绍了碳化硼陶瓷加工中存在的主要问题，将激光技术应用于加工碳化硼陶瓷上，研究出一种新型加工方法，设计出两种有效的激光切割方法并对碳化硼陶瓷进行切割。在实验基础上分析了激光加工参数对加工的影响，采用扫描电镜(SEM)对各种激光切割工艺的断口进行分析和讨论，提出激光加工碳化硼陶瓷的自行断裂机制。实验结果表明，在特定的功率下激光能够用来加上碳化硼陶瓷厚板。
1 引言
碳化硼陶瓷有许多优良性能，如密度小、熔点高、高温强度好和很强的吸收中子能力等，是化学性质最稳定的化合物之一。在航空、航天、汽车、机械、电子、化工及核工业等众多领域获得了广泛应用。但超高的硬度使其加工非常困难，从而限制了其发展。开发碳化硼加工的各种新技术，对推动碳化硼的虚用发展有着深远的意义。由于陶瓷常温下几乎不呈现塑性变形，加工表面易产生裂纹，导致其力学性能的降低；同时刀具的磨损严重、材料去除率低，影响了加工效率。目前陶瓷坯料的切割主要采用固定磨具(如金刚石锯片或带锯)及电火花切割法，但都存在许多问题。采用以高能量密度的激光作为刀具对其进行切割，即激光切割，具有非接触式加工、工件无污染、没有切削力、热影响小、加工速度快、能加工一些特殊面等优点。
激光加工是利用高能量密度(108-1010W/cm2)的均匀激光束作为热源，在加工材料表面局部点产生瞬时高温，局部点熔融或气化而去除材料。
本文通过应用激光对碳化硼陶瓷厚板的实验研究，实现了超硬陶瓷厚板的高质量切割，揭示了其自断裂机制，为陶瓷材料的厚板切割提供了实验和理论指导。
2 实验条件和设备
实验选用的碳化硼陶瓷材料为38.44mm×62mm×5.5mm和75.4mm×36.2mm×6.08mm的厚碳化硼瓷板，硬度为50GPa，综合成分的扫描电镜(SEM)光谱分析如表1。
表1 碳化硼式样的成分
激光器采用JH一Ⅵ型400W脉冲式Nd：YAG激光器，压力机为60t万能实验机，显微组织和断口用环境扫描电镜Quanta200(FEI公司)分析，实验过程分为两种方式：
1)直接切断：选用特定平均功率和速度的激光对碳化硼进行切割并直接切断。
2)激光辅助切割：由于激光可能不会完全切开碳化硼，因此在激光切割一定程度后，沿着切痕对碳化硼进行三线弯的压断实验(如图1所示)。
3 实验结果
3.1 工艺参数的初选结果
碳化硼陶瓷熔点高(2450℃)，脆性大，为了防止裂纹和氧化等缺陷发生，要选用特定平均功率和切割速度的激光对碳化硼进行切割。初期的激光加工参数是在多次实验的基础上修改设定，采用多次循环切法，即用同一参数对同一位置进行多次切割，逐步切断试样。但是对同一位置进行切割太多时，会使试样的边缘出现较明显的崩塌等缺陷。
多次实验表明，重复切割次数2～3次为佳，一般取两次。激光参数调整尝试范围为：脉冲宽度0.15～0.4ms，脉冲频率15～60Hz，速度120～240mm/min，参数尝试实验样品见图2所示。
实验发现。不同工艺参数得到的切缝在宽度、深度和质量有明显差别。相同工艺参数，同一位置切割次数越多，切缝越深，陶瓷边缘崩塌越明显。最后确定的激光工艺参数为：脉宽0.15ms，脉冲频率15Hz，速度120 mm/min(见图2中的第4条切缝)，其切缝深度为0.8mm，宽0.3mm，循环切割两次。
3.2 切割实验结果分析
3.2.1 典型实验一
样品厚度6.08mm，加工参数：焦距100mm；离焦量0mm；氧气压力0.2MPa；速度120 mm/min；脉宽0.3ms；脉冲频率15Hz；平均功率58w。工艺过程：1)激光在碳化硼板的单面沿同一路径走刀两次切出一条切缝；2)用压力机将其沿切缝处进行压断，所用压力约为0.25t。实验结果：切缝宽约0.3mm，深为0.5mm；被压断的地方有明显的撕裂现象，但是断口却光滑而且平整(见图3)，板的切缝在图的下端，表现为一条黑线。
3.2.2 典型实验二
样品厚度5.5mm，离焦量为6 mm，其余加工参数不变。激光扫描过程为：两面各切一条线，以同样的参数重复切割两次；然后用压力机将其从切缝处压断，所用压力约为0.15t。实验结果：切缝宽而浅，宽为0.8mm，深为0.3mm，有少许氧化现象；较仅单面切割的样品易于压断(见图4)。
3.2.3 典型实验三
样品厚度5.5mm，加工参数同实验一。激光扫描过程同实验二，然后用压力机将其从切缝处压断，压力约为0.2t。实验结果：切缝宽0.3mm，深0.5mm；样品容易压断，与实验二样品相比，断口光滑平整。
3.2.4 典型实验四
样品厚度5.5mm，离焦量为3mm，其余参数不变。激光扫描过程同实验二，然后将其从切缝处压断，所用压力约为0.2t。实验结果为：切缝较实验三稍宽，所用的压力和断口也没有明显的变化。
3.2.5 典型实验五
