基于超快激光的PCD 超硬材料加工研究

郝生财，曹 康，王海滨，贾云海，郭建梅

（ 1. 北京市电加工研究所有限公司，电火花加工技术北京市重点实验室，北京 100191；2. 北京城市学院，北京 100083 ）

超硬材料一般指高强度、超硬度、高耐磨性、脆性大的复合材料，主要包括天然金刚石、人造单晶金刚石、 人造单晶立方氮化硼 （CBN）、 聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）及金刚石薄膜等材料[1-3]。 由于超硬材料拥有的诸多优异性能，在航空航天、医疗器材、汽车等领域拥有巨大的优势与广阔的应用前景[4-8]。 但是，超硬材料的硬脆特性使其加工性能差，极易产生微裂纹、变形和烧伤，成形加工非常困难，很大程度上制约了推广应用[9-11]。

传统的机械接触式加工易产生废屑、崩边、裂纹等不良影响，并且刀具损耗严重，增加了大量的加工成本。针对超硬材料的特点，科研人员积极研究超硬磨削加工技术，使之向高速、精密及超精密磨削方向发展[12-14]。 另一方面，电火花加工、超声加工、碳弧气刨加工、 激光加工等特种加工方式成为了超硬材料的加工方案[15-18]。 其中，非接触式的激光加工受到了广泛关注，纳秒、皮秒、飞秒激光器等逐渐进入了人们的视线，尤其是近年来超快激光的发展，研究人员利用超快激光开展了不同材料如单晶硅、 氧化铝陶瓷、镍基单晶超合金、碳纤维复合材料、不锈钢、蓝宝石的熔覆、切割、焊接、打孔等方法的研究[19-23]，从加工参数到工艺技术均有研究成果报道[24-29]。

超快激光作为新兴的加工方法， 在众多材料加工领域均有研究和应用[30-32]，但在超硬材料去除方面还处于起步与探索阶段。本文利用1 064 nm 皮秒激光对超硬材料PCD 进行了不同激光参数的加工尝试，研究加工机理并初步分析各激光参数对PCD加工的影响，以期为超快激光精密加工领域中的实践应用提供一定的数据支持，拓展超快激光在加工超硬材料领域的工程化应用。

1 实验部分

1.1 原材料

本研究所用样品为DT02 型PCD 复合片产品，由金刚石和结合剂在高温高压下烧结而成。 样品圆片外径42 mm，PCD 标准层厚0.4～0.7 mm， 平均粒度2 μm，韧性和导电性强，耐磨性较差，该材料适用于低硅铝合金的精加工， 可使工件获得较高的表面质量。

1.2 实验条件

选取皮秒激光系统加工参数：波长1064 nm、最大功率60 W、脉宽＜12 ps、场镜焦距160 mm、光斑直径约12 μm，考虑激光功率、加工速度、激光重复频率、填充线宽、加工次数对样品产生的影响，设置表1 的5 组实验方案对PCD 复合片进行研究，加工直径为1 mm，共计32 组数。

表1 实验方案

1.3 表征仪器及参数

超景深三维视频显微镜：放大倍率500；热场发射扫描电镜： 加速电压0.2～30 kV， 最大放大倍率100 万倍，最大分辨率1 nm；EDS 能谱仪：晶体活区面积≥40 mm2，元素分析范围Be4～Cf98，测量时间80～120 s；激光显微共聚焦拉曼光谱仪：激光光斑约1 μm，功率约5 mW，曝光时间20 s，累加2 次，测谱范围1 000～2 000 cm-1。

2 结果与分析

2.1 超景深三维显微镜分析

利用超景深三维显微镜可对实验样品的加工深度进行观测，在激光功率50 W、加工次数70 次条件下的三维图像见图1， 可见加工后材料表面比较均匀，加工深度达30.96 μm，纵向加工纹路清晰可见。

