曹發(fā)祥 孔金星 杜東興

(中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

摻釹釔鋁石榴石(Nd-Doped Yttrium Aluminum Garnet，簡稱Nd：YAG，分子式為Nd：Y3Al5O12)晶體因其透光率高、耐沖擊、抗熱蠕變等優(yōu)良的光學(xué)、機(jī)械和熱性能，成為了高功率激光器常用的增益介質(zhì)材料，其制造質(zhì)量對能量傳輸效率、光束質(zhì)量等性能指標(biāo)具有重要影響[1- 2]。Nd：YAG晶體屬于典型的硬脆材料，具有硬度高、塑性差、對缺陷敏感等特點，磨削過程中極易產(chǎn)生表面/亞表面裂紋及殘余應(yīng)力等加工損傷，勢必增加后續(xù)產(chǎn)品的拋光難度和生產(chǎn)周期，甚至影響其使用性能。國內(nèi)外學(xué)者提出了超聲振動輔助磨削[3- 4]、高速磨削[5]等方法進(jìn)行磨削過程中的亞表面損傷控制，但上述方法并沒有改變材料本身的硬脆特性，硬脆材料的加工損傷控制受到一定限制。

針對上述情況，有學(xué)者通過材料改性技術(shù)來改善材料表面的潤滑狀態(tài)，調(diào)整硬脆材料的力學(xué)性能，如提高材料的韌性并降低硬度，以減少硬脆材料的加工損傷，提高加工質(zhì)量，提升效率。Fang等[6]提出了離子注入輔助納米切削技術(shù)，利用離子注入技術(shù)增加硬脆材料的臨界切深，降低材料的硬度，提高了單點金剛石的切削效率；Katahira等[7- 8]采用常溫等離子體射流(APPJ)輔助銑削技術(shù)，通過改善碳化硅材料的表面潤濕性，使表面粗糙度相比傳統(tǒng)銑削降低50%～80%。根據(jù)Esmaeilzare等[9]的研究結(jié)果，粗糙度大小與亞表面損傷深度呈正相關(guān)，因此，Katahira等提出的等離子體輔助銑削碳化硅技術(shù)可使加工損傷得到有效控制。Chen等[10]研究了經(jīng)APPJ預(yù)處理后材料潤濕性隨時間的演化規(guī)律，認(rèn)為低溫和低相對濕度有利于延緩材料的老化行為，等離子體處理后材料表面的超疏水特性轉(zhuǎn)變?yōu)槌志玫挠H水特性，但對改性后材料的力學(xué)性能尚未開展研究。

上述研究表明，基于等離子體輔助材料改性的加工方式主要是從改善潤濕性和表面硬脆特性兩方面來提高硬脆材料的切削特性，進(jìn)而提高材料的加工質(zhì)量，減少損傷。因此，探明等離子體改性后工件表層的力學(xué)性能以及潤濕性的演變規(guī)律，對于實現(xiàn)硬脆材料的加工損傷控制具有重要意義。文中采用常溫等離子體發(fā)生裝置，對Nd：YAG晶體材料經(jīng)N離子改性處理前后的表面力學(xué)性能、潤濕性進(jìn)行對比研究，以期為Nd：YAG的低損傷高效磨削提供試驗數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗方案

1.1 樣品準(zhǔn)備

用金剛石線鋸將Nd：YAG晶體棒料切割成15 mm×10 mm×7 mm的試樣，根據(jù)需要進(jìn)行磨削、拋光處理，表面粗糙度Sa分別控制在1 μm和1 nm左右。取切割、磨削以及拋光3種典型表面粗糙度試樣各2件，進(jìn)行等離子體改性后的親/疏水性能測試。另取1件拋光樣品(Sa<1 nm)進(jìn)行納米壓痕試驗，為便于后續(xù)壓痕形貌觀察，試驗前采用飛秒激光在樣品上標(biāo)記出4 mm×4 mm的兩個區(qū)域(如圖1所示)，納米壓痕試驗在激光標(biāo)記區(qū)域進(jìn)行。各試樣表面粗糙度及樣品編號如表1所示。

圖1 樣品7及其標(biāo)記示意

表1 樣品粗糙度

1.2 試驗方案

1.2.1 潤濕性試驗

為盡量接近實際加工過程中的工件狀態(tài)和潤滑條件，選用純水和橄欖油兩種液體，使用接觸角測量儀分別在切割、磨削、拋光3種典型表面粗糙度樣品上進(jìn)行潤濕性研究。表1中編號為1、3、5的試樣采用純水為測試液體，編號為2、4、6的試樣采用橄欖油為測試液體，滴液量均為0.7 μL，未改性表面接觸角測試結(jié)束后，對樣品表面進(jìn)行改性處理，測量改性處理后30 h內(nèi)的接觸角。

