陳俊云，趙灼錚，趙智勝，SOLDATOV Alexander V.

(1.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004；3.燕山大學 車輛與能源學院，河北 秦皇島 066004;4. 呂勒奧理工大學 工程科學與數(shù)學系，瑞典 呂勒奧 SE-97187)

0 引言

聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride, PcBN)具有硬度高、韌性好、耐磨性高等優(yōu)點，在加工黑色金屬時的材料去除效率可以達到金剛石的10倍，經(jīng)濟效益顯著，綜合加工成本相對較低[1]。因此，PcBN在切削、磨削等加工領域的應用十分廣泛，也是非常有潛力的超硬刀具原材料。但是目前工業(yè)上所使用的PcBN材料都含有金屬或陶瓷粘結(jié)劑，粘結(jié)劑的存在一定程度上提高了聚晶塊材的斷裂韌性(3～6 MPa·m0.5)，但會降低其硬度(Hv30 GP左右)，并且導致其耐磨性和熱穩(wěn)定性顯著降低。最近燕山大學高壓科學中心田永君科研團隊在工業(yè)壓力下(5～7 GPa)合成出了無粘結(jié)劑的聚晶氮化硼塊材，它的物理性能優(yōu)于工業(yè)上廣泛應用的PcBN材料，硬度和斷裂韌性分別達到Hv=40～50 GPa、KIC=8～10 MPa·m0.5，另外空氣中抗氧化溫度大于1 200 ℃[2]。因此新型聚晶氮化硼塊材將成為鐵基金屬、硬質(zhì)合金等零部件精密和超精密切削的重要刀具材料，該材料的高效率、高精度加工技術(shù)亟待進一步探索。

目前飛秒激光技術(shù)廣泛應用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領域，尤其在超硬材料的加工方面優(yōu)勢顯著。這是因為它的瞬時能量非常高[3]，而且作用時間極其短[4]，對材料的去除效率高，性能穩(wěn)定，對非加工區(qū)域無附加影響，可以實現(xiàn)精準的靶向加工。如SUZUKI等[5]使用飛秒激光對圓柱形單晶金剛石進行了加工，通過三維加工技術(shù)制造了用于加工非球面模具的金剛石銑刀，然后使用該銑刀對無粘結(jié)劑的平面碳化鎢模具進行了切削實驗，獲得的模具精度約為100 nm。AMAMOTO等[6]采用波長為1 060 nm的脈沖激光對納米多晶金剛石刀具的成形技術(shù)進行了探究，通過在中心立柱上安裝能夠聚焦激光束的鏡面陣列，并按照CAD/CAM系統(tǒng)計算出的路徑對工件表面進行掃描，成功地開發(fā)了一種適合于納米多晶金剛石刀具的激光加工技術(shù)。YOSHINORI等[7]使用200 kHz的飛秒激光對無結(jié)合劑的多晶金剛石進行了球頭銑刀制備實驗，通過激光磨削法對多晶金剛石進行了拋光加工，刀具的表面幾乎沒有出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象。WARHANEK等[8]使用飛秒激光對聚晶金剛石進行了鏜孔刀具加工實驗，通過與電火花加工法的對比分析，發(fā)現(xiàn)了飛秒激光具有無磨損去除材料的優(yōu)勢?？梢钥闯?，飛秒激光技術(shù)的脈沖寬度小、熱效應低，非常適合超硬材料刀具的高精度制造。因此，本文采用飛秒激光加工技術(shù)，通過實驗研究新型聚晶氮化硼塊材的加工特性及材料去除機理。

1 實驗設備和樣品

實驗中所用的材料是新型聚晶氮化硼圓柱形塊材，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 無粘結(jié)劑聚晶氮化硼性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of polycrystallineboron nitride without binder

