一种激光修复与抛光陶瓷零件的方法与流程

本发明涉及激光加工领域，具体涉及激光修复与抛光陶瓷零件。

背景技术：

结构陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、强度高等优异的性能，广泛应用于航空航天、机械、电子、能源、化工等领域，是制造飞机燃烧器部件、洲际导弹的端头、轴承、滚珠、机械密封部件、模具等的重要材料。但是陶瓷硬度高、脆性大的特点使它的成型加工困难，容易产生表面尺寸不足和表面缺陷如微裂纹、孔隙、微区剥落等，使用过程还可能由于磨损或受热引起微量塑性变形与微裂纹，严重影响陶瓷零件的表面质量和精度。这些缺陷还常常造成零件工作过程的隐患，显著降低零件的可靠性及工作寿命，极大地限制了陶瓷零件的应用范围。

目前，国内外解决脆硬性的陶瓷零件表面缺陷的主要方法是进行抛光处理。激光抛光作为非接触式抛光方法近年来备受关注，它通过激光对材料的热作用与光化学作用进行材料的微量去除，适用于脆性材料的加工。相比yag激光及co2激光等长波长激光，准分子激光输出能量更高、波长更短、激光单光子能量更大，容易通过破坏材料表面的化学键实现对材料的冷抛光，是进行陶瓷零件抛光的理想光源之一。

但是，由于通过微量去除达到降低表面粗糙度的目的，抛光处理无法完全消除表面已存在的的深孔隙与裂纹，不能解决零件变形或成型收缩过量造成的尺寸微量不足等问题，不能提高零件的尺寸精度或形状精度。为使陶瓷零件达到理想状态，往往需要多种修复工艺与抛光处理进行配合，多次的装夹、加工会显著地影响零件的成品率、加工效率、尺寸精度等。如能在抛光的同时对陶瓷零件微缺陷及尺寸微量偏差进行修复，将极大地提高陶瓷零件成品率、表面质量与加工效率。

技术实现要素：

为了实现同时有效修复陶瓷零件表面的深孔隙与裂纹、尺寸微量不足，提高零件的尺寸精度与几何形状精度，并降低陶瓷零件的表面粗糙度，本发明提出了一种利用激光修复与抛光陶瓷零件的方法。结合长波长激光(如co2激光)能够实现微区陶瓷粉料烧结、短波长的准分子激光适用于进行微区陶瓷材料去除的特征，本发明通过扫描陶瓷零件的加工区域、对比分析三维模型，划分加工区域为刻蚀区、烧结区和抛光区，在刻蚀区进行短波长激光刻蚀去除深度裂纹，并对该区域和烧结区预置陶瓷粉末，利用长波长激光进行烧结、准分子激光进行烧结区域的粗抛光和加工区域的整体抛光。该方法具有可同时实现陶瓷零件区域或整体微缺陷、尺寸微量偏差的修复和零件的抛光，提高陶瓷零件的表面质量、尺寸和形状精度，易于实现自动化生产的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种激光修复与抛光陶瓷零件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1清洗陶瓷零件，将陶瓷零件装配至三维移动平台；

s2扫描所述陶瓷零件的表面轮廓(1)，将所扫描的轮廓模型与标准模型(2)相对比，划分出所述陶瓷零件表面的刻蚀区(3)、抛光区(4)、烧结区(5)；

s3利用准分子激光设备(6)加工所述刻蚀区；

s4对所述烧结区进行预置送粉，利用准分子激光设备的长波长激光进行烧结修复；

s5利用准分子激光设备对所述烧结区进行粗抛光；

s6利用准分子激光设备进行加工区整体抛光；

s7扫描所述陶瓷零件的表面粗糙度，如果粗糙度不满足要求，则返回s6，如果粗糙度满足要求，则完成准分子激光抛光过程。

优选地，s1包括：

清洗陶瓷零件，将清洗后的陶瓷零件装卡到三维移动平台，通过三维移动平台的移动实现所述陶瓷零件与扫描探头、激光束和送粉装置的相对移动。

优选地，s2包括：

利用显微检测单元扫描所述陶瓷零件加工区域的表面轮廓(1)，将扫描得到的轮廓模型与加工区域的三维标准模型(2)对比，将所述陶瓷零件表面的加工区域划分为刻蚀区(3)、抛光区(4)和烧结区(5)。