1.2.2 力學(xué)性能試驗

采用納米壓痕方法對拋光后的Nd：YAG晶體試樣進(jìn)行等離子體改性前后顯微硬度等表面力學(xué)性能的對比試驗，并研究改性后表面力學(xué)性能隨時間的變化規(guī)律。以表1中編號7的拋光樣品為對象，在圖1所示A區(qū)進(jìn)行常規(guī)納米壓痕試驗，載荷設(shè)定為0.5、1.0、5.0、10.0、15.0、30.0、50.0、70.0、100.0、200.0、300.0 mN，共計11組參數(shù)，加/卸載速度為100 mN/min，保壓10 s并重復(fù)7次，各壓痕間隔40 μm。在圖1所示B區(qū)進(jìn)行改性后表面力學(xué)性能隨時間變化規(guī)律的試驗，取15.0、30.0、70.0 mN在該區(qū)域進(jìn)行循環(huán)加載35 h的壓痕試驗，加/卸載過程與常規(guī)壓痕測試一致。所有壓痕加載完成后采用原子力顯微鏡(AFM)觀察壓痕形貌。

1.3 試驗設(shè)備

文中使用的常溫等離子體射流發(fā)生器由筆者所在課題組自行研制，其結(jié)構(gòu)見圖2，主要由電極系統(tǒng)、控制電源和供氣系統(tǒng)等組成。采用裸電極放電方式將高純氮氣離子化，氣體流量為12 L/min，氣體壓力為0.5 MPa，放電電壓為1.53 kV。該裝置將產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體射流，射流長度可達(dá)16 mm。文中等離子體改性處理時間為5 min。

圖2 等離子體射流發(fā)生裝置原理圖

接觸角采用上海軒準(zhǔn)儀器有限公司生產(chǎn)的SZ-CAMB3型接觸角測量儀進(jìn)行測量，自動加液時可控制滴液誤差在0.1 μL以內(nèi)，接觸角測量分辨率為0.01°，測量誤差為±0.1°。

納米壓痕試驗采用瑞士CSM公司生產(chǎn)的NHT2納米壓痕測試儀，載荷范圍為0～500 mN，載荷分辨率為40 nN，使用三棱錐玻氏壓頭進(jìn)行壓痕試驗，該壓頭尖端輪廓半徑為100 nm，中心與側(cè)面的夾角為63.5°。采用AFM觀察納米壓痕形貌，采用X射線光電子能譜儀(XPS)進(jìn)行改性前后表面元素的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 等離子體改性對Nd：YAG表面潤濕性的影響

2.1.1 等離子體改性前后Nd：YAG的表面潤濕性

根據(jù)接觸角θ的大小，液體在工件表面的潤濕性分為超親水(θ<10°)、親水(10°≤θ<90°)、疏水(90°≤θ<150°)以及超疏水(θ≥150°)4種狀態(tài)。顯然，接觸角越小，工件表面具有越好的親液性能，液體在工件表面越能實現(xiàn)有效鋪展。拋光、磨削和金剛石線鋸切割后，3種表面粗糙度特征的Nd：YAG晶體在等離子體改性前后的油/水介質(zhì)接觸角測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 接觸角測量結(jié)果

由圖3可知，未經(jīng)等離子體處理時，拋光、磨削、切割3種表面上油和水的接觸角分別為31.5°、20.0°、28.4°以及90.0°、97.0°、103.0°，顯然，未處理Nd：YAG表面表現(xiàn)出親油、疏水的特征。這是由于油的表面張力小于水，楊氏理論[11]表明，表面張力越小，接觸角越小，故造成油的接觸角小于水。經(jīng)等離子體處理后，油和水的接觸角分別變?yōu)?6.7°、11.0°、18.3°和1.7°、23.8°、26.0°，顯然，兩種液體在工件表面的接觸角明顯降低，尤其是純水液體，其接觸角下降更為明顯。

