反应烧结碳化硅表面残留物的磨料水射流选择性去除方法与流程

本发明属于碳化硅陶瓷素坯表面预处理
技术领域：
，具体涉及一种选择性去除反应烧结碳化硅表面残留物的加工方法。
背景技术：
：碳化硅陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如硬度高、抗弯强度大、耐腐蚀性好、摩擦系数低等，而且其高温力学性能好。碳化硅陶瓷可以通过热压烧结、无压烧结、热等静压烧结等方法制备，其高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料。此外，碳化硅陶瓷具有优于其他非氧化物陶瓷的抗氧化性能。因此碳化硅陶瓷被广泛应用于石油、化工、汽车、航空航天等各种领域。尤其在航空航天方面，由于碳化硅陶瓷比刚度大，所以被认为是前景最为广阔的光学反射镜材料。现有的生产光学级碳化硅陶瓷的主要方法是反应烧结。反应烧结是将α-SiC粉和石墨粉按比例混匀，经干压、挤压或注浆等方法制成多孔坯体，在高温下与液态硅接触，坯体中的碳与渗入的Si反应，生成β-SiC并与α-SiC相结合，游离硅填充了气孔，从而得到高致密性的陶瓷材料。经反应烧结而成的碳化硅陶瓷素坯表面，不可避免地会存在一些表面残留物。这些表面残留物的主要成分是硅，以不规则的凸起物的形态粘结在碳化硅陶瓷素坯表面，对碳化硅陶瓷的进一步精密检测和加工造成了很大的困难。由于碳化硅陶瓷的脆性较大，使用传统机械加工的方法去除碳化硅表面残留物时，很可能在去除掉硅的同时对碳化硅陶瓷造成损伤。且传统的机械加工方法切削陶瓷表面残留物时会产生大量的切削热，也会对碳化硅陶瓷的性能产生影响。此外，传统的机械加工方法很难适用于各种形状的表面加工，因此尚且没有一种合适的机械加工方法可以实现碳化硅表面残留物的选择性去除。目前去除这些凸起硅的方法主要是依靠人工打磨。人工打磨可以去除掉凸起物且避免损伤碳化硅，而且对于任何形状的表面都适用。但是对于大口径或大批量的碳化硅陶瓷，通过人工打磨的方法需要耗费大量的人力物力且存在加工效率低、工时长等问题，显然是不符合经济性的。此外，人工打磨的方法会产生很多固体粉尘，对环境造成污染且危害人体健康。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种反应烧结碳化硅陶瓷表面残留物的选择性去除技术，可以在不损伤碳化硅陶瓷的情况下有效去除陶瓷表面的硅凸起，获得表面粗糙度值Ra<6.3μm的表面。本发明具体实现方法是：碳化硅表面残留物的主要成分是硅，基于碳化硅和硅在力学性质上的显著差异，尤其是硬度相差很大，加工硅与碳化硅的难度有很大差别，加工硅所需要的磨料水射流能量远小于加工碳化硅所需能量。通过调整磨料水射流的加工参数，选用“射流能量较小”的加工参数，使磨料水射流的射流能量可以铣削掉硅而不足以去除碳化硅，即：通过调整加工参数使磨料水射流具有选择性去除的能力。本发明的技术方案为：反应烧结碳化硅表面残留物的磨料水射流选择性去除方法，如下：在一定的加工参数下，对碳化硅陶瓷素坯进行磨料水射流铣削，其中，所述的加工参数满足的条件是：磨料水射流的射流能量仅仅铣削掉硅而不足以去除碳化硅。进一步的，所述的磨料水射流是通过磨料喷嘴后混合式超高压磨料水射流加工系统控制喷嘴运动实现的，所述的喷嘴运动的路径能够覆盖整个碳化硅陶瓷表面，保证相邻路径的间隔和扫描速度恒定。进一步的，在两条射流中心轨迹保持一定间距的情况下，磨料喷嘴往返移动一个循环，将工件表面上一个射流加工区内的表面残留物去除。