样品厚度5.5mm，平均功率提高至130W，其余参数不变。激光扫描过程为单面切割，以相同的参数重复切割两次。实验结果：激光沿同一条线切割两次后，碳化硼试样自行断裂，其断口工整(见图5)。
3.2.6 典型实验六
样品厚度5.5mm，脉冲频率为30Hz，平均功率为85w，其余参数不变。激光扫描过程为仅单面切割，以相同的参数重复切割两次，然后用压力机将其从切缝处压断，所用压力约为0.15t。实验结果：切缝有氧化，宽约0.5mm，深0.7mm，并且有剥落的现象，虽然较为容易压断，但是断口不整齐。
3.3 试样的断口组织分析
3.3.1 直接切断试样
图6是激光直接切割断裂的样品显微照片，激光切割参数同典型实验五，明显分为激光切割区和脆性断裂区。图6(a)中浅灰色部分为激光切割区，黑色的部分为切割过程中样品脆性断裂区。图6(b)为激光切割区和脆性断裂区界面的扫描电镜照片。图8(c)为激光切割区微观形貌。图6(d)为脆断区微观形貌。可以看到激光切割断口区凹凸不平，有许多小突起，呈现出韧窝状，可能足高温气化所致。而在切割中的脆断区则相对较为光滑，没有氧化现象．呈现明显的脆断，均没有发现微裂纹。
3.3.2 其他实验参数切割的试样
在其他压断试样中脆断区的破断功均较大。图7中激光切割参数同典型实验一，图中的浅灰色部分为激光切割区，黑色部分为压断实验的断口区域。经过观察问倍数的断口组织图6(b)和图7(b)发现，直接切断样品的激光加工区域(图6(b))较深，而其他实验切断样品(图7(b))的脆断区的破断功较大，组织有许多起伏变化。
3.4 断口组织中的微裂纹
在典型实验中，可以在激光切割区观察到微裂纹，其中典型实验三最多，见图8，可能是应力情况较复杂的原因。其激光平均功率较低，可能是碳化硼吸收了一定的热能，但尚未达到碳化硼的气化温度，从而产生了有害的机械应力所致，这种机械应力对整个样品的自行断裂无利．同时还会导致脆断区组织的崩裂。
4 实验结果讨论
4.1 切割宽度对压断力的影响
对所有实验试样的三线弯的压断实验表明，切缝越窄，切口越深的试样压断所用的力较小，断口越整齐。切口较浅的样品压断较为困难，有的在断裂处伴有撕裂现象，导致断口出现偏移，而没有完全沿切缝断开。这可能与应力集中的程度和水平的高低有关。
4.2 激光加工参数的影响
4.2.1 离焦量
提高离焦量，可以使切缝的宽度变大，对陶瓷的压断不利，但实验发现对热应力和机械应力的改变影响不大。
4.2.2 脉冲频率
提高脉冲频率，切缝的宽度和深度都有明显的提高，但是仍然不能直接切断样品，样品切口出现氧化现象。这可能与激光束停留时间长，又投有将材料气化和吹走有关。
4.2.3 功率
提高平均功率达到130w时，激光沿同一条线切割两次后30s内，碳化硼试样自行断裂，其断口工整，无陶瓷剥落现象。没有氧化，切缝深约为0.8mm，经过多次的重复实验后发现结果的重复性非常好。扫描电镜观察在激光叻割区有许多小突起，呈现出窝状组织，并且没有发现裂纹存在。
4.3 自行断裂机制分析
遥常激光切割陶瓷多数是通过高温将材料气化．实现材料的去除。这种机制不适合陶瓷厚板的切割加工。
本文提出碳化硼陶瓷的激光切割自行断裂机制可分为两方面，见图9所示。
第一次激光扫描使碳化硼陶瓷材料局部的温度迅速上升，使得该部分的碳化硼迅速气化，形成尖锐、均匀的微切口。
由于碳化硼陶瓷的热导率λ较小，常温下为0.08～0.29J/(cm s K)，其与温度T的关系为：
1/λ=(6.28T+1840)×105
可见温度越高，导热系数越小。激光束照射部位温度极高，因此导热系数很小，温度的传递很慢，热量不能通过传导的方式散发出去，将出现围绕激光束的极高的温度梯度。在进行第二次激光扫描时，很高的温度梯度沿尖锐的切缝展开，如图9中不同部位的温度T1和T2，明显存在T1>T2。
极高的温度梯度将引发极大的热应力，这种热应力在垂直于激光扫描的方向上生成瞬间的外弯曲机械应力，当机械应力的大小超过碳化硼陶瓷材料的断裂应力时，碳化硼陶瓷板发生以切口为裂纹源，导致整体断裂的失稳扩展，实现材料的自行整体断裂。
激光束第一次扫描只是用于在碳化硼陶瓷表面划出一道尖锐的切缝，而激光束的第二次扫描用来引导热应力，激光束沿着切缝的轨迹，裂纹顶端的应力集中在极大的机械应力作用下发生瞬间失稳扩展穿透厚板，形成整齐的断口。
5 结论
用激光对碳化硼厚陶瓷进行加工可选用自行断裂、切割后压断两种方式。自行断裂要在特定的加工功率和参数下才能进行，并能形成较好的切割质量。厚度为5.5mm的碳化硼陶瓷板，Nd：YAG激光平均功率达到130W，激光束沿同一位置重复走刀两次即可切断，切割速度可达到120mm/min，并且断口无裂纹。激光加工碳化硼厚陶瓷的自行断裂机制为热应力与机械应力的联合作用机制。加工参数选择不当时，会在激光切割区和脆性断裂区产生微裂纹，破坏加工质量。
