基于GIXD技术的光学晶体材料精密/超精密加工亚表面损伤无损检测与评价新方法基础研究

Aim to a difficulty that evaluation/detection of subsurface damage of optical crystal materials during precision/ultra-precision machining, the project puts forward to a novel method to detect nondestructively and evaluate various subsurface damage forms. This method utilizes the grazing incidence X-ray diffraction (GIXD) technique to analyze and evaluate the micro-structures at surface/subsurface damage layers after processing. Accurate analysis of the characteristics of different subsurface damage forms and microstructures will be achieved by studying the formation mechanism of the lattice distortion field of the optical crystal under the coupling damage condition, the formation mechanism of GIXD diffraction spectrum and the association mechanism of the type of damage defect and the formation and distribution of GIXD diffraction spectrum. A mathematic model of subsurface damage depth under different process conditions will be established, with the aid of the X-ray diffraction kinetics theory, by analyzing and evaluating the micro-structures of damage layers at different depth. On this basis, the dynamic association mechanism between the actual process and the subsurface damage behavior will be studied. A new nondestructive detecting method for the comprehensive evaluation of subsurface damage behavior and microstructural characteristics under actual technological conditions will be established. The research achievements have a broad application prospect in the field of precision/ultra-precision machining including aerospace, military hardware and civil. It has a very important theory significance and application value to improve machining quality and enhance the performance of optic components.

本项目针对光学晶体材料精密/超精密加工亚表面损伤检测与评价难题，提出一种能对不同亚表面损伤形式进行无损检测和评价的新方法。该方法利用掠入射X射线衍射技术（GIXD）对加工后亚表面损伤层微结构特征进行分析和评价。通过研究耦合损伤条件下光学晶体晶格畸变场的形成机理、GIXD衍射谱的形成机制、损伤缺陷类型与GIXD衍射谱形成及分布规律的关联机制，实现对不同亚表面损伤形式与微结构特征的准确解析；通过对不同深度损伤层微结构特征进行解析和评价，结合GIXD衍射动力学理论，建立起实际工艺条件下亚表面损伤层深度的数学模型。在此基础上，研究实际工艺过程与亚表面损伤行为的动态关联机制，最终形成一种能对实际工艺条件下亚表面损伤行为及微结构特征进行综合评价的无损检测新方法。研究成果在航空航天、武器装备及民用等精密/超精密加工技术领域有着广阔的应用前景，对于改善光学器件加工质量、提高光学器件的使用性能具有重要意义。

本项目针对光学晶体材料加工亚表面损伤无损检测难题，创新性地将GIXD技术引入到光学晶体材料精密/超精密加工亚表面损伤检测领域，对实际加工后光学晶体材料的表面/亚表面晶体结构特征进行无损检测，实现对亚表面损伤形式及其微结构特征的分析与评价。通过X射线衍射理论推导出晶面衍射时的理论计算公式，同时研究了晶格畸变过程中晶面变化规律，以揭示GIXD衍射谱线变化的根本原因。通过分子动力学研究了不同类型缺陷引起的晶格畸变作用对衍射谱线的影响，揭示了不同类型缺陷与衍射谱线特征的映射关系，研究结果表明：微裂纹使衍射曲线部分晶面出现峰位漂移的现象，对整条衍射曲线的影响是局部的；位错使衍射曲线出现多峰位衍射的现象，对整条衍射曲线的影响是全局的。通过不同工艺参数下的飞切实验，揭示了光学晶体内在变形机制和GIXD检测亚表面缺陷结构的作用机制。结合GIXD 衍射与XRD仿真衍射的联系，解析出了样品加工后存在的缺陷类型。在此基础上，通过分子动力学揭示了不同深度缺陷引起的衍射谱线变化本质规律。研究结果表明：不同深度缺陷表现为不同的衍射谱特征，对于微裂纹和位错缺陷，可通过晶面主峰、旁瓣峰衍射强度的变化规律分析缺陷大致所在深度。开展了实际工艺过程对光学晶体材料精密/超精密加工亚表面损伤形成的影响机制研究，建立了CaF2晶体脆塑转变模型，得到了脆/塑损伤临界应力。利用磨削有限元仿真得到了不同加工参数作用下CaF2晶体主要损伤因素。在此基础上，开展了以磨削深度为主要变量的实际磨削实验，并利用GIXD衍射解析了样品加工后的亚表面损伤层深度。研究结果表明：衍射过程先是样品损伤区域参与衍射，引起衍射谱线改变，当X射线穿透到样品无损基体，衍射线形及强度逐渐趋近于无损晶体，衍射峰变化前后的衍射区域深度即为缺陷区域深度的区间。本研究采用的新方法能够直接对光学晶体材料实际加工后亚表面损伤形式以及微结构特征等进行无损检测和全面综合评价，这些新方法的应用对于指导光学器件加工工艺过程、抑制亚表面损伤、提高光学器件加工质量和使用性能具有重要的理论意义和应用价值。