稀土氧化物激光晶体超精密磨削机理及工艺研究

【摘要】：稀土氧化物激光晶体是制作固体激光器核心部件的首选材料,在加工过程中容易产生脆性破碎、裂纹等表面/亚表面损伤,这些损伤会严重影响激光器的输出功率和使役寿命。目前这类材料在超精密加工尺度的力学性能和应力应变关系缺乏系统的研究,材料加工过程中表面/亚表面形成机理尚不明确,实现稀土氧化物激光晶体的高效高表面完整性加工成为固体激光器元件制造领域的瓶颈问题。本文针对石榴石和氧化镥这两类典型的稀土氧化物激光晶体,基于从准静态的纳米压痕和划痕实验到高应变率条件下的磨削实验、从材料力学性能和材料去除机理到形成超精密磨削加工工艺的研究思路,系统地开展了纳米压痕、纳米划痕及超精密磨削实验,获得超精密加工尺度下稀土氧化物激光晶体材料的力学性能和应力应变关系,揭示了这类激光晶体在超精密磨削加工过程中的表面/亚表面形成机理,形成了这类激光晶体材料的超精密磨削工艺,突破了激光器元件高效、低损伤的加工难题。开展了稀土氧化物激光晶体纳米压痕实验,获得了稀土氧化物激光晶体在超精密加工尺度的弹性回复率、纳米硬度、弹性模量和断裂韧性等力学性能,基于载荷-位移曲线获得了稀土氧化物激光晶体的应力应变曲线。开展了稀土氧化物激光晶体准静态变切深纳米划痕实验,基于弹塑性接触理论,建立了纳米划痕过程中弹塑转变深度和脆塑转变深度理论模型。TEM分析结果表明准静态纳米划痕中GGG晶体塑性变形是由高压应力诱导下的单晶向多晶纳米晶转变和非晶转变主导。该研究成果可为研究稀土氧化物激光晶体超精密磨削过程中材料的表面/亚表面形成机理提供理论支持。建立了考虑应变率效应的划痕深度预测模型,开展了不同刻划速度下稀土氧化物激光晶体纳米划痕实验验证了模型的可靠性。实验结果表明,高应变率导致亚表面更多方向上出现晶面滑移,这些滑移面共同承担了压头的载荷,抑制了长滑移面的产生,有效降低了亚表面损伤深度,提高了激光晶体的脆塑转变深度。该研究成果可为研究高应变率条件下稀土氧化物激光晶体的磨削过程中材料的表面/亚表面形成机理奠定基础。开展了稀土氧化物激光晶体超精密磨削实验,获得了无脆性断裂和裂纹损伤的塑性域磨削表面/亚表面加工质量。揭示了稀土氧化物激光晶体塑性域磨削机理,当工件与磨粒接触应力仅达到单一滑移系滑移所需的应力时,材料倾向于沿单一滑移系滑移,并伴随位错、层错、晶格扭曲等原子级塑性缺陷;当接触应力同时达到多个滑移系滑移所需的应力时,材料倾向于向多晶纳米晶和非晶转变形成塑性流动。建立了稀土氧化物激光晶体塑性域磨削力理论模型,该模型同时考虑了应变率效应、磨粒尖端半径随机分布以及工件材料的弹塑转变,模型预测值与实验结果一致性较好。该模型有助于进一步理解磨粒与工件之间的微观相互作用以及材料磨削表面/亚表面形成机理。建立了稀土氧化物激光晶体磨削表面微观形貌和粗糙度值的理论模型,该模型同时考虑了磨粒尖端半径、磨粒凸出高度和磨粒位置的随机性,开展了稀土氧化物激光晶体超精密磨削工艺实验验证了模型的可靠性。在稀土氧化物激光晶体的塑性域磨削中,磨削表面粗糙度值随着磨粒粒度的增加,近似呈线性增加,磨削工艺参数对磨削表面糙度值影响不显著。该理论模型有助于深入理解超精密加工尺度下材料的变形和去除行为,对稀土氧化物激光晶体的高效超精密磨削工艺参数的选择提供了理论支撑。开展了稀土氧化物激光晶体氧化石墨烯润滑辅助超精密磨削实验,揭示了氧化石墨烯润滑辅助磨削条件下稀土氧化物激光晶体塑性变形受氧化石墨烯的层间滑移和填充作用影响,由晶面滑移导致的纳米晶多晶化和非晶转变主导。与普通超精密磨削相比,氧化石墨烯润滑辅助磨削条件下工件表面粗糙度值Sa和摩擦系数分别降低了约25%和30%,该成果为实现稀土氧化物激光晶体的高效、低损伤磨削加工提供了新的理论基础和技术支撑。