喷嘴每往复移动一次，沿着与喷嘴横移速度方向垂直的方向移动一定的距离(即横向进给量数值)，以实现整个碳化硅陶瓷素坯表面上的残留物的去除。进一步的，所述的喷嘴的扫描路径选择为光栅状扫描路径，同心圆式的扫描路径或螺旋线式的扫描路径。进一步的，所述磨料水射流铣削的具体加工参数如下：磨料流量：每小时消耗的磨料的质量，为25kg/h；磨料种类为石榴石，磨料粒度为80目；喷射角度：水刀与工件表面所成的角度，为90度；水射流压力：100～300MPa；靶距：水射流喷嘴距离工件表面的距离，为30～90mm；喷嘴横移速度：喷嘴在加工方向上移动的速度，为500～1000mm/min；横向进给量：水射流一次铣削加工过程中，喷嘴沿着与横移速度方向垂直的方向移动的距离，为1～3mm。最终获得表面粗糙度Ra<6.3μm的碳化硅陶瓷表面。本发明的工作原理和方法：选择“射流能量较小”的加工参数，即射流压力较小、靶距较大、喷嘴横移速度较大的加工参数，使磨料水射流的能量较小且发散，并且对同一个位置冲击的时间较短。由于硅的硬度远小于碳化硅陶瓷的硬度，硅的切削加工性优于碳化硅，因此在射流能量较小的加工参数下，硅被去除掉而碳化硅不会被破坏。对碳化硅陶瓷素坯进行磨料水射流平面铣削，即在两条射流中心轨迹保持一定间距的情况下，磨料喷嘴往返移动一个循环，将工件表面上一个射流加工区内的表面残留物去除。喷嘴每往复移动一次，沿着与喷嘴横移速度方向垂直的方向移动一定的距离(即横向进给量数值)，以实现整个碳化硅陶瓷素坯表面上的残留物的去除。本发明的有益效果为：采用磨料水射流选择性去除的方法，可以自动高效地去除碳化硅素坯表面粘结的残留物。与人工打磨相比，可以节省人力物力，提高生产效率。相较于传统的机械加工方式，磨料水射流属于冷加工范畴，在去除碳化硅表面凸起物的同时不会对碳化硅产生热影响。且磨料水射流加工清洁，不会产生有害人体健康的粉尘等，对环境无污染。通过该种方法，可以得到表面粗糙度值Ra<6.3μm的碳化硅陶瓷表面。附图说明图1、图2、图3为水射流喷嘴扫描路径图，依次为光栅状扫描路径图、同心圆状扫描路径图、螺旋线状扫描路径图；图4为未加工之前碳化硅素坯的表面形貌图；图5、图6为具体实施例1中，经磨料水射流“射流能量较大”的加工参数铣削之后的碳化硅陶瓷表面形貌图及其在显微镜下观测到的表面微观形貌的3D图。图7、图8为具体实施例2中，经磨料水射流“射流能量较小”的加工参数铣削之后的碳化硅陶瓷表面形貌图以及在显微镜下观测到的表面微观形貌的3D图；图9、图10为具体实施例3中，经磨料水射流“射流能量较小”的加工参数铣削之后的碳化硅陶瓷表面形貌图以及在显微镜下观测到的表面微观形貌的3D图。具体实施方式结合附图发明作进一步说明。本具体实现的原理是：碳化硅表面残留物的主要成分是硅，基于碳化硅和硅在力学性质上的显著差异，尤其是硬度相差很大，加工硅与碳化硅的难度有很大差别，加工硅所需要的磨料水射流能量远小于加工碳化硅所需能量。通过调整磨料水射流的加工参数，选用“射流能量较小”的加工参数，使磨料水射流的射流能量可以铣削掉硅而不足以去除碳化硅，即：通过调整加工参数使磨料水射流具有选择性去除的能力；根据上述原理本发明公开了一种反应烧结碳化硅表面残留物的磨料水射流选择性去除方法，具体如下：在一定的加工参数下，对碳化硅陶瓷素坯进行磨料水射流铣削，其中，所述的加工参数满足的条件是：磨料水射流的射流能量仅仅铣削掉硅而不足以去除碳化硅。进一步的，所述的磨料水射流是通过磨料喷嘴实现的，所述的喷嘴运动的路径能够覆盖整个碳化硅陶瓷表面，保证相邻路径的间隔和扫描速度恒定。