磨粒尺寸和基体硬度对固结磨料抛光YAG晶体的影响*

明 舜， 李 军， 张羽驰， 邱 阳， 朱永伟， 左敦稳

(南京航空航天大学 机电学院， 南京 210016)

钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)晶体的透光性好、熔点高、热导率高、光转效率高，长时间工作不产生色心，吸收系数大，可进行高浓度掺杂等[1-2]，YAG晶体固态激光器在雷达测风、激光测距、导弹拦截、轨道空间碎片清除、氢镁能量循环、激光核聚变、激光点火等领域具有广泛的应用前景[3-4]。但YAG晶体硬度高、脆性大，是典型的难加工材料，加工过程中易出现去除率低、加工表面不均匀、崩边等现象。然而，应用于高能激光器的YAG晶体表面则要求超光滑、无损伤[5]。

李军等[6]研究了Nd∶YAG透明陶瓷的超精密加工，分别采用平均粒径尺寸为28 μm的碳化硼磨料粗磨、3 μm和1 μm的氧化铝精磨、0.3 μm的氧化铝机械抛光和硅溶胶化学机械抛光，获得表面粗糙度RMS(root mean square )小于0.2 nm的超光滑陶瓷表面。孙志明等[7]先采用铜盘粗磨改善YAG晶体的表面缺陷，再用IC1000型抛光垫分别配合磨粒尺寸为0～0.30 μm和0～0.05 μm的Al2O3磨粒进行粗、精2道抛光YAG晶体，得到了平面度PV(peak-to-valley)为100 nm，表面粗糙度RMS为0.9 nm的光滑表面。DANIEL等[8]运用磁场辅助抛光技术，对比聚氨酯和绒布对YAG晶体的抛光效果，结果表明聚氨酯的抛光效果较优。谢瑞清等[9]提出利用合成抛光盘抛光Nd∶YAG晶体，通过优化、选择合适粒度的Al2O3磨料实现其低缺陷加工，抛光后的YAG晶体表面粗糙度RMS达到0.55 nm。

固结磨料抛光技术具有选择性强、平坦化效率高、工件表面不易釉化、环保等优点，代表着光整加工未来的发展方向[10]。黄金库等[11]对比不同金刚石磨粒尺寸的固结磨料垫抛光硫化锌晶体，发现当金刚石磨粒尺寸为2～4 μm时，抛光效果最佳，材料去除率为100 nm/min，表面粗糙度为4.37 nm。LI等[12]研究了不同磨粒尺寸、不同基体硬度的固结磨料抛光垫对CaF2晶体的加工效果，指出较优的磨粒尺寸为3～5 μm，基体较软时，工件表面质量最好，表面粗糙度Sa值为7.9 nm。王文泽等[13]采用3种不同磨粒尺寸的金刚石固结磨料研磨垫加工石英玻璃，当金刚石磨粒尺寸为14 μm时，满足硬脆材料的高效、高质量研磨要求。李军等[14]对LiB3O5(110)面进行抛光，针对其软、脆等难加工的特点，采用固结磨料抛光技术，得到了较高的表面质量，表面粗糙度Ra值为1.94 nm。苏建修等[15]对比固结磨料和游离磨料研磨SiC单晶基片(0001)C面，发现固结磨料研磨的材料去除率更大，表面粗糙度更小，还可提高工件的平面度。

采用固结磨料抛光YAG晶体，旨在探索新的加工方法，提高磨粒的利用率、工艺的可控性。通过单因素试验探究固结磨料抛光垫的基体硬度、金刚石磨粒尺寸对YAG晶体材料去除率及表面质量的影响。

1 试验条件及方法

试验在ZDHP-30型环抛机上进行，3块YAG晶体(10.0 mm×10.0 mm×0.5 mm)粘贴在K9玻璃载片上，如图1所示。抛光液由去离子水、OP-10乳化剂、三乙醇胺组成，其中OP-10乳化剂用于改善抛光液对固结磨料抛光垫的润湿性，三乙醇胺用来调节抛光液的pH值为10。设置抛光时的压力为49 kPa，抛光液的流量为70 mL/min，抛光垫和工件转速均为70 r/min，抛光时间为30 min。

选用亲水性固结磨料抛光垫[16-17]开展单因素试验。设定固结磨料垫的基体硬度由软到硬分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，金刚石磨粒尺寸为3～5 μm，综合评价不同基体硬度对固结磨料抛光YAG晶体材料去除率和表面质量的影响，选出加工效果较优的基体硬度抛光垫；在此基础上，分别选取磨粒尺寸1～2 、3～5 和5～10 μm的金刚石磨粒，研究磨粒尺寸对材料去除率和表面质量的影响，得出合适的抛光磨粒尺寸。

图 1 YAG晶体粘贴方式Fig. 1 YAG crystal bonding mode

使用METTLER TOLRDO精密分析天平称量YAG晶体抛光前后的质量，使用螺旋测微计测量工件的初始厚度，通过工件抛光前后的质量差计算得到YAG晶体的去除率ΔL。计算公式如(1)所示：