本實驗基于WOP公司開發(fā)的FemtoLAB飛秒激光微加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由三部分組成，即激光加工部分、操作平臺部分、輔助裝置部分。激光加工部分包括摻鈦藍寶石飛秒激光發(fā)射器、激光傳送單元等。飛秒激光系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，飛秒激光束首先由摻鈦藍寶石飛秒激光器發(fā)射，在激光傳送單元和反射鏡的共同作用下，改變運動的方向，使其可以投射在被加工物體的表面；然后利用計算機控制聚焦元件進行對焦；通過控制操作平臺的高精度移動，并借助于CCD攝像機對樣品加工表面進行精確地定位和實時監(jiān)控，各個部分協(xié)同配合，共同完成加工過程。然后使用掃描電子顯微鏡(SEM, Scios, Thermo Fisher)對聚晶氮化硼材料燒蝕孔與微槽的形貌進行了檢測，使用原子力顯微鏡(AFM, Dimension Icon, Bruker公司生產(chǎn)的型號)對聚晶氮化硼的表面粗糙度進行了檢測。

2 燒蝕閾值計算和燒蝕孔形貌

2.1 燒蝕閾值計算方法及單脈沖閾值

飛秒激光加工聚晶氮化硼材料時，只有當能量密度超過某一臨界值后才能產(chǎn)生有效的材料去除，這個臨界值就是燒蝕閾值。激光的能量密度低于燒蝕閾值就不會產(chǎn)生燒蝕；另一方面能量密度過高，則會使材料表面因過度燒蝕產(chǎn)生各種缺陷，因此燒蝕閾值是控制材料去除效率及加工精度的重要參數(shù)。所以本文首先通過理論計算和單點燒蝕實驗研究聚晶氮化硼材料的燒蝕閾值。

飛秒激光束在空間的能量分布近似于高斯函數(shù)分布，如圖2所示，其空間能量的表達式為[9]

(1)

式中，R為飛秒激光束的最小截面半徑；d為測量點到飛秒激光中心的距離；I0為飛秒激光中心的峰值能量密度。

當飛秒激光燒蝕區(qū)域的直徑為D時，飛秒激光去除材料所需的最小能量密度為Ik，Ik就是材料的燒蝕閾值，它們之間的關(guān)系式滿足

(2)

通過整理可以得到

(3)

飛秒激光的脈沖能量為

(4)

飛秒激光的功率與脈沖能量的關(guān)系為

(5)

式中，f為脈沖重復頻率；P為激光的功率。

根據(jù)以上公式可以推出

(6)

結(jié)合式(4)與(7)可以得出

D2=2R2ln(Ft)-2R2ln(Fk)，

(7)

取D2與lnP的線性關(guān)系式：

(8)

這里通過多組實驗測量不同功率的飛秒激光束燒蝕聚晶氮化硼后得到的圓孔直徑，再通過直線擬合及計算分析，就可以得到聚晶氮化硼單脈沖燒蝕閾值Ik，相關(guān)實驗參數(shù)如表2所示。

表2 計算飛秒激光燒蝕閾值的實驗參數(shù)Tab.2 The experimental parameters for calculating ablation threshold of femtosecond laser

通過改變飛秒激光的相關(guān)參數(shù)對聚晶氮化硼材料進行單脈沖燒蝕閾值實驗，結(jié)果顯示隨著飛秒激光的功率遞增，所得的燒蝕直徑越來越大，并且燒蝕直徑的平方與飛秒激光功率的對數(shù)存在線性關(guān)系，如圖3所示。根據(jù)對燒蝕閾值的理論分析以及實驗結(jié)果計算，得到聚晶氮化硼的單脈沖燒蝕閾值為0.593 J/cm2。