优选地，s3包括：

设定准分子激光设备(6)的参数，开启惰性气体保护装置(7)针对所述刻蚀区(3)材料表面的深度扩展裂纹或深孔隙，采用微区刻蚀的方式去除深度扩散裂纹或孔隙，再和烧结区(5)共同进行进一步处理，避免深度扩散裂纹或深孔隙在零件使用过程进一步扩展。

优选地，s4包括：

陶瓷零件的初始表面粗糙度为0.1～5μm，形位偏差不高于200μm，陶瓷的种类包括氧化铝、碳化硅、氧化锆或氮化硼。

优选地，s4包括：

采用预置送粉装置(8)，在所述烧结区(5)及刻蚀后的刻蚀区填充陶瓷粉末(9)，开启加工区域附近的预加热装置，利用长波长激光设备(10)进行粉末的微区烧结，生成填充的烧结区(11)。

优选地，其中：

陶瓷粉末的主要成分与零件基体一致，粉末粒度约0.1～1μm；长波长激光设备包括yag激光及co2激光设备，并涵盖陶瓷材料能够吸收的其他波段，激光能量20～35w，粉末烧结高度10～200μm。

优选地，s5包括：

调整准分子激光设备(6)的参数，进行烧结微区及部分表面粗糙度过高区域的粗抛光，并不断利用显微检测单元扫描表面粗糙度、调整准分子激光参数进行抛光，直到该区域尺寸精度和表面粗糙度与周围区域类似。

优选地，其中：

准分子激光的波长为193nm，248nm或308nm，并涵盖陶瓷材料能够吸收的其他波段，激光能量0.1～100mj，重复频率1～100hz，入射角度为0～90°。

优选地，s6包括：

调整准分子激光设备(6)的参数，进行加工区域的整体抛光。

抛光处理只能提高零件的表面粗糙度，减少表层缺陷，不能消除零件表面的深孔隙与深度扩展裂纹等缺陷，也不能解决零件变形或尺寸微量偏差以提高尺寸精度和形状精度；激光烧结处理只能实现陶瓷的增材制造，零件表面难以达到预期的表面粗糙度要求，也难以在不产生明显热影响区的情况下消除材料原有的深度扩展裂纹和深孔隙缺陷。

采用本专利提出的方案，实现对陶瓷零件的建模、修复与抛光，具有如下优势：

一、通过准分子激光刻蚀去除缺陷、长波长激光粉末烧结修复、准分子激光抛光，不仅能够降低陶瓷零件表面粗糙度，还能有效修复表面深孔隙、深度扩展裂纹等传统抛光方式难以处理的缺陷，有效提高了陶瓷零件的成品率、表面质量与加工效率。

二、通过对陶瓷零件的扫描分析及其与原模型的对比，结合陶瓷的微区烧结修复与去除，本方法能够补充局部尺寸的微量不足、去除局部多余材料，有效修复零件的尺寸偏差，提高零件的尺寸精度与形状精度。

三、准分子激光输出能量大、波长短，热影响区小，长波长激光烧结陶瓷材料效率高，两种激光相互配合，可控性好，便于实现自动化生产，能够实现微区的精密加工，对任何曲面、任意部位进行处理，显著降低对陶瓷基体的影响，保证零件修复与抛光的精度、质量和效率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为激光修复与抛光陶瓷零件方法的流程图；