进一步的，在两条射流中心轨迹保持一定间距的情况下，磨料喷嘴往返移动一个循环，将工件表面上一个射流加工区内的表面残留物去除。喷嘴每往复移动一次，沿着与喷嘴横移速度方向垂直的方向移动一定的距离(即横向进给量数值)，以实现整个碳化硅陶瓷素坯表面上的残留物的去除。进一步的，所述的喷嘴的扫描路径选择为光栅状扫描路径，同心圆式的扫描路径或螺旋线式的扫描路径，具体的如图1、2、3所示，依次为光栅状扫描路径图、同心圆状扫描路径图、螺旋线状扫描路径图。进一步的，所述磨料水射流铣削的具体加工参数如下：磨料流量：每小时消耗的磨料的质量，为25kg/h；磨料种类：为石榴石，磨料粒度为80目；喷射角度：水刀与工件表面所成的角度，为90度；水射流压力：100～300MPa；靶距：水射流喷嘴距离工件表面的距离，为30～90mm；喷嘴横移速度：喷嘴在加工方向上移动的速度，为500～1000mm/min；横向进给量：水射流一次铣削加工过程中，喷嘴沿着与横移速度方向垂直的方向移动的距离，为1～3mm。最终获得表面粗糙度Ra<6.3μm的碳化硅陶瓷表面。下面例举三个具体的实施例，对本发明的效果进行说明：在试验前，未经处理的碳化硅陶瓷素坯表面如图4所示，可以看到在未经处理的碳化硅陶瓷素坯表面遍布着形状不规则的凸起物；实施例1：射流压力、靶距、喷嘴横移速度如表1所示，其余参数采用磨料流量：每小时消耗的磨料的质量，为25kg/h；磨料种类：为石榴石，磨料粒度为80目；喷射角度：水刀与工件表面所成的角度，为90度；横向进给量选择1mm。铣削后碳化硅陶瓷表面效果如图5、6所示，可以看出当射流能量较大时，可以很好地去除碳化硅表面的硅，需进一步验证碳化硅是否被除去；经测量加工后的表面粗糙度为4.359μm。表1磨料水射流铣削碳化硅陶瓷加工参数单位铣削参数射流压力MPa300靶距mm30喷嘴横移速度mm/min500实施例2：射流压力、靶距、喷嘴横移速度如表2所示，其余参数采用磨料流量：每小时消耗的磨料的质量，为25kg/h；磨料种类：为石榴石，磨料粒度为80目；喷射角度：水刀与工件表面所成的角度，为90度；横向进给量选择2mm。铣削后碳化硅陶瓷表面效果如图7、8所示，可以看出当射流能量较小时，可以很好地去除碳化硅表面的硅。通过与图5、6观测到的微观图进行对比，发现两次加工过程射流能量不同，以未加工表面为基准测得的加工深度不同，可以说明当射流能量较大时，磨料水射流不仅去除了凸起硅还会除掉一部分碳化硅，即未实现选择性去除；经测量加工后的表面粗糙度为4.442μm。表2磨料水射流铣削碳化硅陶瓷加工参数单位铣削参数射流压力MPa100靶距mm60喷嘴横移速度mm/min1000实施例3：射流压力、靶距、喷嘴横移速度如表3所示，其余参数采用磨料流量：每小时消耗的磨料的质量，为25kg/h；磨料种类：为石榴石，磨料粒度为80目；喷射角度：水刀与工件表面所成的角度，为90度；横向进给量选择3mm。铣削后碳化硅陶瓷表面效果如图9、10所示，通过与图7、8观测到的微观图进行对比，发现两次加工过程射流能量不同，但以未加工表面为基准测得的加工深度大致相同，为211μm左右。可以说明当射流能量较小时，磨料水射流只去除了碳化硅表面的硅，而对碳化硅没有影响，即：可证明磨料水射流对碳化硅陶瓷表面的残留物具有选择去除能力。经测量加工后的表面粗糙度为5.471μm。表3磨料水射流铣削碳化硅陶瓷加工参数单位铣削参数射流压力MPa100靶距mm90喷嘴横移速度mm/min1000上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。当前第1页1 2 3