2.2 多脈沖燒蝕孔的形貌分析

飛秒激光在不同功率下加工聚晶氮化硼樣品后的表面形貌如圖4所示，在低功率加工材料時飛秒激光的去除機理是以弱燒蝕為主，被加工區(qū)域附近沒有殘留碎屑、裂紋及其他缺陷，如圖4(a)和(b)所示，表明此時在聚晶氮化硼表面進行的是熔化與汽化過程。當激光功率達到40 mW時，在被加工區(qū)域的側(cè)壁開始出現(xiàn)周期性納米條紋結(jié)構(gòu)，如圖4(c)和(d)所示，這是因為先入射的飛秒激光在材料內(nèi)部有輻射殘余[10]，并且這種輻射殘余在材料內(nèi)部以電磁波的方式進行傳遞，當它們與后面入射的飛秒激光發(fā)生干涉作用后就會導致材料側(cè)壁的能量吸收不均勻，對材料產(chǎn)生破壞作用，生成大量的納米條紋結(jié)構(gòu)。在高功率條件下，被加工區(qū)域的側(cè)壁還出現(xiàn)了重鑄顆粒，見圖4(d),這種現(xiàn)象表明采用高功率加工時，材料會出現(xiàn)相變現(xiàn)象，這是因為在一瞬間飛秒激光具有很高的峰值功率，隨后激光會迅速地將能量傳遞給內(nèi)部電子，內(nèi)部電子發(fā)生電離后產(chǎn)生自由離子，當電離產(chǎn)生的離子與晶格發(fā)生碰撞后就會將能量傳遞給晶格，晶格的溫度會隨著能量的積累而升高，然后晶格的高溫導致材料出現(xiàn)相變現(xiàn)象。

3 激光加工微槽及平面的實驗分析

采用飛秒激光對聚晶氮化硼進行直線微槽加工，通過改變飛秒激光的入射功率、掃描速度研究不同實驗參數(shù)對微槽的形貌、尺寸的影響規(guī)律。然后通過平面加工實驗分析飛秒激光的加工精度。實驗結(jié)果也可以為飛秒激光加工聚晶氮化硼的材料去除效率提供參考。

3.1 飛秒激光參數(shù)對微槽尺寸的影響

如圖5 所示，隨著入射功率的增加，微槽的寬度越來越大。由于飛秒激光束的高斯分布，激光束中心位置的能量最高，距離中心越遠的位置能量越低，所以在入射功率很低的條件下只有光束中心附近的區(qū)域才有材料去除，而其他區(qū)域的能量密度低于燒蝕閾值。當功率逐漸增大時，飛秒激光的能量密度超過燒蝕閾值的區(qū)域也逐漸擴大，即材料去除面積增加。并且入射功率逐漸提高時，激光里攜帶的光子數(shù)量也在不斷增加，當光子的數(shù)量增大到一定程度后，電子就會與大量的光子發(fā)生反應形成多光子電離。多光子電離的效率與飛秒激光的強度密切相關(guān)，激光強度越高則多光子電離的效率就越高。此外當飛秒激光的功率較大時，種子電子就會吸收能量使動能不斷地提升，當種子電子撞擊原子后就會產(chǎn)生兩個新的自由電子，當此過程循環(huán)發(fā)生后自由電子的數(shù)目就像雪崩一樣快速增長，形成雪崩電離[11]，從而提高了材料去除的速率。所以高功率條件下聚晶氮化硼的材料去除效率較高。

從圖6可以看出，隨著飛秒激光掃描速度的增加，直線微槽的寬度逐漸減小，這是因為當飛秒激光掃描速度變大時光斑的重疊率下降，在同一位置、單位時間內(nèi)激光的能量密度與光斑的重疊率成反比。所以當激光掃描速度提高后，被加工材料表面輻射的激光能量密度降低，即在相同入射功率下聚晶氮化硼的材料去除量減少。

3.2 微槽形貌及材料去除機理分析

當掃描速度為0.1 mm/s，不同激光功率條件下的微槽形貌如圖7所示。

激光功率為200 mW時聚晶氮化硼槽底部出現(xiàn)了大量的沉淀物，如圖7(a)所示，這是因為低功率無法使底部的材料被充分地燒蝕，而且此時加工出的直線槽內(nèi)部空間偏小，導致了一部分被激光燒蝕后的殘留物無法及時從母體材料上脫落逸出，最后在材料底部不斷堆積形成沉淀物。當激光的入射功率增加到300 mW后，可以看到直線槽整體形貌良好，底部的材料可以有效去除，側(cè)壁沒有出現(xiàn)裂紋，說明此時聚晶氮化硼處于弱燒蝕狀態(tài)，材料的去除方式以熔化、汽化為主。如圖7(c)和(d)所示，激光功率高于400 mW時微槽側(cè)壁出現(xiàn)了裂紋，表面質(zhì)量非常粗糙。這是因為此時入射功率很強，導致作用在槽內(nèi)部的激光能量密度過高，遠遠超過了燒蝕閾值，在材料的去除過程中發(fā)生了庫倫爆炸[12]現(xiàn)象。也就是在激光強大的能量場作用下分子經(jīng)過多次電離后會產(chǎn)生價態(tài)更高的離子，然后在其內(nèi)部強靜電場力的作用下，高價態(tài)的離子會生成更小的離子，并且離子的動能有了很大的提升，加快了從母體材料脫離的速度，當庫倫爆炸的沖擊波向外擴散后產(chǎn)生了大量的裂紋。此時，聚晶氮化硼的去除機理為快速熔化、快速汽化與庫倫爆炸相結(jié)合的方式。

