长脉冲光学切割彩色宝石的切痕口剖析

长脉冲光学切割彩色宝石的切痕口剖析 文章来源：中国切割机网

　
　　1引言陶瓷的许多优良特性尤其高硬度方面应用广泛，而对其采用传统的机械切削加工却非常困难。辐照加工是一种非接触加工方式，在陶瓷上可加工出孔或沟痕，其尺寸能够通过能量大小加以控制，加工能源主要是电子束、等离子体和激光。这种非接触的加工技术不受工具的磨损的影响，并且不受加工材质电阻的影响。由于晶体及陶瓷材料硬而脆的特性，传统的机械加工方式导致刀具磨损量大，加工成本高，对难加工的晶体和陶瓷材料来说，激光切削加工是一种有效的非接触加工方法。
　　研究激光切割陶瓷及晶体报道较多，如Lei等采用CO2激光对Si3N4的切割进行研究，并对形成及减少开裂进行了定量的分析。Lumley成功采用CO2激光利用控制开裂的技术切割氧化铝陶瓷和玻璃等脆性的材料。近，Kondratenko、Wittenbecher进一步研究了利用小功率的激光在冷却水的作用下切割玻璃。Dhupal采用脉冲的Nd∶YAG激光切割氧化铝陶瓷并对工艺参数的影响进行的分析。Pascual采用激光切割玻璃化的陶瓷，并对激光参数进行了适当优化。Black采用N2、Ar、O2作为保护气氛采用CO2激光切割陶瓷，并对切割断口显微形貌进行对比。
　　由于蓝宝石在实际生活中大量应用，蓝宝石加工是影响其应用的重要问题，而有关蓝宝石的激光切割的断口形貌特征分析报道较少。本文采用Nd∶YAG长脉冲激光对蓝宝石晶体进行切割，分析激光切割断口的损伤形貌，并对损伤机理进行定性分析。
　　2实验利用冷心放肩微量提拉法（Sapphiregrowthtechniquewithmicro-pullingandshoulder-expandingatcooledcenter，SAPMAC）生长的蓝宝石晶体坯料，采用X射线YX-2D6晶体定向仪对蓝宝石晶体定向，确定出方向，然后采用超声加工设备进行加工制备晶体试样。
　　蓝宝石单晶试样采用毫秒脉冲激光实验台进行切割，采用LumonicsJK702H型Nd∶YAG脉冲激光，试验装置图如图1所示。通过聚焦激光得到焦斑半径约为50μm，会聚锥形同轴喷嘴前端距工件上表面为0.5mm，其出口直径为1mm.在开放式CNC（计算机数字控制）系统的控制下，工作台能够进行三维运动。当激光切割蓝宝石单晶时，分别采用N2、Ar、O2气作为保护气体，气体压力为0.2MPa，激光波长1.06μm，激光采用TEM00模式，激光的脉宽为1.1ms，激光切割时参数为脉冲能量1J、脉冲频率30Hz对蓝宝石单晶进行切割试验，切割速率是1mm/s.
　　采用D/max-RB型X射线衍射仪对加工的蓝宝石试样的定向进行检测，分析激光切割蓝宝石断口表面物相（Cu靶Kα辐射；Ni滤波片；管电压36kV）。采用CamScanMX-2600扫描电子显微镜观察断口形貌。
　　3结果与讨论3.1实验结果蓝宝石试样为单晶体，晶面指数为（006），转换四坐标晶面指数为（0006），由于（0006）是（0001）为同一晶面族，从而确定此蓝宝石试样的晶面指数为（0001）面。
　　因此对c轴的垂直面（0001）面进行切割，减少激光光束在蓝宝石内部的散射效果。
　　在N2、Ar、O2的3种保护气氛下的激光切割蓝宝石断口的宏观形貌差别较大。采用Ar作保护作用下的激光切割断口深，断口边缘较光洁，并具有一定的金属光泽；采用N2保护下的断口深度相对Ar保护下的断口深度浅，断口边缘处能够观察到粉末化现象；O2保护下的激光切割断口浅，断口边缘粉末化显著。
　　图4为蓝宝石在不同的保护气氛下激光切割断口处的XRD图谱。从图4中可以看出，在N2、Ar、O2不同的保护气的作用下，在蓝宝石的激光切割断口处衍射图谱的主峰相均为多晶α-Al2O3，采用Ar和N2保护下切割断口处的XRD图谱有一定差别。在N2保护下，检测出面心立方晶型的AlN的存在，而在Ar保护作用下出现了金属Al相。
　　以及混合气体。在激光切割过程中，断口熔坑内产生了大量的氧化铝熔渣，可以看出球形熔渣明显。采用Ar保护气时，激光对蓝宝石晶体切口深度相对于N2、O2较深，当采用N2、O2保护气时，激光使保护气体电离，特别是气体O2保护下，产生更强烈的等离子体，使蓝宝石晶体表面温度较高。