圖3結(jié)果還表明，Nd：YAG表面粗糙度對潤濕性具有明顯影響，橄欖油的接觸角隨粗糙度的降低呈增大趨勢，純水的接觸角隨粗糙度的降低呈減小趨勢。例如，拋光后的光滑表面經(jīng)等離子體處理后，純水的接觸角僅為1.7°，達(dá)到了超親水狀態(tài)，隨著表面粗糙度的增加，磨削后的精密表面接觸角增加到23.8°。這個結(jié)果與Wenzel[12]模型基本一致——當(dāng)固體表面對某種液體表現(xiàn)出親液性時，粗糙度會增強(qiáng)親液性；當(dāng)固體表面對某種液體表現(xiàn)出疏液性時，粗糙度會增強(qiáng)疏液性。對于切割后的粗糙表面，由于金剛石線鋸切割會在Nd：YAG表面留下犁溝，使得液體由犁溝向表面的擴(kuò)展受阻，這解釋了為何在粗糙度Sa均為1 μm時，磨削表面的接觸角小于切割表面(例如，未經(jīng)等離子體處理時，油在磨削表面和切割表面的接觸角分別為20.0°和28.4°)。

圖4為改性后30 h內(nèi)純水在拋光表面的接觸角隨時間的變化曲線，由于老化效應(yīng)，改性后1 h內(nèi)接觸角迅速增大，并在30 h內(nèi)保持在65.0°左右，與未改性時相比下降25%。這表明等離子體改性后30 h內(nèi)，Nd：YAG仍能保持一定的親水性。

圖4 改性后拋光表面純水的接觸角隨時間的變化

2.1.2 等離子體改性對Nd：YAG表面潤濕性的影響機(jī)理

表2 等離子體改性前后Nd：YAG表面的元素含量(原子百分比)

圖5 等離子體改性前后Nd：YAG表面的XPS譜圖與高分辨率O 1s分峰擬合

基團(tuán)會發(fā)生脫附及解離反應(yīng)[17]，最終導(dǎo)致等離子體改性后的接觸角慢慢恢復(fù)，如圖4所示。

2.2 等離子體改性對Nd：YAG表面力學(xué)性能的影響

2.2.1 等離子體改性前后的顯微硬度

圖6所示為未改性時壓痕硬度與載荷的關(guān)系曲線。由圖可知，顯微硬度隨載荷的增加呈先急速增大后緩慢減小的趨勢。0.5、1.0 mN載荷時的顯微硬度遠(yuǎn)小于其他載荷時的顯微硬度，具有明顯的反尺寸效應(yīng)，顯微硬度H的計算公式如下[18]：

圖6 不同載荷下未改性表面的顯微硬度

H=Pmax/(Ahc)

(1)

式中，Pmax為最大載荷，A為壓頭尖端與試樣在最大載荷下的投影面積，與最大壓入深度hc的平方成正比。

為降低小載荷作用下的反尺寸效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響，選取15.0、30.0、70.0 mN共3種載荷，在等離子體處理后的拋光樣品B區(qū)域(如圖1所示，此時A、B區(qū)域表面均經(jīng)過等離子體處理)循環(huán)加載35 h，改性后Nd：YAG晶體在3種載荷下的顯微硬度隨時間的演變?nèi)鐖D7所示。

虛線為3種載荷下改性前壓痕的實測硬度，分別為19.4、20.0、18.7 GPa

由圖7可知，3種載荷作用下Nd：YAG晶體的顯微硬度具有相同的變化趨勢，主要可分為3個階段：在0～11 h時間段內(nèi)，顯微硬度幾乎不隨時間變化，與未改性時的顯微硬度相比略有下降；在11～22 h時間段內(nèi)，顯微硬度先快速下降，到達(dá)最低點后持續(xù)回升直至進(jìn)入新的穩(wěn)定階段；在22～35 h時間段內(nèi)，顯微硬度幾乎不隨時間變化，但低于第1階段和改性前的硬度。由于擬合數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)存在誤差，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，以0～11 h、11～22 h、22～35 h這3個時間段的實測顯微硬度平均值進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3所示。由表可知： 0～11 h時間段，3種載荷作用下的平均顯微硬度相比改性前分別下降7.7%、9.3%和1.1%，下降幅度小于10%；11～22 h時間段，3種載荷作用下的顯微硬度相比改性前下降明顯，下降幅度分別為56.2%、45.0%、31.6%；22～35 h時間段，顯微硬度下降幅度分別為31.4%、33.5%和19.8%。

表3 各階段壓痕的平均顯微硬度

圖7和表3數(shù)據(jù)表明，等離子體射流能明顯降低Nd：YAG的顯微硬度，改性后硬度隨時間的變化經(jīng)歷了保持、下降與回復(fù)、穩(wěn)定3個階段，在相同時間段，載荷越小硬度下降的比例越大。顯然，等離子體作用下Nd：YAG晶體的表面力學(xué)性能改善明顯。

