满足指标要求，若不满足，重新进行离子束刻蚀，直到得到满足指标要求的铝合金材料。
2.据权利要求1所述的光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于：步骤(1)中所述铝合金小磨头数控研抛方法的具体步骤如下：先检测铝合金的初始面形，然后设定数控抛光代码，控制工艺过程，逐级收敛加工。
3.据权利要求1所述的光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于：步骤(2)中所述的碱性抛光液为NaOH溶液，该NaOH溶液的浓度为8～10wt％。
4.据权利要求1所述的光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于：步骤(2)中所述的碱性抛光液中含有缓蚀剂和表面活性剂，所述的缓蚀剂为硫脲、硅酸钠中的至少一种，所述的表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚。
5.据权利要求1所述的光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于：步骤(4)中所述离子束的工作气体为氩气与氧气混合气体。
6.据权利要求5所述的光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于：所述氩气和氧气的体积比为6:1。
7.据权利要求1所述的光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于：步骤(4)中所述离子束的直径为10～40mm。
8.据权利要求1所述的光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于：步骤(4)中所述离子束刻蚀的工艺参数如下：束压为1～1.5kV，真空室压力为5.0×10-3，束流为50-70mA，工作距离为25～40mm，去除角度为30～45度。
9.据权利要求1至8中任一权利要求所述的光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于：步骤(5)中满足指标要求的条件为：PV≤a且b≤Ra≤c；
其中，PV为样品的面型精度，Ra为样品的表面粗糙度，a、b和c均为预设值。
10.据权利要求9所述的光学用铝合金表面多维可控反应能束复合抛光方法，其特征在于：所述a的值为100μm，所述b的值为1nm，所述c的值为1.5nm。
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