(1)

其中：Δm为YAG晶体抛光前后的质量差，g；h0为YAG晶体抛光前的原始厚度，mm；M0为YAG晶体抛光前的原始质量，g；t为抛光时间，min。

采用XJX-200型显微镜观察抛光后YAG晶体的表面形貌，CSPM4000型原子力显微镜(AFM)测量抛光后YAG晶体的表面粗糙度。

2 结果与讨论

2.1 基体硬度对YAG晶体材料去除率和表面质量的影响

图2是显微镜观察的YAG晶体表面形貌。从图2可以看出：当固结磨料垫基体硬度为Ⅱ时，YAG晶体的表面虽然出现少量细长划痕，但表面质量最好；当基体硬度为Ⅰ时，抛光后的YAG晶体表面的划痕数量多而密集；当基体硬度为Ⅲ时，YAG晶体表面除了出现细长划痕之外还出现了少数的小凹坑；当基体硬度为Ⅳ时，抛光后的YAG晶体表面质量最差，划痕深且宽，且在抛光面出现大量的小凹坑。

图2从宏观上反映了基体硬度对YAG晶体抛光质量的影响。当固结磨料垫基体硬度较小时(图2a)，在抛光液的浸泡下，亲水性树脂基体网格的结合力偏小，在与工件的摩擦和抛光液的冲刷下，基体磨损的速度较快，基体包裹的磨粒比例下降，此时基体对金刚石磨粒的把持力下降，脱落的金刚石磨粒随着抛光液直接从抛光垫的沟槽中流出，使有效磨粒数减少；同时由于弹性基体的退让性，磨粒在接触到工件后，会出现下陷和向后倾斜的现象，磨粒切深减小，此时的材料去除以耕犁作用为主，材料在划痕两侧形成堆积，所以抛光后的表面划痕数量较多，且较宽[18]。

(a) 硬度ⅠHardness Ⅰ(b) 硬度ⅡHardness Ⅱ(c) 硬度ⅢHardness Ⅲ(d) 硬度ⅣHardness Ⅳ图 2 不同基体硬度的固结磨料垫抛光的YAG晶体表面形貌图Fig. 2 Surface micrograph of YAG crystal after fixed abrasive pad polishing with different matrix hardness

基体硬度适中时(图2b)，基体对磨粒的把持力适中，磨粒对工件表面的机械作用以切削为主，有利于YAG晶体表面软化层的去除，工件表面划痕少且浅。

当基体硬度较大时(图2c)，基体不易磨损，对磨粒的把持力变大，磨粒对工件表面的机械作用增强，而被抛光表面的化学软化层不能及时产生，从而致使YAG晶体表面划痕变多且深；当基体硬度最大时(图2d)，磨粒的机械作用进一步增强，磨粒切入工件的深度变深，在抛光过程中，发生脆性去除，部分材料产生崩碎现象，从工件表面剥落，产生小凹坑。

AFM测量的YAG晶体微观形貌如图3所示。由图3可看出：基体硬度为Ⅱ时的抛光面光滑且划痕浅；基体硬度为Ⅰ时的抛光面次之；当基体硬度为Ⅲ和Ⅳ时，抛光面的表面质量较差，抛光表面出现大量凹坑，划痕深且宽，在划痕两侧存在材料的隆起和堆积现象。

图4为不同基体硬度的固结磨料垫抛光YAG晶体后的材料去除率和表面粗糙度。由图4a可以看出：固结磨料垫基体硬度越大，YAG晶体的材料去除率越高。随着基体硬度的增大，弹性基体的退让性下降，相

(a) 硬度ⅠHardness Ⅰ(b) 硬度 ⅡHardness Ⅱ(c) 硬度ⅢHardness Ⅲ(d) 硬度ⅣHardness Ⅳ图 3 AFM测量的不同基体硬度的固结磨料垫抛光YAG 晶体的表面形貌Fig. 3 AFM surface topography of YAG crystal after fixed abrasive pad polishing with different matrix hardness

同尺寸的金刚石磨粒切入工件的深度变大；同时基体对金刚石磨粒的把持力随之增大，金刚石磨粒脱落减少，抛光中有效磨粒数增加，磨粒对工件表面的机械作用越来越显著，材料去除率也持续变大。

(a) 基体硬度对材料去除率的影响Effect of matrix hardness on material removal rate(b) 基体硬度对表面粗糙度的影响Effect of matrix hardness on surface roughness图 4 不同基体硬度的固结磨料垫抛光YAG晶体的材料去除率和表面粗糙度Fig. 4 Material removal rate and surface roughness of YAG crystal after fixed abrasive pad polishing with different matrix hardness