图1 样品5-7 的三维显微镜景深图

图2 是根据表1 中不同激光扫描策略得到的样品加工深度。可见，在单一变量下去除深度有一定规律可循。分析激光功率对样品加工深度的影响发现，加工深度随其增大而加大， 激光功率在10 W 时未检测到加工深度，这可能是由于激光功率过低，不足以达到加工超硬材料的热蚀除条件， 也可能是加工深度很小而未被显微景深检测到。 分析激光重复频率的影响发现，在不同激光重复频率下，加工深度几乎未受影响，曲线的上下浮动由测量误差所致。分析加工速度的影响发现，加工深度随其增加而减小，这是由于其他激光参数不变，随着加工速度的增加，激光作用于超硬材料上的时间变短，加工量变少、加工深度减小。分析填充线宽的影响发现，加工深度随其增加而减小，这是由于激光光斑有一定尺寸，当填充线宽超过光斑尺寸时， 实际上的激光加工并未完全进行，导致部分材料未被加工，加工深度会变小；当填充线宽小于光斑尺寸时， 部分材料会被加工不止一次，加工深度变大。 分析加工次数的影响发现，加工深度随其增多而增大， 在相同条件下加工1 次与加工10 次的加工深度并不呈线性关系， 由此可知，皮秒激光加工超硬材料大概率不能一次性完全蚀除掉，需要多次加工方可完全蚀除。

图2 不同激光参数下样品的加工深度

2.2 显微形貌分析

图3 是利用扫描电子显微镜对部分样品显微形貌的观测，倍率为2 000。 未加工样品的显微形貌上可以看到表面有一些杂质和划痕， 未有加工痕迹。样品1-1 的显微形貌图上表面划痕和杂质基本消失，表明超快激光确实作用于样品表面，但加工痕迹并不明显，仅有个别位置存在加工痕迹，这与显微景深观测结果一致。 样品1-6 的显微形貌图上表面划痕和杂质消失，加工痕迹明显且均匀分布，呈现规律的棒状结构。

图3 部分样品扫描电子显微形貌图（×2 000）

图4 是利用扫描电子显微镜对部分样品显微形貌的观测，倍率为10 000。 未加工样品的显微形貌上可看到表面的划痕和杂质，只是由于视场变大，可见范围变小。 样品1-6 经放大后，表面形貌比较清晰，棒状结构排布整齐，整体呈片状铺设，有石墨化的趋势。 样品5-7 的显微形貌图上棒状结构非常明显，碳结构排布较为均匀，石墨化现象明显。

图4 部分样品扫描电子显微形貌图（×10 000）

2.3 能谱分析

图5 是利用EDS 能谱仪对样品5-1 进行的X射线能谱。 测试结果表明，金刚石复合片主要由碳、钨、钴和氧四种元素组成，其中：碳是金刚石粉末的主要组成物，含量最高；钨和钴作为结合剂存在，使金刚石晶体间形成结合桥； 氧则是在金刚石复合片制造过程中混入的成分，含量较低。

图5 样品5-1 的X 射线能谱图

2.4 拉曼光谱分析

拉曼光谱是表征石墨最全面的方法， 特别是由于碳有多种同素异形体， 拉曼光谱可以区分结晶金刚石与非晶类金刚石，图6 是样品5-7 的拉曼光谱图，由于金属钨和钴的存在，导致样品上荧光背景较强，拉曼测试信号较弱。 在激光加工前，测试了未加工样品的多个位置，并未测得任何拉曼特征峰；激光加工后在同样条件下测试，测得D 峰（1 334 cm-1）和G 峰（1 561 cm-1）两个拉曼特征峰与Eberle 论证的石墨峰[33]高度一致，表明该超快激光加工后的物质为石墨。同时，拉曼光谱D 峰尖锐且高于G 峰，同样表明了金刚石复合片经过皮秒激光加工后出现了石墨化现象，证明该激光脉冲通过石墨化机制对金刚石复合材料进行烧蚀，从而产生一定的残余热影响。

图6 激光加工前后的PCD 拉曼光谱

3 结论

利用1 064 nm 皮秒激光， 通过改变激光功率、重复频率、加工速度、填充线宽、加工次数等参数对金刚石复合片进行加工，并对加工结果进行了分析，得到以下结论：

（1）激光功率和加工次数对加工深度影响较大，随着激光功率和加工次数增大，加工深度增大，但不呈线性关系；加工速度和填充线宽对加工深度影响较小，随着加工速度和填充线宽增大，加工深度减小；而激光重复频率对加工深度几乎无影响。

（2）采用超快激光在不同参数条件下加工金刚石复合片， 得到一次去除深度在2.19～7.76 μm 之间，而提高加工次数可以很明显提高去除深度。

（3）通过X 射线能谱、扫描电镜和拉曼光谱测试表明，金刚石复合片主要由碳、钨、钴和氧四种元素组成，超快激光加工后出现了石墨化现象，证明超快激光对金刚石复合片的烧蚀机制为石墨化机制。