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稀土氧化物激光晶体超精密磨削机理及工艺研究

2020-12-02阅读(138)

稀土氧化物激光晶体超精密磨削机理及工艺研究

论文摘要

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。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  •   1.1 课题背景及研究的目的和意义
  •   1.2 稀土氧化物激光晶体微观结构及其超精密加工研究现状
  •     1.2.1 稀土氧化物激光晶体的微观结构
  •     1.2.2 稀土氧化物激光晶体超精密加工研究现状
  •   1.3 硬脆材料塑性域去除机理研究现状
  •     1.3.1 硬脆材料塑性域去除概念的提出
  •     1.3.2 位错和层错等损伤导致的塑性去除
  •     1.3.3 高压作用下物相转变与非晶转变导致的塑性去除
  •     1.3.4 高压作用下材料纳米晶粒多晶化导致的塑性去除
  •     1.3.5 应变率效应对硬脆材料加工表面/亚表面形成的影响
  •   1.4 硬脆材料超精密磨削技术研究现状
  •     1.4.1 纳米级超精密磨削技术
  •     1.4.2 在线电解磨削技术（ELID磨削）
  •     1.4.3 辅助加热超精密磨削技术
  •     1.4.4 超声振动辅助磨削技术
  •   1.5 磨削加工中磨削力和表面粗糙度模型研究现状
  •     1.5.1 磨削力建模研究现状
  •     1.5.2 磨削表面形貌及粗糙度模型研究现状
  •   1.6 氧化石墨烯在机械加工冷却液中的应用现状
  •   1.7 目前研究中存在的问题
  •   1.8 本文的主要研究内容
  • 第2章 稀土氧化物激光晶体准静态压痕划痕力学性能及损伤机理
  •   2.1 引言
  •   2.2 基于纳米压痕的材料表面/亚表面形成及力学性能研究
  •     2.2.1 稀土氧化物激光晶体纳米压痕实验
  •     2.2.2 稀土氧化物激光晶体压痕表面/亚表面特征及损伤机理
  •     2.2.3 稀土氧化物激光晶体的力学性能
  •     2.2.4 稀土氧化物激光晶体应力应变曲线
  •   2.3 稀土氧化物激光晶体划痕表面/亚表面形成特征及机理研究
  •     2.3.1 纳米划痕弹塑转变与脆塑转变深度理论模型
  •     2.3.2 准静态纳米划痕实验
  •     2.3.3 稀土氧化物激光晶体准静态纳米划痕表面形成特征
  •     2.3.4 稀土氧化物激光晶体准静态纳米划痕亚表面损伤机理
  •   2.4 本章小结
  • 第3章 应变率对稀土氧化物激光晶体划痕表面/亚表面形成的影响
  •   3.1 引言
  •   3.2 考虑应变率效应的纳米划痕深度模型
  •   3.3 考虑应变率效应的纳米划痕实验条件
  •   3.4 考虑应变率效应的纳米划痕深度模型的实验验证
  •   3.5 不同应变率条件下纳米划痕表面及切屑形成特征
  •     3.5.1 不同应变率条件下GGG划痕表面及切屑特征
  •     3.5.2 不同应变率条件下Lu2O3划痕表面及切屑特征
  •   3.6 不同应变率条件下纳米划痕亚表面形成机理
  •     3.6.1 不同应变率条件下GGG划痕亚表面形成机理
  •     3.6.2 不同应变率条件下Lu2O3划痕亚表面形成机理
  •   3.7 本章小结
  • 第4章 稀土氧化物激光晶体超精密磨削机理及磨削力模型
  •   4.1 引言
  •   4.2 稀土氧化物激光晶体磨削实验条件
  •   4.3 稀土氧化物激光晶体超精密磨削表面/亚表面形成机理
  •     4.3.1 YAG单晶超精密磨削表面/亚表面形成机理
  •     4.3.2 GGG单晶塑性域磨削表面/亚表面形成机理
  • 2O3单晶塑性域磨削表面/亚表面形成机理'>    4.3.3 Lu2O3单晶塑性域磨削表面/亚表面形成机理
  •   4.4 稀土氧化物激光晶体塑性域磨削力理论模型
  •     4.4.1 磨削区有效磨粒数和磨粒尖端半径及切削深度
  •     4.4.2 磨粒与工件材料间的平均接触应力
  •     4.4.3 磨粒与工件材料间的接触面积分析
  •     4.4.4 磨削力模型
  •   4.5 磨削参数对稀土氧化物激光晶体磨削力的影响
  •     4.5.1 磨削速度对磨削力的影响
  •     4.5.2 进给速度对磨削力的影响
  •     4.5.3 磨削深度对磨削力的影响
  •   4.6 稀土氧化物激光晶体磨削力模型的实验验证
  •   4.7 本章小结
  • 第5章 稀土氧化物激光晶体超精密磨削工艺研究
  •   5.1 引言
  •   5.2 稀土氧化物激光晶体塑性域磨削表面形貌和粗糙度模型
  •     5.2.1 有效磨粒数计算
  •     5.2.2 磨粒中心线高度计算
  •     5.2.3 磨粒尖端轨迹方程
  •     5.2.4 磨削表面粗糙度和三维形貌模型
  •   5.3 稀土氧化物激光晶体磨削实验条件
  •   5.4 磨削表面形貌与粗糙度仿真及实验结果
  •     5.4.1 砂轮粒度对磨削表面形貌和粗糙度值的影响
  •     5.4.2 磨削工艺参数对磨削表面形貌和粗糙度值的影响
  •   5.5 稀土氧化物激光晶体氧化石墨烯润滑辅助磨削工艺研究
  •     5.5.1 稀土氧化物激光晶体氧化石墨烯润滑辅助磨削实验
  •     5.5.2 氧化石墨烯溶液浓度对表面粗糙度的影响
  •     5.5.3 氧化石墨烯溶液浓度对摩擦系数的影响
  •     5.5.4 氧化石墨烯在激光晶体磨削中的作用机理
  •   5.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
  • 致谢
  • 个人简历

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 李琛

    导师: 张飞虎

    关键词: 磨削机理,超精密磨削,磨削力,表面粗糙度,硬脆材料

    来源: 哈尔滨工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

    专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

    单位: 哈尔滨工业大学

    基金: 国家重点研发计划项目“高性能激光晶体超精密磨削技术与装备”(课题编号:2016YFB1102204),国家留学基金委

    分类号: TB34;TN248

    DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005222

    总页数: 156

    文件大小: 13536k

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