图2为激光修复与抛光陶瓷零件的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明旨在提出一种激光修复与抛光陶瓷零件的方法，以同时有效实现对陶瓷零件表面深孔隙与裂纹、尺寸偏差的有效修复，提高零件的表面质量、尺寸精度与形状精度。以nd:yag激光器和arf准分子激光修复并抛光sic陶瓷轴承为例，结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

实施例一

如图1，一种激光修复与抛光陶瓷零件的方法，具体包括以下步骤：

s1清洗陶瓷零件，将陶瓷零件装配至三维移动平台；

s2如图2，扫描所述陶瓷零件的表面轮廓(1)，将所扫描的轮廓模型与标准模型(2)相对比，划分出所述陶瓷零件表面的刻蚀区(3)、抛光区(4)、烧结区(5)；

s3利用准分子激光设备加工所述刻蚀区；

s4对所述烧结区进行预置送粉，利用准分子激光设备的长波长激光进行烧结修复；

s5利用准分子激光设备对所述烧结区进行粗抛光；

s6利用准分子激光设备进行加工区整体抛光；

s7扫描所述陶瓷零件的表面粗糙度，如果粗糙度不满足要求，则返回s6，如果粗糙度满足要求，则完成准分子激光抛光过程。

实施例二

本发明公开了一种nd:yag激光器和arf准分子激光修复与抛光sic陶瓷轴承的方法，其主要包括sic陶瓷轴承的扫描分析、刻蚀处理、粉末烧结处理、粗抛光和整体精抛光几个环节。具体地，如图2所示，包括如下步骤：

①将清洗后的sic陶瓷轴承三维移动平台，利用显微检测单元扫描轴承的表面轮廓(1)，将扫描得到的模型与轴承三维模型(2)对比，确定轴承表面的刻蚀区(3)、抛光区(4)和烧结区(5)。

②设定arf准分子激光设备(6)的参数，开启惰性气体保护装置(7)针对刻蚀区(3)材料表面的深度扩展裂纹或深孔隙，采用微区刻蚀的方式去除深度扩散裂纹或孔隙，再和烧结区(5)共同进行进一步处理，避免深度扩散裂纹或深孔隙在零件使用过程进一步扩展。sic陶瓷零件的初始表面粗糙度为0.1～5μm，形位偏差不高于200μm，陶瓷的种类包括氧化铝、碳化硅、氧化锆、氮化硼等各种陶瓷材料。

③采用预置送粉装置(8)，在烧结区(5)及刻蚀后的刻蚀区填充陶瓷粉末(9)，开启加工区域附近的预加热装置，利用长波长激光设备(10)进行粉末的微区烧结，生成填充的烧结区(11)。陶瓷粉末的主要成分与零件基体一致，可以根据陶瓷种类及零件用途选择包含或不包含粘结剂，优选地，陶瓷粉末为sic粉末，粉末粒度约0.1～1μm，添加3％左右、粒度低于1μm的环氧树脂粘结剂。长波长激光设备包括yag激光及co2激光设备，并涵盖其他能够烧结陶瓷材料的激光设备，激光能量20～35w，粉末烧结高度10～200μm。

④调整arf准分子激光设备(6)的参数，根据材料的激光损伤阈值约0.3j/cm²，选取准分子激光的能量为0.35～0.45j/cm²，进行烧结微区及部分表面粗糙度过高区域的粗抛光，并不断利用显微检测单元扫描表面粗糙度、调整准分子激光参数进行抛光，直到该区域尺寸精度和表面粗糙度与周围区域类似。准分子激光的波长为193nm，248nm或308nm，并涵盖陶瓷材料能够吸收的其他波段，激光能量0.1～100mj，重复频率1～100hz，入射角度为0～90°。

⑤调整准分子激光设备(6)的参数，进行加工区域的整体抛光，并不断利用显微检测单元扫描表面粗糙度、调整准分子激光参数进行抛光，直到表面粗糙度小于或等于ra0.5，完成准分子激光抛光过程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。