碳化硅反射镜坯体光学加工的残余应力

碳化硅反射镜坯体光学加工的残余应力

1c/sic坯体的残余应力由于其良好的物理、机械和光学性能，碳化硅逐渐成为空间反射镜的首选材料。碳化硅材料的加工工艺研究已经成为光学制造领域的研究热点作为CVDSiC反射镜的重要组成部分,C/SiC基坯体从两个方面影响CVDSiC反射镜的制造和使用:一是C/SiC坯体在制备和加工中引入的裂纹会影响反射镜的整体强度;二是C/SiC坯体在制备和加工过程中引入的残余应力一方面会影响CVDSiC涂层制备工艺的可靠性,另一方面会影响反射镜面形精度的长期稳定性。在裂纹的控制和消除方面,C/SiC坯体与传统光学玻璃的研究方法类似,人们可以首先测量C/SiC坯体在各道工序中产生的裂纹层深度并予以消除。而在加工残余应力的研究方面,由于这一问题在传统光学玻璃上表现不明显,相应的研究并不充分。实际上,作为一种陶瓷材料,C/SiC坯体在加工过程中引入的残余应力要远远大于玻璃,其影响也严重的多。近几年来,这一问题逐渐受到国外碳化硅反射镜研究学者的关注。其中德国ChGenzel等人对CVDSiC反射镜的加工而言,重要的是如何消除C/SiC坯体在加工过程中残余应力的负面影响,以满足碳化硅反射镜的强度和面形精度的长期稳定性。这就要求测量C/SiC各光学加工阶段的残余应力以及引入的应力层厚度,并在此基础上提出相应的处理方法,本文的工作正是为了这一目的而展开的。2剩余力的机制性和影响2.1残余应力的产生原因光学加工包括磨削成形、研磨以及抛光三个阶段,其中产生残余应力的原因包括机械应力、热应力以及相变应力等因素。由于碳化硅的化学性质非常稳定,在光学加工条件下不会产生相变,这一点已经被证实2.1.1残余应力在工件亚表面的应力在磨削成形和研磨阶段,磨削力的作用导致工件表面横向裂纹的产生,通过横向裂纹向自由表面扩展来实现材料的断裂去除;在抛光阶段,材料依靠嵌入在抛光膜中的抛光颗粒(0.5μm以下)以极薄的厚度(小于10nm)进行滑擦来实现材料的去除,此时工件的材料去除是塑性的,不会产生表面和亚表面裂纹。虽然在不同的加工阶段,材料去除机理存在区别,但是在残余应力的产生机理方面,二者却是一致的,即通过磨粒对工件的印压作用,导致工件表面产生塑性区,进而在工件表面形成残余应力场。如图1所示,磨粒在载荷P的作用下压入工件表面,工件亚表面产生中位裂纹。若在卸载过程中产生横向裂纹,则横向裂纹的扩展、脱落会导致材料去除,压痕塑性区消失;若在卸载过程中不产生横向裂纹或横向裂纹不脱落,则在压痕塑性区内存在很大的残余压应力。由于塑性区的作用,将在塑性区以下形成弹性应力场。若压痕特征尺寸为d,深度为d由此塑性区中的残余压应力p式中:E为材料的弹性模量;Ψ为磨粒锐度角的一半。显然,在横向裂纹不脱落的条件下,塑性区中的残余压应力随着磨粒尺寸的增加以及磨粒锐度角的减小而增大。2.1.2残余应力的计算磨削热引起的残余应力一般均为拉应力,碳化硅坯体表面受磨削热作用后的残余应力可以表示为式中:△t为表面与基体的温差;α为材料的热膨胀系数;E为材料的弹性模量;v为材料的泊松比。由式(3)可知,材料的弹性模量、热膨胀系数以及泊松比越大,表面热梯度越大,产生的热残余应力越大。2.2裂纹扩展特性的数值分析由于加工时的残余应力分布的不确定性,所以很难得到它对面形影响的解析解。因此计算残余应力对面形精度的影响通常采取有限元方法来进行仿真式中:K决定裂纹扩展的充分条件以及含裂纹体断裂的必要条件可以表示如下:式中的Kc为材料的断裂韧性。由式(7)和式(8)可以发现,表面残余应力场与由外加载荷形成的应力场一样影响裂纹尖端的应力场强度,从而决定裂纹的扩展。由式(7)可知,若σ3剩余力和电压层厚度的测量X射线衍射法以其非损伤、测量区域可变和重复精度高等优点已成为测试晶体材料残余应力的首选方法3.1剩余电压测量理论在X射线衍射法的工件表面,其残余应力的计算公式为于是上式可改写为式中M为2θ与sin在用sin式中:从而测量残余应力的误差值为3.2残余应力时x射线衍射法的相关参数设置X射线衍射仪实物图如图2所示,测定残余应力时X射线衍射仪的相关参数设置如表1所示。