圖8為70.0 mN載荷下未改性Nd：YAG晶體及等離子體處理0、17、35 h后的Nd：YAG晶體的壓痕深度-載荷曲線，可以看出，最大壓痕深度從大到小依次為17 h、35 h、0 h、改性前。根據(jù)式(1)，相同載荷下，壓痕深度越大，表面顯微硬度越小，顯微硬度由小到大依次為17 h、35 h、0 h 和改性前，這與圖 7(c) 所示的顯微硬度隨時間的變化趨勢相吻合。

2.2.2 等離子體改性前后的壓痕形貌分析

圖9所示為15.0、30.0、70.0 mN載荷作用下，

圖8 70.0 mN載荷下的壓痕深度-載荷曲線

在等離子體處理后0、17、35 h采用原子力顯微鏡得到的壓痕形貌。由圖可知，Nd：YAG晶體未經(jīng)等離子體處理時，壓痕內(nèi)部有“階梯”狀形貌特征，等離子處理后，在0 h時，壓痕周圍出現(xiàn)“陰影”(箭頭所指)現(xiàn)象，而在17 h和35 h后，壓痕形貌無上述情況。這表明未處理壓痕內(nèi)部和等離子體處理后0 h加載的壓痕周圍力學(xué)性能在改性后17 h內(nèi)可能發(fā)生了劇烈變化。

圖9 各階段壓痕表面形貌

由實驗設(shè)計過程可知，未改性處理壓痕試驗完成后，整個表面被改性處理，再進(jìn)行改性后的循環(huán)加載壓痕試驗。由于表面被改性時等離子射流不絕對垂直于樣品表面，使得等離子射流集中噴在已存在壓痕的內(nèi)部某一側(cè)面，導(dǎo)致該壓痕側(cè)面與樣品表面同時被改性。由圖7可知，顯微硬度在改性11 h后迅速降低，此時表面力學(xué)性能發(fā)生劇烈變化。等離子體射流激發(fā)的活性粒子被固體表面吸收而發(fā)生Rehbinder效應(yīng)[19]，導(dǎo)致工件表面塑性抗力降低。上述結(jié)果表明，11 h時Nd：YAG晶體表面的塑性迅速提高，表面材料被軟化并向約束小的壓痕內(nèi)部發(fā)生自發(fā)的流動，導(dǎo)致“階梯”和“陰影”特征出現(xiàn)，11 h后顯微硬度并未出現(xiàn)迅速下降，因此“階梯”和“陰影”特征僅出現(xiàn)在改性前已存在的壓痕和改性后11 h內(nèi)加載的壓痕形貌中。

上述分析表明，等離子體射流通過改變Nd：YAG晶體的表面塑性來影響不同階段加載的壓痕的表面形貌。圖9所示各階段加載的壓痕的形貌與圖7所示顯微硬度隨時間的變化規(guī)律相互印證。

3 結(jié)論

文中研究了等離子體射流對Nd：YAG晶體表面潤濕性和力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下。

(1)常溫等離子體對3種粗糙度特征的Nd：YAG晶體的表面潤濕性具有重要影響，改性后晶體表面呈現(xiàn)更優(yōu)的潤濕性，尤其是光滑表面由疏水轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水，且在30 h內(nèi)保持良好的親水狀態(tài)。隨粗糙度的減小，橄欖油的接觸角增大而純水的接觸角呈減小趨勢。

(2)等離子體處理后Nd：YAG晶體表面的C、O元素顯著改變，碳氧官能團(tuán)含量由15.0%提高到33.6%，Nd：YAG晶體表面含氧官能團(tuán)的增加是親水性改善的主要原因。

(3)等離子體對Nd：YAG晶體表面力學(xué)性能的影響顯著，在0～35 h的循環(huán)加載過程中顯微硬度呈現(xiàn)保持、下降與回復(fù)、穩(wěn)定3個階段。在11～22 h階段具有最低的表面顯微硬度，與未改性顯微硬度相比，最大載荷為15.0、30.0、70.0 mN時，平均顯微硬度分別降低了56.2%、45.0%、31.6%。

(4)等離子體對不同階段加載的壓痕表面形貌有重要影響，由于改性后11 h時Nd：YAG晶體的塑性迅速提高，“階梯”和“陰影”特征僅分別存在于改性前加載的壓痕和改性后11 h內(nèi)加載的壓痕形貌中，各階段壓痕形貌與硬度具有映射關(guān)系。