　　保护气体的作用，首先是对激光系统的聚光镜的保护作用，再者对切割材料断口的保护，采用惰性气体防止严重氧化，而对于切割断口发生放热反应可采用O2保护。由于激光的高能量，激光与保护气体相互作用，甚至产生电离，而电离产生的一定量的等离子态会对激光产生等离子体屏蔽效应（Plasmablockingeffect），而屏蔽的效果与保护气的电离能存在着一定的关系，William认为保护气的电离能越高，对激光的屏蔽效果越小。O2、N2、Ar的电离能分别是13.618eV、14.53eV、15.759eV，确定出Ar的屏蔽效果弱，在蓝宝石的断口形貌中得以证实。在相同的激光束功率密度作用下，在Ar的保护的断口深，说明激光穿过Ar保护气后剩余的激光束能量要高于其他两种保护气；而N2和O2由于电离能相对低，因而对激光的能量吸收较强，蓝宝石表面的等离子的温度高，如图6所示，激光与等离子体作用，使蓝宝石晶体表面因温度过高迅速气化甚至爆沸，脱离蓝宝石基体并使蓝宝石冷却的液滴回落到蓝宝石表面形成粉末，因而O2保护下激光切割的表面粉化较显著。
　　当激光束照射蓝宝石表面时，透过保护气的高斯型激光束光斑的能量呈正态化分布，中心部分能量高，蓝宝石被迅速加热，表面温度变化规律如式（1）和（2）所示，当表面温度达到一定温度时，蓝宝石被融化甚至气化，蓝宝石表面的温度随着时间变化曲线.
　　T（0，r，t）2AI（r）kDtπ T0（t≤ts）（1）T（0，r，t）2AI（r）k（Dtπ－D（t－tf）π）（t＞tf）（2）这里A为蓝宝石对激光的吸收系数，I（r）为距中心半径r处激光能量密度，k是蓝宝石热导率，ts是激光时间高斯型半峰高宽起始时间，tf是激光时间高斯型半峰高宽结束时间，T（0，r，t）是在表面处半径r位置t时刻的表面温度，D是热扩散系数。
　　在激光脉冲的起始段，蓝宝石的气化与激光作用，改变了晶体表面的吸收系数，激光束的能量被蓝宝石吸收迅速增加。导致气体温度的迅速上升，甚至使气体电离。经计算试验采用的激光功率密度可达107W/cm2数量级，激光束会使晶体表面产生了局部的电离化和吸收，从而晶体表面对激光的吸收系数增大，激光束能使周围的保护气体击穿，瞬间气化并产生等离子体，使晶体表面形成了所谓的钥匙孔（keyhole）的损伤形貌。在强激光作用下形成一个充满等离子体的钥匙孔，等离子体对激光的吸收率会大大增加，钥匙孔犹如一个陷阱，吸收率显著增大，进入孔中激光的能量基本上全部被蓝宝石吸收，即所谓的深孔效应。
　　蓝宝石在2327K温度下熔融，并在3250K温度下保持稳定熔融状态，当温度高于3250K时，蓝宝石解离产生了气相AlO、气相Al和液相Al、气相Al2O、气相AlO2.当温度高于5000K时，蓝宝石会完全的解离成气态Al原子和O原子。在2327K至3500K时，蓝宝石的分解：Al2O32Al 3/2O2↑（3）在不同的保护气体的作用下，解离出的Al原子会与相对活泼的保护气体发生反应。由于相对稳定性的Ar是惰性保护气体，不能够与其反应，从而使Al单质能够在保护气体作用下冷却不发生反应，因此切割断口残留Al金属呈现金属光泽，这与Pedraza［15］报道相似。当在N2的保护下，Al原子会与N2反应，生成AlN.
　　Tunezo［16］对Al和N2的反应进行了研究，认为熔融Al与N2发生化学反应而非溶解N2.而Al原子与O2保护气体的作用下重新氧化生成了Al2O3.在107～108K/s的加热速度和初始冷却速度～106K/s到后期的冷却速度为～102K/s的数量级，使得熔坑壁受到迅速的膨胀和收缩，使内壁产生了裂纹。后期的冷却速度较慢，因而熔坑壁上在较慢的冷却速度下生成了α-Al2O3，而无γ-Al2O3相的出现。
　　在毫秒脉冲激光的辐照下，激光的脉宽是1.1ms，而激光的脉冲频率是30Hz，则平均脉冲间隔是32.2ms.在单个激光脉冲的时间范围内，工作平台的移动1.1μm，因而对于光斑半径为50μm来说，移动距离较小，激光形成的钥匙孔的形状影响较小。当一个激光脉冲完成后，工作台平移33μm后开始下一次激光脉冲，而损伤坑的半径实际超过50μm，因此两个钥匙孔有较大的交叠，钥匙孔交叠部分切痕条纹处会被下一次激光脉冲的冲击波及高温作用下背离于激光束运动的方向，如图5所示，脉冲激光切割模拟示意图如图8a和，激光切割蓝宝石的断口形貌图如图8c所示，激光钥匙孔的尖端部分是熔渣形成部分，在深处是激光的热应力影响区，对于蓝宝石试样厚度大于钥匙孔深度的情况下，深处的热应力会很大，使得蓝宝石未切透的部分在热应力作用下开裂。
　　4结论采用长脉冲Nd∶YAG激光在N2、Ar、O2保护下切割蓝宝石，蓝宝石的切割深度与保护气体的电离能相关。在N2、Ar、O2保护下切割蓝宝石下的断口显微相貌差别较大，在N2保护下断口表面生成多晶α-Al2O3主相及少量的AlN，断口表面有粉化现象；在Ar保护下断口表面生成多晶α-Al2O3主相及少量的Al金属单相，断口表面相对平整；在O2保护下断口表面生成多晶α-Al2O3，断口表面粉化严重。相邻的激光损伤孔的交叠部分的切痕条纹，会在下一次脉冲激光的冲击波及高温作用下，背离于激光束运动的方向，形成了周期性的条纹。　
　

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