根据X射线测量残余应力的原理可知,在衍射强度一定的情况下,衍射角2θ3.3剩余电压层厚度的测量磨削残余应力层厚度与磨粒粒度有关,一般在数十微米,因此在磨削残余应力层厚度时常采用“逐层抛光法”4实验与讨论4.1基于残余应力的磨削成形试验为了准确测量在光学加工中所产生的残余应力,本文的实验完全是按照碳化硅反射镜坯体的加工过程来进行设计的,即采用相同的加工工艺参数模拟碳化硅反射镜坯体在磨削成形、研磨以及抛光过程中引入的残余应力。其中磨削成形试验是在自已研究的非球面光学复合加工机床(AsphericOpticalCompoundMachineTool,AOCMT)上进行的,并在双轴精密抛光机(JMD30.2)上进行研磨和抛光。三个加工阶段的实物图和加工参数如表2所示。此外,为了确保残余应力是由该道加工工序产生的,在研磨和抛光前必须去除前道工序所造成的损伤层,可以是损伤层深度与上一道工序的磨粒粒度相等。为了测量磨削加工时的残余应力层厚度,首先采用如表2所示的磨削工艺参数加工试件,然后采用“逐层抛光法”测量残余应力层的厚度。4.2残余应力沿深度方向分布采用X射线衍射法测得的由各道光学加工工序所产生的表面层残余应力如表3所示。采用逐层抛光法测得的C/SiC坯体在磨削试件表面上的残余应力沿深度的分布如表4所示,其分布曲线如图5所示。可见随着深度的增加,沿磨削方向和垂直磨削方向的表面残余应力都逐渐趋于坯体本身的残余应力值,这一深度大约为60μm。4.3数据分析4.3.1坯体残余应力测量本文采用的碳化硅反射镜坯体为Si/SiC两相结构。在材料制备过程中,由于Si相和SiC相的热膨胀系数不一致等原因,导致坯体在制备过程中产生了较大的残余应力。由于材料制备之后表面非常粗糙,很难准确测量出坯体本身的残余应力值。一般来说,抛光引入的残余应力层厚度很小,W0.5的金刚石微粉的抛光残余应力层小于1μm,而X射线衍射法测量的是表层15～20μm之内的平均残余应力,因此可认为抛光后的残余应力近似为坯体本身的残余应力,从而可以对磨削和研磨引入的残余应力进行对比研究。根据数据处理结果可知:在表2所示的工艺条件下,磨削碳化硅坯体时沿磨削方向导致残余拉应力,大小约为40MPa,而在垂直磨削方向则会引入压应力,大小约为70MPa;研磨引入残余压应力,大小约为10MPa。此外,由于常数K和tα/4.3.2磨削残余应力层的测量和测量罪犯的几何特征根据测量结果可知:C/SiC坯体在磨削过程中沿磨削方向会形成残余拉应力,这将会降低反射镜的强度;由于沿磨削方向与垂直磨削方向上的应力存在着较大差异,因此在残余应力的释放过程中必然造成镜面面形的扭曲,影响光学系统的成像质量。为了抑制磨削残余应力的影响,必须去除由磨削形成的残余应力层。根据图5所示的磨削残余应力沿深度变化的曲线可见,由两个方向引入的残余应力的性质是不一样的,但在两个方向上的残余应力层的深度都约为60μm。为了对比同等加工条件下的C/SiC坯体的裂纹层深度,采用截面显微法和SEM测量了裂纹层的深度,约为40μm,如图6所示。可见残余应力层深度比裂纹层深度约深20μm。4.3.3小12mpa类型根据表3所示的测量结果发现,研磨表面的残余应力(123.07MPa)只比基体残余应力(135.57MPa)约小12MPa。但是必须注意到,采用X射线衍射法测量的是20μm深度的平均结果,而根据ChGenzel的研究成果由于由W7金刚石微粉研磨引入的残余应力层厚度一般在3～4μm,因此研磨残余应力层内的残余应力在50～70MPa之间,而引入的压应力则在60～80MPa之间。4.4研磨残余应力层的影响根据C/SiC坯体在光学加工过程中应力的性质和大小可以得出如下结论:(1)由磨削产生的残余应力会降低反射镜的强度,并破坏反射镜面形精度的长期稳定性,因此必须消除由磨削形成的残余应力层。(2)由研磨产生的残余压应力不仅能够适当提高反射镜的强度,而且由于研磨压应力不存在明显的方向性,因此对面形精度的稳定性的影响可以忽略。综合上述结论可以认为,C/SiC坯体在磨削之后,可以通过小粒度磨粒(W7)对磨削表面进行研磨,去除磨削形成的裂纹层和残余应力层,同时在C/SiC坯体表面引入残余压应力层。5微粉磨削c/sic坯体(1)验证了采用X射线衍射法定量分析碳化硅反射镜坯体光学加工过程中引入的表面残余应力的可行性。(2)采用120#金刚石砂轮磨削C/SiC坯体,沿磨