根據(jù)圖7，激光功率300 mW時微槽的加工形貌較好，在此條件下分析掃描速度的影響，發(fā)現(xiàn)當掃描速度為1.0 mm/s時，聚晶氮化硼表面微槽的成形質(zhì)量較好。如圖8所示，直線槽的側(cè)壁相對比較平整，沒有出現(xiàn)較大的凹坑結(jié)構(gòu)、顆粒物或裂紋，邊緣比較清晰，加工質(zhì)量較好。這說明此時被加工材料的內(nèi)部不存在大量的熱量積累，飛秒激光的能量可以被材料正常吸收。

3.3 飛秒激光加工平面的結(jié)果分析

根據(jù)上一節(jié)的實驗結(jié)果，選用入射功率300 mW、掃描速度1.0 mm/s對聚晶氮化硼平面進行了激光加工，采用原子力顯微鏡(AFM)檢測加工表面，結(jié)果如圖9所示。

可以看出，飛秒激光加工的聚晶氮化硼表面較為平整，表面粗糙度為0.156 μm，這說明飛秒激光加工技術(shù)能夠滿足新型聚晶氮化硼刀具的制造精度要求。

綜上所述，飛秒激光的入射功率對聚晶氮化硼的加工結(jié)果有著重要的影響。激光的入射功率高則材料去除效率高，但是會使材料表面發(fā)生過度燒蝕現(xiàn)象，嚴重破壞材料表面的微觀結(jié)構(gòu)，還會激發(fā)材料的內(nèi)部缺陷，對其晶體結(jié)構(gòu)造成不可逆的損傷。如果激光的入射功率很低，則加工效率下降，甚至不能有效地去除材料。掃描速度也是聚晶氮化硼加工中的重要參數(shù)，在掃描速度較高的條件下，激光束的重疊率很低，造成飛秒激光光斑過于分散、能量密度低。然而，低掃描速度會造成入射激光過于集中，重疊率過高使多束激光在很小的區(qū)域內(nèi)反復燒蝕，進而破壞材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成裂紋、凹坑、重鑄顆粒等表面缺陷。在合適的入射功率和掃描速度條件下，能夠在聚晶氮化硼表面獲得亞微米級的表面粗糙度。

4 結(jié)論

本文采用飛秒激光加工技術(shù)研究了新型聚晶氮化硼材料的燒蝕工藝、形貌特征及材料去除機理，主要結(jié)論為：

1) 基于實驗和理論計算得出聚晶氮化硼的單脈沖燒蝕閾值為0.593 J/cm2。

2) 激光功率和掃描速度是影響聚晶氮化硼加工形貌的兩個重要參數(shù)，隨著激光功率的提高微槽的寬度逐漸增加；掃描速度增加則微槽的寬度逐漸減小。

3) 功率高于40 mW時，在孔壁上形成了大量的周期性條紋結(jié)構(gòu)；低能量密度時聚晶氮化硼材料主要以熔化、汽化為主，即弱燒蝕的形式去除，能量密度較高的條件下主要去除機理為快速熔化、快速汽化與庫倫爆炸相結(jié)合的方式。

4) 飛秒激光加工中，激光功率越高則材料去除效率越高，掃描速度主要影響加工表面的能量密度即加工質(zhì)量。在合適的激光參數(shù)下，能夠在聚晶氮化硼表面獲得亞微米級的表面粗糙度。