由图4b可以看出：随着基体硬度的增大，YAG晶体的表面粗糙度先减小后增大。当基体硬度较小时，抛光过程中的机械作用以摩擦和耕犁为主。由于亲水性基体的磨损，抛光过程中的有效磨粒数量减少，抛光去除不均匀。所以当基体硬度较小时，工件的表面粗糙度Sa值反而不小。当基体硬度偏大时，随着基体硬度的增大，磨粒切入工件的深度增加，工件表面产生脆性断裂，划痕和凹坑的数量不断增加，YAG晶体表面粗糙度变大。当硬度适中为Ⅱ时，在磨粒的切削作用下，磨粒切入工件的深度适中，此时工件表面划痕少且浅，表面粗糙度Sa值最小[19]。

2.2 磨粒尺寸对YAG晶体材料去除率和表面质量的影响

图5为显微镜下不同磨粒尺寸，基体硬度为Ⅱ的固结磨料垫抛光YAG晶体的表面形貌。对比图5a中和图2b中的固结磨料抛光垫抛光后YAG晶体的表面形貌可知：金刚石磨粒尺寸为3～5 μm抛光垫所得的晶体表面(图2b)划痕更细、更浅，表面质量更优。图5b中，抛光后YAG晶体表面出现的划痕较深，数量更多，表面形貌较差。

(a) 1～2 μm(b) 5～10 μm图 5 不同磨粒尺寸的固结磨料垫抛光YAG晶体表面形貌Fig. 5 Surface micrograph of YAG crystal after fixed abrasive pad polishing with different particle sizes

AFM测量使用基体硬度为Ⅱ的抛光垫抛光YAG晶体的微观形貌如图6所示。对比图6a中和图6b中固结磨料垫抛光后的YAG晶体的表面效果可知：当金刚石磨粒尺寸为1～2 μm时，YAG晶体表面质量较好，但有细长的裂纹(图6a)；当金刚石磨粒尺寸为5～10 μm时，YAG晶体表面质量较差，表面划痕深且长(图6b)。对比图3b中的金刚石磨粒抛光所得的YAG晶体，其表面形貌最好。

(a) 1～2 μm(b) 5～10 μm图 6 AFM测量不同磨粒尺寸固结磨料抛光YAG晶体表面形貌图Fig. 6 AFM surface topography of YAG crystal afterfixed abrasive polishing with different particle sizes

这是因为当磨粒尺寸较小时(1～2 μm)，露出基体的金刚石磨粒高度不高，同时由于弹性基体的退让，抛光部分的磨粒微切削刃变短；同时由于磨粒尺寸小，单位面积的金刚石数量较多，抛光时易在晶体表面留下密集细小的划痕，导致晶体表面质量不佳。在基体退让高度相同的情况下，5～10 μm的金刚石磨粒的出露高度较高，切入工件的深度较深，晶体表面损伤变大，在YAG晶体表面留下较深划痕，导致YAG晶体的表面质量变差。当金刚石磨粒尺寸适中为3～5 μm时，磨粒的出露高度适中，切入工件的深度合适，在工件表面产生的划痕少且浅，晶体表面质量优。

图7为不同金刚石磨粒尺寸固结磨料垫抛光YAG晶体的材料去除率和表面粗糙度，其中抛光垫的基体硬度为Ⅱ。

(a) 磨粒尺寸对材料去除率影响Effect of particle size on material removal rate(b) 磨粒尺寸对表面粗糙度影响Effect of particle size on surface roughness图 7 不同磨粒尺寸的固结磨料垫抛光YAG晶体的材料去除率和表面粗糙度Fig. 7 Material removal rate and surface roughness of YAG crystal after fixed abrasive pad polishing with different particle sizes

由图7a可知：磨粒尺寸越大，材料的去除率越高。因为在基体相同的情况下，磨粒尺寸越大，切入晶体表面的深度变大，单次切削的去除量越多，在相同工艺下，材料去除率越高。图7b中随着磨粒尺寸的增大，抛光后YAG晶体的表面粗糙度先小幅减小后增大，这同图5的表面形貌和图6的AFM测量结果一致。 综合YAG晶体抛光后的表面形貌图、材料去除率和表面粗糙度等3个指标，选用金刚石磨粒尺寸为3～5 μm。此时固结磨料抛光的材料去除率为255 nm/min，表面粗糙度Sa值为1.79 nm，YAG晶体表面划痕少、无凹坑，表面质量最优。

3 结论

采用固结磨料抛光YAG晶体，研究了固结磨料垫的基体硬度和金刚石磨粒尺寸对YAG晶体抛光的影响，得出以下结论：

(1)随着固结磨料垫的金刚石磨粒尺寸和基体硬度的增大，YAG晶体的材料去除率增大，表面粗糙度先减小后增大。

(2)当基体硬度适中为Ⅱ，金刚石磨粒尺寸为3～5 μm时，固结磨料抛光YAG晶体的效果最好、表面质量最优，材料去除率适中，为255 nm/min，表面粗糙度Sa为1.79 nm。